大氣透過率的多點移動測量

臺宏達，莊子波，蔣立輝，孫東松

(1.中國民航大學 空中交通管理學院，天津 300300；2.中國科學技術大學 地球與空間科學學院，安徽 合肥 230026；3.中國民航大學 飛行技術學院，天津 300300)

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大氣透過率的多點移動測量

臺宏達1,2，莊子波3，蔣立輝1*，孫東松2

(1.中國民航大學 空中交通管理學院，天津 300300；2.中國科學技術大學 地球與空間科學學院，安徽 合肥 230026；3.中國民航大學 飛行技術學院，天津 300300)

考慮大氣透射儀的光源不穩(wěn)定性以及光學準直及大氣環(huán)境的動態(tài)變化均會對其測量精度產(chǎn)生影響，本文在高精度導軌上設計了多點移動大氣透過率測量系統(tǒng)，以便提高其大氣透過率及消光系數(shù)的測量精度。該系統(tǒng)采用可移動測試平臺，運用多點移動測量的方式測量大氣透過率及消光系數(shù)?；诶碚摫容^了多點移動大氣透過率測量方法與傳統(tǒng)大氣透射儀測量方法的測量精度，證明了該系統(tǒng)的測量精度高于傳統(tǒng)大氣透射儀。將該系統(tǒng)與經(jīng)過良好校正的Skopograph II型大氣透射儀在大氣環(huán)境模擬艙進行了較長時間的對比驗證。結果表明，兩套系統(tǒng)具有很好的相關性，91.93%的數(shù)據(jù)對偏差在10%以內，相關系數(shù)達0.985 7。在低能見度條件下，多點移動大氣透過率測量系統(tǒng)的測量穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)大氣透射儀。得到的結果顯示：該系統(tǒng)能夠滿足大氣透過率和消光系數(shù)測量對準確性、穩(wěn)定性和一致性的要求。

大氣透射儀；大氣探測;大氣透過率；消光系數(shù)；多點移動測量

*Correspondingauthor,E-mail:lhjiang@cauc.edu.cn

1　引　言

能見度測量、自由光通信、紅外輻射測量、激光測距、激光制導和激光導航等都必須考慮大氣對光傳輸?shù)挠绊?，大氣透過率是評價大氣中光傳輸衰減特性的重要參數(shù)[1-2]。大氣透射儀通過測量并計算接收光強與發(fā)射光強的比值，可以直接得到大氣透過率。與其他大氣透過率測量儀器相比，大氣透射儀具有信噪比高、采樣空間大等優(yōu)點，且測量結果更為直接和準確。由于符合民用航空對于能見度的高精度測量要求，大氣透射儀被廣泛應用于民用航空領域[3]。

根據(jù)所測量的大氣透過率，大氣透射儀結合相應的基線長度(一般為15，30，50或75 m)可以計算消光系數(shù)和能見度[4]。大氣透射儀測量能見度的誤差由能見度、基線長度和大氣透過率的測量誤差決定。前兩個因素造成的誤差是由測量原理決定的，與儀器本身的測量性能無關，所以大氣透射率的準確測量是大氣透射儀準確得到能見度的關鍵[5-6]。光源的強度漂移、波長漂移、窗口污染以及干涉濾光片的透過率特性的溫漂變化等會導致接收光信號的微小變化，可引起大氣透射儀的測量精度超出要求范圍[7]。鑒于在測量精度和穩(wěn)定性、光學污染防護和對準以及地基安裝等方面較高的技術要求，國內至今尚無能夠進行批量生產(chǎn)的大氣透射儀[8]。

