1 天津市气象信息中心, 天津 300074
2 北京市气象探测中心, 北京 100089
3 天津市气象服务中心, 天津 300074
在大气能见度观测中, 相关研究多集中于白天观测, 夜间观测的研究比较少见, 而对于昼夜连续观测的研究更是鲜有报道。 目前, 国内外尚没有完全按照能见度定义研制的大气能见度自动观测仪出现。 针对这一问题, 基于CCD数字摄像技术, 模拟人工观测光学原理, 提出了一种能够昼夜进行大气能见度连续观测的方法。 该方法基于对目标物获得能见度计算公式, 并针对昼夜模式下的系统参数进行修正, 能够有效消除外在环境因素和相机自身系统内部因素引发的观测误差。 为验证算法的有效性, 针对天空遮挡、 半遮挡和空旷等不同情况(不同情况, 会影响观测环境的亮度, 以此测试系统对杂散光的抵抗能力, 以及对不同环境的适应能力), 搭建了基于该方法的3套原理样机。 利用搭建的数字摄像能见度仪(DPVS)在北京地区进行了实际的大气能见度分钟级观测。 观测实验表明, 基于该方法构建的观测系统, 不但具有较宽的观测范围, 而且能够有效适应各类复杂天气情况, 在雨雪霾等不同天气下, 均有较好的观测效果, 且无论是在能见度变化较快或者较为缓慢的情况下, DPVS系统均能够进行快速正确的响应。 而透过DPVS与散射仪和透射仪这两种标准观测仪器观测结果的对比分析发现, DPVS与前两者的观测结果具有较高的相关性: 0.973 1, 且观测性能相当, 其平均相对误差在-1.54%左右, 均方根相对误差在8.82%左右。 而本文算法出现的最大相对误差为-14.11%。 世界气象组织MOR规定: 能见度仪在满量程范围内, 其最大相对误差小于20%, 即认为是达到标准的能见度仪, 可以投入实际观测使用。 基于该算法研发的DPVS系统符合观测标准, 能够投入实际使用, 且DPVS系统的观测成本远比散射仪和透射仪更低, 具有较好的前景和应用价值。
大气观测 数字摄像 消光系数 能见度仪 Atmospheric observation Digital camera Extinction coefficient Visibility meter 光谱学与光谱分析
2022, 42(7): 2187
1 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 吉林省光电测控仪器工程技术研究中心, 吉林 长春 130022
3 光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室, 吉林 长春 130022
4 中国气象局气象探测中心, 北京 100081
透射式能见度仪的校准结果无法溯源到世界气象组织对气象光学视程(MOR)的定义,如何实现MOR定义中2700 K白炽灯的光谱模拟已成为透射式能见度仪定标技术亟待解决的关键问题,故对透射式能见度仪定标光源的光谱模拟方法进行了研究。首先,从理论上分析了光谱不匹配对透射式能见度仪定标的影响,建立了满足透射式能见度仪定标精度要求的光源光谱分布判别依据,得出透射式能见度仪定标光源的光谱模拟误差应优于±5.5%的结论。然后,基于一种数字微镜器件(DMD)的透射式能见度仪定标光源系统,在遗传算法基础上,提出了一种基于无余均分机制的光谱模拟方法,以均分800列DMD微镜阵列面为前提,通过不断均匀划分DMD阵列面的方式增加光谱拟合单元数量,实现了2700 K绝对色温的光谱模拟。最后,测试了20,50,80个基础光谱拟合单元对应的定标光源的光谱分布,并进行了不确定度分析。测试结果表明,80个基础光谱拟合单元对应的定标光源光谱模拟误差为±5.3%,扩展不确定度为4.04%。
大气光学 透射式能见度仪 能见度 定标光源 光谱模拟
1 浙江省计量科学研究院长度与光学计量研究所,杭州 浙江 310000
2 中国气象局上海物资管理处,上海 200050
为了填补前向散射能见度仪校准的空白,利用激光腔增强技术,搭建了一套开放式能见度校准系统,通过在能见度模拟舱中用气溶胶发生器产生单分散硬脂酸气溶胶颗粒产生模拟能见度环境,实现前向散射能见度仪的校准。与前向散射能见度仪、透射式能见度仪分别在小型模拟舱((长2m×宽1m×高1m))和大型模拟舱(长20m×宽3.5m×高3m)中开展了比对实验,实验结果表明,在100~2000 m能见度范围内,与透射式能见度仪的相对误差在5%以内,与前向散射能见度仪的相对误差在10%以内,均具有较好的一致性。这套系统可以用在较小的小型能见度模拟舱中,为前向散射能见度仪的实验室校准提供可行的技术手段。
能见度仪校准 激光腔增强 气溶胶 消光系数 气象光学视程 visibility calibration laser cavity enhanced aerosol extinction visibility MOR
1 长春理工大学，长春 130022
2 光电测控与光电信息传输技术教育部重点实验室，长春，130022
3 吉林省光电测控仪器工程技术研究中心，长春 130022
4 空军航空大学，长春 130022
为了实现校准能见度仪中标准散射体的快速准确定标，建立了用于校准能见度仪的标准散射体的定标系统.研究了定标系统中全景成像折反光学系统的设计方法.根据抛物面反射镜的光学特性推导出抛物面面型的计算方法.根据定标系统对光学系统的要求，完成全景成像色度计光学系统的设计.对全景成像折反光学系统进行建模仿真并设计实验验证光学系统的设计与仿真结果的正确性.实验结果表明: 全景成像折反光学系统的空间检测俯仰角范围为0°~90°，方位角范围为0°~360°，且最小角分辨率为1°，与仿真结果基本一致，满足用于校准能见度仪的标准散射体定标系统中光学系统的设计要求.
