后向散射式激光能见度仪的研制 (1)

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基于光后向散射法的测尘仪的应用研究与设计

明：系统的灵敏度高，确度高，精可靠性好，线性回归方程的相关系数达到０９，其．９为该领域的研究人员提供了实践依据。
关键词：光后向散射；测尘仪；准；关系数校相中图分类号：Ｎ９Ｔ２文献标识码：Ａ文章编号：０１２—１４（０１００２ｏ０８１２１）６— ｏ９一３
不占用片内资源。片上集成有６ＢＦＡＨ，３１内部４ＫＬＳ４５ＢＲＭ、９个１Ｏ口、Ａ５／含有模拟多路选择器、可编程增益放大器、ＡＣＤＣ等，Ｄ、Ａ此外片上集成有２个ＵＲ、个Ｓ和１ＳＩＡＴ１Ｍ个Ｐ，
ＡｂｔａｔＡｃｏｄｎｏｔｅｒｑｉｍｅｔｕｏｗａｄｆｒｈｆｃｉｅｍｏｉｒｇａｄｃｎｒｌｆｕｔｅｓｉｎｙｔｅＳａｅＥｎｓｒｃ：ｃｒｉｇｔｈｅｕｒｅｎｓｐｔｒｒｅｅｆｔｎｔｉｏｔｏｓｍｉｏｓｂｈｔｔ－ｆｏｔｅｖｏｎｎｏｄｓｖｒｎｎａｒｔｃｉｎＡｄｎｓｒｔｎ，ｉｐｐｒｄｓｇｅｈｍｏｅｄｔｃｉｎｓｓｅｂｓｄｏａｋｒｃｔｒｇｏｇｔＩｉ－ｉｍｅｔＰｏｅｔｍｉｉａｉｔｓａｅｅｉｎｄｔｅｓｋｅｅｔｙｔｍａｅｎｂｃｗａｄｓａｔｉｆｌｈ．ｔｎｏｌｏｔｏｈｏｅｎｉｔｄｃｄｔｅｄｓｎｔｒｓｓｅＳｔｅｒ，ｏｏｉｏｉｓａｌｔｎａｄｃｉｒｔｎＴｅｓｓｅｉｅ — ｍｅｏ — ｎｎｏｔｕｕｒｕｅｈｕｔｍｏｉｙｔｍ’ ｈｏｙｃｍｐｓｔｎ，ｔｌｉｎａｂａｉ．ｈｙｔｍｓｒａｔ，ｎｌｅａｄｃｎｉｏｓｏｏｉｎａｏｌｏｌｉｉｎｍｅｓｒｍｅｔａｄｉｓｍｐｅｆｒｏ —ｉｎｔｌｔｎＴｅｅｐｒｎａｅｕｔｈｗｔａｅｓｓｅｈｓｈｇｅｓｔｉｈｇｃｕａｙａｕｅｎ，ｎｓｉｌｎｓｔｉｓａａｉ．ｈｘｅｍｅｔｌｓｌｓｏｔｈｙｔｍａｉｈｓｎｉｖｔｉｈａｃｒｃｏｅｌｏｉｒｓｈｔｉｙ，ａｄｒｌｂｌｙ，ｏｒｌｔｎｃｅｉｉｎｆｌｅｅｒｓｉｎｅｕｔｎｒａｈｔ．９，ｄｉｐｏｉｅｎｅｆｃｉｅｂｓｓｏｒｃｉｅｆｒｅｎｅｉｉｔｃｒｅａｉｏｆｃｅｔｎａｒｇｅｓｑａｉｅｃ０９ａｔｒｖｄｓａｆｔａｉｆａｔ－ａｉｏｏｉｒｏｏｏｎｅｖｐｃｏｒ

