前向散射式能見度儀測試方法研究

王敏 方海濤 張世國 汪瑋 王毛翠 褚進華 方欣

(1 安徽省大氣探測技術(shù)保障中心，合肥 230031； 2 中國氣象局上海物資管理處，上海 200050；3中國科學技術(shù)大學地球和空間科學學院，合肥230026)

引言

能見度是氣象觀測的常規(guī)項目，它反映了大氣渾濁程度，是表征近地表大氣污染程度的一個重要參數(shù)，對航空、航海、陸上交通以及軍事活動都有重要影響[1-4]。特別是雨、雪、霧等低能見度惡劣氣象條件，嚴重影響交通運輸安全，也極易引發(fā)交通事故。為了客觀、精細地對區(qū)域能見度進行連續(xù)監(jiān)測，大量能見度儀投入業(yè)務(wù)使用。前向散射式能見度儀以其體積小、易于維護和價格低廉而廣泛用于氣象臺站、高速公路、碼頭等部門[5-7]。目前，安徽省氣象部門在氣象臺站和交通氣象站等列裝約700臺前向散射式能見度儀，全國氣象臺站列裝約3000臺。前向散射式能見度儀的大規(guī)模列裝，給檢測工作提出更高、更迫切的需求。

在能見度檢測方面，國際上缺乏權(quán)威的、標準化方法[8]。1988年10月至1989年5月WMO(世界氣象組織)在英國舉行了第1次國際能見度比對試驗。美國Environment Sensors公司的Crosby指出，AES(加拿大大氣環(huán)境局)利用Vaisala公司的透射儀來對比英國BIRAL公司的能見度傳感器[9-10]。Tomas等指出透射儀為能見度測量標準器的首選設(shè)備[11]。英國諾森比亞大學建立長度5.5 m的室內(nèi)大氣能見度實驗室，用于CCD相機和激光二極管測量能見度的精度比較[12]。目前，國內(nèi)能見度儀檢測技術(shù)處于起步階段，對出廠后的前向散射式能見度儀多采用廠家提供的標準校準板或通過與人工觀測數(shù)據(jù)比對的方法進行標校[13-14]。標準校準板可實現(xiàn)同一廠家生產(chǎn)的能見度儀示值具有較好的一致性，但是很難保證量值的準確性。與人工觀測數(shù)據(jù)比對的方法往往具有一定的人為主觀性。交通運輸部發(fā)布JT/T 714-2008《道路交通氣象環(huán)境 能見度檢測器》行業(yè)標準[15]，規(guī)定了道路能見度檢測器的功能、技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標志、包裝、運輸和存儲等要求。但是，對于實驗室內(nèi)檢測條件和配套儀器設(shè)備的技術(shù)指標、測試方法、數(shù)據(jù)處理方法和測試周期未作規(guī)定。中國氣象局高度重視能見度自動觀測設(shè)備的技術(shù)性能。GB/T 35223—2017《地面觀測規(guī)范 氣象能見度》[16]和《前向散射能見度儀功能規(guī)格需求書》(試行)[17]中對能見度自動觀測設(shè)備的測量范圍、精度、數(shù)據(jù)輸出格式等進行要求。由于國內(nèi)還沒有建立完善的能見度量傳體系， 2017年安徽省大氣探測技術(shù)保障中心以本單位開發(fā)的能見度環(huán)境模擬方艙為研究基礎(chǔ)，開展了前向散射式能見度儀室內(nèi)測試方法研究工作，并對多臺前向散射式能見度儀進行測試，驗證室內(nèi)測試方法的可行性。

1 前向散射式能見度儀工作原理

前向散射式能見度儀由傳感器、采集器和外圍設(shè)備構(gòu)成，傳感器由發(fā)射端和接收端組成，如圖1所示。其工作原理是發(fā)射端發(fā)射一束光線，經(jīng)過采樣區(qū)，接收端根據(jù)測量采樣區(qū)入射光的散射情況確定散射系數(shù)[18]。

WMO在《氣象儀器和觀測方法指南》[19]指出：能見度的估計受許多主觀的和物理的因素影響，可以用氣象光學視程(MOR)客觀表示。大氣中光的衰減是由散射和吸收引起的，忽略吸收影響，消光系數(shù)和散射系數(shù)近似相等，氣象光學視程可以由公式(1)計算[16]：

