（光学专业论文）气溶胶前向角度散射信号提取及大气能见度反演研究.pdf

摘要 摘要 气象光学视程( 气象能见度) 是表征大气光学特性的客观指标，是影响航 空、航海、陆上交通以及军事等领域工作的重要气象参数。开展气象能见度连续 自动检测方法研究和系统研制具有重要的应用价值。 论文以气溶胶前向散射信号提取与大气能见度反演算法研究为核心内容， 开展了气溶胶前向光散射信号特征、微弱光散射信号检测方法、能见度测量系 统传递函数标定等问题的研究，设计并研制了气溶胶前向光散射能见度仪。 论文在讨论了大气能见度测量原理的基础上，建立了基于近红外l e d 光源 的气溶胶前向散射光多角度测量装置，分析了多角度散射测量结果，证明了在 2 0 0 4 5 0 前向散射角范围内气溶胶散射光信号强度与消光系数成正比，提出了前 向散射大气能见度仪的设计方案；研究了微弱敞射光信号的检测方法，研制了 采用光源调制、锁相检测技术的微弱散射光信号检测电路，消除了背景光的干 扰，通过高精度v f 转换电路设计实现l o o d b 大动态范围的a i d 转换，提高了 微弱散射光信号的检测精度：对测量系统的标定问题进行了深入的研究，提出 了系统传递函数标定和雨、雾等不同天气下能见度数据补偿修正方法；进行了 多台样机与进口仪器之间的对比测量，结果表明具有的较好的一致性。 关键词：气溶胶；前向散射：大气能见度仪；微弱信号检测：标定 摘要 s t u d yo ft h esig n ai e x t r a c tio no fiig h tf o r w a r ds c a t t e r e d b ya e r o s oisa n dt h er e t rie v eo fa t m o s p h e ric vis ibiiit y a b s t r a c t m e t e o r o l o g i c a lo p t i cr a n g e ( i e m e t e o r o l o g i c a lv i s i b i l i t y ) i st h eo b j e c t i v e i n d i c a t o ro fa t m o s p h e r i co p t i c a lc h a r a c t e r i s t i c s i t i s a l s oa n i m p o r t a n t m e t e o r o l o g i c a lp a r a m e t e rt h a ti n f l u e n c e s t h ef i e l d so fa v i a t i o n 。n a v i g a t i o n ，l a n d t r a n s p o r t a t i o n ，m i l i t a r y a f f a i r sa n de t c c a r r y i n go u tt h es t u d i e sa n dt h e d e v e l o p m e n t so ft h ec o n t i n u o u sa u t o m a t i ca t m o s p h e r i cv i s i b i l i t ym o n i t o r i n gi sv e r y n n p o r t a n t t h em a j o rp a r t so ft h i sp a p e rw e r es i g n a le x t r a c t i o no fl i g h tf o r w a r ds c a t t e r e d b ya e r o s o la n ds t u d yo fr e t r i e v ea l g o r i t h mo fm e t e o r o l o g i c a lv i s i b i l i t y t h er e s e a r c h o nc h a r a c t e r i s t i c so fl i g h tf o r w a r ds c a t t e