大气探测学复习题

大气探测学复习题1、大气探测按照探测方法分：目测〔云、能、天〕、直接探测〔探测仪器与被测大气直接接触，如玻璃液体温度表测量气温的方法。

目前直接探测正向遥测方向发展，如自动站的温度传感器〕和遥感〔又称间接探测，指仪器与被测大气不直接接触进行的探测，分为主动遥感和被动遥感〕三种。

2、大气探测按照探测范围分：地面气象观测和高空气象探测两种。

按照探测平台分：地基探测、空基探测和天基探测。

按照探测时间分：定时观测和不定时观测。

WMO又把定时观测分为基本天气观测和辅助天气观测，两者均参与全球气象资料的交换。

3、一个比较完整的现代化大气探测系统，包括探测平台〔基础〕、探测仪器〔核心〕、通讯系统〔纽带〕、资料处理系统〔不可或缺〕。

4、大气探测学主要研究内容：研究大气探测系统的建立原则和方法，以便获得有代表性的全球三维空间分布的气象资料；制定大气探测技术标准来统一各种观测技术和方法，使其标准化，确保气象资料具有可比较性；研制探测仪器标准计量设备，制定计量校准方法，确保测量结果的准确性。

5、传感器或测量系统的校准是确定测量数据有效性的第一步。

校准是一组操作，是指在特定条件下，建立测量仪器或测量系统的指示值雨相应的被测量〔即需要测量的量〕的已知值之间的关系。

主要确定传感器或测量系统的偏差或平均偏差、随机误差、是否存在任何阈值或非线性响应区域、分辨率和滞差。

6、校准结果有时可以用一个校准系数或一序列校准系数表示，也可以采用校准表或校准曲线表示。

7、随机误差是不可重复的，也是不可消除的，但是它能够通过在校准时采用足够次数的重复测量和统计方法加以确定。

8、根据国际标准化组织〔ISO〕的定义，标准器可分基准、二级标准、国际标准、国家标准、工作标准、传递标准、移运式标准等。

基准设置在重要的国际机构或国家机构中。

二级标准通常设置在主要的校准实验室中。

工作标准通常是经过用二级标准校准的实验室仪器。

工作标准可以再野外场地作为传递标准使用。

散射式能见度仪

1. 散射式能见度仪目前基准气候站普遍采用的测定大气能见度的仪器为翻斗式雨量传感器，世界上普遍应用的能见度观测仪主要有透射式和散射式两种. 散射式能见度仪以其体积小和低廉的价格而广泛应用于码头、航空、高速公路等系统。

1）仪器结构：透射仪测量的是衰减系数, 而散射仪则直接测量来自一个小的采样容积的散射光强.通过散射光强来有效地计算消光系数是建立在以下3 个假设的基础上的: ①假定大气是均质的, 即大气是均匀分布的; ②假定大气消光系数R 等于大气中雾、霾、雪和雨的散射,图1 FD12P 结构图，即假定分子的吸收、散射或分子内部交互光学效应为零; ③假定散射仪测量的散射光强正比于散射系数. 在一般情况下, 选择适当的角度, 散射信号近似正比于散射系数。

根据散射角度的不同, 散射仪又可分为3 种: 前向散射仪、后向散射仪和总散射仪.2）测降水量原理：承水口收集的雨水，经过上筒（漏斗）过滤网，注入计量翻斗—翻斗是用工程塑料注射成型的用中间隔板分成两个等容积的三角斗室。

它是一个机械双稳态结构，当一斗室接水时，另一斗室处于等待状态。

当所接水容积达到预定值（6.28、15.7、31.4ml）时，由于重力作用使自己翻倒，处于等待状态，另一斗室处于工作状态。

当其接水量达到预定值时，又自己翻倒，处于等待状态。

在翻斗侧壁上装有磁钢，它随翻斗翻倒时从干式舌簧管旁扫描，使两个干式舌簧管轮流通断。

即翻斗每翻倒一次，干式舌簧管便送出一个开关信号（脉冲信号）。

这样翻斗翻动次数用磁钢扫描干式舌簧管通断送出脉冲信号计数，每记录一个脉冲信号，便代表0.2、0.5、1毫米降水，实现降水遥测的目的。

（V1-VP）/V仪器误差计算方法：E=E 翻斗计量误差（%）V 翻斗理论翻转水量，等于翻斗的翻转数X每斗水量mlV 人工量取的仪器自身排水量ml人工恒压注入水试验，在雨强为2mm/min时（6、15、30秒翻一斗）不计100次，用量筒测量仪器自身排水量倒入水量代入上式计算，其误差不应超过±3.如超差，要重新调整基点。

