前向散射能见度仪技术参数介绍

1背景概述

随着交通运输量的猛增和车辆行驶速度的提升，对交通运输的安全**提出了更高的要求。除了超速、酗酒等违反交通规则的因素，各种自然灾害对交通安全的影响越来越受到重视。其中低能见度浓雾等气象灾害以及由于气象灾害诱发的伴生灾害对交通运输业的影响，严重影响了高速公路中的交通运输。现如今，交通运输量的猛增和车辆行驶速度的提升，对交通运输的安全**提出了更高的要求。然而除了超速、酗酒等违反交通规则的因素，各种自然灾害对交通安全的影响越来越受到重视。其中气象灾害以及由于气象灾害诱发的伴生灾害对交通运输业的影响，如低能见度浓雾、强降水、暴雨、雷暴、大风、积雪、结冰等，严重影响了高速公路中的交通运输安全问题。

2能见度仪参考规范

《地面气象观测规范》

《气象仪器和观测方法指南》

《前向散射能见度仪功能规格需求书》等相关技术文件

3能见度的定义

能见度即目标物的能见距离,是指观测目标物时,能从背景上分辨出目标物轮廓的最大距离。能见度是反映大气透明度的一个指标，，可以客观地测量，并用气象光学视程（MOR）表示。与当时的天气情况密切相关。当出现降雨、雾、霾、沙尘暴等天气过程时，大气透明度较低，因此能见度较差。在气象学中，能见度用气象光学视程表示。气象光学视程是指白炽灯发出色温为2700K的平行光束的光通量，在白天能大气中削弱至初始值的5%所通过的路径长度。见度是指视力正常（对比感阈为0.05）的人，在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨认的目标物（黑色、大小适度）的最大水平距离。实际上也是气象光学视程。夜间能见度是指：（1）假定总体照明增加到正常白天水平，适当大小的黑色目标物能被看到和辨认出的最大水平距离。（2）中等强度的发光体能被看到和识别的最大水平距离。在空气特别干净的北极或是山区，能见度能够达到70～100km，然而能见度通常由于大气污染以及湿气而有所降低。霾、雾、烟雾可将能见度降低至零，雷雨天气的暴雨不仅使能见度降低，同时由于地面湿滑而不能紧急制动，暴风雪天气也属于低能见度的范畴内。能见度不足100m时，通常被认为为零，虽然在这种情况下会采取一系列措施，例如道路封启动自动警示灯牌，但是由于能见度的大幅降低、锁、道路行车速度过大、尤其是道路监控系统实时性的不足，仍然存在发生重大交通事故，如连环撞击事件的隐患。

4影响能见度的气象条件

雾是悬浮在近地面大气中的大量细微水滴（或冰导致地面的水平能见度晶）的可视集合体。雾的出现，显着降低能见度。按照世界气象组织规定，令能见度降低到1km以下的称为雾，能见度在1～10km的称为轻雾。常见的雾多为乳白色。在城市及工业区，因空气中污染物的影响可导致雾呈土黄色或灰色。冰雾则可为暗灰色。雾主要是由于空气中水汽达到饱和，在凝结核上凝结而成。雾的形成通常有两种途径：（1）因空气温辐射雾、上坡雾等；（2）因空气度降低而产生平流雾、中水汽增加而产生蒸发雾、锋面雾、生物雾等。城市中的烟雾是另一种原因所造成的，那就是人类的工业生产活动。早晨和晚上正是供暖锅炉的高峰期，大量排放的烟尘悬浮物和汽车尾气等污染物在低气压、风小的条件下，不易扩散，与低层空气中的水汽相结合，比较形成烟尘（雾），而这种烟尘（雾）持续时间往往较长。

5能见度仪的工作原理

能见度测量仪器是一种全天候条件下连续工作的精密光电式气象仪器,要求它具有良好的性、稳定性以及耐久性;同一般的光电仪器相比较,该仪器的工作环境特殊,对性能上的要求也很高,在仪器工作时不仅要考虑到光源功率稳定的自动控制,微弱光信号的检测还要考虑仪器长时间工作的环境污染所造成的对光信号的削弱以及环境温度的影响。

大气中光的衰减是由散射和吸收引起的，在一般情况下，吸收因子可以忽略，而经由水滴反射、折射或衍射产生的散射现象是影响能见度的主要因素。故测量散射系数的仪器可用于估计气象光学视程（MOR ）。