Vaisala公司的大氣透射儀采用發(fā)射光強檢測和穩(wěn)定手段以及窗口污染偵測技術，部分解決了大氣透射率測量的穩(wěn)定性和準確性問題[9]。長春氣象儀器研究所研制的TS型透射表[10]在防止透鏡表面結霜、精度校準、部件壽命和光軸校準等方面做了較多改進。楊中秋等[5]研制了DT型大氣透射儀，采取了準確定標、分檔次處理信號、采用高分辨率轉化器和高性能元器件、恒溫等一系列的防護措施，以提升大氣透過率的測量精度。施德恒等[11]利用激光的相干特性及脈沖特性，采用濾波器及濾波算法和脈沖相干激光來減小系統(tǒng)的電干擾和光干擾，使用性能穩(wěn)定的光電二極管和Nd:YAG激光器來提升透過率的測量精度。肖韶榮等[3]通過改變加載到光源的調制信號的幅度，并選擇透過率固定的衰減片，擴大了透射儀接收機輸入端的信號變化范圍，提升了大氣透過率和能見度的測量準確性。程紹榮等[8]通過在大氣透射儀的發(fā)射端使用固定頻率的脈沖信號源調制光強信號，減小了信號源的頻率變化和幅度變化，采用自動光功率控制電路輸出功率穩(wěn)定的光信號，在接收端使用PIN管等低噪聲和高穩(wěn)定性的器件和電路結構，控制減小接收信號的電路輸出噪聲。王宗俐等[6]和趙力等[12]分別使用反射鏡和位移調節(jié)器對大氣透過率進行差分測量，提高了系統(tǒng)的抗環(huán)境污染能力和靈敏度。田林等[13]采用角反射器的單端透射式能見度測量方案，利用鎖相放大技術抑制噪聲，提高了大氣透過率的測量精度。

本文考慮了大氣透射儀的測量原理、誤差影響因素及上述文獻設計系統(tǒng)的優(yōu)點，從提高大氣透過率測量精度出發(fā)，設計了多點移動大氣透過率測量方法，理論上降低了系統(tǒng)的硬件性能對大氣透射儀測量精度的影響，提高了大氣透過率的測量精度。然后設計了多點移動大氣透過率測量系統(tǒng)，將激光發(fā)射端與光電接收端安裝在高精度滑軌上，降低了長基線光學收發(fā)系統(tǒng)準直問題的影響；在大氣透過率的測量處理上采用多點測量的方式，降低了光源不穩(wěn)定的影響，減小了測量系統(tǒng)誤差。該系統(tǒng)采用多點多次測量和最小二乘擬合的方式得到大氣消光系數(shù)，減小了環(huán)境變化對消光系數(shù)和能見度測量結果的影響。

2　多點移動測量方法

2.1多點移動大氣透過率測量

多點移動大氣透過率測量方法通過測量不同距離處的大氣透過率，得到大氣透過率與基線長度的關系數(shù)組，進而得到精確的大氣透過率和大氣消光系數(shù)。

在多點移動透過率測量過程中，首先將移動接收端移動至位置0點處，此時光從激光發(fā)射端發(fā)出后不經(jīng)過工作大氣，直接傳輸?shù)揭苿咏邮斩说墓怆娞綔y器。令T0表示此時系統(tǒng)所產(chǎn)生的光能量的衰減，即由系統(tǒng)本身(不包含大氣衰減)所造成的光能衰減為：

T0=P(0)-Pr(0),

(1)

式中:P(0)表示初始狀態(tài)時激光發(fā)射端的發(fā)射功率;Pr(0)表示移動接收端位于位置0點時光電探測器接收到的功率，此時的測量基線長度為0。

移動接收端每移動5 m測量一次，共測量10個點，令P1(0)～Pn(0)表示移動接收端在不同位置點處停留時，激光發(fā)射端的功率；Pr(1)～Pr(n)表示移動接收端在不同位置點處停留時，移動接收端接收到的功率，如圖1所示。

圖1　多點移動大氣透過率測量示意圖Fig.1　Schematic diagram of multi-point mobile atmospheric transmittance measurement

當接收端移動到第1點時(5 m基線長度)，光電探測器的測量值為Pr(1)，則有：

T1=P1(0)-Pr(1) ,

(2)

(3)

(4)

將式(1)代入式(4)可以得到：

(5)

可以認為一次移動測試過程中，待測的大氣透過率保持均勻且不變，則移動接收端在第1個測量點(5 m基線長度)時的待測大氣透過率與第n個測量點(測量基線長度為5×n)時的待測大氣透過率是相同的。類似式(5)，移動接收端在第n個測量點處測得的大氣透過率為：

(6)

式中:Pn(0)為移動接收端在第n個測量點(測量基線長度為5×n)時激光發(fā)射端的發(fā)射功率，Pr(n)為移動接收端在第n個測量點處接收到的功率。根據(jù)式(6)，移動透過率測量方法可以得到n組大氣透過率。

2.2大氣透過率測量精度比較

傳統(tǒng)的定基線大氣透射儀的大氣透過率對數(shù)的系統(tǒng)誤差為：

lnτ=lnP(r)-lnP(0)=-δ(λ)·r,

(7)

(8)

其中：ΔP(r)表示基線為r的大氣透射儀接收端的系統(tǒng)誤差，ΔP(0)表示大氣透射儀發(fā)射端的系統(tǒng)誤差。

多點移動大氣透過率測量的大氣透過率對數(shù)的系統(tǒng)誤差為：

lnτ=lnP(0)+lnPr(n)-lnPn(0)-lnPr(0).

