【摘要】：能見度作為氣象觀測的關(guān)鍵要素之一,在氣象預(yù)測、交通環(huán)保等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。有關(guān)大氣能見度的早期研究在20世紀(jì)初期就已經(jīng)開展,早期能見度主要靠人工觀測,后來人們試圖通過專用的能見度儀進(jìn)行定量觀測。世界氣象組織規(guī)定:在該能見度儀的全部探測范圍內(nèi),其相對誤差R20%的能見度儀即為達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的能見度儀。目前國外有芬蘭Vaisala公司的散射式FD12P型、PWD20型,美國Novalynx公司的透射式8330型等能見度儀,這些儀器測量值在常規(guī)區(qū)域具有較高精度,但在能見度高值和低值區(qū)域存在不確定度大,精度較低及誤差隨機(jī)性等問題;國內(nèi)設(shè)備也在定標(biāo)校準(zhǔn)方面缺乏統(tǒng)一完善的規(guī)范。為進(jìn)一步提高能見度儀器測量的準(zhǔn)確性,本論文以光在大氣中傳播造成的能見度測量不確定度理論為基礎(chǔ),針對透射式和散射式測量儀器,提出了高精度測量裝置的設(shè)計方法與能見度測量校準(zhǔn)方法。通過理論分析和實驗驗證,建立了大氣消光系數(shù)與探測光束發(fā)散角、大氣透過率之間的不確定度關(guān)系修正模型,提出了消光系數(shù)校準(zhǔn)模型并通過實驗驗證模型。主要研究工作與結(jié)論為:(1)明確能見度儀收發(fā)端的不確定度問題,從收發(fā)端的設(shè)計上提出解決方法。選用精密器件與高性能傳感器按恒溫控制和穩(wěn)光功率控制兩個閉環(huán)方式設(shè)計研制出高精度發(fā)射接收模塊。為各單元建立噪聲模型,計算得到其噪聲值均在μV級,按200Hz帶寬計算可得由發(fā)射電路引起的不確定度理論值最大為0.18‰。(2)定量分析了噪聲波動對所設(shè)計儀器指標(biāo)的影響。能見度測量不確定度與電子噪聲一致,隨24小時內(nèi)溫度的波動產(chǎn)生微變。夜間至凌晨環(huán)境溫度不斷降低,各種輻射與噪聲都逐漸將至最低,整體測量不確定度下降。上午至中午時段環(huán)境溫度逐漸上升至最高,各種外界輻射陸續(xù)發(fā)生,器件熱噪聲也不斷增加,測量不確定度也增大。在95%的置信區(qū)間內(nèi),取3倍標(biāo)準(zhǔn)差為不確定度,其百分比表示為0.43%。(3)分析了散射效應(yīng)對探測光束發(fā)射與接收的影響,基于幾何光學(xué)和圖像處理方式建立發(fā)散角測量裝置。在能見度發(fā)射裝置的安裝過程中,光源的發(fā)散角極有可能發(fā)生變化,為探尋實際發(fā)散角與探測光束光功率的關(guān)系,在不改變儀器原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,設(shè)計了該發(fā)散角測量裝置用以對探測光束做平行度檢測,該裝置對LED光源和LD光源均適用。橫向縱向發(fā)散角測量誤差在0.6%～0.7%。(4)通過實驗?zāi)Ｐ徒⒘税l(fā)散角和能見度不確定度關(guān)系。用氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生不同濃度待測大氣作為不同能見度大氣樣本,建立探測光束發(fā)散角與不同大氣樣本間的聯(lián)系,得到在各種大氣樣本下不同發(fā)散角與探測值的關(guān)系,并得到以發(fā)散角為參數(shù)的探測值修正函數(shù)。通過對實驗結(jié)果分析表明,探測光束發(fā)散角對能見度測量有影響,且發(fā)散角越大能見度測量不確定度越大;測量時必須對發(fā)散角進(jìn)行修正。采用發(fā)散角修正的測量方法,可使得在一定的發(fā)散角范圍內(nèi)能見度的測量相對誤差大幅降低。在測量允許誤差為5%時,發(fā)散角可允許在12mrad;在測量允許誤差為10%時,發(fā)散角可允許達(dá)到28mrad。(5)提出了一種改進(jìn)的補(bǔ)償模型校準(zhǔn)消光系數(shù)。按大氣消光系數(shù)與大氣透過率的非線性關(guān)系提出了在測量通道中增加補(bǔ)償器的新型測量模型,并以此設(shè)計了光路結(jié)構(gòu),以可調(diào)濾光片作為補(bǔ)償器,在待測大氣透過率高值和低值區(qū)作反向補(bǔ)償使兩區(qū)域映射到測量誤差較小的中值區(qū)。為實現(xiàn)補(bǔ)償器透過率的快速跟蹤,提出了邊界約束的測量算法。通過實驗驗證,該方法克服了傳統(tǒng)能見度儀在大氣透過率全響應(yīng)范圍內(nèi)消光系數(shù)誤差偏大的缺點,使消光系數(shù)相對誤差降低了 18%。
【圖文】：

