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高速公路能见度监测技术

⒈ 能见度定义

    能见度是影响高速公路交通**的*主要气象要素，从广义角度讲，能见度就是指人的正常视力能从极限远处背景中分辨出的*远目标物。对于移动目标而言，又可分为消失距离和发现距离。消失距离是指当目标物向远离观测者的方向移去时，观测者*终看到景象逐渐模糊直至在背景中消失瞬间的位置与观测者之间的距离。发现距离是指当目标物从极限远处背景中向观测者的方向移来时，*初被观测者发现的位置与观测者之间的距离。由此可见，实用“能见度”的概念是与它的*终使用情况有关。
    在航空领域根据飞行员的位置观察使用“跑道视程”(RVR)的概念。RVR是飞行员在*常使用位置能观察到跑道示踪物(如跑道标记或跑道信号灯)的*大视觉距离，RVR值依赖于大气光学状况(即大气消光系数)和与背景亮度、跑道灯光强度等因素有关的参数。因此，当由气象光学视距(MOR)转换为相应的RVR时，应考虑与背景亮度的关系。而对于汽车驾驶员而言，*关心的则是汽车尾灯的“尾光能见度”，需要测量的是汽车尾光的发现距离，而常规气象观测关心的是消失距离。
    由于各人感知的能见度除了与大气物理光学状态有关外，还与各自的视力、视角、状态及所处环境、背景等多种因素有关。
    为了使能见度能单纯地反映大气的物理光学状态，气象上一个经典的能见度定义是:标准视力的眼睛观察水平方向以天空为背景的黑体目标物(视角在0.5一5°)时，能从背景上分辨出目标物轮廓的*大水平距离，也称之为气象光学视程。
    为使大气能见度有一个统一的衡量指标，1957年世界气象组织建议采用一种衡量大气光学状态的光学量度—气象光学视距(MOR):即白炽灯发出色温为2700K的平行光柱，通过大气，光亮减少到其初始的0.05时的路径长度，即为MOR。其数学表示为:

由此可见，气象光学视距 MOR只与大气透明度σ有关，不随白天、黑夜天空光强背景的变化。
对于点光源

上式是研究汽车灯光**视距的重要依据。

⒉ 能见度观测方法：

⒉1 能见度观测总类：

能见度的探测方法有两种 : 目测法和器测法。

⒉2 目测法：

能见度的目测方法是一种古老而又传统的方法，它是由人眼从背景中分辨目标物*远距离的观测方法。人眼在观察极限能见距离附近的目标物时，起着决定作用的是亮度差异。为反映目标物与背景的亮度差异，可用目标物在背景中的光亮度对比C 表示 :

式中， L 0 表示目标物亮度， L b 表示背景亮度， C表示目标物与背景亮度差异的相对比值。当目标物是**黑体，有鲜明的景象时，则 C=1 ；当目标物与背景亮度相同，目标物将不被察觉时，则C=O 。
    实际上，当透过一段大气去观测目标物时，人眼看到的是视亮度。大气对视亮度的影响有两个方面:
    (1) 大气的消弱作用使固有亮度减小 ;
    (2) 大气对光的散射作用。
    能见度目测法在白天采用目标能见距离 ( 即晴空水平能见度 )，夜间采用灯光能见距离。
    A.晴空水平能见度
    晴空水平能见度是指视力正常人在当时气象条件下，能够从天空背景中看到和辨认出目标物 (黑色，大小适中 ) 的*大水平距离。其严格定义是 : 视场角为 0.5-5°的地面黑色目标物，在天空无云背景条件下，观测者能极其勉强辨认出该目标物的距离。其计算公式可用下式表示：

    其中σ是消光系数，λ是波长。
    B.夜间灯光能见度
    夜间灯光能见度是指能看到和确定出一定强度灯光的*大水平距离。灯光是夜间的目标，一般用到达观测者眼睛的照度来衡量。灯光的视角一般很小，可以看成点光源。其计算公式可用下式表示：

其中σ是消光系数， I 是发光强度， E 是某种波长的视距阈值。

⒉3 器测法：

根据 Kosehnfieder定律，对以水平天空为背景的黑体目标物，目标物和背景视亮度对比可以表示为:

变换后

式中， r 为目标物和观测者之间的距离 ;ε为视觉对比阈值，σ为大气水平消光系数。
世界气象组织规定，对于气象能见度 V ，取视觉阈值为ε =0.02，相当于目标物消失时的距离。从而得到由大气消光系数σ。计算气象能见度的器测公式：

取视觉阂值ε =0.05 ，相当于气象光学视距 (MOR)，从而得到由大气消光系数σ，计算气象光学视程的器测公式：

上两式即用仪器测量能见度的基本公式。公式表明，器测能见度的核心问题是如何准确探测大气的消光系数σ。即要想得到能见度就必须先得到大气消光系数。
而消光系数σ是由于大气气溶胶和分子的散射和吸收作用而造成的光的衰减，它等于散射系数b 与吸收系数 c 之和，即

一般情况下，由于大气对光的吸收远小于对光的散射，因此，当光程有限时，可忽略大气对光的吸收C ，故可通过测量有限体积空气对光的散射系数 b 来估计大气的消光系数σ。
散射是指电磁波通过某些介质时，由于这些介质的折射率具有非均一性，引了入射波波阵面的扰动，造成入射波中一部分能量偏离原来的传播方向而以一定规律向其它方向发射的过程。散射的强弱及空间分布与波长及散射质点的相对大小有关，如下图。