r e db ya e r o s o l ，o nd e t e c t i o nm e t h o d so f w e a kl i g h ts c a t t e r e d ，o nt r a n s f e rf u n c t i o nc a l i b r a t i o no fv i s i b i l i t ym o n i t o r i n gs y s t e m a n de t c w e r ec a r r i e do u t d e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h ef o r w a r ds c a t t e r i n g v i s i b i l i t ym e t e r sw e r em a d e b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ep r i n c i p l eo fv i s i b i l i t yn l e a s u r e l n e n t ，ad e v i c ef o r m e a s u r i n gt h em u l t i d i r e c t i o nl i g h te m i t t e db ya nl e d f o r w a r d s c a t t e r e db ya e r o s o l s w a sc o n s t r u c t e d t h er e s u l to fm u l t i a n g u l a rm e a s u r e m e n tw a sa n a l y z e d i tw a s v e r i f i e dt h a ts c a t t e r e di n t e n s i t yi sp r o p o r t i o n a lt oa t m o s p h e r i ce x t i n c t i o nc o e f f i c i e n t b e t w e e nt h ea n g u l e sf r o m2 0t o4 5d e g r e e s w i t ht h es o l u t i o no ft h et e c h n i c a l p r o b l e m s ，af o r w a r d s c a t t e r i n gv i s i b i l i t ym e t e r ( f v m ) w a sd e s i g n e d i nt h i sp a p e r , t h ed e t e c t i o nm e t h o d so ft h ew e a ks c a t t e r e dl i g h ts i g n a lw e r es t u d i e d ，a ne l e c t r o n i c c i r c u i td e t e c t i n gw e a ks c a t t e r e dl i g h ts i g n a lw i t h m o d u l a t i o n l i g h t s o u r c ea n d p h a s e l o c k i n gt e c h n i q u e w a sd e v e l o p e d ，w h i c he l i m i n a t e dt h ei n t e r f e r e n c eo f b a c k g r o u n dl i g h t t h eh i g hp r e c i s i o n v fc o n v e r t e rw a su s e dt og e ta10 0 d b d y n a m i cr a n g ei na dc o n v e r s i o na n d t h u si m p r o v e dt h ed e t e c t i o nl i m i to ft