前向散射能見度儀技術(shù)參數(shù)介紹

1背景概述

隨著交通運(yùn)輸量的猛增和車輛行駛速度的提升，對(duì)交通運(yùn)輸?shù)陌踩Ｕ咸岢隽烁叩囊蟆３顺佟⑿锞频冗`反交通規(guī)則的因素，各種自然災(zāi)害對(duì)交通安全的影響越來越受到重視。其中低能見度濃霧等氣象災(zāi)害以及由于氣象災(zāi)害誘發(fā)的伴生災(zāi)害對(duì)交通運(yùn)輸業(yè)的影響，嚴(yán)重影響了高速公路中的交通運(yùn)輸。現(xiàn)如今，交通運(yùn)輸量的猛增和車輛行駛速度的提升，對(duì)交通運(yùn)輸?shù)陌踩Ｕ咸岢隽烁叩囊?。然而除了超速、酗酒等違反交通規(guī)則的因素，各種自然災(zāi)害對(duì)交通安全的影響越來越受到重視。其中氣象災(zāi)害以及由于氣象災(zāi)害誘發(fā)的伴生災(zāi)害對(duì)交通運(yùn)輸業(yè)的影響，如低能見度濃霧、強(qiáng)降水、暴雨、雷暴、大風(fēng)、積雪、結(jié)冰等，嚴(yán)重影響了高速公路中的交通運(yùn)輸安全問題。

2能見度儀參考規(guī)范

《地面氣象觀測規(guī)范》

《氣象儀器和觀測方法指南》

《前向散射能見度儀功能規(guī)格需求書》等相關(guān)技術(shù)文件

3能見度的定義

能見度即目標(biāo)物的能見距離,是指觀測目標(biāo)物時(shí),能從背景上分辨出目標(biāo)物輪廓的距離。能見度是反映大氣透明度的一個(gè)指標(biāo)，，可以客觀地測量，并用氣象光學(xué)視程（MOR）表示。與當(dāng)時(shí)的天氣情況密切相關(guān)。當(dāng)出現(xiàn)降雨、霧、霾、沙塵暴等天氣過程時(shí)，大氣透明度較低，因此能見度較差。在氣象學(xué)中，能見度用氣象光學(xué)視程表示。氣象光學(xué)視程是指白熾燈發(fā)出色溫為2700K的平行光束的光通量，在白天能大氣中削弱至初始值的5%所通過的路徑長度。見度是指視力正常（對(duì)比感閾為0.05）的人，在當(dāng)時(shí)天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辨認(rèn)的目標(biāo)物（黑色、大小適度）的水平距離。實(shí)際上也是氣象光學(xué)視程。夜間能見度是指：（1）假定總體照明增加到正常白天水平，適當(dāng)大小的黑色目標(biāo)物能被看到和辨認(rèn)出的水平距離。（2）中等強(qiáng)度的發(fā)光體能被看到和識(shí)別的水平距離。在空氣特別干凈的北極或是山區(qū)，能見度能夠達(dá)到70～100km，然而能見度通常由于大氣污染以及濕氣而有所降低。霾、霧、煙霧可將能見度降低至零，雷雨天氣的暴雨不僅使能見度降低，同時(shí)由于地面濕滑而不能緊急制動(dòng)，暴風(fēng)雪天氣也屬于低能見度的范疇內(nèi)。能見度不足100m時(shí)，通常被認(rèn)為為零，雖然在這種情況下會(huì)采取一系列措施，例如道路封啟動(dòng)自動(dòng)警示燈牌，但是由于能見度的大幅降低、鎖、道路行車速度過大、尤其是道路監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的不足，仍然存在發(fā)生重大交通事故，如連環(huán)撞擊事件的隱患。

4影響能見度的氣象條件

霧是懸浮在近地面大氣中的大量細(xì)微水滴（或冰導(dǎo)致地面的水平能見度晶）的可視集合體。霧的出現(xiàn)，顯著降低能見度。按照世界氣象組織規(guī)定，令能見度降低到1km以下的稱為霧，能見度在1～10km的稱為輕霧。常見的霧多為乳白色。在城市及工業(yè)區(qū)，因空氣中污染物的影響可導(dǎo)致霧呈土黃色或灰色。冰霧則可為暗灰色。霧主要是由于空氣中水汽達(dá)到飽和，在凝結(jié)核上凝結(jié)而成。霧的形成通常有兩種途徑：（1）因空氣溫輻射霧、上坡霧等；（2）因空氣度降低而產(chǎn)生平流霧、中水汽增加而產(chǎn)生蒸發(fā)霧、鋒面霧、生物霧等。城市中的煙霧是另一種原因所造成的，那就是人類的工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。早晨和晚上正是供暖鍋爐的高峰期，大量排放的煙塵懸浮物和汽車尾氣等污染物在低氣壓、風(fēng)小的條件下，不易擴(kuò)散，與低層空氣中的水汽相結(jié)合，比較容易形成煙塵（霧），而這種煙塵（霧）持續(xù)時(shí)間往往較長。