仪器光学设计 前向散射式能见度仪 全景成像光学系统 校准 散射测量 Optical design of instruments Forward scattering visibility meter Panoramic imaging optical system Calibration Scattering measurements
1 长春理工大学, 长春 130022
2 光电测控与光电信息传输技术教育部重点实验室, 长春 130022
3 吉林省光电测控仪器工程技术研究中心, 长春 130022
4 空军航空大学, 长春 130022
为了实现对用于校准能见度仪的标准散射体的快速准确定标, 通过测量标准散射体不同散射角的散射系数, 实现对标准散射体不同散射角所模拟的大气能见度进行准确定标并对定标系统进行校准.根据定标系统的组成与工作原理, 确定定标系统的校准方法并建立相应的校准链, 并设计校准链的各组成部分的校准方法.通过对已知散射系数的标准散射体进行定标, 验证校准后定标系统定标结果的准确性, 进而验证了定标系统校准方法的正确性.实验结果证明: 定标系统对标准散射体的散射系数定标结果的误差为7.93%; 经由定标系统定标的标准散射体所模拟的大气能见度的最大误差为8.61%, 满足用于校准能见度仪的标准散射体的使用要求.
前向散射式能见度仪 能见度测量 校准 散射测量 标准散射体 Forward scattering visibility meter Visibility measurement Calibration Scattering measurement Stander scattering plate
1 解放军理工大学 气象海洋学院, 江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学 气象灾害预警与评估协同创新中心, 江苏 南京 210044
从透射仪的光学测量系统出发, 理论分析了光学测量系统光源对透射仪探测光束远场光斑特性的影响。结合LED光源的发光原理, 研究了LED光源的表面特征, 分析了LED光源表面特征与透射仪能见度测量的关系。通过仿真实验证实了光源表面特征对透射仪探测光束准直和能见度测量稳定性产生影响。研究结果表明, LED光源表面特征会影响探测光束远场光斑能量分布, 在50 m基线下, 使得透射仪探测光束准直中心发生位置偏移25 mm, 接收光强最大变化20%, 从而影响透射仪发射端对准和能见度测量。通过加扩散片和光阑限制可以明显改善远场光斑特性, 远场光斑中心能量分布趋于均匀, 在中心区域内接收光强变化在1%以内。
表面特征 透射式能见度仪 能见度测量 surface characteristics LED LED transmittance meter visibility measurement
解放军理工大学 气象海洋学院, 江苏 南京 210044
基于长基线透射式能见度仪分析了影响透射仪收发两端探测光路准直的因素。从透射仪的测量原理出发, 阐述了探测光路准直通过影响接收端接收光强进而影响透射仪探测精度的机制。仿真研究了透射仪收发两端探测光路准直出现偏差对接收端接收光强的影响。研究结果表明, 在一定大气能见度条件下, 透射仪的测量误差与接收端接收光强的测量误差成线性关系。透射仪收发两端的对准状态对透射仪接收端接收光强具有重要影响, 发射端姿态角每变化0.01°, 接收端接收光功率变化0.02 mW, 发射端姿态角变化会明显降低透射仪接收端接收光强, 增大接收端接收光强的测量误差, 对能见度的测量精度影响较大。
透射式能见度仪 长基线 光路准直 能见度测量 transmittance meter long baseline optical path collimation visibility measurement
1 成都信息工程学院电子工程学院, 四川 成都 610225
2 中国气象局大气探测重点开放实验室,四川成都 610225
同源双光路能见度仪是一种基于数字摄像法的能见度仪,光斑提取算法是其能见度反演算法中的关键环节之一。从光斑成像的物理原理出发,提出了两种光 斑提取算法。实验证明,即使没有图像预处理和数据后处理,其结果也和Vaisala LT31的结果具有很好的一致性。在确定上述两种方法中涉及的参数时, 引入加权均方误差参量作为确定参数时的代价函数,该参量相对于其他参量有更好的效果,同时本参量还可以作为评价能见度结果的辅助指标。
同源双光路能见度仪 透射式能见度仪 能见度 光斑提取 single-light-source dual-light-path transmissomete transmissometer visibility segmentation of light spots 大气与环境光学学报
2015, 10(6): 495
1 中国科学院光电技术研究所，成都 610209
2 四川成都科奥达集团有限公司，成都 610209
本文介绍我们研制的一种大气透射式能见度仪，该测试仪通过光对大气中多种消光粒子的透射，获取消光系数的数值，进而判定天气现象。研制的样机经实际应用检测表明，该大气透射式能见度仪的工作原理和技术路线正确。实测样机的监测误差为10%～20%，指标达到或接近芬兰VAISALA 同类产品水平，可以满足实际应用要求。
能见度仪 透射式 天气现象 能见度 transmittance meter transmission type whether phenomenon visibility