激光后向散射式能见度测试精度及误差分析

ｍｅｎｔ．
Ｋｅｒｓｂｃｗｒｃｔｒｇｖｓｂｌｙｍｅｓｒｍｅｔｅｏｎｙｉｙｗｏｄ：ａｋａｄｓａｔｉ；ｉｉｉｔａｕｅｎｉｅｎ；ｒｒａａｓｓｓｌ
１引言
的粒子造成的，一般为气体分子，利散射又经常故瑞被称作分子散射。而当粒子半径和激光波长相比可以比拟时则会发生米氏散射，一般把直径大于波长００的粒子造成的散射称作米氏散射 ¨ 。而拉．３倍Ｊ曼散射是分子电子在光作用下的极化作用产生的，极化率改变大小由分子热运动决定，它会引起折射率的变化从而发生散射现象。几种散射强度相比，米氏散射和瑞利散射较强，而拉曼散射则十分微弱，
维普资讯
第３８卷第３期
２００８年３月
激光与红外
ＩＳＡＥＲ＆ＩＮＦＲＡＲＥＤ
Ｖ０．８．．１３Ｎｏ３
Ｍａｃ２Ｏｒｈ．０８
文章编号：０－７（０８０－０－１１０８２０）３２４４０５００
ＡｎｌｓｓｏｃｗａｄＳａｔｒｎｄｒｆｒＶｉｉｉｔａｙｉｆＢａｋｒｃｔｅｉｇＬｉａｏｓｂｌｙｉ
ＭｅｓｒｍｅｔＥｒｏｓａｕｅｎｒｒ
ＣＨＥＮＤｏｇ，ＡＮＧＪａｇａ，ＮＧＳｅｇｎＷｉｎ —ｌＫＡｈｎｌ
具有设备体积小、功耗低及不需要合作目标等优点

后向散射式激光能见度仪的研制_徐赤东

58
ln(P(z)z 2 ) = C1 − 2αz
（6）
C1 是取对数后作为一个常数存在的量。由上述的方程知道，接收的回波信号乘以距离的平方取对数后与距离成线性关系，并且直线的斜率的一半就是这一段距离大气的消光系数。这
样，对采样信号拟合得到直线，得到消光系数α 后，再利用（3）式的关系可得能见度。
由以上的原理知道，在选取拟合点时，对均匀大气状况来说直接选取整个有效数据来拟合能见度。即在采样空间内选择距离 z0 到距离 z 这一段的大气柱，一般情况为几百米到几千米甚至取十几千米的距离。而在非均匀大气状况下，就不能取整个有效采集区间作一次性拟合直线，根据大气的特点及后向散射式能见度测量仪的分辨率，可采取分段取点的方式，即在测量路径上假设有多个不同的均匀大气柱段，分别拟合直线，获得不同大气柱段的消光系数，求取整个测量路径上的平均消光系数，再代入（3）式获得平均能见度。 2.3 后向散射式能见度测量仪的主要特点
样的空间相对来说较小。而后向散射式的能见度测量方法最早是直接利用激光雷达来实现
的，无需合作目标，可以测量斜层能见度。但是由于激光雷达的成本高，同时能见度测量仅
仅是激光雷达的应用之一，所以利用激光雷达测量能见度的推广应用受到极大的限制，随着
激光技术和探测技术的发展，利用后向散射式原理测量能见度的技术也逐渐成熟，其制造成
根据原理可以明显看出，后向散射式能见度仪具备以下主要特点：（1）无需合作目标；（2）有足够的采样空间，真实反应测量区域的大气状况；（3）可获得测量路径上不同区域的能见度；（4）可获得测量路径上大气均匀性；（5）可测量斜层能见度。 3 仪器基本设计思想及基本参数结构 3.1 基本设计思想
考虑到仪器的应用领域、人员安全，后向散射式能见度测量仪在设计时综合考虑以下关键问题：（1）波长。人眼最敏感的光波长为 550nm，对于不同的波长需要进行波长修正。所以在选取波长时尽量往这个波段靠，即使存在波长修正，由于波长接近带来的误差也相对要小。（2）激光能量。在仪器使用时需要考虑对非工作人员的安全问题，激光由于它的能量密度大，存在皮肤尤其是眼睛安全问题。因此能量选择时必须要尽量小。

