前向散射能见度仪测量误差的理论分析

前向散射能见度仪(FSVM)是测量能见度的主要仪器.从测量原理和散射理论出发,推导出了FSVM的探测方程,以此为基础,采用模拟计算与统计分析相结合的方法,分析了由于气溶胶性质不确定性和仪器光电机技术性能变化两方面引起的FSVM的8类误差源及其不确定度值.结果及分析表明:现有技术条件下仅考虑光电机性能不确定性而引起的能见度相对不确定度为4%;气溶胶性质不同而引起的相函数变化以及忽略吸收效应是FSVM的主要误差源,考虑到气溶胶性质的不确定性,能见度相对不确定度可达28%;若能识别出气溶胶性质,对于单一的雾、乡村型气溶胶和城市型气溶胶,能见度相对不确定度分别为7%、9%和18%;相函数对散射角的变化比较敏感,由于运输、架设和使用过程会对散射角产生相当的影响,必须对散射角进行校准.研究结果对FSVM的使用、改进和校准提供了理论支持.     

雾天多次散射对激光透射仪能见度测量的影响

为了分析雾天多次散射引起的激光透射仪能见度测量误差，结合激光大气透射仪的系统参量，基于平流雾和辐射雾分布模型，采用蒙特卡洛法对激光在雾中的传输特性进行了理论分析和数值模拟，获得了雾天透过率数据，并计算得到了多次散射引起的能见度误差。结果表明，在雾天气下随着空气中含水量的增多，多次散射越明显，透过率测量误差越大，辐射雾的透过率相对误差高达116.76%；同等条件下，当接收机直径为100cm时，辐射雾多次散射引起的能见度测量误差为19.30%；同时选取较小的接收机直径可以减小多次散射引起的能见度测量误差。因此, 在雾天应用激光透射仪进行能见度测量时，需考虑多次散射的影响。此研究结果对实际雾天气下激光大气透射仪能见度的测量具有重要的指导意义。     

多次散射影响下激光大气透射仪测量误差研究

针对多次散射影响激光大气透射仪的测量精度问 题,提出了不同能见度条件下的激光大气透射仪受 基线长度、接收机视场角以及多次散射影响的误差分析模型。首先,通过Monte Carlo 法和 Bouguer-Lamber 定律计算了消除和未消除多次散射的大气透过率;其次,根据仿真结果,对不同能见度条 件下多次散射 影响程度进行分析;最后,结合可变基线与可变接收机视场角的透射仪工作原理,给出能见 度误差分析模 型。结果表明,应用激光大气透射仪进行能见度测量时,能见度越低,多次散射对测量精度 的影响越严重, 选取适当的基线长度和接收机视场角对减小多次散射引起的测量误差有重要意义。     

考虑多次散射影响的斜程能见度反演方法研究

提出了一种在低能见度天气条件下考虑多次散射影响时激光雷达反演斜程能见度的组合算法。首先,根据Koschmieder定律构建能见度方程,确定斜程能见度与大气光学厚度的依赖关系;其次,根据多次散射激光雷达方程采用双仰角法反演大气光学厚度,并采用半解析Monte Carlo法计算多次散射对单次散射比值;最后,求出考虑多次散射影响时的斜程能见度。使用地基激光雷达垂直探测进行斜程分解的回波信号数据,进行了实验验证。结果表明,在能见度小于1km时,考虑与未考虑多次散射影响的斜程能见度相对误差达9%,并且随着能见度的降低,多次散射对单次散射比值逐渐增大,多次散射作用增强。因此,研究低能见度天气条件下,多次散射的影响是非常必要的。     

气溶胶后向散射消光对数比对消光系数反演的影响研究

使用Mie散射激光雷达在阴、雾和晴三种天气状况下采集了大气回波信号,从所测数据反演气溶胶消光系数的过程中发现,气溶胶后向散射消光对数比对反演结果存在较大影响.在阴天天气下,当后向散射消光对数比从0.7变化到1.0时,气溶胶消光系数反演结果相差近5倍;对晴天天气,反演结果相差近3倍;而在有雾天气,其反演结果变化不大.通过参考大气能见度因子对消光系数进行修正,并从而获得对应的后向散射消光对数比,给出了一种根据天气状况确定气溶胶后向散射消光对数比的新方法.实际反演计算表明,用此方法可获得与实际更为接近的气溶胶消光系数.     