h ew e a k 气溶胶前向角度散射信号提取及大气能见度反演研究 s c a t t e r e ds i g n a ld e t e c t i o n a ni n d e p t hs t u d yo nc a l i b r a t i o np r o b l e mo fm e a s u r e m e n t s y s t e mw a sc o n d u c t e d t h ec a l i b r a t i o nm e t h o do ft h es y s t e mt r a n s f e rf u n c t i o na n d t h ec o r r e c t i o nm e t h o do fv i s i b i l i t yd a t am e a s u r e di nr a i na n df o gw e r ep o i n t e do u t t h ec o m p a r i s o n sb e t w e e ns e v e r a ld e v e l o p e dp r o t o t y p e sa n di m p o r t e dv i s i b i l i t y m e t e r sw e r ec a r r i e do u t ，s h o w i n gg o o di n s t r u m e n t a lc o n s i s t e n c i e s k e y w o r d s ：a e r o s o l ，f o r w a r ds c a t t e r i n g ，m e t e o r o l o g i c a lv i s i b i l i t ym e t e r ，w e a ks i g n a l d e t e c t i o n ，c a l i b r a t i o n 承诺 本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已 经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作 权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均己在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养 单位。 本人签名：王簟1日期：望17 釜：? 第一章 大气气溶胶的基本特性与大气能见度 第一章大气气溶胶的基本特性与大气能见度 大气中除气体成份外，还悬浮着大量固体和液体粒子。通常将半径小于十 几微米的固态微粒称作大气气溶胶- ! 。其他则分别称之为雾滴、云滴、冰晶、 雨滴以及冰雹和雪花等降水粒子。气溶胶有自然或人类两种来源。在9 0 k m 以 下，干洁空气。中气溶胶的含量很低，但随着工业污染、交通、建筑扬尘和沙 尘暴等人为与环境因素的影响，大气中气溶胶粒子明显增多。 气溶胶可以从两方面影响气候：通过散射辐射和吸收辐射产生直接影响， 以及作为云凝结核或改变云的光学性质和生存时间而产生间接影响。气溶胶尤 其是纳米粒子不仅直接影响到城市大气环境质量、能见度，而且还能影响到人 体健康和全球辐射平衡。直径小于l i t m 的气溶胶粒子能够通过呼吸道直接进入 肺部，从而引起各种肺部疾病，直径而小于l o g m 的气溶胶粒子含量j 增d l ：i ，则 能够引起人类多种呼吸道疾病。另外，气溶胶粒子在许多大气化学反应中起催 化作用，为很多污染物的转换提供温床，而且它也是许多大气化学反应过程中 的中间产物或者最终产物。 1 1大气气溶胶的基本特性 1 1 1 大气气溶胶的形状、尺度和类型 总体上可把气溶胶粒子的形状分为三种类别：等轴状、片状和纤维状。 为了计算和处理方便，通常将气溶胶粒子假设成均匀各向同性球形粒子， 采用米( m i e ) 散射理论描述其散射和吸收特性“。对于非球形程度不高的粒子群， 由于随机取向和不同粒子尺度的平均，使其宏观散射统计平均特征可以近似利 用等效球形粒子群的m i e 散射来描述。