2014湖南综合观测基本知识试题（大气物理、大气探测、现代气象观测）

2014湖南综合观测基本知识试题（大气物理、大气探测、现代气象观测）2014湖南综合观测基本知识试题（大气物理、大气探测、现代气象观测）（满分190分，考试时间120分钟）一、单项选择题（100题，每小题0.5分，共50分。

）1、气象探测的发展经历了几个重要的阶段，初始阶段是一系列定量测量地面气象要素仪器的出现，其标志性仪器为1643年( )发明的水银气压表。

A、托里拆利B、索绪尔C、伽利略D、白贝罗2、（）是将感应原件放于测量位置上，测量大气要素的变化。

A、直接测量B、感应测量C、遥感探测D、直接探测3、直接探测是根据原件的（）受大气某种作用而产生反应的特点，构成直接探测原理。

A、物理和化学性质B、物理性质C、化学性质D、光学性质4、（）是大气探测的工具A、仪器B、仪表C、探空气球D、传感器5、室内大气湿度测量最精确的方法是（）A、干湿球湿度表测湿法B、电学湿度表测湿法C、称量法D、光学湿度计测湿法6、饱和水汽压是指在固定的（）下，水汽和平面纯净水面达到的气液两相中性平衡，或水汽和平面纯净冰面达到的气固两相中性平衡时纯水蒸汽的水汽压。

A、气压和风速B、气压和温度C、风速和温度D、气压、温度、风速7、相对湿度U是指压力为P、温度为T的湿空气，其（）的百分数。

A、水汽压和水面饱和水汽压比值B、水汽压和冰面饱和水汽压比值C、水汽压和当地总气压比值D、水汽质量与湿空气总质量比值8、干湿球温度表系数随风速有很大的变化，小风速时数值较大，随风速的增加迅速减小。

当风速超过（）时，A值的变化很小，逐渐接近理论值.A 、1.5 m/sB 、3 m/sC 、4 m/sD 、2 m/s9、碳膜湿度片是通过测量元件的（）来确定空气的相对湿度。

A、电容值B、电压值C、电阻值D、电流值10、影响高分子薄膜湿敏电容滞后系数最主要的因素是（）。

A、电容表面的金属镀层的工艺特性B、表面电极的厚度C、污染物的贴附D、多谐波振荡器的功率11、在现代湿度测量中（）是唯一用来测量快速脉动的方法。

基于后向散射的激光雷达系统研究与仿真

２２高灵敏度信号探测和接收．
及进行大气能见度测量等等．大气后向散射的应
用正越来越广泛。通过对激光后向散射的理论分析，对影响激光雷达系统的性能因素进行了阐
目前信号探测的方式主要分为两种：一类为相干探测方式，利用了两束光在光电探测器光敏
面的相干混频效应，出两束光的差频信号；输另
Ｐ，Ａｏｒ，，Ａ２ｒｒ回波光功率为：，：４，，，ａ，Ｐ回波光功率为：，＝— 丁：＿，Ｐｉ一由于光束的＿
—
ห้องสมุดไป่ตู้
因灵敏度高，波性能好，间和偏振鉴别能力滤空强等优点，在测量大气和全球风场方面发挥了重要的作用。随着器件性能的大幅度提高，相干非
接收部分、光学系统、伺服系统和信息处理等几部分组成。直接探测后向散射激光雷达的一般
原理如图１示。所
２１发射系统．系统选用的激光器必须能够满足在一定距离内实现对大气气溶胶的测量所需要的能量。激光器选用脉冲方式，通过外加调整信号，以可
谢亚峰：基于后向散射的激光雷达系统研究与仿真
２１
一
类为非相干探测或者称直接探测。相干探测
噪声功率，为探测器的暗电流噪声功率，雕ＰＰ为所接收的背景光功率。。为探测器的量子效卵率，ｉ探测器的响应度，为光子频率，为系Ａ为统的带宽。据激光雷达方程，测器接收到的根探

