能见度测量中仪器的不确定度与标校方法研究

发布时间：2020-05-27 07:22

【摘要】：能见度作为气象观测的关键要素之一,在气象预测、交通环保等领域发挥着重要作用。有关大气能见度的早期研究在20世纪初期就已经开展,早期能见度主要靠人工观测,后来人们试图通过专用的能见度仪进行定量观测。世界气象组织规定:在该能见度仪的全部探测范围内,其相对误差R20%的能见度仪即为达到标准的能见度仪。目前国外有芬兰Vaisala公司的散射式FD12P型、PWD20型,美国Novalynx公司的透射式8330型等能见度仪,这些仪器测量值在常规区域具有较高精度,但在能见度高值和低值区域存在不确定度大,精度较低及误差随机性等问题;国内设备也在定标校准方面缺乏统一完善的规范。为进一步提高能见度仪器测量的准确性,本论文以光在大气中传播造成的能见度测量不确定度理论为基础,针对透射式和散射式测量仪器,提出了高精度测量装置的设计方法与能见度测量校准方法。通过理论分析和实验验证,建立了大气消光系数与探测光束发散角、大气透过率之间的不确定度关系修正模型,提出了消光系数校准模型并通过实验验证模型。主要研究工作与结论为:(1)明确能见度仪收发端的不确定度问题,从收发端的设计上提出解决方法。选用精密器件与高性能传感器按恒温控制和稳光功率控制两个闭环方式设计研制出高精度发射接收模块。为各单元建立噪声模型,计算得到其噪声值均在μV级,按200Hz带宽计算可得由发射电路引起的不确定度理论值最大为0.18‰。(2)定量分析了噪声波动对所设计仪器指标的影响。能见度测量不确定度与电子噪声一致,随24小时内温度的波动产生微变。夜间至凌晨环境温度不断降低,各种辐射与噪声都逐渐将至最低,整体测量不确定度下降。上午至中午时段环境温度逐渐上升至最高,各种外界辐射陆续发生,器件热噪声也不断增加,测量不确定度也增大。在95%的置信区间内,取3倍标准差为不确定度,其百分比表示为0.43%。(3)分析了散射效应对探测光束发射与接收的影响,基于几何光学和图像处理方式建立发散角测量装置。在能见度发射装置的安装过程中,光源的发散角极有可能发生变化,为探寻实际发散角与探测光束光功率的关系,在不改变仪器原有结构的基础上,设计了该发散角测量装置用以对探测光束做平行度检测,该装置对LED光源和LD光源均适用。横向纵向发散角测量误差在0.6%～0.7%。(4)通过实验模型建立了发散角和能见度不确定度关系。用气溶胶发生器产生不同浓度待测大气作为不同能见度大气样本,建立探测光束发散角与不同大气样本间的联系,得到在各种大气样本下不同发散角与探测值的关系,并得到以发散角为参数的探测值修正函数。通过对实验结果分析表明,探测光束发散角对能见度测量有影响,且发散角越大能见度测量不确定度越大;测量时必须对发散角进行修正。采用发散角修正的测量方法,可使得在一定的发散角范围内能见度的测量相对误差大幅降低。在测量允许误差为5%时,发散角可允许在12mrad;在测量允许误差为10%时,发散角可允许达到28mrad。(5)提出了一种改进的补偿模型校准消光系数。按大气消光系数与大气透过率的非线性关系提出了在测量通道中增加补偿器的新型测量模型,并以此设计了光路结构,以可调滤光片作为补偿器,在待测大气透过率高值和低值区作反向补偿使两区域映射到测量误差较小的中值区。为实现补偿器透过率的快速跟踪,提出了边界约束的测量算法。通过实验验证,该方法克服了传统能见度仪在大气透过率全响应范围内消光系数误差偏大的缺点,使消光系数相对误差降低了 18%。
【图文】：

吸收谱线,大气吸收光谱,概况

入射光能量的一部分进入粒子内部转化为热或其他形式的能量，这一过程称为吸逡逑收。分子吸收对任一光波段的辐射都是不能忽略的，尤其在吸收谱线附近，吸收系数随逡逑波长会有剧烈变化｜２＿７１。图２－１是到达地面的大气吸收光谱概况。大气吸收有显著的选择逡逑Ｘ邋（ｕｍ）逡逑0，１逦０．６逦１逦？逦１０逦５０逦１０Ｑ逡逑１逦￣＂Ｔ邋＜邋Ｓ邋Ｍ邋＼＇邋Ｖ＼邋１逦１邋￣１邋＂ＴＴＴＴＪ逦Ｉ邋１逦■邋１邋ｊ￣ＴＴＴＴＴ逡逑Ｈｊ？ｈ４邋＂邋ＣＨ，逡逑图２－１大气吸收光谱概况逡逑性，在可见光和红外区域，吸收的主要气体分子是ｈ２ｏ，其次有ｃｏ２、０２、０３。逡逑Ｈ２０的吸收带主要在红外区［８１，主要吸收谱线有０．８１邋／／／？、０．９４／／Ｗ、１．１／／／？、１．３８／／Ｗ、逡逑２３逡逑

影响图,湍流介质,波阵面,影响图

，Ｐｉ）邋＝邋Ｄｓ｛＼ｐ，￣ｐ２邋Ｉ）邋＝邋Ｄｓ｛ｐ）逦（２－１１）逡逑此时相位起伏统计均匀且各项同性，也可以用到达起伏角描述如图２－４。逡逑ｒ没有湍流时应出逦Ｉ逡逑现的波阵面Ａ逡逑存在＇揣流时实际出逡逑现的波阵面ｚ？２邋Ｖ逡逑Ｉ逡逑图２－３湍流介质对波阵面影响图逦２－４波阵面与到达起伏角逡逑无畸变平面波波阵面法线方向为Ａ，，波沿Ａ方向传播。产生畸变后波阵面上某点的法线逡逑方向由Ａ变为Ｂ，Ａ、Ｂ间构成差角《。当两点之间距离ｐ足够小时，相位差心可记作逡逑Ａｓ邋＝知＞？，Ａ为波数。到达角起伏的均方值定义为：逡逑⑷＝j逦（２－１２）逡逑／９取为接收光学系统的孔径，体现出光束在成像面上的跳动及光点位移。逡逑湍流对光传播的一个主要影响是在观察平面上产生的光照度．起伏。在湍流大气中于逡逑光源距离为Ｚ处测量光强，会出现光强／随时间围绕平均值＜＆＞作随机起伏的现象。光逡逑束的强度起伏在早期研究中称为闪烁，是光在大气湍流中最重要的效应。常用的表征参逡逑数有：光通量密度起伏归一化标准方差％２、对数幅度起伏方差Ｃ７／、对数通量密度起伏逡逑方差，表现出光通量密度偏离平均值的程度。逡逑湍流的作用还会使光束偏离原有传播方向造成观察面的光斑漂移或抖动
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P415.33

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