| 。对于大气中下落的大雨滴、雪花、冰 雹和悬浮的冰晶等非球形粒子的散射问题m i e 理论不再适用，近年来相关领域 的研究取得了快速的发展”，但到目前为止还没有一个统的解法能够对所有 的情况都提供理想的结果j 。 大气气溶胶粒子的尺度与其光学、电学特性以及化学特性有着密切的关系， 而且在大气中发生的许多效应、污染危害和粉尘爆炸等都同粒子的尺度相关， 气藩脏前自自散射信 b 太气能度反演r 因此粒子尺度是大气气溶股研究的个极其重要的特征量，在涉及气溶胶的物 理性质和动力学特陋的研究中，为了确定粒子的尺度并用以表示粒于的不同性 质，常把粒子当作球形并用半径或直径来表征其尺度。习惯上在气溶胶的理i 讨论中常用半径，而在具体应用中常用直径。具体尺度定义可参见参考文献 。下而的表述中，除非给出特殊指明，一般粒径代表的是粒子半径。 p o l l h o 一 i 叶+垤罂一 。1 0 0 1 0 1 1 1 0 l l 0 图1 l 大气粒子尺寸 大气中的粒子群h ；仅粒径范围很宽，如图l l 所示，而且形态多变并具有 多种复杂f | 】物理化学特性。气溶胶一般包含半径范围约00 0 1 5 0 9 m ，超过5 0 9 m 的人云滴、雨滴或大的固体颗粒，由于沉降作用，在大气中存在的时间较短， 般可小列作气溶胶粒了。因此，气溶胶粒子罐本上是固体粒子，或是粒子吸 收大气水汽在表面上形成一薄层液态膜。云雾中粒子由液态水滴和冰晶组成， 其粒径在1 1 0 0 9 m 左右当半径超过1 0 0 9 m 后，就开始形成降水粒子，降落 到地面。 j u n g e 将气溶胶按照粒子半径，大小分为：爱根( a i t k e n ) 核一 0l p m ) ，因 a i t k e n 鳆先使用凝结核计数器剥这种尺度的粒子进行测量而得名：大粒子 ( 0 l , r n 咤 10 9 m ) 。2 0 世纪7 0 年代通过剥城市烟雾大量 细致的探测分析，w h i t b y 认为大气气溶胶尺度分布由三个分离的模态组成，即 核模态p 10 r t m ) 。前两 个模态均由凝结、聚合过程产生，且两者之间存在明显的质量转移，币粗模态 主要通过机械分离作用产生，弓其它模态之问不存在转化关系。另外，在大气 污染的研究中，通常将r 5 i l m 的称为降尘，而r o 1 o 3 时，宜改用米( m i e ) 散射 理论。 关于大气质粒散射的计算，实际上可归结为确定散射效率因子9 ( x ，垅) 、吸 收效率因子q 。( x ，脚) 和消光效率因子q ， ，历) ，( 其中q 。( x ，m ) = 叹一。( x ，m ) x r 2 ) 。 对于均匀各向同性球体的电磁辐射，米散射理论给出了完整的精确解，由球的 尺度参数和其复折射指数来表述，但其普遍公式比较复杂，精确计算也很繁杂。 在某些情况下，无必要使用精确结果，可代之以计算量大为减少的简化公式。 最常用的有v a nd e rh u l s t 的近似公式： q ( x ，聊) ：2 4 e x p ( 一日t a n 6 ) 【型s i n ( a 一6 ) 一( c 。兰- - 2 b ) ：c o s ”2 堋+ 4 ( 警) 2 c o s 2 6 q ( 五，卵) = 1 + 三型掣2 x m + 三翌掣m 7 6 x a = 2 x ( m ，一1 ) ，b = t a n 一 ( 1 2 0 ) 其适用条件为m ，一1 ) l ，m i 2 0 以后，振荡减弱趋于一渐近值 2 。即大粒子从入射光束中消除的光能量正好等于其横截面所阻拦的光能量的两 倍，这种现象也称为“消光佯谬_ 。! 。 米散射最突出的特征是“前向峰值”效应，主要散射能量集中在接近于入 图1 3 “消光效率因子g ，肼) 随尺度参数x 的变化 射辐射的方向上，如图1 4 所示。实际上它是由不通过粒子的那些光子的衍射 引起的。