(9)

對式(9)取偏導可得到其透過率對數(shù)的系統(tǒng)誤差為：

(10)

若認為在一次移動測量過程中，系統(tǒng)的測量為等精度測量，即ΔP(0)和ΔPn(0)均為激光器的系統(tǒng)誤差，用ΔP(0)表示;ΔPr(n)和ΔPr(0)均為光電探測器的系統(tǒng)誤差，用ΔP(r)表示，則公式(10)可以表示為：

(11)

比較式(11)與式(8)，將多點移動透過率測量方法的大氣透過率對數(shù)誤差的接收端部分與定基線大氣透射儀的大氣透過率對數(shù)誤差的接收端部分相比，結果小于1，即：

(12)

同理，將多點移動透過率測量方法的大氣透過率對數(shù)誤差的發(fā)射端部分與定基線大氣透射儀的大氣透過率對數(shù)誤差的發(fā)射端部分相比，結果遠小于1，即：

(13)

因此，多點移動透射式測量的大氣透過率對數(shù)的系統(tǒng)誤差明顯小于傳統(tǒng)定基線大氣透射儀測量的大氣透過率對數(shù)的系統(tǒng)誤差，多點透射式大氣透過率測量方法可以有效提高大氣透過率的測量精度。

2.3大氣消光系數(shù)計算

傳統(tǒng)的大氣透射儀通常采用單點多次平均的方式測量消光系數(shù)，降低測量的隨機誤差，其計算公式可展開為：

(14)

使用多點移動大氣透過率測量方法和線性擬合方法，可以同時降低系統(tǒng)誤差和隨機誤差，得到更為精確的大氣消光系數(shù)。

根據(jù)最小二乘法原理，使殘差平方和最小，即：

(15)

由于式(15)的二階偏導恒大于0，即：

(16)

因此，式(15)有極小值。令其一階偏導為0，可以得到系統(tǒng)所測量的大氣消光系數(shù)σ，即有：

(17)

(18)

可以看到，式(14)是式(18)中r為固定值時的特例，即多點透射式能見度測量系統(tǒng)與單點多次能見度測量系統(tǒng)從基本原理上是一致的，二者都可以降低隨機誤差。但如2.2所述，基于多點移動并最小二乘法的消光系數(shù)測量方法在降低隨機誤差的同時，也降低了系統(tǒng)誤差，從而使消光系數(shù)和能見度的測量結果更具連續(xù)性，二者的連續(xù)變化過程能夠更好地體現(xiàn)大氣消光特性的變化。

3　系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)多點移動大氣透過率測量方法，建立了多點移動大氣透過率和消光系數(shù)測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由激光發(fā)射端和移動式接收端、高精密導軌、通信子系統(tǒng)及其他子系統(tǒng)組成，如圖2所示。

圖2　多點移動大氣透過率和消光系數(shù)測量系統(tǒng)構成示意圖Fig.2　Schematic of multi-point mobile atmospheric transmittance and extinction coefficient measuremnt system

系統(tǒng)的光路部分主要由激光器、光學斬波器、鎖相放大器和收發(fā)透鏡組組成。激光經(jīng)擴束透鏡和反射鏡組成的光路系統(tǒng)進行擴束、發(fā)散角壓縮及準直后，沿導軌方向發(fā)射。光學斬波器放置于激光發(fā)射端，將連續(xù)光調制為脈沖光。斬波器的參考信號輸入到安裝于移動式接收端的鎖相放大器參考通道中。透過大氣后激光光束由接收透鏡組接收，探測器的信號接入鎖相放大器的信號通道，進行光能量的采集。系統(tǒng)主要部件參數(shù)見表1。

表1　系統(tǒng)主要部件參數(shù)

為了降低激光器能量波動的影響，這里采用一路分光進行動態(tài)監(jiān)測的方法，將監(jiān)測光束和測量光束分別由兩個同型號探測器接收。激光器出射光束經(jīng)過斬波器后分成兩路，大部分出射后作用于工作大氣，小部分反射后由透鏡匯聚到探測器表面進行探測。探測器的輸出信號接入鎖相放大器中，兩路接入信號進行鎖相差分，得出的結果為兩個探測器探測到能量之差。