(1)

式中：P為氣象光學視程(單位：m)；σ為消光系數(shù)，色溫為2700 K的白熾光源發(fā)出的平行光束經(jīng)過大氣中單位距離的路徑光通量削弱的相對值。

2 測量標準設(shè)備

前向散射式能見度儀室內(nèi)測量標準設(shè)備有測量標準器、試驗艙、散射板、遮光板、溫濕度傳感器和電子秒表等。測量標準器具有長期的穩(wěn)定性，提供準確、可靠的能見度參考量值。試驗艙用于模擬產(chǎn)生能見度高低變化的測試環(huán)境，通常包括凈化系統(tǒng)、加霧系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。艙體內(nèi)壁具有防潮、防水、耐腐蝕和抗老化、隔熱保濕功能，內(nèi)部配有被檢設(shè)備支架和供電裝置，便于設(shè)備安裝和調(diào)試。散射板、遮光板、秒表等用于測量被測設(shè)備響應時間。溫濕度傳感器用于監(jiān)測實驗室的溫度、濕度。

2.1 測量標準器

2.2 試驗艙

人工模擬能見度時通過控制大氣氣溶膠包括灰塵、煙、水霧、霾等懸浮粒子濃度實現(xiàn)。低能見度現(xiàn)象主要是由大霧引起的[21]，調(diào)節(jié)液態(tài)水顆粒物模擬能見度變化更接近自然現(xiàn)象，在濃度控制和持續(xù)檢測方面具有明顯優(yōu)勢。能見度與水霧滴直徑的平方和數(shù)濃度成正比[22]，通過控制能見度環(huán)境模擬方艙內(nèi)水霧粒子尺度(1～6 μm)和水霧濃度模擬能見度高低變化具有理論可行性。文中只對水霧影響能見度情況進行了模擬測試。

2.3 其他設(shè)備

散射板為可在2個表面均產(chǎn)生強烈光散射現(xiàn)象的玻璃材質(zhì)光學器件，利用符合國際照明委員會(CIE)要求的A光源照射，其霧度值(96±1)%。遮光板可使前向散射式能見度儀接收單元無法接收到由發(fā)射單元產(chǎn)生的光散射信號和環(huán)境背景光信號的輔助配件，其光學透過率為0。

3 測試方法及試驗驗證3.1 測試項目

測量范圍、響應時間、示值誤差、分辨力等是判別儀器設(shè)備計量性能的重要指標，也是前向散射式能見度儀的室內(nèi)重點測試項目。測量范圍反映了前向散射式能見度儀的示值誤差處于允許極限內(nèi)的能見度的示值范圍。響應時間的定義是激勵受到規(guī)定突變的瞬間，與響應到達并保持其最終穩(wěn)定值在規(guī)定極限內(nèi)的瞬間，這兩者之間的時間間隔[25]。其反映了前向散射式能見度儀在能見度發(fā)生突變時的反應快慢。示值誤差反映了前向散射式能見度儀示值準確度大小。分辨力反映了前向散射式能見度儀顯示裝置能有效辨別的最小示值差。

目前，中國氣象局定型的前向散射式能見度儀有3種，分別為DNQ1型、DNQ2型和DNQ3型，生產(chǎn)單位分別為華云升達(北京)氣象科技有限責任公司、安徽藍盾光電子股份有限公司和凱邁沈陽環(huán)測有限公司。下面將詳細介紹前向散射式能見度儀測試項目的測試方法，并選取3個定型的前向散射式能見度儀進行驗證實驗。

3.2 測量范圍檢測

測量范圍分為測量下限測試和測量上限測試，可借助能見度試驗艙完成。通過控制試驗艙內(nèi)能見度高低變化，采集被測設(shè)備有無測量范圍限值輸出。測量下限測試時，使艙內(nèi)能見度持續(xù)保持在10 m(以測試標準器示值為準)以下。當被測前向散射式能見度儀輸出示值穩(wěn)定后，讀取并記錄最小示值，作為其測量下限值。測量上限測試時，使艙內(nèi)能見度達到被測前向散射式能見度儀標稱測量上限(以測試標準器示值為準)以上。當被測前向散射式能見度儀輸出示值穩(wěn)定后，讀取并記錄最大示值，作為其測量上限值。被測前向散射式能見度儀測量范圍測試也可結(jié)合示值誤差的最低測試點和最高測試點進行測試。

