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[摘 要]目前，能见度自动观测仪已在基层台站普遍安装使用，在传统测报业务中，能见度观测只能由测报员凭经验由肉眼观测，人眼观测范围有限及测报员主观造成的误差成为能见度观测的误差主因。自动能见度仪，大大提高了能见度观测的稳定性及测量精度，且增加了能见度观测数据密度，对能见度的预报预警提供了更加丰富的数据资料。
[关键词]能见度仪；前向散射；工作原理；清洁维护
中图分类号：S163 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）23-0284-01
引言
能见度是气象观测项目之一。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2700K的平行光束的光通量，在大气在削弱至初始值的5%所通过的路径长度。白天能见度是指视力正常（对比感阈0.05）的人，在当时的天气条件下， 能从天空背景上分辨出目标物（黑色、大小适度）的最大距离，实际上也是气象光学视程。低能见度对轮渡、民航、高速公路等交通运输和电力供应以至于市民的日常生活都会产生许多不利的影响。 在经济高度发展的今天， 带来的影响更为明显。近几年来， 因能见度过低而造成的重大交通事故屡有发生，因此对能见度自动观测仪器的研制、开发和应用就显得尤为重要。本文就能见度自动观测仪的工作原理及构造特点进行了简要介绍，使大家对此仪器有进一步的了解。
1.能见度仪的分类
能见度仪根据观测原理不同主要分为透射式及前向散射式两种。
透射式能见度仪利用了光在大气中传播受到的直接衰减原理，即将大气对光的吸收、反射、散射等都作为衰减，采用测量发射器和接收器之间水平空气柱的平均消光（透射）系数而算出能见度。发射器提供一个经过调制的定常平均功率的光通量源，接收器主要由一个光检测器组成，由光检测器输出测定透射系数，再据此计算消光系数和气象光学视程。
前向散射式能见度仪通过检测专用光源在指定大气体积中的前向散射强度，以求得其散射系数，进而根据相关数学模型演算出大气能见度值。因其安装简便、体积小、适应性强等优点而被广泛应用于各个领域。而目前台站所使用DNQ1/V35型就属于前向散射式能见度观测仪，主要由硬件和软件组成。其硬件可分成传感器、采集器和外围设备三部分，其软件分为集软件和业务软件两部分。其中，传感器部分包括接收器、发射器和和控制处理器等；采集器包括接口单元、中央处理单元、存储单元等；支架部分包括立柱和底座。如图所示：
上方图1中的编号对应如下。
1=发射器 2=接收单元 3=空白面板 4=管中的Pt100温度传感器
5=安装座 6=护罩式加热器（可选）
7=亮度传感器PWL111（可选）的位置
2.DNQ1/V35型能见度仪工作的原理
2.1 DNQ1/V35型能见度仪电路工作原理
光发射器通过红外发光二极管向大气中发射近红外短脉冲，经过大气中的固体或液体悬浮颗粒散射后，接收器接收到一定体积大气的前向散射光线，并会聚到光电传感器的接收面上，将光信号转换为电信号。传输到控制器进行处理；经CPU取样计算后得出能见度的值。由于大气中不同的粒子对光的散射不同，而不同地区的大气质量也存在差别，需要对能见度值进行二次修正，从而在不同降水条件下（雪、雾、雨、冻雨等）、干扰光线存在条件下及各种恶劣天气条件下，经计算补偿可得出精确的能见度值。
光发射器由红外发生器作为发射光源，内部设有监测及稳定红外线发射光强度的特殊电路，主要由量级认定功能的光电二极管组成。光接收器内具有量级认定功能的光电二极管接收散射光线。为了消除干扰光线的影响以及接收电路的时间漂移，光接收器用探测电路同步锁定功能及自动定期校定基准值功能进行补偿。控制器并对能见度仪进行内部控制，控制和监测发射器、接收器的工作顺序，对所接收的信号进行采集和处理，最后由串行接口进行数据通讯及输出。
在上图中④温度传感器主要用于改变线路电阻值；⑥主要防止光学镜面结露和雾化现象的产生以及保持发射器和接收器PIN的恒温； ⑦PWL111主要是用于计算白天和夜间能见度值。
2.2 DNQ1/V35型能见度仪光学测定原理