能见度测量仪研究

能见度测量仪研究作者：范顺志来源：《山东工业技术》2014年第20期摘要：本文通过对大气能见度国内外的研究状况，通过对大气能见度的理论进行研究，分别从透射和散射法测量大气能见度方法，给出了白天和夜晚能见度计算公式，建立了精确计算数学模型。

关键词：能见度;前向散射;双光路;光学设计1 透射式能见度仪透射式能见度仪器主要是通过对通过仪器的大气光辐射的透射量进行测量，以得到能见度的相关数据。

其可以进步一分为“双端”透射式和“单端”透射式两种。

1.1 双端透射式能见度仪双端透射式能见度仪器其构成部分为：发生器和接收器，以及相关处理器件。

发射器和接收器位于基线的不同端口，通过发射器的光脉冲发射，在接收端口进行接收到的衰减后的的光辐射功率，即可得大气透射比。

透射式能见度仪的探测误差与基线长度的设定和透射比误差相关，其中，透射比探测误差又与发射器光源强度标定误差、发射器和接收器透镜脏污程度有关。

双端透射式能见度仪常被用于机场能见度测量。

小型飞机场使用的透射式能见度仪，可在重霾和浓雾天气条件下精确测量大气能见距离。

典型的小型机场，允许透射式能见度仪具有100m左右的基线长度，因此安装在小型机场的透射型能见度仪，其能见度有效范围为50m到2000m。

这一能见度范围仅相应于薄雾和重霾两种天气条件，更高能见度条件下的测量结果误差较大。

双端透射式能见度仪的缺点是：第一，发射器与接收器安装不为一体，现场调校准比较困难;第二，受大气样本基线长度限制，测量范围比较小。

有时，为了加大测量范围，不得不同时设置两个长度不同的基线。

1.2 单端透射式能见度仪单端透射式能见度仪，发射器和接收器是一体化的，和被测大气样本的水平气柱在同一端，反射器则在基线的另一端。

发射器发出的的探照光辐射被分成两束：一束透过大气样本射向反射器，被反射器反射后，在反向透过大气样本进行入接收器;另一束光则直接进入接收器，作为光辐射初始功率的参考基准。

两路光信号，被位于接收器光轴上的光电器件所探测。

大气探测学_国防科技大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年

大气探测学_国防科技大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.雾的水平能见度小于1.0km。

参考答案:正确2.全天空成像仪WSI可以实现云量的昼夜连续观测。

参考答案:错误3.云幕灯在白天和夜间均可实现云底高度的测量。

（X）参考答案:错误4.积云云块垂直向上发展不旺盛，厚度小于其水平宽度，从侧面看似小土包，为淡积云。

参考答案:正确5.由于自身冷却或气团沿锋面缓慢抬升而形成的云常呈均匀幕状为（）参考答案:层状云6.在红外波段，以下哪些不是主要的吸收气体？参考答案:氧气（O2）7.在微波波段，氧气的强吸收带位于（）和118GHz附近，通常用来遥感大气温度廓线。

参考答案:60GHz附近8.在微波波段，水汽的强吸收带位于（），通常用来遥感大气湿度廓线。

参考答案:183GHz附近9.降水现象是指（）的水凝（冻）物从空中下落到地面上的现象参考答案:固态_混合态_液态10.利用同一时刻由前向散射仪接收到的（）与雨水检测器接收到的降水强度之比可以区分降水类型。

参考答案:散射光强11.全天空成像仪WSI采用双可见光波段法测量云量，即通过测量天空（）两个窄可见光波段的辐射值确定云量。

参考答案:650nm和450nm12.冷镜式露点仪是目前唯一一种可以在全温湿量程范围内达到较高准确度的测湿仪器，一直作为湿度标准器。

参考答案:正确13.风杯响应风速的变化是一个一阶过程，且响应风速上升和下降的时间常数不同，因此造成“过高效应”。

参考答案:错误14.“日晕三更雨，月晕午时风”描述的下列哪类云的特征？参考答案:卷层云15.下述云中，不属于低云族的是（）参考答案:Ac tra16.激光气象雷达通常由（）等组成。