这种前向和后向散射的不对称性，即米散射相函数的不对称性，可用 - - ：l l z 对称因子g ，即散射辐射的散射角余弦的平均或统计期望 来表示， 它定义成 t g 2 ( c o s o i ) 2 玄j 4 石p ( 秒，所，元) c o s o d f 2 ( 1 2 1 ) 其中q 为立体角元量，p ( o ，m ，a ) 为散射相函数，满足归化关系 1 去( 石尸( 幺m , 2 ) 饱= 1 ( 】2 2 ) 或者表示成散射余弦的强度加权平均，对非偏振光中的单个粒子对球形粒子由 1 2 第一章太 溶腔基本特性与太气能虚 于其剥称性，剥p 的积分可消去 。：皿塑型竺型竺 6 r 4 r ( ，+ 脚n 甜鲥p ( 12 3 非对称圆予g 在1 和- l 之问变化，对瑞利散射g = o ，一般g 值随z 增加而增大 对大的尺度参数x ，极限值约o8 7 。大气中的于气溶胶g 接近o7 ，云和雾的典 型g 值在08 08 7 - 负值出现在后向散射辩大于前向；救射瓣的场合。 f a l 大粒r 尺度近于光波长的网分之一 敞射集巾于前向 图 ( b ) 巨粒子 尺度远大于光波长 前向敞射极强，小同角度出现敬级的极大与极小 4 米散射强度角分布的不刈称陛 24 气溶胶粒子群的消光 大气气溶胶阻群体现，具有一定的尺度分布，其形状不完全是球体。但 由于粒子的随机取向，使得它们的行为平均来说类似于等效球体群，仍以米散 射理论近似处理气溶腔群体的散射消光剃题。 近年来研究发现，电磁辐射的后向散射剥粒子形状比前向散射更敏感，因 此米理论不适于袁征j 髟：状小规则的气溶胶粒予的后向散射，甭则其误差可以超 过1 0 倍。 当气溶胶粒子的尺度分布为”( 一时，其散射系数晟，吸收系数岛和消光系 数且由下式表示 属，= z f q 叫( ，卅) ”( ，) ，2 毋 ( 【2 4 ) 对粒子总体而言，非对称因子可表示成 。：塾：塑坐型兰( 12 5 ) 5 f r 2 q ，。( m ) n ( ，) 女 。 即对每一非对称因子按单个粒子的能量l e 例进行加投。 相应的粒子总体的单次散射反照率 气溶胶前向角度散射信号提取及大气能见度反演研究 【r 2 q ( x ，m ) n ( r ) d r a r o2 一 1 1 ，2 q ( x ，m ) n ( r ) d r ( 1 2 6 ) 对j u n g e 分布来说，每一对数尺度间隔其对吸收的贡献大致相等，而具有r - a ( 尺 度和波长相当) 的粒子，其散射处于优势地位。 当散射介质较浓密时，粒子除受入射光照外，还受周围体积的散射在与入 射光相同方向的散射光的照射，故产生的散射辐射包括入射光导致的部分( 一 次散射) 和散射光导致的部分( 多次散射) 。它使比尔定律不再成立。对于光学 薄层r o 1 ，满足一次散射假设；0 1 r 0 3 ，需考虑二次散射的影响，对衰减严 重且光学厚度较大的云、雾和雨中，例如能见度小于1 0 0 m 时，需考虑多次散 射的作用。 1 3 大气能见度及其测量方法 光散射和消光的主要应用，即大气能见度的研究和探测，它在一定意义上 可表征粒子污染的特征 。 人眼或仪器透过大气观测一定距离以外的目标物是否清晰、能够把目标从 其背景中分辨出来的极限距离主要与大气光学特性、目标物的形态与发光或反 射特性以及人眼或仪器的响应特性有关，因此能见度问题涉及到物理学、大气 物理学、生理学和心理学等多门学科f _ 。与能见度有关的术语有很多种：依据 观测视线不同，有水甲能见度、垂直能见度和倾斜能见度；依据不同的观测位 置，有地面能见度和飞行能见度：依据不同国家、不同部门需求的差异，有气 象能见度、气象光学视程、跑道视程、主导能见度和有效能见度等等。本文只 讨论能够客观描述大气光学特性的、近地面水平方向的、与目标物、眼睛以及 仪器特性无关的气象能见度( m e t e o r o l o g i c a lv i s i b i l i t y ) 和气象光学视程 ( m e t e o r o l o g i c a lo p t i c a lr a n g e ，m o r ，本文后面设计的能见度测量系统用的就 是m o r 概念，这里统称大气能见度) ，分别用和m o r 表示它们的值。刘于 近地面的大气，其消光系数主要由气溶胶粒子散射和吸收、分子的r a y l e i g h 散 射造成，通常不考虑气体的吸收效应。 