1 儀器技術(shù)特點(diǎn)

1.1 儀器概述

能見度儀提供與氣象能見度相關(guān)的測(cè)量，傳感器是基于氣溶膠前散射原理而設(shè)計(jì)的，是繼透射式能見度儀發(fā)展起來的新一代氣象能見度監(jiān)測(cè)設(shè)備。傳感器可廣泛用于氣象臺(tái)站、遠(yuǎn)程自動(dòng)氣象站以及機(jī)場(chǎng)、高速公路、航道、大型艦船等交通運(yùn)輸部門。

能見度儀由光發(fā)射器、光接收器及微處理控制器等主要部件組成。發(fā)射器發(fā)射紅外脈沖光，接收器同時(shí)檢測(cè)大氣中氣溶膠粒子前向散射的脈沖光強(qiáng)度，所有測(cè)量信息由微處理控制器搜集并通過專門的數(shù)學(xué)模型算法轉(zhuǎn)化為氣象光學(xué)視程Meteorological Optical Range（MOR）。

能見度儀需要一個(gè)12DC的電源和一個(gè)三線RS－232/RS-485通訊線纜。儀器將氣象能見度數(shù)值和狀態(tài)信息通過通訊接口發(fā)送到監(jiān)控中心的上位機(jī)。

能見度儀提供多組內(nèi)置命令用于配置系統(tǒng)參數(shù)和控制系統(tǒng)多種功能。在組裝和維護(hù)過程中，需要一個(gè)顯示終端來檢查系統(tǒng)參數(shù)，并可能用來更改參數(shù)值。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

能見度儀由以下各部分組成

a）發(fā)射器

b）接收器

c）微處理控制器/接線盒

1.1 典型技術(shù)指標(biāo)

1.1.1 機(jī)械指標(biāo)

尺寸（長(zhǎng)x寬x高）：610mm x 230mm x 300mm

重量：小于10kg

安裝：安裝在已架設(shè)好的圓形立柱上

材料：陽極化處理硬質(zhì)鋁，外表面加噴漆保護(hù)

1.1.2 電力指標(biāo)

電源：交流110VAC/220VAC ±20%或直流12VDC

功率：小于5W，典型值4W

1.1.3 光學(xué)指標(biāo)

散射角覆蓋：39o—51 o 前散射

峰值波長(zhǎng)：870nm

帶 寬： 100nm

光譜響應(yīng)度： **響應(yīng)在870nm，0.65 A/W

1.1.4 測(cè)量指標(biāo)

測(cè)量范圍：5m—10km（可擴(kuò)展到50Km）

測(cè)量精度： ≤2km ，誤差±2%

2Km—10km，誤差±5%

10Km—50km，誤差±15%

儀器一致性：≤±4%

更新間隔： 15秒

線性動(dòng)態(tài)量程：3000：1

1.1.5 可靠性與維護(hù)周期

平均無故障工作時(shí)間（MTBF）：大于18000小時(shí)

清潔光學(xué)鏡頭：3個(gè)月，或視使用環(huán)境而定

1.2 環(huán)境適應(yīng)性

工作環(huán)境溫度：－40—+60℃

工作相對(duì)濕度：0—100%

地域適應(yīng)性：可在沿海地區(qū)連續(xù)使用

1.3 儀器功能特點(diǎn)

1.3.1 主要功能

1.3.1.1 可對(duì)大氣能見度進(jìn)行連續(xù)測(cè)量輸出。

1.3.1.2 儀器具有自檢能力，可對(duì)自身的12V供電電壓，接收器、發(fā)射器溫度，接收器信號(hào)及零點(diǎn)信號(hào)等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并給出狀態(tài)報(bào)警指示。

1.3.1.3 儀器數(shù)字輸出接口標(biāo)配為RS-232或RS-485，接口的選擇可通過控制處理器中的采集器通訊選擇開關(guān)進(jìn)行設(shè)置，可根據(jù)用戶需求在出廠時(shí)設(shè)置好。

1.3.1.4 儀器可設(shè)置ID號(hào)以標(biāo)識(shí)身份，ID=00為通用標(biāo)識(shí)，ID號(hào)出廠時(shí)均為通用標(biāo)識(shí)，用戶可通過命令進(jìn)行設(shè)置新的ID號(hào)，ID號(hào)一旦設(shè)定不受設(shè)備斷電影響，此功能在多機(jī)聯(lián)網(wǎng)共用主站時(shí)用以區(qū)分布點(diǎn)儀器。