参考答案:控制与数据处理单元_供电单元_光学接收单元_数据采集单元17.激光气象雷达可以用于探测（）。

参考答案:云底高_风廓线_气溶胶种类_湿度廓线18.散射辐射=总辐射-直接辐射参考答案:正确19.层积云属于一种典型的积状云。

基于后向散射的分布式能见度测量方法探讨

ａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ，ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｍｅａｓｕｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒｗｈｉｃｈｍｅｅｔｓｉｎｔｈｅａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｃｕｒｖｅｗｅａｎａｌｙｚｅｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｄｅｃａｙｏｆｔｈｅ
０引言
近年来，从南方到北国，雾霾频频造访，大气能见度逐年降低，因此能见度的测量技术也逐渐成为了一个比较活跃的研究
的基本公式：
ｖ＝－ｉｎ￡０ ≈ ３０
可以看出，测量能见度的核心问题是如何准确探测大气的消光系数。目测是最早和最简便的能见度观测方法，但受主观因素影响，观测误差往往较大。为了实现能见度的客观准确评定，仪器逐渐用于能见度测量。目前常见的能见度仪有透射式、前向散射式、后向散射式。１．１透射式能见度仪，又称透射仪（透射表），其工作原
ＪｉｎＸｉｎ，ＸｕＮｉｎｇ
（ＮａｆＰｏｓｔｓａｎｄＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ＮａｎｊｉｎｇＣｈｉｎａ，２１００２３）

