基于透射法的空气能见度测量

符荣鑫，郑玉峰，聂梦松，赵晓红

（1.北京邮电大学 自动化学院，北京 100876；2.北京邮电大学 理学院，北京 100876）

基于透射法的空气能见度测量

符荣鑫1，郑玉峰1，聂梦松1，赵晓红2

（1.北京邮电大学 自动化学院，北京 100876；2.北京邮电大学 理学院，北京 100876）

针对传统透射式能见度测量系统占地面积大、光学系统难以对准等缺陷，根据透射法原理，利用自制的仪器测量空气能见度，通过数据采集卡及LabVIEW编程，实现了对能见度数值的实时测量记录，在0～500 m范围内有较好的测量精度，可应用于需要测量雾霾等天气情况下能见度数值的场所。

空气能见度；透射法；LabVIEW

Abstract：According to the principle of the transmission method，the home-made instruments are used to measure air visibility through data acquisition card and LabVIEW programming to record real time measurement of the visibility values.To improve the traditional visibility measurement system，the shortcoming of covering a large area and optical system difficult to align are overcome.The device is preferable measurement accuracy within the range of 0～500mand can be used in visibility measurement conditions such as fog and haze.

Key words：air visibility；transmission method；LabVIEW

空气能见度的高精度、实时探测对航空、航海、公路、铁路交通领域等都十分重要，精确监控空气能见度并实时地传输到电脑终端的能见度仪会对交通管控提供很多方便［1］。测量空气能见度一般可用目测的方法，也可以使用大气透射仪、激光能见度自动测量仪等仪器测量。目前市场上的透射式能见度测量仪存在以下缺陷：光学收发仪器分体安装，占地面积较大，光学系统难以对准，现场调校困难，难以实时监测［2］。另外，透射法的传统设备不便于设备在倾斜状况下测试［3］。为此，本文研制出一种透射法的空气能见度测量仪，采用半导体激光的发射和接收系统，通过测量接收光强来确定能见度，具有结构紧凑、功耗低、自动化程度高、探测速度快以及携带方便等优点，适用于不同环境水平的能见度的探测。

1 空气能见度的测量原理

目前，不同学科从不同的角度出发，对空气能见度的定义不同，我们考虑到空气能见度的应用背景，选取气象学对空气能见度的定义。该定义是指白炽灯发出色温为2 700K的平行光束的光通量在空气中衰减至初始值的5%所通过的路径长度［2］。激光在空气中会表现出一定的传输衰减特性［4］。在可见和近红外波段，气溶胶粒子的散射是大气消光的主要因素［5］。故可利用透射法原理，采用发射端和接收端相分离的方式，根据光源通过一定长度的空气之后光强的衰减得出能见度的数值。

Bougner-Lambert定律提出了平行光束在空气中的衰减模式［6］，即I＝I0e-αl，其中，I表示接受到的光强，I0表示光的初始光强，α为光在空气中的衰减系数，l为光通过空气的路径长度。根据能见度的定义得到空气能见度V的测量公式［7］为

根据Bougmer-Lambert定律，光源通过空气之后，初始光强与接收光强的比值对数（lnI0/I）与光通过的距离成正比。本文选择650nm波长激光头作为光源，一方面考虑到激光束集中、亮度高，光线平行性好的特点，另一方面考虑到红色激光在烟雾环境下的透射性更好［8］。由于该光源与空气能见度定义中的光源不同，应该对上述公式进行修正。

Knlse的修订参数，是针对人眼感觉的光波（白光）而言的。作为近似，可以用人眼最敏感的绿光的衰减系数来代替白光的衰减系数［9］，对于其他波长λ的光应作如下修正［10］：

q值在不同地区和时间可能不同，最常用的是Knlse提出的修订参数，在空气能见度较低时。q＝（V以km 计）考虑到装置测量范围，选取V＝500m，求取近似的q值，进而得出空气能见度的测量公式［8］为