1.3.1.5 儀器具有多種命令進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控維護(hù)。

1.3.2 儀器特點(diǎn)

1.3.2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：能見度儀采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，緊湊小巧，傳感器尺寸和重量非常小，包裝、儲(chǔ)運(yùn)、安裝方便，也可以做為便攜式儀器使用；獨(dú)特的雙散射接收器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)太陽和其它雜光干擾降到了*低。

1.3.2.2 發(fā)射器和接收器窗口透鏡經(jīng)過了特殊的防灰塵、防霉菌鍍膜處理，使鏡頭在自然環(huán)境中積累灰塵的厚度與速度大大降低，同時(shí)也降低了鹽霧與油污的污染幾率。

1.3.2.3 儀器結(jié)構(gòu)材料為高質(zhì)量硬質(zhì)鋁材和316不銹鋼，表面進(jìn)行了陽極鈍化處理，并進(jìn)行多道噴漆保護(hù)；所有螺釘均選擇耐腐蝕不銹鋼螺釘；殼體內(nèi)部是密封的，達(dá)到了IP65防護(hù)等級(jí)，具有沿海氣候適應(yīng)性。

1.3.2.4 儀器功耗極低，在冬天發(fā)射器頻繁加熱狀態(tài)，也只小于5W，因此可適應(yīng)蓄電池或太陽能板供電的電源工作方式。直流12VDC供電，方便系統(tǒng)集成。

1.3.2.5 儀器采集器設(shè)計(jì)上強(qiáng)調(diào)長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性，內(nèi)置看門狗電路，經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)行考驗(yàn)，儀器工作穩(wěn)定、可靠。

1.3.2.6 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示：傳感器可以輸出一系列的數(shù)字信息，操作人員可以自由選擇15秒或60秒間隔時(shí)間，信息可以通過自動(dòng)應(yīng)答或被動(dòng)招測(cè)方式輸出。

1.3.2.7 儀器的直流供電電路具有防反接和自恢復(fù)保險(xiǎn)雙重設(shè)計(jì)，即使用戶誤操作，也不會(huì)引起儀器線路板燒毀，無需更換保險(xiǎn)絲，重新正確操作后即可恢復(fù)正常。

1.3.2.8 儀器的通訊接口芯片具有15KV的防靜電保護(hù)，在用戶接線操作時(shí)可**限度保護(hù)電路免受人體靜電的危害。

1.3.2.9 儀器具有防雷措施，其通信接口和電源接口均具有防雷設(shè)計(jì)，可將雷擊損害降到*低。

2 能見度測(cè)量原理

2.1 前向散射原理

NWD10系列能見度儀具有前散射儀器的所有性能特點(diǎn)，它通過對(duì)采樣區(qū)懸浮顆粒發(fā)出小于90 度的前向散射光的測(cè)量而實(shí)現(xiàn)；能見度儀的采樣區(qū)由發(fā)送器發(fā)射光路與接收器的接收光路交叉部分決定。顯然，它不同于透視儀測(cè)量的總消光系數(shù)，前向散射儀只測(cè)量一定角度的散射系數(shù)，也即在中央前散射角附近的較窄的散射角。普遍認(rèn)可計(jì)算白天和夜間的能見度需要測(cè)量總消光系數(shù)，而不是一定角度的散射系數(shù)，因此有必要表明一定角度的散射系數(shù)在特定的條件下與總大氣消光系數(shù)有確定比例關(guān)系，總大氣消光系數(shù)包括全范圍內(nèi)散射和吸收光線之和。在能見度測(cè)量小于100km 以內(nèi)時(shí)，霧，煙、灰霾、揚(yáng)塵或揚(yáng)沙等懸浮物及各種類型的降水量決定了可見和近可見光線在大氣中的消光作用，超過100km距離，分子物質(zhì)的散射才發(fā)揮作用；而懸浮顆粒和降水的吸收作用與其散射作用相比可以忽略不計(jì)。鑒于以上理由，在能見度小于100km時(shí)，總散射系數(shù)可以等于總消光系數(shù)。這一結(jié)論，在各種權(quán)威試驗(yàn)中得到認(rèn)證。

