1 引言

大气能见度是表征大气透明度的物理量,在气象、交通、**和日常生活中受到了广泛关注^[1-2]。作为重要的气象因素,大气能见度对航空飞行至关重要。目测是大气能见度的观测方法之一,但客观性、准确性较差。目前,大多数民航机场通过安装能见度仪实时监测机场跑道区域的大气能见度,为航空飞行活动提供气象信息。

大气透射仪和前向散射仪是民航机场常见的大气能见度观测设备^[3-4]。大气透射仪将光学收发单元以一定基线长度相对放置,通过测量收发两点间的大气透过率计算大气能见度。相比前向散射仪,采样空间更大,在一定程度上能克服前向散射仪以点代面的缺点,且在多次对比实验中表现出更高的可靠性和准确性^[5-6],是大气能见度观测的主导设备。其中,芬兰维萨拉公司的LT31型大气透射仪以其优良的性能成为民航机场大气能见度仪的首选^[7]。国内相关研究方面,长春气象仪器研究所研制了TS型透射表^[8],与维萨拉公司生产的大气透射仪LP11、LR11测量偏差不超过10%。程绍荣等^[9]介绍了一种以白光LED为光源的大气透射仪样机,通过在光学天线上加装多功能门机构,延长了定期清洁镜头的周期,测量指标接近维萨拉同类产品的水平。王宗俐等^[10]利用反射镜设计了激光往返式大气透射仪,兼容了透射测量原理和后向散射仪单端收发的优点,具有抗环境污染能力强和测量灵敏度可调等优点。田林等^[11]基于角反射器设计了单端透射式能见度仪,并与维萨拉的前向散射仪FD12进行了对比测量,两者测量结果的一致性较好。然而国内对大气透射仪的研究还处于样机阶段,少有成熟产品的出现,导致民航机场使用的大气透射仪被国外产品垄断,售价及后期维护费用较高。此外,虽然以LT31为代表的大气透射仪作为成熟产品已运行多年,但在使用中仍然存在测量值与目测值偏差较大的情况^[12-13]。这一方面与光源、光路、探测器等硬件因素有关^[14-16],另一方面与大气透过率模型有关^[17-19]。进口大气透射仪的透过率模型基于国外的大气环境建立,直接应用于国内大气环境必然存在“水土不服”的问题。

因此,基于大气透射原理,从软硬件方面改进现有大气透射仪,研究高精度的大气能见度观测系统具有重要意义。本课题组设计了一种变基线大气能见度测量系统,文献[ 13]给出了系统的测量装置,并讨论了测量间隔点数对测量结果的影响。相比传统大气透射仪,该系统最大的特点是光学接收单元具有可移动性。通过改变光学接收单元的位置,可在多个基线长度上测量大气透过率,从而实现大气能见度的变基线测量。本文在介绍系统测量原理和组成的基础上,根据大气透射仪的测量误差来源,通过理论分析和仿真实验论述了变基线大气能见度测量系统在处理系统误差和随机误差方面的优势,验证了该系统可从根源上克服硬件引入的系统误差,有效提高大气能见度的测量精度。

2 测量原理及系统实现

2.1 测量原理

在气象上,大气能见度是指视力正常的人,在当时天气条件下能从天空背景中看到和辨认出黑色目标物(大小适度)的最大距离。世界气象组织采用气象光学视程(MOR)作为大气能见度的特征量,即色温为2700 K的白炽灯发出的平行光束在大气中光通量削弱至初始值5%时所经过的路径长度。根据Koschmieder定律,MOR与大气消光系数σ的关系为

M=-lnεσ,(1)

式中,M为气象光学视程,ε为视觉对比阈值,一般取为0.05。由(1)式可知,MOR测量的关键在于大气消光系数的测量,根据Bouguer-Lambert定律,激光在均匀大气中的衰减可表示为

T=II0=exp(-σr),(2)

式中,T为大气透过率,I为接收光强,I₀为出射光强,r为基线长度,即大气消光系数的测量依赖于大气透过率的精确测量。因此,设计了一种变基线大气能见度测量方法,主要思想是将固定基线改为可变基线,在多个基线长度上测量大气透过率,对得到的多点大气透过率进行最小二乘拟合,从而获得探测路径上的大气消光系数,如图1所示。

图 1. 变基线大气能见度的测量原理

Fig. 1. Measurement principle of atmospheric visibility with variable baseline

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当基线长度分别为r₁,r₂,…,r_n时,(2)式可写为

T1=I1I0=exp(-σr1)T2=I2I0=exp(-σr2)…Tn=InI0=exp(-σrn)。(3)

对(3)式两边取自然对数,得到

lnTi=-σri,i=1,2,…,n。(4)

由(4)式可知,变基线测量时,一个r_i可得到一个ln T_i。以r_i为自变量,ln T_i为因变量,采用最小二乘法,构造误差平方和函数f(σ),令其一阶导数为0,得到的大气消光系数为

f(σ)=∑i=1n[lnTi-(-σri)]2df(σ)dσ=0σ=-∑i=1nrilnTi∑i=1nri2。(5)