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高速光子计数
系统指标
56
工作方式
连续，全自动工作
通讯方式
可联网
工作环境
5℃--40℃
总体重量
< 20Kg
工作采样范围
0---20 千米
可选方式
水平旋转扫描测量
4 实测数据
利用研制的后向散射激光能见度仪进行了相关采集测试工作。如图 2 是能见度测量信号的反演计算。图中圆点表示是利用式（6）计算得到的信号与距离平方的乘积 P(z)Z2 同距
∫ ( ) 气消光系数（ KM −1 ）；exp⎢⎣⎡− 2
zα
z0
z'
dz
'
⎤ ⎥⎦
大气往返透过率。
（5）是从距离 z0 到距离 z 处
对于方程（4），假设从距离 z0 到距离 z 的大气是混合均匀的，那么大气后向散射系数
和消光系数即 β (z)和α (z) 可以认为是常量，变形后等号两边同时取对数，可以得到式（6），
58
Bb > Bt
（1）
K = Bt − Bb Bt
Bt > Bb
（2）
上式中的各量与人眼视觉光谱特性有关，当 K 小于人眼对比阈值ε时，目标物不能被人眼
识别，而 K 大于人眼对比阈值时则能够被识别，一般正常视力的对比阈值为 0.02，在航空
管理上推荐的阈值是 0.05。
因为目标物被观测者识别时其亮度已经被目标物与观测者之间这一段大气柱衰减，假定这一
激光稳定性和光学镜面的清洁度影响较大。数字摄影法实际是对天空亮背景和黑体或目标灯
光进行测量，其基本原理类似于目测，需要有固定的目标物。而散射法则无需固定的目标物，
在这里前向散射和后向散射又不相同，前向散射利用粒子35度左右的散射信号，也就是前向
散射式能见度仪光的发射接收单元是呈一定角度，且距离不远，在六十厘米左右，所以其采
根据以上基本要求，选取了波长为 532nm，单脉冲能量为 10μJ 的半导体泵浦的全固态小型激光器为光源，采取了优化的发射接受同轴光学系统和紧凑的机械结构设计，使整个系统的体积、重量达到预设的目标，并保证了仪器长期工作的稳定性。波长接近人眼最敏感的波长，能量低，且此波长为较常见的激光波长，因此成本上相对来说不高。为达到全自动在各种环境条件下稳定工作的目的，采取了一些必要保温、防潮措施，同时在各个关键部位增加了监测和自动调节机构，确保仪器的环境适应能力。
图 2 水平能见度测量计算
图 3 不同原理测量能见度的对比
图 3 是 BELFFORT 公司生产能见度仪(Model 6230A）与后向散射式能见度仪的对比图。观测对比结果见图。两者测量能见度有相当好的一致性。
图 4 是在河北张北测量的一整天的大气能见度随时间的变化图。
57
5 小结介绍了一种利用后向散射式实用化的激光能见度仪，并利用此能见度仪进行了实际测
段气柱为混合均匀，因此根据 BEER 定律，结合式（1）、(2)可推导出能见度方程如（3）式
所示，
54
V = − ln ε α
（3）
式中α 为观察者与目标物间的大气消光系数，单位 KM-1，V 为能见度单位 KM。
2.2 激光雷达方程及能见度处理方法
利用后向散射信号测量大气能见度，工作过程是将一束激光发射到大气中，再按照一定
=
P0CZ
−2β (z) exp[−2
z α (z ' )dz ' ]
z0
（4）
式中， P0 为激光发射功率（W ）；C 是激光雷达系统常数（W * KM 3 * Sr1 ），与雷达系统
的各个部件有关； β (z)是距离 z 处大气后向散射系数（ KM 3 * Sr −1 ）；α (z) 是距离 z 处大
55
（3）环境适应能力。作为全天候长期工作的仪器，需要适应夏天的高温、冬天的低温，雨雪天气等不同的恶劣环境，对于精密光学仪器来说这种条件是非常苛刻的，因此采取一些适当的保护监测措施是必须的。（4）稳定性。光学仪器普遍存在的问题是在不同工作环境下长期使用时，由各种光电器件和系统自身结构带来各种微小变化，有些微小变化会造成整个系统的失效，因此，这也是后向散射式激光能见度仪在设计安装时需要重视的问题。（5）总体体积、重量。作为常规气象参数测量仪器，在广泛使用时，不应太多的受到安装位置的限制，也不应该由多人来完成安装，仅一个人就能够完成安装和移动，仪器体积和重量不宜过大过重。（6）自动化程度。器测能见度需要客观、无人值守、全自动的测量。需要考虑对工作状态的监测和控制。 3.2 基本结构
后向散射式激光能见度仪的研制
徐赤东纪玉峰（中国科学院大气成分与光学重点实验室，安徽合肥，230031）摘要：在介绍了常见的测量大气能见度的各种方法后，重点介绍了后向散射式能见度测量的基本原理和能见度计算反演方法。展示了新研制的后向散射式激光能见度仪的设计思想和总体结构，并给出了具体参数和指标。最后提供了实测对比数据，表明了后向散射式激光能见度仪测量的可靠性。关键词：后向散射激光能见度仪
能见度值的高低反应了观测路径上大气状况，直接影响到人类活动，是气象观测要素之
一。能见度对天气系统、交通安全、光学观测、激光通讯、大气污染等很多方面起到重要作
