1.1 儀器概述

能見度儀提供與氣象能見度相關(guān)的測量，傳感器是基于氣溶膠前散射原理而設(shè)計的，是繼透射式能見度儀發(fā)展起來的新一代氣象能見度監(jiān)測設(shè)備。傳感器可廣泛用于氣象臺站、遠(yuǎn)程自動氣象站以及機場、高速公路、航道、大型艦船等交通運輸部門。

能見度儀由光發(fā)射器、光接收器及微處理控制器等主要部件組成。發(fā)射器發(fā)射紅外脈沖光，接收器同時檢測大氣中氣溶膠粒子前向散射的脈沖光強度，所有測量信息由微處理控制器搜集并通過專門的數(shù)學(xué)模型算法轉(zhuǎn)化為氣象光學(xué)視程Meteorological Optical Range（MOR）。

能見度儀需要一個12DC的電源和一個三線RS－232/RS-485通訊線纜。儀器將氣象能見度數(shù)值和狀態(tài)信息通過通訊接口發(fā)送到監(jiān)控中心的上位機。

能見度儀提供多組內(nèi)置命令用于配置系統(tǒng)參數(shù)和控制系統(tǒng)多種功能。在組裝和維護過程中，需要一個顯示終端來檢查系統(tǒng)參數(shù)，并可能用來更改參數(shù)值。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

1.2.1 能見度儀由以下各部分組成

a）發(fā)射器

b）接收器

c）微處理控制器/接線盒

1.3 典型技術(shù)指標(biāo)

1.3.1 機械指標(biāo)

尺寸（長x寬x高）：610mm x 230mm x 300mm

重量：小于10kg

安裝：安裝在已架設(shè)好的圓形立柱上

材料：陽極化處理硬質(zhì)鋁，外表面加噴漆保護

1.3.2 電力指標(biāo)

電源：交流110VAC/220VAC±20%或直流12VDC

功率：小于5W，典型值4W

1.3.3 光學(xué)指標(biāo)

散射角覆蓋：39o—51 o 前散射

峰值波長：870nm

帶   寬：  100nm

光譜響應(yīng)度：最大響應(yīng)在870nm，0.65 A/W

1.3.4 測量指標(biāo)

測量范圍： 5m—10km

測量精度：≤2km，誤差±2%

2Km—10km，誤差±5%

≥10km，誤差±10%

    儀器一致性：≤±4%

    更新間隔：15秒

線性動態(tài)量程： 3000：1

1.3.5  可靠性與維護周期

平均無故障工作時間（MTBF）：大于18000小時

清潔光學(xué)鏡頭：3個月，或視使用環(huán)境而定

1.4 環(huán)境適應(yīng)性

工作環(huán)境溫度：－40—+60℃

工作相對濕度：0—100%

地域適應(yīng)性：可在沿海地區(qū)連續(xù)使用

1.5 儀器功能特點

1.5.1 主要功能

1.5.1.1     可對大氣能見度進行連續(xù)測量輸出。

1.5.1.2     儀器具有自檢能力，可對自身的12V供電電壓，接收器、發(fā)射器溫度，接收器信號及零點信號等進行實時檢測，并給出狀態(tài)報警指示。

1.5.1.3     儀器數(shù)字輸出接口標(biāo)配為RS-232或RS-485，接口的選擇可通過控制處理器中的采集器通訊選擇開關(guān)進行設(shè)置，可根據(jù)用戶需求在出廠時設(shè)置好。

1.5.1.4     儀器可設(shè)置ID號以標(biāo)識身份，ID=00為通用標(biāo)識，ID號出廠時均為通用標(biāo)識，用戶可通過命令進行設(shè)置新的ID號，ID號一旦設(shè)定不受設(shè)備斷電影響，此功能在多機聯(lián)網(wǎng)共用主站時用以區(qū)分布點儀器。

1.5.1.5   儀器具有多種命令進行遠(yuǎn)程監(jiān)控維護。

1.5.2  儀器特點

1.5.2.1     結(jié)構(gòu)特點：能見度儀采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，緊湊小巧，傳感器尺寸和重量非常小，包裝、儲運、安裝方便，也可以做為便攜式儀器使用；獨特的雙散射接收器結(jié)構(gòu)設(shè)計，對太陽和其它雜光干擾降到了最低。

1.5.2.2     發(fā)射器和接收器窗口透鏡經(jīng)過了特殊的防灰塵、防霉菌鍍膜處理，使鏡頭在自然環(huán)境中積累灰塵的厚度與速度大大降低，同時也降低了鹽霧與油污的污染幾率。

1.5.2.3     儀器結(jié)構(gòu)材料為高質(zhì)量硬質(zhì)鋁材和316不銹鋼，表面進行了陽極鈍化處理，并進行多道噴漆保護；所有螺釘均選擇耐腐蝕不銹鋼螺釘；殼體內(nèi)部是密封的，達到了IP65防護等級，具有沿海氣候適應(yīng)性。