選取4臺兩個型號的前向散射式能見度儀進行測量。其中2臺為新出廠的設(shè)備(生產(chǎn)編號：K2412005和K2412021)，2臺為高速公路業(yè)務(wù)運行中疑似無低能見度輸出，拆至實驗室進行復測設(shè)備(生產(chǎn)編號：201808097和201809190)。4臺設(shè)備測量范圍測試結(jié)果如表1所示。如表所示，4臺被測設(shè)備均可達到標稱測量上限值，但在測量下限，2臺新出廠設(shè)備能達到標稱測量下限10 m。2臺復測設(shè)備未達到標稱測量下限，但有小于50 m的示值輸出，測試結(jié)果與被測設(shè)備故障原因吻合。

表1 前向散射式能見度儀測量范圍 m

3.3 響應時間測試

響應時間測試需要產(chǎn)生使前向散射式能見度儀示值發(fā)生突變的激勵信號。由于試驗艙加霧或凈化時間相對較長(大于10 min)，不適合進行響應時間測量。根據(jù)前向散射式能見度儀工作原理，能見度生產(chǎn)廠商設(shè)計了散射板和遮光板標校能見度儀。響應時間測試時，可在發(fā)射光路或接收光路加裝散射板和遮光板。當在被測設(shè)備加裝散射板時，接收端的信號快速增強，能見度儀分鐘示值急劇降低。同理，當在被測設(shè)備加裝遮光板時，接收端無信號進入，能見度儀分鐘示值急劇升高。響應時間測試分上升響應時間和下降響應時間測試。上升響應時間測試方法為：按照被測前向散射式能見度儀技術(shù)手冊要求，在被測設(shè)備上安裝散射板。當分鐘示值穩(wěn)定后，再按照被測設(shè)備技術(shù)手冊要求加裝遮光板，同時利用電子秒表開始計時。當被測儀器分鐘示值達到測量上限后，停止計時，記錄時間間隔，并以此作為上升響應時間。下降響應時間測試方法為：按照被測前向散射式能見度儀技術(shù)手冊要求，在被測設(shè)備上先安裝遮光板，當分鐘示值穩(wěn)定后，再加裝散射板并移除遮光板，同時使用電子秒表計時。當分鐘示值達到散射板所對應的模擬值后，停止計時，記錄時間間隔，并以此作為下降響應時間。

選取2臺前向散射式能見度儀進行響應時間測試，測試結(jié)果如表2所示。兩臺被測設(shè)備的上升響應時間和下降響應時間一致，均為3 min。經(jīng)過測試，在被測設(shè)備上加裝遮擋板和散射板測試響應時間的方法具有可行性。

表2 前向散射式能見度儀響應時間 min

3.4 示值誤差測試

能見度測試點的選取要符合相關(guān)觀測規(guī)范和實際業(yè)務(wù)應用要求。氣象行業(yè)標準QX/T 114—2010《能見度等級和預報》[26]中對能見度等級劃分為0～6級，如表3所示。每個級別對鐵路、公路、水運、民航等交通運輸部門影響不同，采取的交通管理方法不同。能見度小于1000 m以下范圍，影響交通運輸程度較大，備受交通預警部門關(guān)注，在低能見度區(qū)域增加檢測點。QX/T 536-2020《前向散射式能見度儀測試方法》[24]中，前向散射式能見度儀示值誤差以500 m、1500 m為節(jié)點分3個能見度測量段分別要求。每個測量段選取3個測試點，建議首次測試時示值測試點依次為50 m、200 m、500 m、750 m、1000 m、1250 m、5000 m、10000 m和30000 m共9個點，也可根據(jù)實際需要選擇測試點。測試時，使試驗艙內(nèi)能見度持續(xù)保持在10 m(以測試標準器示值為準)以下。當被測前向散射式能見度儀輸出示值穩(wěn)定后，保持試驗艙內(nèi)空氣樣本自然沉降，實時連續(xù)采集測試標準器和被測前向散射式能見度儀輸出示值。當試驗艙內(nèi)能見度升至所選測試點最高值(以測試標準器示值為準)30 min后，停止數(shù)據(jù)采集，完成示值誤差測試。

