透射式能见度仪校准装置的研制及测量结果分析

为了解决国内外能见度参数量值无法绝对溯源的问题,利用透射式能见度仪的工作原理、结构特点以及环境条件,提出了溯源至几何量的量值复现方法,设计了1套高透射比量具作为主标准器,实现了对透射式能见度仪的校准,促进了能见度参数量值溯源体系的发展。主标准器遮光体采用精密机械加工工艺,遵循几何量参数测量的绝对溯源法,可大幅减小透射比量值的测量不确定度;主标准器滤光片根据几何量测量和光学透射比参数测量相结合的溯源链,解决了现有技术中高透射比无法复现和准确测量的问题。此外,使用锥形遮光体,可避免引入除旋转因素外的其他不确定度来源,大幅提升了能见度仪分辨率的校准能力。

光路准直对长基线透射式能见度仪测量的影响

基于长基线透射式能见度仪分析了影响透射仪收发两端探测光路准直的因素。从透射仪的测量原理出发,阐述了探测光路准直通过影响接收端接收光强进而影响透射仪探测精度的机制。仿真研究了透射仪收发两端探测光路准直出现偏差对接收端接收光强的影响。研究结果表明,在一定大气能见度条件下,透射仪的测量误差与接收端接收光强的测量误差成线性关系。透射仪收发两端的对准状态对透射仪接收端接收光强具有重要影响,发射端姿态角每变化0.01°,接收端接收光功率变化0.02 mW,发射端姿态角变化会明显降低透射仪接收端接收光强,增大接收端接收光强的测量误差,对能见度的测量精度影响较大。

透射式能见度仪LED光源表面特征对能见度测量的影响

从透射仪的光学测量系统出发,理论分析了光学测量系统光源对透射仪探测光束远场光斑特性的影响。结合LED光源的发光原理,研究了LED光源的表面特征,分析了LED光源表面特征与透射仪能见度测量的关系。通过仿真实验证实了光源表面特征对透射仪探测光束准直和能见度测量稳定性产生影响。研究结果表明,LED光源表面特征会影响探测光束远场光斑能量分布,在50m基线下,使得透射仪探测光束准直中心发生位置偏移25mm,接收光强最大变化20%,从而影响透射仪发射端对准和能见度测量。通过加扩散片和光阑限制可以明显改善远场光斑特性,远场光斑中心能量分布趋于均匀,在中心区域内接收光强变化在1%以内。

透射式能见度仪的数学模型与误差分析

为解决大气透射能见度仪的测试精度问题,对透射式能见度仪建立了简单的数学模型,从理论上分析了仪器测试的误差来源;并以提高接收机的稳定性和延长基线为思路提出了一系列提高能见度仪测试精度的解决方案。为了验证该方案的有效性,安排了2套设备在同一地点做了对比测试。测试结果表明:2套参试仪器的测量值总体走向是一致的,在能见度较高且快速变化时,虽然2台设备测试数据出现偏离,但已经达到了气象部门对透射式能见度仪的精度指标的要求,证明了数学模型的有效性。

透射式能见度仪在机场的应用

随着我国科技实力的提升,气象观测领域的自动化装备也实现了长足的发展,特别是通过激光技术测量能见度方面,不仅实现了观测设备的自研、自产,满足了设备在机场、公路交通、专业气象观测场站等领域的应用,测量范围、精度和工作稳定性等技术指标均达到世界领先水平。为此,本文对透射式能见度仪工作原理、在机场应用的优势和目前国内设备研制达到的水平进行介绍。

民航机场透射式能见度仪误差分析研究

介绍了民航机场透射式能见度仪的结构和测量原理,分析了透射式能见度仪的测量误差来源、产生原因和误差模型,讨论了改善能见度测量准确度的方法。研究发现,透射式能见度仪测量误差与其安装基线长度和光学透过率测量准确度有关,当安装基线长度一定时,光学透过率测量误差要求越小,能见度测量准确度越高;当光学透过率测量误差一定时,基线越长,能见度测量越准确。因此,实际测量中,一旦透射式能见度仪安装完成,基线和光学透过率确定后,能见度测量误差随能见度测量值增大而指数级增加,只有在1500米以内,能见度测量误差才能控制在5%以内。因此透射式能见度仪更适宜于低能见度条件下进行测量,适合机场起降服务。

透射式能见度仪定标光源光谱模拟方法

透射式能见度仪的校准结果无法溯源到世界气象组织对气象光学视程(MOR)的定义,如何实现MOR定义中2700 K白炽灯的光谱模拟已成为透射式能见度仪定标技术亟待解决的关键问题,故对透射式能见度仪定标光源的光谱模拟方法进行了研究。首先,从理论上分析了光谱不匹配对透射式能见度仪定标的影响,建立了满足透射式能见度仪定标精度要求的光源光谱分布判别依据,得出透射式能见度仪定标光源的光谱模拟误差应优于±5.5%的结论。然后,基于一种数字微镜器件(DMD)的透射式能见度仪定标光源系统,在遗传算法基础上,提出了一种基于无余均分机制的光谱模拟方法,以均分800列DMD微镜阵列面为前提,通过不断均匀划分DMD阵列面的方式增加光谱拟合单元数量,实现了2700 K绝对色温的光谱模拟。最后,测试了20,50,80个基础光谱拟合单元对应的定标光源的光谱分布,并进行了不确定度分析。测试结果表明,80个基础光谱拟合单元对应的定标光源光谱模拟误差为±5.3%,扩展不确定度为4.04%。

同源双光路能见度仪的光斑提取算法研究

同源双光路能见度仪是一种基于数字摄像法的能见度仪,光斑提取算法是其能见度反演算法中的关键环节之一。从光斑成像的物理原理出发,提出了两种光斑提取算法。实验证明,即使没有图像预处理和数据后处理,其结果也和Vaisala LT31的结果具有很好的一致性。在确定上述两种方法中涉及的参数时,引入加权均方误差参量作为确定参数时的代价函数,该参量相对于其他参量有更好的效果,同时本参量还可以作为评价能见度结果的辅助指标。

关于气象能见度理论与观测的讨论

为了澄清气象能见度理论与应用方面的概念,促进气象能见度观测技术的发展,从大气能见度与视觉现象出发,根据大气散射和辐射传输理论,明确了气象能见度的量值约束与物理含义,考察了若干典型天气条件下气象能见度的特征,给出了灯光能见距离、气象光学视程与气象能见度的关系。在此基础上,讨论了气象能见度观测的基本原理、存在问题和改进思路。研究成果对于气象能见度观测的误差分析、方法改进和资料比对,以及空间斜程能见度的探测具有参考价值。