DNQ1/V35型前向散射式能见度仪是一种光学传感器，用于测量能见度（气象光学距离/MOR）。该仪器使用前向散射测量原理测量能见度。直径处于光波长数量级的颗粒会散射光。散射量与光束的稀薄程度成正比。较大颗粒的行为与反射器和折射器相同，但其对MOR的影响必须单独处理。通常这些颗粒是降水水滴。DNQ1/V35的光学装置可从快速信号变化中检测到各个水滴。
DNQ1/V35测量从45°角散射的光。此角度对各种类型的自然雾气反应平稳。降水水滴散射光的方式不同于雾气，因此必须单独分析其对能见度的影响。DNQ1/V35型可以根据光学信号检测和测量降水水滴，并使用此信息处理散射测量结果。DNQ1/V35的取样容积较小，约为0.1公升。这样，即使在相对很大的降水强度时，也可以测量独立的颗粒，还可以检测到即使是最小降水水滴的信号电平。
3.安装环境要求
DNQ1/V35能见度仪所在位置的测量值应能代表周围的大气状况，四周100米范围内不能有高大的建筑物及树的阴影，场地没有干扰光学测量的反射表面。发射机、接收机的光学部件不能指向强光源（或强日光），雪、砂等强发射表面也应避开，发射机、接收机应背对任何可能的污染源，场地应没有任何明显的污染源，安装时也应考虑到途径车辆尾气的影响。自安装使用后，经常碰到能见度仪实际观测到的能见度值小于主要原因是它易受小范围环境气候的影响，例如院内的汽车的行驶，偶尔扬起的局地沙尘，百叶箱顶部的反光面等等的因素。
4.设备日常维护
为了得到准确的测量结果，能见度仪的透镜和机盖必须保持清洁，这是需要做的周期性维护工作。一般每六个月对设备进行一次清洁维护，如果在高速公路、海边附近或北方多风多尘地区，清洁应更频繁一些。当状态信息收到警告“clear”时，要立即进行清洁维护。用不起毛的软布或脱籽棉粘无水乙醇擦拭透镜，不要划伤透镜表面。检查保护罩和窗1：3玻璃上不能被凝结的水、冰、积雪、霜或露等污染。与其他探测设备相同，为了保证能见度仪运行准确，应定期进行校准，且每次维修仪器之后，都应做校准检查，然后才能进行业务测量。
参与文献
[1] 《前向散射式能见度仪的发射和接收装置设计》，王启万，2005.9.
[2] 《一种前向散射式能见度仪的原理分析和使用维护》，杨崇静、郭铭法，2013.10.
[3] 《前向散射式能见度仪使用规范》，中国气象局综合观测司，2011.9.
[4] 《DNQ1/V35前向散射式能见度仪用户手册》，中国华云气象科技集团公司，2012.6.
[关键词]能见度仪；前向散射；工作原理；清洁维护
中图分类号：S163 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）23-0284-01
引言
能见度是气象观测项目之一。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2700K的平行光束的光通量，在大气在削弱至初始值的5%所通过的路径长度。白天能见度是指视力正常（对比感阈0.05）的人，在当时的天气条件下， 能从天空背景上分辨出目标物（黑色、大小适度）的最大距离，实际上也是气象光学视程。低能见度对轮渡、民航、高速公路等交通运输和电力供应以至于市民的日常生活都会产生许多不利的影响。 在经济高度发展的今天， 带来的影响更为明显。近几年来， 因能见度过低而造成的重大交通事故屡有发生，因此对能见度自动观测仪器的研制、开发和应用就显得尤为重要。本文就能见度自动观测仪的工作原理及构造特点进行了简要介绍，使大家对此仪器有进一步的了解。
1.能见度仪的分类
能见度仪根据观测原理不同主要分为透射式及前向散射式两种。
透射式能见度仪利用了光在大气中传播受到的直接衰减原理，即将大气对光的吸收、反射、散射等都作为衰减，采用测量发射器和接收器之间水平空气柱的平均消光（透射）系数而算出能见度。发射器提供一个经过调制的定常平均功率的光通量源，接收器主要由一个光检测器组成，由光检测器输出测定透射系数，再据此计算消光系数和气象光学视程。
前向散射式能见度仪通过检测专用光源在指定大气体积中的前向散射强度，以求得其散射系数，进而根据相关数学模型演算出大气能见度值。因其安装简便、体积小、适应性强等优点而被广泛应用于各个领域。而目前台站所使用DNQ1/V35型就属于前向散射式能见度观测仪，主要由硬件和软件组成。其硬件可分成传感器、采集器和外围设备三部分，其软件分为集软件和业务软件两部分。其中，传感器部分包括接收器、发射器和和控制处理器等；采集器包括接口单元、中央处理单元、存储单元等；支架部分包括立柱和底座。如图所示：
