基于直角棱镜的气体传感器在能见度测量中的应用

　　1　引　言

　　基于开放气室的气体传感器可测量大气的消光系数[1],而用两个直角棱镜构造的气室[2]与White型[3]和Herriott型[4]的气室相比具有独特的光传输特性。White型气室可以实现数米到数千米的有效作用程长,但其结构复杂,调节困难,对环境要求高,实时测量的适应性差;Herriott型结构相对简单,因采用了共焦结构,仅能实现四倍程长的有效作用距离,且结构一旦确定,则气室的有效长度不能改变,这种结构对环境要求亦较高,所以,它的实时测量的适应性亦较差。基于直角棱镜构造的气室抗环境震动影响的能力较高[2],探测光束在气室内传输的有效光程可通过在与入射光束垂直的方向上调节其中一个直角棱镜的横向位移实现。探测光束在大气中的衰减主要是因大气组成(如雨雾、气溶胶及沙尘[5])对其散射和吸收作用。在清澈的天气条件下,大气对探测光的散射作用微弱,光的衰减轻微,需延长探测光束与大气组成的相互作用距离,才能观察到较明显的光强度变化。这意味着需要一个光程可变的气室才能对此时的大气消光系数进行测量。利用基于直角棱镜构造的气室测量大气消光系数,从而计算出大气能见度是一种新的能见度测试方法。

　　2　能见度的表征

　　能见度的目测在白天可以有较好的质量,在夜间则较难定义和控制。常利用等效白天能见度来定义和估计夜间能见度[6],这种等效是允许使用仪器手段测量能见度的依据。

　　在气象学中,能见度既表征大气的光学状态,又是一种专业术语和参量,它对应于专业应用的具体判据———能见度距离。它与航空、水陆交通、天文观测、空间遥感遥测、军事行动和工农业生产等都有直接的关系,现在已成为重要的环境监测参量之一。

　　能见度以气象视距表示时,按国际气象组织之规定,它由科施米德(Koschmieder)定律[7]给出

　　(2)式为超越方程,只能获得数值解。气象视距精度依赖于消光系数ελ和波长的测量精度,实际测量中波长的测量精度比消光系数的测量精度高得多。气象学中消光系数反映大气对探测光的吸收和散射两种作用。

　　表示大气能见度的测量通常有两种方法[8],一是透射法,另一是散射法。透射法测量的消光系数含吸收系数和总体散射系数;在散射法中,要求大气对选择的单色光不应有吸收作用,而是用某个角度的角散射系数完全表征大气的消光系数。实际上,人们估测的能见度常给出数千米的数值,而在数千米的路程上,只要有痕量的吸收气体存在,即可使探测光束的光强大为衰减。严格意义上讲,用透射法测量的大气消光系数比散射法准确。