導軌由兩根長55 m，間距為0.35 m的高精度鋼構組成，移動式接收端可在導軌上平穩(wěn)移動。在導軌一側每隔5 m安裝感應片，接近傳感器和感應片組合的檢測方式可以實現(xiàn)移動式接收端的精確定位。以接近傳感器和感應片的安裝誤差2 mm計算，當測量基線長度取5 m時，安裝誤差所造成的基線長度偏差為0.04%，且該偏差隨著測量基線長度的增大逐漸減小。

移動式接收端裝有嵌入式工控機，通過無線網(wǎng)絡連接控制室服務器。服務器設置移動式接收端系統(tǒng)參數(shù)，控制移動式接收端工作，監(jiān)控工作狀態(tài)，收集并記錄測量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)測量流程圖Fig.3　Flow chart of system measurement

4　數(shù)據(jù)對比

由于大氣透過率是大氣透射儀測量的重要中間量，而大氣透射儀常以能見度作為輸出結果，因此考慮數(shù)據(jù)的常見性，以系統(tǒng)輸出的能見度值進行比對。

根據(jù)Koschmieder定律，結合WMO和ICAO的相關建議[14]，取人眼對比視覺閾值ε=0.05，大氣消光系數(shù)和能見度的關系為：

(19)

式中：V為能見度，δ為大氣消光系數(shù)。傳統(tǒng)大氣透射儀的V和δ由式(14)計算得到，多點移動大氣透過率測量系統(tǒng)由式(18)計算得到。

中國民航大學大氣環(huán)境模擬艙配備完整的氣流循環(huán)系統(tǒng)、大容量超聲波霧化發(fā)生器以及煙霧、粉塵和黑碳氣溶膠發(fā)生器，可使艙內能見度條件在1.2 h內從10 000 m下降到3 000 m以下，在5 h內下降到的200 m以下，從而形成各類霧、霾等均勻低能見度天氣，縮短實驗測試周期。

Skopograph II型大氣透射儀的光源使用脈沖氙燈，可以測量大氣透過率并計算消光系數(shù)，能見度測量距離為7.5～3 000 m，平均采樣時間為1 min。在每天測試之前儀器均經(jīng)過了完整的鏡頭清潔及校正，測量基線設置為50 m。

圖4　大氣模擬艙實物圖Fig.4　Photo of atmosphere environment simulation chamber

圖5　移動測試平臺與Skopograph II型大透實物圖Fig.5　Photo of mobile measuring platform and Skopograph II transmissometer

將多點移動大氣透過率測量系統(tǒng)與Skopograph II型大氣透射儀同時放置于大氣環(huán)境模擬艙中，進行能見度測量對比試驗,實驗裝置圖分別如圖4和圖5所示。在每次試驗時，大氣環(huán)境模擬艙使用ATM-241霧化氣溶膠發(fā)生器，配以NaCl及去離子水組成的溶劑持續(xù)向大氣環(huán)境模擬艙噴入氣溶膠粒子。多點移動大氣透過率測量系統(tǒng)的移動接收端的運動速度設置為0.4 m/s，每點停留時間設置為3 s，接收端每往返兩次做一次最小二乘擬合，從而得到大氣透過率、消光系數(shù)及所對應的能見度值，一次完整的測量結果輸出時間約為10 min。Skopograph II型大氣透射儀的測量數(shù)據(jù)由3 000 m開始發(fā)生改變時記錄數(shù)據(jù)，在一個月的測量對比實驗中，共得到能見度對比數(shù)據(jù)285組，各能見度區(qū)間的測量組數(shù)如表2所示，能見度對比偏差如表3所示。

表2　能見度區(qū)間數(shù)據(jù)組分布

表3　數(shù)據(jù)對比偏差分布

多點移動大氣透過率測量系統(tǒng)與Skopograph II型大氣透射儀的數(shù)據(jù)對比如圖6所示。在圖6的3條斜線中，中間虛線為多點大氣透過率測量系統(tǒng)與Skopograph II型大氣透射儀測量結果的等值線。兩條實斜線為兩種測量系統(tǒng)偏差10%以內的點的分布線。91.93%的測量結果位于10%的偏差分布線范圍以內。兩種儀器的測量結果的相關系數(shù)為0.985 7。