能见度是针对人眼感光视觉来说的，因此这里首先介绍一下辐射度与光度 学的概念。 第一章大气气溶胶的基本特性与大气能见度 1 3 1 辐射度与光度学基础 m i e 散射理论的基础是电磁波和构成物质的电荷的相互作用。对于气体分 子，只涉及一个偶极子，而一个由许多紧靠在一起的复杂分子组成的粒子可以 堪称是一个多极子阵，它们受到入射波的激发，于是形成了振动的多极子。这 些多极子向外辐射次生的电磁波，称为“部分波”，它们在远场区叠加就构成了 散射波。理论上这些部分波是由缓慢收敛级数的连续振幅项代表的，其各项平 方之和就是在特定角度上观测到的散射光强度。 m i e 散射中所用到的辐射度学的量如表1 5 所示。基本符号与相应的光度学 的量是相同的，后者列于表1 6 。当必须加以区分时，就用下标e 或v 。 辐射( 光) 能q 是所有量中最基本的量，单位：j ( 或l m 。s ) 。 辐射( 光) 通量又叫辐射( 光) 功率，指单位时间内流过的辐射( 光) 能量，单 位：j s ( 或l m ) 。 中：掣( 1 2 7 ) 辐射( 光) 功率是一个被大多数传感器，包括眼睛在内，检测到的量。 辐射( 光) 出射度m 和辐射( 光) 照度e 都是存一个表面上的辐射( 光) 通量的两 个方面。前者指辐射体( 光源) 单位面积向半空间发射的辐射通量，后者指照射 存面元上的辐射( 光) 通量与该面元的面积之比，单位分别为：w c m 2 ( 或l m f t 2 ) 和w m 2 ( 或l m m 2 ) 。 m 或e = 等 ( 1 2 8 ) 辐射( 光) 强度i 是点辐射( 光) 源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射 ( 光) 通量，单位：w s r ( 或l m s r ) 。 ，= 塞( 1 2 9 ) q 是垂直于光源方向的平面上的有效面积所张的立体角。一个置于各向同性、 均匀介质中的点辐射体( 光源) 向所有方向发射的总辐射( 光) 通量西为皇4 z r = ， 表明，该点辐射体( 光源) 在各个方向的辐射( 光) 强度是常量。 辐射( 光) 亮度l 是指面辐射源在某一给定方向上的辐射通量，单位：w s t m 2 ( 或l m s r m 2 ) 。 气溶胶前向角度散射信号提取及大气能见度反演研究 l f = d 2 ( d a c o s 秒) d q d a c o s 0 表1 5 辐射度学的量的标准符号、量纲与单位 ( 1 3 0 ) 符号 且 量纲通用单位里 q 辐射能m l 2 t 。2焦耳( j ) 耽 辐射密度 m l 2 t 。2 焦耳每立方米( j m 。3 ) 或 表面上的辐射通量密度 m l 2 t 。3 瓦或焦耳每秒( j s 。2 ) 尥 辐射出射度 m t 。 瓦每平方厘米( w c m 。7 ) e 。辐照度 m t 。 瓦每平方米( w i l l 2 ) i e 辐射强度 m l 2 t 。3 瓦每球面度( w s r 。1 ) 工。辐射亮度 m t 。 瓦每平方米每球面度( w m - 2 s r 。1 ) 表1 6 光度学的量的标准符号、量纲与单位 符号 且 量纲通片j 单位里 k光视效能流明每瓦( 1 m w 。) 矿 光视效率数( 0 到1 ) g光能( 光的量) m l 2 t - 2 流明小时( i m h ) 流明秒( 1 m s ) 塔尔波特( t ) 矾光密度 m l 。2 t 。2 流明秒每立方米( 1 m s m 。) 函。 表面上的光通量密度 m l 2 t 3流明( h n ) m 。光出射度( 发光度) m t 。 流明每平方英尺( 1 m f t 。) e 。照度 m t 。 辐透( 1 m c l t i 2 ) 勒克斯( 1 m i t i 2 ) i v发光强度 m l 2 r 3 坎德拉( 1 m s r 1 ) 厶，光亮度( 光度学视亮度) m t 3 坎德拉每单位面干只 熙提( c d - c m 。2 ) 尼特( c d m 。2 ) 朗伯( c d 7 t c m 。2 ) 阿熙提( c d 兀n 1 。