1.5.2.4     儀器功耗極低，在冬天發(fā)射器頻繁加熱狀態(tài)，也只小于5W，因此可適應(yīng)蓄電池或太陽能板供電的電源工作方式。直流12VDC供電，方便系統(tǒng)集成。

1.5.2.5     儀器采集器設(shè)計上強調(diào)長期運行的穩(wěn)定性，內(nèi)置看門狗電路，經(jīng)過長期運行考驗，儀器工作穩(wěn)定、可靠。

1.5.2.6     實時數(shù)據(jù)顯示：傳感器可以輸出一系列的數(shù)字信息，操作人員可以自由選擇15秒或60秒間隔時間，信息可以通過自動應(yīng)答或被動招測方式輸出。

1.5.2.7    儀器的直流供電電路具有防反接和自恢復(fù)保險雙重設(shè)計，即使用戶誤操作，也不會引起儀器線路板燒毀，無需更換保險絲，重新正確操作后即可恢復(fù)正常。

1.5.2.8    儀器的通訊接口芯片具有15KV的防靜電保護，在用戶接線操作時可最大限度保護電路免受人體靜電的危害。

1.5.2.9 儀器具有防雷措施，其通信接口和電源接口均具有防雷設(shè)計，可將雷擊損害降到最低。

2 能見度測量原理

2.1 前向散射原理

    能見度儀具有前散射儀器的所有性能特點，它通過對采樣區(qū)懸浮顆粒發(fā)出小于90度的前向散射光的測量而實現(xiàn)；能見度儀的采樣區(qū)由發(fā)送器發(fā)射光路與接收器的接收光路交叉部分決定。顯然，它不同于透視儀測量的總消光系數(shù)，前向散射儀只測量一定角度的散射系數(shù)，也即在中央前散射角附近的較窄的散射角。普遍認(rèn)可計算白天和夜間的能見度需要測量總消光系數(shù)，而不是一定角度的散射系數(shù)，因此有必要表明一定角度的散射系數(shù)在特定的條件下與總大氣消光系數(shù)有確定比例關(guān)系，總大氣消光系數(shù)包括全范圍內(nèi)散射和吸收光線之和。在能見度測量小于100km以內(nèi)時，霧，煙、灰霾、揚塵或揚沙等懸浮物及各種類型的降水量決定了可見和近可見光線在大氣中的消光作用，超過100km距離，分子物質(zhì)的散射才發(fā)揮作用；而懸浮顆粒和降水的吸收作用與其散射作用相比可以忽略不計。鑒于以上理由，在能見度小于100km時，總散射系數(shù)可以等于總消光系數(shù)。這一結(jié)論，在各種權(quán)威試驗中得到認(rèn)證。

下面應(yīng)確認(rèn)利用有角度的散射系數(shù)的測量與總散射系數(shù)測量的結(jié)果是一致的。有角度的散射系數(shù)可分為2個部分：相位角函數(shù)和總散射系數(shù)。用有角度的散射系數(shù)代替總散射系數(shù)，只有當(dāng)相位角函數(shù)為常數(shù)時才可實現(xiàn)，并且測量應(yīng)保證在所有天氣條件下都有效。研究表明：在散射角35到55度區(qū)域，對任何級別的薄霧和霧，相位角的變化非常小，因此，使用有角度的散射系數(shù)代替總的散射系數(shù)是可行的，這也是前向散射能見度儀實現(xiàn)的依據(jù)。VD900系列能見度儀全部采用42—

45度散射角，因為該角度不僅保證了在霧、煙幕、灰霾、揚塵測量的準(zhǔn)確性，也保證了在降雪測量中有效性。

2.2 能見度的定義

2.2.1 能見度

即目標(biāo)物的能見距離，是指正常視力的觀測者觀測目標(biāo)物時，能從背景上分辨出視角大于0.5度的目標(biāo)物輪廓的最大距離。 

2.2.2 白天視程

幾乎所有儀器測量能見度的方法均采用測量大氣消光系數(shù)ß。大氣消光系數(shù)通過Koschmieder定律(白天)、Allard定律(夜間)及K氏和A氏的變形公式轉(zhuǎn)換成視程。

計算白天視程的原始公式是Koschmieder在1924年得出的：

VR = 3.912 /ß      ß為大氣消光系數(shù)

隨后的研究認(rèn)為K氏用0.02做為人眼的閾值太小了，因此，0.05被認(rèn)為比較實際，K氏公式被改為

VR = 3.00 /ß

這個簡單的公式考慮了大氣消光因素和其它附加的光線，也即黑體在天空中被觀測的情況。因此，嚴(yán)格的白天視程定義意味著黑體目標(biāo)在天空中被辨識的距離。