入射光能量的一部分進(jìn)入粒子內(nèi)部轉(zhuǎn)化為熱或其他形式的能量，這一過程稱為吸逡逑收。分子吸收對任一光波段的輻射都是不能忽略的，尤其在吸收譜線附近，吸收系數(shù)隨逡逑波長會有劇烈變化｜２＿７１。圖２－１是到達(dá)地面的大氣吸收光譜概況。大氣吸收有顯著的選擇逡逑Ｘ邋（ｕｍ）逡逑0，１邐０．６邐１邐？邐１０邐５０邐１０Ｑ逡逑１邐￣＂Ｔ邋＜邋Ｓ邋Ｍ邋＼＇邋Ｖ＼邋１邐１邋￣１邋 ＂ＴＴＴＴＪ邐Ｉ邋１邐■邋１邋ｊ￣ＴＴＴＴＴ逡逑Ｈｊ？ｈ４邋＂邋ＣＨ，逡逑圖２－１大氣吸收光譜概況逡逑性，在可見光和紅外區(qū)域，吸收的主要氣體分子是ｈ２ｏ，其次有ｃｏ２、０２、０３。逡逑Ｈ２０的吸收帶主要在紅外區(qū)［８１，主要吸收譜線有０．８１邋／／／？、０．９４／／Ｗ、１．１／／／？、１．３８／／Ｗ、逡逑２３逡逑

，Ｐｉ）邋＝邋Ｄｓ｛＼ｐ，￣ｐ２邋Ｉ）邋＝邋Ｄｓ｛ｐ）邐（２－１１）逡逑此時相位起伏統(tǒng)計均勻且各項同性，也可以用到達(dá)起伏角描述如圖２－４。逡逑ｒ沒有湍流時應(yīng)出邐Ｉ逡逑現(xiàn)的波陣面Ａ逡逑存在＇揣流時實際出逡逑現(xiàn)的波陣面ｚ？２邋Ｖ逡逑Ｉ逡逑圖２－３湍流介質(zhì)對波陣面影響圖邐２－４波陣面與到達(dá)起伏角逡逑無畸變平面波波陣面法線方向為Ａ，，波沿Ａ方向傳播。產(chǎn)生畸變后波陣面上某點的法線逡逑方向由Ａ變?yōu)椋�，Ａ、Ｂ間構(gòu)成差角《。當(dāng)兩點之間距離ｐ足夠小時，相位差心可記作逡逑Ａｓ邋＝知＞？，Ａ為波數(shù)。到達(dá)角起伏的均方值定義為：逡逑⑷＝j(luò)邐（２－１２）逡逑／９取為接收光學(xué)系統(tǒng)的孔徑，體現(xiàn)出光束在成像面上的跳動及光點位移。逡逑湍流對光傳播的一個主要影響是在觀察平面上產(chǎn)生的光照度．起伏。在湍流大氣中于逡逑光源距離為Ｚ處測量光強(qiáng)，會出現(xiàn)光強(qiáng)／隨時間圍繞平均值＜＆＞作隨機(jī)起伏的現(xiàn)象。光逡逑束的強(qiáng)度起伏在早期研究中稱為閃爍，是光在大氣湍流中最重要的效應(yīng)。常用的表征參逡逑數(shù)有：光通量密度起伏歸一化標(biāo)準(zhǔn)方差％２、對數(shù)幅度起伏方差Ｃ７／、對數(shù)通量密度起伏逡逑方差，表現(xiàn)出光通量密度偏離平均值的程度。逡逑湍流的作用還會使光束偏離原有傳播方向造成觀察面的光斑漂移或抖動
【學(xué)位授予單位】：南京信息工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：P415.33

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本文編號：2683171