2.2 系统实现

变基线大气能见度测量系统由激光发射单元、光学接收单元、数据处理及控制单元(统称为PC)、载运小车和高精度滑轨组成,其中,载运小车位于高精度滑轨上,如图2所示。

激光发射单元由激光器、光学斩波器、透镜组和光束调整架组成。激光器输出的连续光波长为532 nm,接近人眼最为敏感的550 nm波长。激光器发出的光首先经光学斩波器调制为脉冲光,然后由分光镜分为两束,大部分光作为探测信号经扩束后射向大气,小部分光作为参考信号送入接收端的锁相放大器。光学斩波器相当于一个光开关,以一定频率对激光进行调制,输出与探测信号频率一致的参考信号。光束调整架具有粗调和微调功能,可调整出射光束的角度和高度,确保光学收发单元的高度准直性。

图 2. 系统的组成

Fig. 2. Composition of the system

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光学接收单元包括透镜组、光电探测器和锁相放大器。探测路径上经大气衰减的平行光被光电探测器接收后送入锁相放大器。该信号作为探测信号,与斩波器输出的参考信号一并由锁相放大器进行相关检测。锁相放大器利用参考信号与探测信号频率相关、与噪声信号频率不相关的特点,在提取有用信息的同时抑制光源、光路及电路中的随机噪声,提高了输出信噪比。最终将锁相放大器输出的光强信号送入计算机进行处理。

数据处理及控制单元采用工控机,用于完成数据的计算处理以及光学斩波器、光电探测器、锁相放大器及载运小车的控制。载运小车通过伺服电机驱动,由蓄电池提供动力,用于搭载光学接收单元和数据处理单元。使用的滑轨长为55 m,轨道间距为0.35 m,安装精度可保证光学收发单元的准直度及载运小车的平稳移动。滑轨两侧每隔5 m安装一个感应片,配合载运小车的接近传感器进行定位。

系统工作时,载运小车从激光发射端出发,首先采集出射光强,然后每隔5 m驻留一次,由光学接收单元对不同基线长度上的光强信号进行测量,经数据处理后得到大气透过率。测量完毕后,载运小车复位,数据处理单元根据多点透过率计算出大气消光系数和大气能见度。

3 测量误差分析

大气透射仪的测量误差包括系统误差和随机误差,其中,系统误差主要来自光源的稳定性、光学收发单元的准直度和窗口玻璃污染,受系统误差影响的收发光强可表示为

IT=λTI0IR=λRI0exp(-σr),(6)

式中,I_T为发射端的实际光强,I_R为接收端的实际光强,λ_T、λ_R分别为发射端、接收端的系统误差因子。λ越小,表明系统误差越大。

在系统误差中,窗口玻璃污染对大气透射仪测量精度的影响最为严重,而传统大气透射仪使用两套接收机分别检测收发光强,其定期清洁窗口玻璃的方法不能从根本上解决问题。根据(6)式得到的大气透过率为

T=IR/IT=λR/λTexp(-σr)。(7)

由(7)式可知,系统误差因子隐含在大气透过率中无法消除,除非收发端系统误差完全一致。针对该问题,本系统使用单一接收机进行双端检测,即光学接收单元同时检测收发光强,其接收光强可表示为

I'R=λRI0exp(-σr)。(8)

由(8)式可知,当r=0 m,光学接收单元位于激光发射端时,接收端检测到的光强即为发射光强,可表示为

I'T=λRI0。(9)

结合(8)式、(9)式,得到的大气透过率为

T'=I'R/I'T=exp(-σr)。(10)

由(10)式可知,系统误差因子因透过率的比值形式被抵消。因此,本系统能从根源上消除系统误差对测量结果的影响。

探测器的暗电流噪声及电路中的热噪声、散粒噪声是随机误差的主要来源。与传统大气透射仪类似,本系统以多次测量求平均值的方法减小随机误差对测量结果的影响。但传统大气透射仪基线长度固定,仅能进行单点多次测量。而本系统的基线长度可变,可进行多点、多次测量。随着测量间隔点数和测量次数的增加,噪声方差将进一步减小,同时在透过率存在测量误差的前提下,可利用最小二乘法得到大气消光系数的最优解。

4 仿真实验

选取200,800,2000 m三种大气能见度作为实验研究对象,分别模拟低、中、高能见度天气,以此评估随机误差和系统误差对本系统及传统大气透射仪的影响。为客观反映系统性能,利用蒙特卡罗法进行仿真实验,以均方根误差(RMSE)作为性能评价标准。传统大气透射仪的基线长度50 m,为定基线测量。本系统为变基线测量,基线长度分别为5,10,…,50 m等,共10个测试点。为便于分析,对发射光强进行归一化处理,系统误差因子λ的取值范围为[0.2,1]。