2 测量装置

整套空气能见度测量设备主要包括配有滑块的精密导轨、激光头、光点校准使用的有机玻璃滑块（见图2）、硅光电池、用于汇聚光线的透镜、匀速电机、数据采集卡以及PC电脑终端。匀速电机用来拖动导轨上的滑块以带动滑块上的激光头匀速运动。精密导轨上配有的滑块与激光头通过4颗螺丝连接，便于调整激光头发出的光线位置。导轨末端安装了用黑色胶布包裹的有机玻璃块，以减小环境光强对实验结果的影响。有机玻璃块上带有穿透整个玻璃块的小孔，用于校准光线，使激光头发出的光线能打在玻璃块后的透镜上，透镜将光线汇聚到硅光电池上，硅光电池将光信号转换为电信号，通过数据采集卡将数据传送到电脑终端处理［12］。图3为接收端。

3 测量与分析

将整套装置放在有机玻璃制成的微环境箱中，在箱内通入大量烟雾，使其内部空气能见度降至极低。

图2 安装激光头的滑块

图3 光的接收端

（1）探究仪器随距离变化对能见度测量精度的影响。接通匀速电机电源，电机拖动激光发生器在导轨上运动，通过光接收器将激光通过充满烟雾介质后的电压信号进行处理，绘制出以接受光强对数为纵坐标、以时间t为横坐标的曲线。由于电机拖动滑块匀速前进，且按照测量原理，接受的光强对数ln（I0/I）与激光通过的距离成正相关关系，故图像的线性程度可表征仪器的测试精准程度。

经测量结果（见图4）验证，计算机屏幕上出现的曲线线性良好，证明测量设备调整精确。

（2）通过玻璃箱带有的排气扇减小环境中的烟雾浓度后对能见度进行连续的观测，以观测其测量结果曲线

微环境箱内充满高浓度的烟雾后，用微环境箱带有的风扇抽取气体。保持滑块上的激光头不动，以空气能见度作为纵坐标，电机运动时间作为横坐标。得到能见度呈上升趋势的变化，如图5所示。

由图5中的曲线可以看出，随着烟雾浓度的减小，能见度不断升高，并且在低浓度时其升高的过程较为平稳。说明该装置能够对能见度进行很好的测量，有一定的使用价值。

图4 仪器随距离变化对能见度测量精度的影响曲线

图5 随烟雾浓度减小的空气能见度测量结果

（3）户外测试结果与其他测试设备的对比。由实验室内的测试结果得出，测试装置在0～500m的能见度范围测试精度较高。考虑到测量装置的实际应用价值，将其放在户外环境下测量空气能见度，并与大型能见度测量装置的测量结果进行对比，得到的数据见表1。

表1 测量设备与其他大型设备户外测量结果对照

由表1数据可知，本文提出的测试装置在低能见度下测试结果良好，在高能见度下，测试结果也与市面上的高端空气能见度测试装置测试结果相差不大。由于在实际环境中，对户外空气能见度测试的精度要求并不十分苛刻，所以本装置测试精度在实际环境中有着一定的应用价值。

4 结束语

本文立足于实际问题，制作了可靠的空气能见度测量装置，并对空气重要参量（能见度）进行了研究。运用透射法为原理进行实验，针对性地提出了空气能见度的测量方法与公式，并合理地提出了测量器材的选取标准。同时采用了基于计算机平台的数据处理方法，将LabVIEW软件引入空气能见度的测量，使数据处理更为方便、快捷、准确。该测量方法克服了原有的透射法测量空气能见度的一些缺点，并在0～500m范围内具有良好的测试效果，在户外的测量精度能够满足实际环境中对能见度测量精度的要求。实验方法与装置的设计具有一定的创新性和实际应用价值。

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Measurement of air visibility based on transmission method

Fu Rongxin1，Zheng Yufeng1，Nie Mengsong1，Zhao Xiaohong2
（1.Automation School，Beijing University of Post and Telecommunications，Beijing 100876，China；2.Science School，Beijing University of Post and Telecommunications，Beijing 100876，China）

X831

A

1002-4956（2013）11-0076-03

2013-03-11修改日期：2013-05-03

符荣鑫（1991—）男，辽宁鞍山，2010级本科学生，自动化专业

E-mail：fu.rx01＠gmail.com

赵晓红（1964—）女，河北保定，博士，教授，主要从事激光物理及非线性光学等方面的研究.

E-mail：xzhao＠126.com