前向散射式能见度测量主要采用红外光源的前向散射体制、交叉光路结构。发射器与接收器之间的距离为1200mm,散射角35°。仪器工作时,发射器通过红外发光管发出一束中心波长为940nm的红外光射入大气中,由于聚焦透镜的影响发射器发出的红外光成6°角,6°对于接收端,由于接收到的有用信号很微弱,采用了锁相放大电路将它从干扰信号中提取出来。因此在发射端我们对光源发出的光信号进行了方波调制,使有用信号具备一些干扰信号所没有的物理特性。

前向散射能见度仪的发射器与接收器在成一定角度和一定距离的两处。接收器不能接收到发射器直接发射和后向散射的光，而只能接收大气的前向散射光。通过测量散射光强度，可以得出散射系数，从而估算出消光系数。

由于传感器测量的区域于发射端与接收端之间的样品空气,因此不能准确代表四周环境的真实能见度,同时受大气环境中的湿度、水汽压、风速等气象要素影响,测出的能见度与实际能见度存在一定误差。

6能见度仪的分类

能见度测量仪器是随着其理论和光学、电子及计算机技术的不断进步而逐渐发展。一般分为三大类，类，透射型测量仪器；第二类，散射型测量仪器；第三类，激光雷达测量仪器[2]。从实用化的水平来看，透射型和散射型仪器代表着当今能见度测量仪器的两个不同发展方向和不同应用领域，它们已是精密、准确、稳定的光电式气象仪器。随着各单元技术的发展，它们的性将进一步提高，数据传输方式将得到改善，并与其它气象仪器组成测量系统。目前，前向散射仪使用得最多。它的特点是可以精准测量能见度，高度集成，重量轻且易于安装。不仅可以测量水平能见度，而且能识别影响能见度的天气类型，如雾、轻雾、霾等，还可以探测7种不同的降水类型：雨，冻雨，毛毛雨，冻毛毛雨，雨夹雪，雪，冰雹。

7能见度传感器产品概况：

FRT VRE能见度传感器是基于气溶胶前散射原理而设计的，由光发射器、光接收器及微处理控制器等主要部件组成，是继透射式能见度仪发展起来的新一代气象能见度监测设备。传感器可广泛用于气象台站、机场、高速公路、航道、大型舰船等交通运输部门。

8能见度仪产品特点：

一体化结构设计，紧凑小巧，重量轻，安装方便。

下倾角结构设计，防止灰尘、雨雪、阳光的污染。

发射器和接收器防灰尘、防霉菌镀膜处理。

IP65防护等级，具有野外恶劣气候适应性。

仪器功耗极低，在冬天加热状态，也小于5W。

内置看门狗电路，仪器工作稳定、。

通过消光处理，防止二次杂光干扰。

具有15KV的防静电保护。

通信接口和电源接口均具有防雷设计。

10能见度仪的典型应用：

交通公路铁路

桥梁隧道

机场

港口及海洋监测

大气环境监测

城市气象监测

军事应用

11能见度仪的安装选址原则

前向散射能见度仪应安装在对周围天气状况最具代表性的地点，应不受干扰光学测量的遮挡物和反射表面的影响，要远离大型建筑物，远离产生热量及妨碍降雨的设施，避免闪烁光源、树阴、污染源的影响。

在进行能见度场地选择的时候，注意考虑以下几个方面：

（1）仪器安放的位置能代表周围的天气状况。

（2）没有影响光学测量的障碍物和反射表面没有明显的污染源。

（3）接收机和发射机的光学部件不能指向强光源，建议在北半球将接收机指向北，南半球指向南。

（4）100m内没有大的建筑物和其它产生热和阻碍降水的物体，树的阴影也应避免。

（5）有可利用的电源和通讯线路

12能见度观测系统电源

 系统所用电源为直流12V。配有蓄电池，并对蓄电池浮充充电，以备市电停电时可由蓄电池供电，也可以配置辅助电源（包括太阳能、风能）对蓄电池充电。

在没有市电的情况下，后备蓄电池应能传感器（在不加热状态下）、采集器及传输模块至少7天正常工作。

至少具备如下主要功能：

（1）接受和响应业务软件对参数的设置和系统时钟的调整（时钟也可在采集器上直接调整，但采集器和计算机时钟一致）；

（2）实时和定时采集传感器的输出信号，经计算、处理形成能见度观测值；

（3）存储和传输能见度观测值；

（4）运行状态监控。