2 ) 第一章大气气溶胶的基本特性与大气能见度 1 3 2 大气水平能见度 对估计能见度距离所涉及的因子如下0 ( a ) 被看出的目标物或应当看出的目标物的光度特性和大小； ( b ) 视觉条件，包括外加光照影响和观测员位置： ( c ) 目标物与观测员之间的大气光学状态。 以上这3 个参数中，大气光学状态是直接取决于气象条件视觉消光系数( o ) 的唯一因子。因此，定义一个能见度概念，其应当客观地表示大气的光学 状态，并完全不受气象之外条件的任何影响。 在世界气象组织( w o r l dm e t e o r o l o g i c a lo r g a n i z a t i o n ，w m o ) 的气象观测 方法指南。7 中，能见度有如下定义： 白天气象能见度是指能够把近地面一个适当大小的黑色物体从其天空 背景中识别出来的最远距离。 夜间气象能见度有两种定义： a ) 如果把照明条件提高到白天正常水土f h , - t ，能够看到并识别具有适当 大小的黑色目标物的最大距离。 b ) 能够看到并识别中等强度灯光的最大距离。 本文重点讨论白天气象能见度，( 以k o s c h m i e d e r 定律为基础) ，不讨论夜间能 见度( 以a l l a r d 定律为基础) ，只是在讨论人工目测能见度存在的缺点时，给出 一些解释。 假定大气分布及其照明状况满足水平均一假定，即在水平方向上： 大气的消光系数和散射相函数、角散射系数都4 、= 随距离改变。 气柱受到的自然照明的强度( 包括太阳直射光、地面反射光、大气散射 光等) 不随距离改变。 这两个条件在近地面不十分复杂、天空无云或云层均匀分布等场合下近似成立。 则基于b e e r b o u g u e r - l a m b e r t 定律可知，对于平行光束，透过长为r 的气柱的 光通量和入射的光通量之比( 透过率) 为： f t = = e x p ( - f l ，r ) ( 1 3 1 ) n 、 ，0 1 9 5 7 年世界气象组织( w m o ) 建议，采用一种客观衡量大气光学状态的量度 气溶胶前向角度散射信号提取及大气能见度反演研究 即气象光学视程( m o r ) 作为口 测量的能见厦值，并给出定义如f ： 气象光学视程是，色温为2 7 0 0 k 的白炽灯的平行光束光通量削弱为其初始 值的0 0 5 时所需通过的大气路径长度。该光通量，用国际照明委员会( c i e ) 所定的适光发光度函数计算：匕j 。 m 。r = 一丁i n 0 0 5 = 万3 ( 1 3 2 ) 消光系数屈与波长有关，上式中：对于白光，忍取针对人眼感应的可见光 波段消光系数的甲均值，许多人研究表明作为近似，可用人眼最敏感的绿光 ( l = 0 5 5 “m ) 的消光系数代替，而对于单色光，应作相应的订正， 肼) = ，, ( o 5 5 a m ) ( 半 9 ( 1 3 3 ) 或为， 圪，= 瓦3 9 1 2 ( 2 ) 9 c 3 4 ， 表1 7 国际能见度编码，气缘视距与散射系数 q 为波长修正因子，很多研究者对式中的指数q 进行了研究，对于4 i 同地区、 不同类型的气溶胶以及彳i 同的能见度条件a 有一、= 同的值，比如k r u s e ( 1 9 6 2 ) 一： 又实测数据统计得到： 第一章大气气溶胶的基本特性与大气能见度 fo 5 8 5 ，圪， 3 时，角散射曲线开始出现多个极值。 对应每一个x 值，曲线的形状都有自己的特征。对于近似单分散【1 9 1 的气溶胶粒 子，其测得的角散射图形和刁i 同x 值的理论图相比较，可以较有把握地判断粒 子的尺度。但若气溶胶粒子是多分散系，粒子尺度在一段范围内变化，由于叠 加作用，总的包络曲线将显示出不确定的特征。而折射指数m 对散射的影响相 对于上述两个因子要小些。从图2 2 可以看出，m 的增大使前向散射主瓣的强 度减弱而使其他方向的散射有所加大，但很f i 规律。 