2.2.3 夜間視程

正常視力的觀測者在夜間能看到一定發(fā)光強度目標(biāo)燈燈光的最遠(yuǎn)距離。Allard在1876年得出了光強度I與距離的公式

Et = Ie-ßv / V2

Et 是觀測者照度閾值，ß是大氣消光系數(shù)

除了大氣的消光作用，公式也說明點光源的亮度衰減與光源距離平方成反比。此公式測量夜間視程明顯不同于Koschmieder公式，Koschmieder公式是簡單的代數(shù)關(guān)系，而Allard公式用超越函數(shù)表示兩者，因此，這種方法只能通過繁瑣計算或者查表方式應(yīng)用。

2.2.4 氣象光學(xué)視程 (MOR)

色溫2700K的白熾燈發(fā)出的平行光輻射通量，經(jīng)大氣衰減到起始值的5%后在大氣中所需經(jīng)過的距離。用于實用目的，MOR與白天的視程具有同一方法：

MOR＝3.00 /ß

MOR應(yīng)用滿足了氣象觀測人員的需要，因為它可以對大氣透射進行一對一的校正，并且白天和夜間相同氣象條件下能見度是一樣的，它被廣泛的應(yīng)用，VD900系列能見度儀在沒有特別說明情況下，測量的能見度均為氣象光學(xué)視程。

2.3 主要工作原理

儀器工作時，發(fā)射器發(fā)出一束中心波長為0.87μm的穩(wěn)定的光脈沖，紅外光脈沖射入一定體積大氣之后，其前向主角度為42-45度的散射光被接收器中的硅光電二極管所探測，并將其轉(zhuǎn)換為脈沖電信號，此信號經(jīng)過高精度、穩(wěn)定的放大電路，并同步的被接收器中的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號后送入微處理控制器，由微處理控制器取樣和計算后得到當(dāng)前能見度值。實時的能見度值通過RS-232或RS-485串行信道傳送給用戶上位計算機。

3 安裝

3.1 組織安裝

在您開始安裝能見度儀之前，先制定一個安裝步驟計劃。以下是如何組織安裝過程的計劃舉例：

a) 安裝立柱

b) 將能見度儀安裝在立柱上

c) 設(shè)備連線

－將現(xiàn)場的電源和通訊電纜連接到接線端子上－將通訊線連接到上位計算機上。

d) 對系統(tǒng)進行啟動測試

3.2  定位和定向

對能見度儀位置的主要要求為：

  a) 所在位置的測量值應(yīng)能代表周圍的天氣狀況。

  b) 這個地點應(yīng)該沒有影響光學(xué)測量的障礙物和反射表面，也沒有明顯的污染源。

•  建議在發(fā)射機和接收機的視線內(nèi)沒有障礙物。如果發(fā)射機光束從障礙物上反射到接收機上，傳感器將會指示很低的能見度值，因為它無法分辨反射信號和真正的散射信號。

•  安裝位置避免太陽光直射進入接收器。在強光下接收機線路可能會飽和，內(nèi)置診斷程序?qū)@示警告。強日光還會提高接收機內(nèi)的噪音水平。

3.3 卸貨與啟封

3.3.1 卸貨

發(fā)貨內(nèi)容列在隨船文件的裝箱單中。能見度儀包裝箱內(nèi)主要放置以下部件：

• 能見度儀一臺

• 隨機附件，如電纜、說明書等

  兩個人可很容易地將包裝箱從車上移到安裝地點。

NOTE

因能見度儀含有光學(xué)部件，需小心抬放。

3.3.2 啟封程序

1. 閱讀裝箱單。比較裝箱單和訂貨單，確保發(fā)貨完整。

2. 打開蓋子。

3. 如果發(fā)現(xiàn)缺貨或損壞，和供應(yīng)商聯(lián)系。

4. 將包裝材料和蓋子放回箱中，保存以備后用。

3.3.3 存放條件

存放能見度儀時，帶包裝放置在干燥條件下，不要放在敞開的空氣中。存放條件為：

• 溫度：－40oC—70oC

• 相對濕度：低于95％

3.4 安裝步驟

     能見度儀的安裝需要用戶提供已有的安裝立柱，儀器提供安裝卡箍，這種卡箍的安裝余量非常大。

3.4.1 安裝能見度儀

將能見度儀托起，控制盒后端的V形卡箍靠近立柱，用另一個V形卡箍和2個螺釘將能見度儀整體裝在立柱或橫臂上。安裝好的能見度儀呈水平狀，發(fā)射器、散射接收器的開口斜面均朝下。

3.4.2 連接線纜

    在控制盒下方有1個電纜出口，電纜出口處固定的是線纜鎖緊套，線纜連接標(biāo)志示意圖如下，出廠時用戶可以定制，默認(rèn)為RS485通訊方式：RS232通訊接口｜R485通訊接口