4.1 随机误差对测量结果的影响

假设水平方向大气分布均匀,200,800,2000 m的大气能见度对应的大气消光系数真值分别为15,3.75,1.5 km^-1。设收发端的系统误差因子保持不变,λ_T和λ_R分别为0.9和0.8。通过加入高斯白噪声改变系统信噪比,在每个信噪比下进行100次蒙特卡罗实验。信噪比为10~40 dB时,本系统与传统大气透射仪大气消光系数的测量结果如图3所示。从图3(a)可以看出,当大气能见度为200 m、信噪比为10 dB时,本系统和传统大气透射仪的最大RMSE分别为6.3197和8.0291。随着信噪比的增大,本系统和传统大气透射仪的RMSE逐渐减小,但传统大气透射仪的RMSE整体高于本系统。当大气能见度为800 m时,二者的测量结果趋势相同,如图3(b)所示。当大气能见度为2000 m、信噪比为10 dB时,本系统和传统大气透射仪的最大RMSE分别为4.3382和5.7651。当信噪比增至40 dB时,传统大气透射仪的RMSE为2.3538,本系统仅为0.1262,如图3(c)所示。即增大信噪比并没有使传统大气透射仪的RMSE出现显著下降,但本系统的测量精度得到了明显提高。这表明本系统受随机误差的影响较小,具有良好的抗噪声能力,且对多种能见度天气的适用性较好。

图 3. 不同大气能见度下信噪比对测量结果的影响。(a)200 m;(b)800 m;(c)2000 m

Fig. 3. Influence of signal-to-noise ratio on measurement results under different atmospheric visibility. (a) 200 m; (b) 800 m; (c) 2000 m

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4.2 系统误差对测量结果的影响

设λ_T保持0.9不变,λ_R在区间[0.2,1]内变化,采用蒙特卡罗法得到信噪比为25 dB,大气能见度分别为200 m和2000 m时,本系统与传统大气透射仪的大气消光系数,如图4所示。从图4(a)可以看出,当大气能见度为200 m、λ_R较小时,传统大气透射仪的测量误差较大。如当λ_R为0.5时,其RMSE为12.0068,随着λ_R的增大,传统大气透射仪的RMSE有所减小,直到λ_R为0.9与λ_T接近时,其RMSE才与本系统相当。但该结果的前提是收发端系统误差一致,实际中无法做到。本系统因单端采样,测量结果受系统误差的影响较小。当λ_R=0.5时,RMSE的最大值为1.9614,即使在λ_R=0.2时,本系统的RMSE也远远小于传统大气透射仪。从图4(b)可以看出,当大气能见度为2000 m时,相比传统大气透射仪,本系统的测量精度更高,而系统误差会严重影响传统大气透射仪的测量精度,仅在理想情况下,即λ_R=0.9时,两者的测量结果接近,这表明本系统在处理系统误差方面具有独特优势。

图 4. 不同大气能见度下系统误差对测量结果的影响。(a)200 m;(b)2000 m

Fig. 4. Influence of system error on measurement results under different atmospheric visibility. (a) 200 m; (b) 2000 m

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5 外场实验

本系统搭建完成后,开展了大量的外场实验。首先利用自行建造的大气环境模拟舱进行了观测实验,模拟舱的长为55 m,高为1.8 m,宽为1.6 m,与变基线测量系统同步设计,如图5所示。向模拟舱内注入雾化气溶胶、黑碳气溶胶、粉尘气溶胶等各类气溶胶,经供气循环系统混合,在短时间内可实现大气能见度的快速可控调节。多次测量实验结果表明,随着模拟舱内气溶胶注入量的增大,本系统能很好地反映大气能见度的变化趋势。其次,在自然环境下,将本系统与天津滨海国际机场使用的大气透射仪进行了对比测量,后者的大气能见度信息通过机场发布的气象报文获取。模拟舱的建设地点距离天津滨海国际机场直线距离约为7 km,机场气象报文作为实际运行部门的数据可信度较高,可用于数据对比。在大雾、轻雾、晴天等不同天气条件下开展了多次对比实验,得到二者的测量偏差在10%以内的占比达92%,测量偏差大于20%的不足5%,这表明两者的测量结果一致性较好,验证了本系统的稳定性和有效性。

图 5. 大气环境模拟舱

Fig. 5. Atmospheric environment simulation chamber

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6 结论

设计了一种变基线大气能见度测量系统,相比传统大气透射仪,本系统的光学接收单元具有可移动性,通过变基线方式测量大气透过率,扩大了大气能见度的动态测量范围,能有效应对测量基线上出现的大气非均匀分布状况。仅使用接收端测量收发光强,以单端检测方式减小了系统误差和随机误差对测量结果的影响,采用最小二乘法拟合多点大气透过率,提高了系统的整体测量精度。对三种典型大气能见度的仿真实验结果表明,对于不同的信噪比和系统误差因子,本系统得到的大气消光系数RMSE均低于传统大气透射仪。外场实验结果表明,本系统的测量结果与机场实际运行的大气透射仪的测量偏差集中在10%以内。除了用于大气能见度测量外,本系统还可用于能见度仪的标定和校准。目前系统还处于实验、改进阶段,随着系统软硬件的完善及其产品化进程的推进,有助于打破国外大气透射仪的价格垄断,具有良好的市场前景。