下面應(yīng)確認(rèn)利用有角度的散射系數(shù)的測(cè)量與總散射系數(shù)測(cè)量的結(jié)果是一致的。有角度的散射系數(shù)可分為2 個(gè)部分：相位角函數(shù)和總散射系數(shù)。用有角度的散射系數(shù)代替總散射系數(shù)，只有當(dāng)相位角函數(shù)為常數(shù)時(shí)才可實(shí)現(xiàn)，并且測(cè)量應(yīng)保證在所有天氣條件下都有效。研究表明：在散射角35 到55 度區(qū)域，對(duì)任何級(jí)別的薄霧和霧，相位角的變化非常小，因此，使用有角度的散射系數(shù)代替總的散射系數(shù)是可行的，這也是前向散射能見度儀實(shí)現(xiàn)的依據(jù)。NWD10系列能見度儀全部采用42—

45度散射角，因?yàn)樵摻嵌炔粌H保證了在霧、煙幕、灰霾、揚(yáng)塵測(cè)量的準(zhǔn)確性，也保證了在降雪測(cè)量中有效性。

2.2 能見度的定義

2.2.1 能見度

即目標(biāo)物的能見距離，是指正常視力的觀測(cè)者觀測(cè)目標(biāo)物時(shí)，能從背景上分辨出視角大于0.5度的目標(biāo)物輪廓的**距離。

2.2.2 白天視程

幾乎所有儀器測(cè)量能見度的方法均采用測(cè)量大氣消光系數(shù)?。大氣消光系數(shù)通過Koschmieder 定律(白天)、Allard 定律(夜間)及K氏和A氏的變形公式轉(zhuǎn)換成視程。

計(jì)算白天視程的原始公式是Koschmieder 在1924 年得出的：

VR = 3.912 / ?? 為大氣消光系數(shù)

隨后的研究認(rèn)為K氏用0.02 做為人眼的閾值太小了，因此，0.05 被認(rèn)為比較實(shí)際，K氏公式被改為

VR = 3.00 / ?

這個(gè)簡(jiǎn)單的公式考慮了大氣消光因素和其它附加的光線，也即黑體在天空中被觀測(cè)的情況。因此，嚴(yán)格的白天視程定義意味著黑體目標(biāo)在天空中被辨識(shí)的距離。

2.2.3 夜間視程

正常視力的觀測(cè)者在夜間能看到一定發(fā)光強(qiáng)度目標(biāo)燈燈光的*遠(yuǎn)距離。Allard 在1876 年得出了光強(qiáng)度I 與距離的公式

Et = Ie-?v/ V2

Et是觀測(cè)者照度閾值，? 是大氣消光系數(shù)

除了大氣的消光作用，公式也說明點(diǎn)光源的亮度衰減與光源距離平方成反比。此公式測(cè)量夜間視程明顯不同于Koschmieder 公式，Koschmieder 公式是簡(jiǎn)單的代數(shù)關(guān)系，而Allard 公式用超越函數(shù)表示兩者，因此，這種方法只能通過繁瑣計(jì)算或者查表方式應(yīng)用。

2.2.4 氣象光學(xué)視程 (MOR)

色溫2700K的白熾燈發(fā)出的平行光輻射通量，經(jīng)大氣衰減到起始值的5%后在大氣中所需經(jīng)過的距離。用于實(shí)用目的，MOR 與白天的視程具有同一方法：

MOR＝3.00 / ?

MOR 應(yīng)用滿足了氣象觀測(cè)人員的需要，因?yàn)樗梢詫?duì)大氣透射進(jìn)行一對(duì)一的校正，并且白天和夜間相同氣象條件下能見度是一樣的，它被廣泛的應(yīng)用，NWD10系列能見度儀在沒有特別說明情況下，測(cè)量的能見度均為氣象光學(xué)視程。

2.3 主要工作原理

儀器工作時(shí)，發(fā)射器發(fā)出一束中心波長(zhǎng)為0.87μm的穩(wěn)定的光脈沖，紅外光脈沖射入一定體積大氣之后，其前向主角度為42-45度的散射光被接收器中的硅光電二極管所探測(cè)，并將其轉(zhuǎn)換為脈沖電信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過高精度、穩(wěn)定的放大電路，并同步的被接收器中的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)后送入微處理控制器，由微處理控制器取樣和計(jì)算后得到當(dāng)前能見度值。實(shí)時(shí)的能見度值通過RS-232或RS-485串行信道傳送給用戶上位計(jì)算機(jī)。