图：大气中各种粒子的尺度分布(Wallaee和Hobbe，1977)

    上图给出了大气中常遇到的各种颗粒物散射的情况 . 纵坐标为粒子尺度 r，在图的右侧给出这些颗粒物的名称，横坐标为波长入。令尺度参数 α =2 π r/ λ，则按 α 的大小可将散射分为三类 :
    (l) 瑞利散射 : α <0.1 ，即 r< λ ;
    (2) 米氏散射 :0.1< α <50 ，即 r ≈ λ ;
    (3) 几何光学散射 : α >50 ，即 r>> λ。
    对一个散射粒子而言，散射光的分布是三维空间的函数，散射辐射能量的空间分布具有显著的散射方向性，并可表示为散射光强分布图形。

图：不同尺度粒子的散射方向图(引自孙慧洁，1995)

    对于高速公路**能见度监测而言，我们关心*多的是雾的能见度。而雾滴直径一般在几个 pm到十几个 pm 之间，但其粒子大小变化很大，既有大到 50 一 80pm 、状如毛毛雨的雾滴，更有大量直径小于 1pm的微滴，其密度可达每立方厘米几千个‘ 451 ，一般陆面雾的峰值直径在 3.5 协 m 附近，平均直径在 9.4 一 16.1pm之间，海雾粒子尺度更大。根据米氏散射 (MieScattering) 理论，由半径 r大于波长入的粒子所引起的散射与波长几乎无关，具有较强的前向散射能力 ( 见上图 )。据此，世界气象组织和国际民航组织的要求，高速公路推荐采用前散射原理的能见度检测设备。

    A.前向散射式能见度仪
    影响大气能见度的粒子尺度谱很宽，但在散射性质上基本以米氏散射为主，表现出很强的前向散射特征。当光线经过大气通路时，粒子对光的散射强度与其密度密切相关，并在前向强信号散射区存在一定的角度与大气能见度具有很好的相关性。通过对光的散射原理和大气物理光学的研究可知，在25-50°之间，大气散射相函数对气溶胶谱分布的变化不敏感，探测的前向散射光正比于大气消光系数。前向散射能见度仪的设计就是根据以上机理，并选择合适的光源(波长、光强)和光路结构，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。其在高速公路能见度监测中的优缺点
    优点:
    (l)米氏散射的前向强散射信号有利于提高仪器的灵敏度;
    (2)通过闭环电路锁定技术提高了仪器的稳定性;
    (3)仪器的发射功率要求不高;体积相对较小、价格较低，性价比高。
    缺点:
    (l)不能准确测量非米氏散射粒子对大气能见度的影响，测量信号同样与视觉障碍(雨、雪、雾、霭等)有关，但好于后向散射仪;
    (2)体积较后向散射仪大。

    B.后向散射式能见度仪
    后向散射式能见度仪的工作原理是探测大气后向散射能量的变化。工作方式是由光发射器发出光束，光线被空气中的粒子散射后，其后向散射能量再被光接收器所接收，进而利用相关数学模型演算出大气能见度值。其优缺点主要是
    优点:
    (1)采用相对测量方式，不需要标定激光的发射能量，镜头污染对探测结果的影响较小;
    (2) 采样空间相对较大;
    (3) 仪器的尺寸很小、成本低。
    缺点：
    (1)对于雾等粒子，Mei散射的后向散射能量相对较小，对仪器的灵敏性有一定影响;
    (2)由于雾粒子的峰值直径在3.5pm附近，平均直径在0.94-16.1pm之间，其散射具有后向散射多极性，这表明，发射器与接收器之间的微小角度变化或粒子尺度的变化都可能引起后向散射极法线矢量的变化，造成测量信号的无规则振荡，出现能见度测量值的不稳定波动；
    (3)所需发射的光功率较前向散射仪大，易受外界杂光干扰;
    (4)测量信号很大程度上依赖于视觉障碍(雨、雪、雾、霭等)，必须作天气定标函数后才能进行**测量，使得实际操作复杂化。
    注：HSC-OTT ParsivelEF前向散射能见度仪自动集成粒子滴谱分析，不仅可以保证一起对消光系数的测定更准确，而且可以测量各种类型的降水，包括毛毛雨、雨、雨夹雪、冰雹、雪和混合降水。同时散射测量与粒子滴谱同时测量以及具有特殊的结构设计使得这套前向散射能见度测量系统不仅具有前向散射测量装置的的优点，而且具有后向散射系统的优点:不需要标定激光的发射能量，镜头污染对探测结果的影响较小(HSC-OTT Parsivel EF,使用无需维护的激光技术；自动加热功能，在所有的环境和气候条件下都很可靠;*优的性价比);

⒉4 能见度仪布设要求：

    根据能见度仪的工作原理，在地形、植被变化不大的平原地区，能见度传感器对 10m 基线内的空气进行采样监测，其检测数据的代表性大致可反映 15 ～ 20km范围内空气母体的统计学特征。但对于受地形等因素影响而形成的雾情多变区域，其测试数据的代表性则极为有限，必须考虑增加能见度仪布点密度，以解决测试数据的代表性问题。
    能见度仪的布设应尽量设置在气象环境比较恶劣的地方，如易产生雾的水网地区，易产生横切风和局部小气候的谷地、山崖地区等。
    *合理的布置距离一般为：能见度检测仪在城区范围*好每 5 km 布设 1台，在郊区范围*好每 10 -20 km 布设 1 台。

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