5能見度儀的工作原理

能見度測量儀器是一種全天候條件下連續(xù)工作的精密光電式氣象儀器,要求它具有良好的可靠性、穩(wěn)定性以及耐久性;同一般的光電儀器相比較,該儀器的工作環(huán)境特殊,對(duì)性能上的要求也很高,在儀器工作時(shí)不僅要考慮到光源功率穩(wěn)定的自動(dòng)控制,微弱光信號(hào)的檢測還要考慮儀器長時(shí)間工作的環(huán)境污染所造成的對(duì)光信號(hào)的削弱以及環(huán)境溫度的影響。

大氣中光的衰減是由散射和吸收引起的，在一般情況下，吸收因子可以忽略，而經(jīng)由水滴反射、折射或衍射產(chǎn)生的散射現(xiàn)象是影響能見度的主要因素。故測量散射系數(shù)的儀器可用于估計(jì)氣象光學(xué)視程（MOR ）。

前向散射式能見度測量主要采用紅外光源的前向散射體制、交叉光路結(jié)構(gòu)。發(fā)射器與接收器之間的距離為1200mm,散射角35°。儀器工作時(shí),發(fā)射器通過紅外發(fā)光管發(fā)出一束中心波長為940nm的紅外光射入大氣中,由于聚焦透鏡的影響發(fā)射器發(fā)出的紅外光成6°角,6°對(duì)于接收端,由于接收到的有用信號(hào)很微弱,采用了鎖相放大電路將它從干擾信號(hào)中提取出來。因此在發(fā)射端我們對(duì)光源發(fā)出的光信號(hào)進(jìn)行了方波調(diào)制,使有用信號(hào)具備一些干擾信號(hào)所沒有的物理特性。

前向散射能見度儀的發(fā)射器與接收器在成一定角度和一定距離的兩處。接收器不能接收到發(fā)射器直接發(fā)射和后向散射的光，而只能接收大氣的前向散射光。通過測量散射光強(qiáng)度，可以得出散射系數(shù)，從而估算出消光系數(shù)。

由于傳感器測量的區(qū)域僅限于發(fā)射端與接收端之間的樣品空氣,因此不能準(zhǔn)確代表四周環(huán)境的真實(shí)能見度,同時(shí)受大氣環(huán)境中的濕度、水汽壓、風(fēng)速等氣象要素影響,測出的能見度與實(shí)際能見度存在一定誤差。

6能見度儀的分類

能見度測量儀器是隨著其理論和光學(xué)、電子及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步而逐漸發(fā)展。一般分為三大類，類，透射型測量儀器；第二類，散射型測量儀器；第三類，激光雷達(dá)測量儀器[2]。從實(shí)用化的水平來看，透射型和散射型儀器代表著當(dāng)今能見度測量儀器的兩個(gè)不同發(fā)展方向和不同應(yīng)用領(lǐng)域，它們已是精密、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的光電式氣象儀器。隨著各單元技術(shù)的發(fā)展，它們的可靠性將進(jìn)一步提高，數(shù)據(jù)傳輸方式將得到改善，并與其它氣象儀器組成測量系統(tǒng)。目前，前向散射儀使用得最多。它的特點(diǎn)是可以精準(zhǔn)測量能見度，高度集成，重量輕且易于安裝。不僅可以測量水平能見度，而且能識(shí)別影響能見度的天氣類型，如霧、輕霧、霾等，還可以探測7種不同的降水類型：雨，凍雨，毛毛雨，凍毛毛雨，雨夾雪，雪，冰雹。

7能見度傳感器產(chǎn)品概況：

FRT VRE能見度傳感器是基于氣溶膠前散射原理而設(shè)計(jì)的，由光發(fā)射器、光接收器及微處理控制器等主要部件組成，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)測設(shè)備。傳感器可廣泛用于氣象臺(tái)站、機(jī)場、高速公路、航道、大型艦船等交通運(yùn)輸部門。