基于光散射技术的两种能见度探测方法的比较分析

为了提高大气能见度的仪器探测水平,并验证自行研制的车载式拉曼激光雷达探测大气水平能见度的可靠性,使用1种基于可见光波段的前向散射能见度仪,与基于后向散射原理的拉曼激光雷达进行了联合试验,对两者测量结果,进行了分析和讨论,结果表明这两种探测手段具有较高的相关性.同时,通过对前向散射原理的探讨,为能见度仪的国产化提供了参考,也检验了国内首台车载式拉曼激光雷达在测量能见度方面的可靠性,扩展了它的应用领域.     

前向散射型能见度仪的研制

前向散射能见度仪测量前向散射光强度,确定大气的消光系数,进而获得大气的能见度值。基于上述原理,考虑雾天大气散射特性,研制了一台前向散射能见度仪样机。通过样机室外雾天散射光强测量值与实地能见度值的比较,给出之间的修正计算公式。样机还在外场与国外同类仪器进行了实测数据对比实验。     

基于散射法原理的能见度及气溶胶消光特性测量分析

气溶胶是指悬浮在大气中的各种半径为0.01～20μm的固体和液体粒子,它们对光的影响表现为散射和吸收,是致使大气中光波传输时能量损失的原因之一.介绍了两种测量大气气溶胶光散射特性的仪器,前向散射能见度仪和三波长积分浊度计,通过在合肥地区系统的测量,获得了该地区大气能见度和气溶胶消光的统计特征,为有关光学工程试验提供了科学依据.对比分析了两种设备测量结果,为提高探测精度,将两种仪器的测量结果放在一起进行了研究,获得了满足特殊试验要求的第一手数据,夏秋两季的能见度较高时,平均能见度的最大值超过10 000 m.实验结果对于大气环境评价和辐射气候效应及有关光学试验有重要的参考价值.     

前向散射型能见度仪的研制

前向散射能见度仪测量前向散射光强度，确定大气的消光系数，进而获得大气的能见度值。基于上述原理，考虑雾天大气散射特性，研制了一台前向散射能见度仪样机。通过样机室外雾天散射光强测量值与实地能见度值的比较，给出之间的修正计算公式。样机还在外场与国外同类仪器进行了实测数据对比实验。     

相对湿度和粒子形态对海盐气溶胶粒子散射特性的影响

根据海盐粒子在不同相对湿度条件下的不同形态,分别建立了低湿度（RH=0%）、中湿度（RH=50%）和高湿度（RH=95%）三种条件下海盐立方体和球形粒子模型。利用离散偶极子近似法（DDA）、Mie散射理论研究了相对湿度和粒子形态对海盐散射的特性影响,采用离散坐标法（DISORT）研究了相对湿度和粒子形态对海盐特性的影响。结果表明:相对湿度和粒子形态对海盐散射特性影响较大,不同相对湿度条件下,海盐气溶胶粒子由于相态不同,呈现出不同的特性。中湿度条件下,粒子形状因子对海盐散射辐射特性的影响更强。当光学厚度较小时,球形-立方体海盐气溶胶的双向反射分布函数（BRDF）相对差异超过15%,在研究海盐气溶胶散射辐射特性时,需同时考虑相对湿度和粒子形态的影响;当光学厚度较大时,相对差异不超过5%,一定精度范围内,可采用等效球方法进行模拟计算。研究结果对于大气气溶胶散射和辐射传输理论及应用研究具有重要的参考价值。     

1.064 μm脉冲激光在雾中传输的蒙特卡洛模拟

在大气无线光通信中,大气中的雾滴会导致激光信号严重衰减,从而使得脉冲信号的时间展宽和能量衰减。应用蒙特卡洛多次散射模型对1.064μm激光脉冲在雾中的传输特性进行了数值模拟。在模拟中,基于米氏散射理论,计算出了光在不同雾能见度下的散射相函数值,并通过随机抽样方法得到了随机数与散射角的对应关系。与采用H-G相函数近似表示粒子对光的米氏散射特性的方法相比,这种方法更精确。在此基础上,模拟了不同雾环境和接收视场角下激光信号的脉冲响应特性。     

利用大气能见度获取多波长气溶胶光学特性

介绍了一种利用测量得到的大气能见度获取多波长气溶胶光学特性(主要探讨气溶胶的消光系数、散射系数和吸收系数)的新方法。首先，由能见度求出波长0.55 μm的大气消光系数，在减去大气分子的消光系数后得到0.55 μm气溶胶的消光系数，使用Mie散射理论求出气溶胶粒子的数密度；因为同一时间大气状态下气溶胶的数密度是不变的，所以再次使用Mie散射理论即可得到其他波长下气溶胶的光学特性。以1.06、1.536、3.75 μm为例，给出了合肥2003年近地面层的气溶胶光学特性，该方法对于研究大气环境和大气中光传输模式具有重要意义。     