表3 《能見度等級和預報》中能見度等級劃分標準

利用中國氣象局上海物資管理處的能見度環(huán)境模擬方艙，以透射儀為測量標準器，對多臺前向散射式能見度儀分鐘值示值誤差進行測試。2018年12月10日，3臺前向散射式能見度儀的測試曲線如圖2 所示。數(shù)據(jù)處理時，在各測試點連續(xù)選取不少于6組測量標準器和被測設(shè)備的輸出示值，分別計算兩者的示值平均值。當能見度≤500 m時，被測設(shè)備的示值誤差以絕對誤差表示；當能見度>500 m時，示值誤差以相當誤差表示。在50 m、200 m、500 m、750 m、1000 m、1250 m、5000 m和10000 m，分鐘值示值誤差見表4。結(jié)果表明：當能見度≤500 m時，3臺被測設(shè)備的示值誤差最大-18.5 m；當500 m<能見度≤1500 m時，示值相對誤差最大-3.8%；當能見度>1500 m時，示值相對誤差最大+3.2%。

圖2 3臺前向散射式能見度儀測試曲線(2018年12月10日)

表4 前向散射式能見度儀測試誤差(2018年12月10日)

2019年4月24日，3臺前向散射式能見度儀分鐘值示值誤差測試曲線如圖3所示，分鐘值示值誤差計算結(jié)果如表5所示。如表所示：當能見度≤500 m時，3臺被測設(shè)備的示值誤差最大為-14.8 m；當500 m<能見度≤1500 m時，示值相對誤差最大為+3.7%；當能見度>1500m時，示值相對誤差最大為+12.9%。

圖3 2019年4月24日3臺前向散射式能見度儀測試曲線

3.5 分辨力測試

測量儀器分辨力的評定，可以通過測量儀器的顯示裝置或讀數(shù)裝置有效辨別的最小示值差來評定。帶數(shù)字顯示裝置的測量儀器分辨力為最低位數(shù)字顯示變化一個步進量時的示值差。前向散射式能見度儀不帶有數(shù)字顯示裝置，其通過測量采樣區(qū)懸浮顆粒前向散射信號強度，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換處理后傳送至控制器的數(shù)據(jù)采集板，根據(jù)CPU取樣和計算后，并由數(shù)據(jù)采集軟件顯示測量結(jié)果。其分辨力測試方法為：當被測前向散射式能見度儀正常觀測時，查看數(shù)據(jù)采集軟件能有效辨別的最小能見度差值。例如：被測前向散射式能見度儀數(shù)據(jù)采集軟件顯示其能見度測量結(jié)果的最末位為個位，則能有效辨別的最小示值差即為1 m，其分辨力為1 m。

4 結(jié)論

前向散射式能見度儀室內(nèi)檢測缺乏權(quán)威的、標準化方法參考。檢測條件和檢測方法的不統(tǒng)一，大大影響檢測結(jié)果的準確性和一致性，建立前向散射式能見度儀室內(nèi)檢測標準迫在眉睫。

(1)前向散射式能見度儀測量標準設(shè)備包括測量標準器、試驗艙、散射板、遮光板、溫濕度傳感器和電子秒表等。其中，測量標準器的最大允許誤差：±5%(能見度≤1500 m)，±7%(能見度>1500 m)。試驗艙均勻性為：±30 m(能見度≤500 m)，±5%(能見度>500 m)；波動度為：±50 m/10min(能見度≤500 m)，±10%/10 min(能見度>500 m)。試驗艙可利用水霧粒子作為能見度模擬粒子。利用水霧粒子作為模擬粒子，可有效縮短低能見度控制時間。

(2)前向散射式能見度儀的測試項目為測量范圍、響應時間、示值誤差、分辨力四項。多臺前向散射式能見度儀室內(nèi)實測結(jié)果表明：利用測量標準器、試驗艙、散射板、遮光板、溫濕度傳感器和電子秒表等測試前向散射式能見度儀的四個測試項目具有可行性。