上方图1中的编号对应如下。
1=发射器 2=接收单元 3=空白面板 4=管中的Pt100温度传感器
5=安装座 6=护罩式加热器（可选）
7=亮度传感器PWL111（可选）的位置
2.DNQ1/V35型能见度仪工作的原理
2.1 DNQ1/V35型能见度仪电路工作原理
光发射器通过红外发光二极管向大气中发射近红外短脉冲，经过大气中的固体或液体悬浮颗粒散射后，接收器接收到一定体积大气的前向散射光线，并会聚到光电传感器的接收面上，将光信号转换为电信号。传输到控制器进行处理；经CPU取样计算后得出能见度的值。由于大气中不同的粒子对光的散射不同，而不同地区的大气质量也存在差别，需要对能见度值进行二次修正，从而在不同降水条件下（雪、雾、雨、冻雨等）、干扰光线存在条件下及各种恶劣天气条件下，经计算补偿可得出精确的能见度值。
光发射器由红外发生器作为发射光源，内部设有监测及稳定红外线发射光强度的特殊电路，主要由量级认定功能的光电二极管组成。光接收器内具有量级认定功能的光电二极管接收散射光线。为了消除干扰光线的影响以及接收电路的时间漂移，光接收器用探测电路同步锁定功能及自动定期校定基准值功能进行补偿。控制器并对能见度仪进行内部控制，控制和监测发射器、接收器的工作顺序，对所接收的信号进行采集和处理，最后由串行接口进行数据通讯及输出。
在上图中④温度传感器主要用于改变线路电阻值；⑥主要防止光学镜面结露和雾化现象的产生以及保持发射器和接收器PIN的恒温； ⑦PWL111主要是用于计算白天和夜间能见度值。
2.2 DNQ1/V35型能见度仪光学测定原理
DNQ1/V35型前向散射式能见度仪是一种光学传感器，用于测量能见度（气象光学距离/MOR）。该仪器使用前向散射测量原理测量能见度。直径处于光波长数量级的颗粒会散射光。散射量与光束的稀薄程度成正比。较大颗粒的行为与反射器和折射器相同，但其对MOR的影响必须单独处理。通常这些颗粒是降水水滴。DNQ1/V35的光学装置可从快速信号变化中检测到各个水滴。
DNQ1/V35测量从45°角散射的光。此角度对各种类型的自然雾气反应平稳。降水水滴散射光的方式不同于雾气，因此必须单独分析其对能见度的影响。DNQ1/V35型可以根据光学信号检测和测量降水水滴，并使用此信息处理散射测量结果。DNQ1/V35的取样容积较小，约为0.1公升。这样，即使在相对很大的降水强度时，也可以测量独立的颗粒，还可以检测到即使是最小降水水滴的信号电平。
3.安装环境要求
DNQ1/V35能见度仪所在位置的测量值应能代表周围的大气状况，四周100米范围内不能有高大的建筑物及树的阴影，场地没有干扰光学测量的反射表面。发射机、接收机的光学部件不能指向强光源（或强日光），雪、砂等强发射表面也应避开，发射机、接收机应背对任何可能的污染源，场地应没有任何明显的污染源，安装时也应考虑到途径车辆尾气的影响。自安装使用后，经常碰到能见度仪实际观测到的能见度值小于主要原因是它易受小范围环境气候的影响，例如院内的汽车的行驶，偶尔扬起的局地沙尘，百叶箱顶部的反光面等等的因素。
4.设备日常维护
为了得到准确的测量结果，能见度仪的透镜和机盖必须保持清洁，这是需要做的周期性维护工作。一般每六个月对设备进行一次清洁维护，如果在高速公路、海边附近或北方多风多尘地区，清洁应更频繁一些。当状态信息收到警告“clear”时，要立即进行清洁维护。用不起毛的软布或脱籽棉粘无水乙醇擦拭透镜，不要划伤透镜表面。检查保护罩和窗1：3玻璃上不能被凝结的水、冰、积雪、霜或露等污染。与其他探测设备相同，为了保证能见度仪运行准确，应定期进行校准，且每次维修仪器之后，都应做校准检查，然后才能进行业务测量。
参与文献
[1] 《前向散射式能见度仪的发射和接收装置设计》，王启万，2005.9.
[2] 《一种前向散射式能见度仪的原理分析和使用维护》，杨崇静、郭铭法，2013.10.
[3] 《前向散射式能见度仪使用规范》，中国气象局综合观测司，2011.9.
[4] 《DNQ1/V35前向散射式能见度仪用户手册》，中国华云气象科技集团公司，2012.6.