用。我国气象行业标准中将气象能见度分为白天和夜间两种定义[1]，但都是以能分辨目标
物ห้องสมุดไป่ตู้最大距离来定义。
1．能见度测量一般方法
对于能见度的测量可分为目测和器测两大类。目测主要是由经过训练的有经验的观测人
员对不同距离上固定目标进行识别，这与观测者以及观测者当时的身体状况、目标物的距离
分辨率上都有关系，因此观测的能见度值受人的主观性影响很大。而器测能见度就相对来说
更为客观些。器测能见度主要有光透射法[2]，数字摄影法[3]，前向散射法[4]和后向散射测
量法[5]。光透射法需要有可以直接反射的合作目标，使用于跑道或短距离的测量场所，受
的时序接收大气分子及气溶胶粒子对光的后向散射信号，再对信号进行分析反演得到能见
度，这个过程实质上是光在大气中的传输问题，即后向散射式能见度仪的理论依据是激光雷
达原理，因而，可以用激光雷达方程来描述这个过程。
在距离激光发射点 z 处的后向散射的实时接收功率 P(z) 可以表达为（式 4）：
∫ P(z)
根据原理可以明显看出，后向散射式能见度仪具备以下主要特点：（1）无需合作目标；（2）有足够的采样空间，真实反应测量区域的大气状况；（3）可获得测量路径上不同区域的能见度；（4）可获得测量路径上大气均匀性；（5）可测量斜层能见度。 3 仪器基本设计思想及基本参数结构 3.1 基本设计思想
考虑到仪器的应用领域、人员安全，后向散射式能见度测量仪在设计时综合考虑以下关键问题：（1）波长。人眼最敏感的光波长为 550nm，对于不同的波长需要进行波长修正。所以在选取波长时尽量往这个波段靠，即使存在波长修正，由于波长接近带来的误差也相对要小。（2）激光能量。在仪器使用时需要考虑对非工作人员的安全问题，激光由于它的能量密度大，存在皮肤尤其是眼睛安全问题。因此能量选择时必须要尽量小。
量。其优势在于无需合作目标，取样空间大，并且可以测量斜层能见度。由此引申为可以直接探测水平能见度的均匀性。较长时间的工作，其稳定性和环境适应能力较强。
虽然对比数据较好，但是还有一些工作需要深入和完善。如仪器误差范围需要进一步的试验验证，在第能见度时的多次散射问题对该能见度仪的影响有多大也需要进一步的试验验证等。
本也随之下降，因此，我们研制了后向散射式激光能见度仪。
2 后向散射式测量原理及主要特点
2.1 能见度的基本原理
观测者能够从背景物中分辨出目标物，与目标物的亮度和背景的亮度有关。定义在距离
观测者 R 处目标物的视亮度为 Bt，背景视亮度为 Bb，亮度对比定义为 K，有以下关系式：
K = Bb − Bt Bb
ln(P(z)z 2 ) = C1 − 2αz
（6）
C1 是取对数后作为一个常数存在的量。由上述的方程知道，接收的回波信号乘以距离的平方取对数后与距离成线性关系，并且直线的斜率的一半就是这一段距离大气的消光系数。这
样，对采样信号拟合得到直线，得到消光系数α 后，再利用（3）式的关系可得能见度。
由以上的原理知道，在选取拟合点时，对均匀大气状况来说直接选取整个有效数据来拟合能见度。即在采样空间内选择距离 z0 到距离 z 这一段的大气柱，一般情况为几百米到几千米甚至取十几千米的距离。而在非均匀大气状况下，就不能取整个有效采集区间作一次性拟合直线，根据大气的特点及后向散射式能见度测量仪的分辨率，可采取分段取点的方式，即在测量路径上假设有多个不同的均匀大气柱段，分别拟合直线，获得不同大气柱段的消光系数，求取整个测量路径上的平均消光系数，再代入（3）式获得平均能见度。 2.3 后向散射式能见度测量仪的主要特点
离 Z 的关系，斜线是取相对较直的一段拟合而成的直线，图中公式是拟合直线的方程，直
线斜率为 - 0.48，斜率的二分之一的绝对值就是水平消光，由式（3）可以得到能见度为 16.3
公里。
LN PZZ
14
fit(z)=13.4- 0.48*z
12
FIT LINE LNPZZ
10
8
6
0
2
4
6
8
RANGE(KM)
样的空间相对来说较小。而后向散射式的能见度测量方法最早是直接利用激光雷达来实现
的，无需合作目标，可以测量斜层能见度。但是由于激光雷达的成本高，同时能见度测量仅
仅是激光雷达的应用之一，所以利用激光雷达测量能见度的推广应用受到极大的限制，随着
激光技术和探测技术的发展，利用后向散射式原理测量能见度的技术也逐渐成熟，其制造成
参考文献： [1]地面气象观测规范第3部分：气象能见度观测.气象出版社出版，2007.09，1 [2] 施德恒,刘新建,黄国庆等.一种透射式跑道能见度激光测量仪研究[J].激光技术，2003，27（5）：419-422. [3] 吕伟涛，陶善昌，刘亦风。基于数字摄像技术测量气象能见度———双亮度差方法和试验研究［J］. 大气科学，2004，28 （4） [4] 陈安军. 利用前向散射实现的双光路能见度激光测量系统[J].红外与激光工程,2001,30(4):306-310. [5] 谢晨波，徐赤东，李琛等. 沿海地区大气能见度的激光雷达测量与分析[J].过程工程学报，2004，4增刊802-808