圖6　多點移動大氣透過率測量系統(tǒng)與Skopograph II型大氣透射儀的測量結果對比Fig.6　Comparison of measuring results between multi-point atmospheric transmittance measurement system and Skopograph II transmissometer

圖7　大氣模擬艙內一次對比試驗數(shù)據(jù)Fig.7　Data of one comparison experiment in atmosphere environment simulation chamber

圖7是大氣模擬艙內一次對比試驗中兩種測量儀器的測量結果。在能見度由3 000 m降至200 m的過程中，多點移動大氣透過率測量系統(tǒng)的能見度始終保持均勻變化，特別是在能見度值高于1 000 m時。與Skopograph II型大氣透射儀相比，基于最小二乘擬合方法，多點移動大氣透過率測量系統(tǒng)在連續(xù)測量過程中同時減小了系統(tǒng)誤差與隨機誤差，故其測量結果的波動性較小，更好地反映了實驗過程中模擬艙內能見度的連續(xù)變化趨勢。

5　結　論

本文設計了一種多點移動大氣透過率測量系統(tǒng)，采用可移動測試平臺，運用多點移動測量的方法測量大氣透過率及消光系數(shù)。經(jīng)系統(tǒng)設計與誤差分析，該系統(tǒng)可以有效降低傳統(tǒng)定基線大氣透射儀的光學準直度不穩(wěn)定、光源穩(wěn)定性波動及環(huán)境變化等因素對大氣透過率及消光系數(shù)測量結果的影響。該系統(tǒng)與Skopograph II型大氣透射儀在大氣環(huán)境模擬艙中進行了較長時間的對比試驗。結果表明，91.93%的測量結果位于10%的偏差分布線范圍以內，兩種儀器的測量結果的相關系數(shù)為0.985 7。多點移動大氣透過率測量系統(tǒng)可以有效測量大氣透過率和消光系數(shù)，具有較好的準確性、一致性和穩(wěn)定性。

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蔣立輝(1964-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，博士，教授，碩士生導師，1993年、2001年于哈爾濱工業(yè)大學分別獲得碩士、博士學位，主要從事激光雷達、圖像處理、光電子技術等研究工作。E-mail: lhjiang@cauc.edu.cn

導師簡介：

孫東松(1962-)，男，江蘇江陰人，博士，教授，博士生導師，1987年、1991年于哈爾濱工業(yè)大學分別獲得碩士、博士學位，主要從事激光大氣遙感、激光雷達技術等研究工作。E-mail: sds@ustc.edu.cn

(版權所有未經(jīng)許可不得轉載)

Multi-point mobile measurement of atmospheric transmittance

TAI Hong-da1,2, ZHUANG Zi-bo3, JIANG Li-hui1*, SUN Dong-song2

(1.CollegeofAirTrafficMangement,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China; 2.SchoolofEarthandSpaceSciences,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,China; 3.FlightTechnicalCollege,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China)

In consideration of the instability of light sources and the effects of optical collimation and atmospheric dynamic change of an atmospheric transmissometer on its measuring accuracy, this paper designs a new multi-point mobile atmospheric transmittance measurement system on a high precision guide rail. This system is based on a mobile measuring platform, and uses the multi point movement model to measure the atmospheric transmittance and extinction coefficient. The measuring accuracies from the proposed multi-point mobile atmospheric transmittance measurement method and from traditional atmospheric transmittance measurement method were analyzed and compared in theory, and the results show that the accuracy of the former is better than that of the latter. Moreover, the multi-point system and Skopograph II transmissometer were compared in a simulation chamber of atmospheric environment. The results demonstrate that two systems have an excellent correlation, in which 91.93% of the data is within 10% deviation, and the correlation coefficient is 0.985 7. In low-visibility conditions, the stability of the multi-point system is better than that of traditional transmissometer. It concludes that the multi-point system satisfies the demands of atmospheric transmittance and extinction coefficients for the accuracy, stability and the veracity.

atmospheric transmissometer; atmospheric detection; atmospheric transmittance; extinction coefficient; multi-point movement measurement

2016-03-28；

2016-05-18.

國家自然科學基金資助項目(No.U1533113，No.U1433202，No.41227804，No.41174130)

1004-924X(2016)08-1894-08

P412.1

A

10.3788/OPE.20162408.1894

臺宏達(1986-)，男，山東臨清人，博士研究生，講師，2007年、2010年于山東大學分別獲得學士、碩士學位，主要從事航空氣象、大氣探測等方面的研究。E-mail: hdtai@cauc.edu.cn