海面水雾对激光传输的影响分析

为了研究水雾对激光传输的影响,采用理论分析与设备实测相比对的方法,对水雾的近红外消光特性进行了理论分析和实验验证,取得了海洋环境雾天不同能见度条件下的激光大气传输衰减特性测量数据及同等试验条件下的模拟计算对比数据。结果表明,海洋环境下,水雾是影响激光大气传输的主要因素,其消光系数量级在10-1km-1或100km-1,水雾对激光传输的衰减是大气分子散射和吸收所引起衰减的十几倍甚至几十倍;结合实测数据对经验常数C进行了修正,得到基于能见度的1.06m激光在海雾中衰减的经验公式。所得结果对科学评价激光对抗装备远场效能具有参考意义。     

用气溶胶飞行时间质谱仪测量气溶胶粒子折射率

利用自行研制的气溶胶飞行时间质谱仪（aerosol time-of-flight mass spectrometer, ATOFMS）对气溶胶粒子的折射率进行测量。首先利用ATOFMS对气溶胶粒子的粒径和光散射强度进行测量,然后由Mie散射理论结合ATOFMS光散射区域的几何结构,推算出光电倍增管（PMT）接收的理论光通量与气溶胶粒子的大小和折射率之间的函数关系。通过比较实验测量的气溶胶粒子光散射平均强度与Mie散射理论值,对粒子的折射率进行反演。与实际样品数据参数对比的结果表明该方法是可行的。     

离散偶极子方法研究雾霾随机簇团粒子的光散射特性

分析硫酸、硫酸、硝酸盐、碳和有机碳等组成的雾霾污染物簇团,基于团簇 -团簇凝聚模型(CCA),对簇团粒子的随机三维结构进行了模拟,构建不同成分,不同形状簇团粒子,在此基础上运用离散偶极子近似法计算了雾霾簇团粒子的光散射性质,进而仿真计算了不同形状的雾霾簇团粒子的光学散射,分析了雾霾簇团粒子散射场强度随散射角、效率因子与尺度因子变化关系,偏振度随散射角的变化结果。计算结果可用于分析大气雾霾特性和大气光传输特性。     

对流层气溶胶和水汽的车载激光雷达系统的探测

利用研制的一套具备昼夜测量能力的新型车载大气探测激光雷达系统为试验工程和环境监测提供应用研究。该激光雷达系统由水平测量模块和垂直测量模块构成,可通过接收激光与大气中气溶胶粒子、水汽分子、氮气分子作用的米散射和拉曼散射信号,反演大气水平能见度、垂直的气溶胶消光系数和水汽混合比。并可实现昼夜连续观测,实际测量结果与对比实验表明,大气水平能见度的测量误差小于10%, 6 km以下垂直大气气溶胶的测量误差小于10%,水汽的测量误差最大不超过20%,能够满足大气参数测量的实际需求。     

测量大气气溶胶和水汽的车载式激光雷达系统

为满足国家对大气参数测量的需求，成功研制了新型车载式大气探测激光雷达系统。该激光雷达主要是通过接收激光与大气中气溶胶粒子和水汽以及氮气分子间的米和拉曼散射信号，结合相应的激光雷达方程，反演出大气水平能见度、垂直气溶胶消光系数和水汽混合比。最终的实际测量结果与对比实验显示，该激光雷达可以对对流层的大气气溶胶进行昼夜连续观测，对夜晚8 km高度范围内以及凌晨和傍晚时分边界层内的水汽进行测量。相应大气水平能见度的测量误差小于20%，而垂直大气气溶胶和水汽的测量误差最大不超过30%。     

聚苯胺/三氧化钨复合薄膜的制备与性质

利用Luettgen单次散射信道模型对雾环境下非视距日盲紫外光通信信道传输特性进行了模拟分析。选取波长为260nm的紫外光, 分析了雾环境下对于不同的通信距离, 该紫外光的路径损耗与能见度的关系。结果表明: 在通信距离已知以及系统的发射仰角、接收仰角、发射视场半角和接收视场半角等几何参数已知的情况下, 存在一个使得紫外光传输的路径损耗达到最小的能见度; 同时, 分析并比较了0~2km辐射雾和平流雾传输路径损耗与能见度、通信距离的关系, 并得到辐射雾环境更利于紫外光传输。