8能見度儀產(chǎn)品特點(diǎn)：

一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，緊湊小巧，重量輕，安裝方便。

下傾角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，防止灰塵、雨雪、陽光的污染。

發(fā)射器和接收器防灰塵、防霉菌鍍膜處理。

IP65防護(hù)等級(jí)，具有野外惡劣氣候適應(yīng)性。

儀器功耗極低，在冬天加熱狀態(tài)，也小于5W。

內(nèi)置看門狗電路，儀器工作穩(wěn)定、可靠。

通過消光處理，防止二次雜光干擾。

具有15KV的防靜電保護(hù)。

通信接口和電源接口均具有防雷設(shè)計(jì)。

9能見度儀技術(shù)指標(biāo)：

10能見度儀的典型應(yīng)用：

交通公路鐵路

橋梁隧道

機(jī)場

港口及海洋監(jiān)測

大氣環(huán)境監(jiān)測

城市氣象監(jiān)測

軍事應(yīng)用

11能見度儀的安裝選址原則

前向散射能見度儀應(yīng)安裝在對(duì)周圍天氣狀況最具代表性的地點(diǎn)，應(yīng)不受干擾光學(xué)測量的遮擋物和反射表面的影響，要遠(yuǎn)離大型建筑物，遠(yuǎn)離產(chǎn)生熱量及妨礙降雨的設(shè)施，避免閃爍光源、樹陰、污染源的影響。

在進(jìn)行能見度場地選擇的時(shí)候，注意考慮以下幾個(gè)方面：

（1）儀器安放的位置能代表周圍的天氣狀況。

（2）沒有影響光學(xué)測量的障礙物和反射表面沒有明顯的污染源。

（3）接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的光學(xué)部件不能指向強(qiáng)光源，建議在北半球?qū)⒔邮諜C(jī)指向北，南半球指向南。

（4）100m內(nèi)沒有大的建筑物和其它產(chǎn)生熱和阻礙降水的物體，樹的陰影也應(yīng)避免。

（5）必須有可利用的電源和通訊線路

12能見度觀測系統(tǒng)電源

系統(tǒng)所用電源為直流12V。配有蓄電池，并對(duì)蓄電池浮充充電，以備市電停電時(shí)可由蓄電池供電，也可以配置輔助電源（包括太陽能、風(fēng)能）對(duì)蓄電池充電。

在沒有市電的情況下，后備蓄電池應(yīng)能保證傳感器（在不加熱狀態(tài)下）、采集器及傳輸模塊至少7天正常工作。

至少具備如下主要功能：

（1）接受和響應(yīng)業(yè)務(wù)軟件對(duì)參數(shù)的設(shè)置和系統(tǒng)時(shí)鐘的調(diào)整（時(shí)鐘也可在采集器上直接調(diào)整，但必須保證采集器和計(jì)算機(jī)時(shí)鐘一致）；

（2）實(shí)時(shí)和定時(shí)采集傳感器的輸出信號(hào)，經(jīng)計(jì)算、處理形成能見度觀測值；

（3）存儲(chǔ)和傳輸能見度觀測值；

（4）運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。

13能見度監(jiān)測的意義

能見度是氣象觀測中很重要的一個(gè)要素，但是長期依賴人眼，不能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)和準(zhǔn)確的觀測，使用能見度計(jì)可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地完成自動(dòng)觀測功能，并且能夠提供及時(shí)的報(bào)警信息和相關(guān)的解決方案，可以為機(jī)場跑道能見度觀測，城市能見度，公路能見度提供服務(wù)，其所提供的能見度服務(wù)也能夠在預(yù)防危險(xiǎn)，避免事故方面起到很重要的作用。相信以后的氣象觀測中會(huì)越來越多的使用能見度計(jì)代替人工觀測，與其他氣象要素組成多要素的氣象監(jiān)測系統(tǒng)。

能見度即目標(biāo)物的能見距離,是指觀測目標(biāo)物時(shí),能從背景上分辨出目標(biāo)物輪廓的距離。能見度是氣象觀測項(xiàng)目之一,它的準(zhǔn)確測量對(duì)航空、航海及高速公路等交通運(yùn)輸十分重要。能見度測量系統(tǒng)主要有透射型,散射型和激光雷達(dá)測量儀。透射式跑道能見度激光測量儀,在低能見度的測量中存在困難,且受光源穩(wěn)定性的影響。目前透射式能見度儀;散射式測量系統(tǒng)根據(jù)散射角的不同又分為前向散射、后向散射和總散射三種,散射式系統(tǒng)的測量精度主要受光源穩(wěn)定性的影響,同時(shí)難以克服高能見度信號(hào)弱的問題。

目前高速路上的警示裝置以道路中間的紅藍(lán)白曝閃燈為主。當(dāng)在大霧、大雨天氣條件下，曝閃燈就起不了任何作用，并能見度較低時(shí)，在高速路上的車與路、前車與后車間互相都沒有任何互相提醒的警示裝置，這樣在道路上發(fā)生交通事故。能見度傳感器基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的快速傳輸?shù)墓δ?，配合低能見度下高速路車路協(xié)同及行車安全預(yù)警系統(tǒng)，針對(duì)目前高速路存在的行車安全問題，能實(shí)時(shí)采集高速路不同的能見度，來實(shí)施針對(duì)性的引導(dǎo)策略，實(shí)現(xiàn)高速路車路協(xié)同及行車安全預(yù)警系統(tǒng)的管控一體化。