第二章 气溶胶多角度前向散射特性的实验研究 图2 1 入射波长为0 5 5 9 m 的非偏振光照射时，水滴( 聊= 1 3 3 ) 的角散射截面 f 纺 要 奄 咨 钽 组 絮 釜 率 2 乙 _ 1 i 广u 上lj l _ j i l l j l j l j 二l 0 一 o2 0 0 8 f i j ) j 2 01 - f d 1 一+ ij “0 建砌角口( 笠， 图2 2 具有不同折射指数，x = 6 的粒子的角散射截面4 1 1 c ) 总散射截面以和散射效率因子g 在大气散射引起的能见度问题中，我们真正关心的是光通量的哀减，即气 溶胶粒子的总散射。它是粒子从入射光通量中向各个方向散射光通量的总量。 首先考虑单个粒子的总散射截面仃，它定义为入射光被粒子作用的这样一个 2 7 气溶胶前向角度散射信号提取及大气能见度反演研究 g = r 石盯( 秒) d q ( 2 6 ) m 瓯= 2 万j ：c r ( o ) s i n o d o ( 2 7 ) 妒霉笛三 8 ， = 吾：r ( 华1 s i n 伽 一 单分散系 单个粒子的角散射截而很难测量，而单位体积气溶胶的角散射系数( d 是 客观世界的一个基本可测量。由于非相干独立散射，大气气溶胶粒子的各散射 波的强度是可加的。如果假设单位体积中的粒子是球形的，且大小和折射率都 相等，则所有粒子的角散射截面都相同，即称为单分散系的气溶胶粒子。若单 位体积中有个粒子，则在任何方向上散射光的强度应为单个粒子强度的倍。 角散射系数f l ( o ) 为 舢) = 删耻等( 孚) ( 2 9 ) 表示的是单位体积上的粒子总数，量纲为l - 3 ，单位：c m 一，故( 曰) 的量纲为l 一， 单位：m - i , s r 一。即当入射光为一个单位辐照度时，f l ( o ) 雕j 数值代表单位体积气溶 胶粒子，在0 方向的一个无限小立体角d q 中的散射光强度。 总散射或消光系数表示当单位辐照度的光入射时，被单位体积的悬浮粒子 从光束中衰减掉的光通量。对于单分散系粒子，个粒子的总散射系数为， | bs = n os = n z r 2 q ( 2 1 0 ) 量纲是l 一，单位：m 。1 或k m 。 对于给定波长、粒子尺度和浓度已知的单分散系，很容易查到其相应的散 射效率因子，则根据式( 2 i o ) 就可以求出佛，进而根据式( 1 1 9 ) 和( 1 3 7 ) 求 出大气透射比r 和气象视距m o r 。 多分散系 在利用m i e 理论处理实际大气中，霾、 时，由于粒子的尺度延伸了好几个数量级， 谱分布进行积分。 雾、云等这些多分散系粒子的散射 因此需要把上述有关的函数对尺度 在把散射函数推广到多分散系时，尺度谱分布函数聆( r ) 取代了单分散系的浓 度，= r 门( ，) d r 。对于角散射系数有 胛，= 苦带p亿 = 参即，( 孚卜 一般多用粒子尺度参数代替粒子半径来表示上述函数，则办= 三2 z 出。类似地， 总散射( 消光) 系数有 屈= 若2 x 2 q 胛( x ) 出 ( 2 1 2 ) e ) 柏函数p ( 圆 为了表示单位体积上，多分散系的散射光强随散射角0 的相对变化，很多研究 者都使用了相函数的概念，即0 方向的角散射系数( 口) 与总散射系数在所有方 向上的平均值，4 兀之比， 2 9 气溶胶前向角度散射信号提取及大气能见度反演研究 聃= 而f l ( o ) ( 2 1 3 ) p ( o ，= 嵩辫 21 4) = 二( ) r 厅d q 肛z ) ( 字陋 由式( 2 1 4 ) 看出，相函数p o ) t f n 浓度无关，它是无量纲的，满足归化条件 广”p ( 臼- - 2 d a ：1 句4 z r ( 2 1 5 ) 实际上，p ( 臼) 4 7 【可以看作是单位体积气溶胶粒子在各个方向上散射的权重因 子。在典型大气模式下，若入射波长已知、气溶胶的尺度谱分布一定，则p ( o ) 只和散射角有关。其中，典型大气模式下和尺度谱分布已经存1 1 3 节中给出详 细描述。 根据上述讨论，我们得出结论：只要获得了某一角度上的相函数和角散射 系数的值，就可以根据式( 2 1 3 ) 求出气溶胶的总散射系数，再根据能见度公式得 出大气水平能见度圪。或气象视距m o r 。其中，角散射系数可以利用式( 2 4 1 的 辐射传输方程状得。 本文根据以上结论和单个粒子的辐射传输方程( 2 4 ) ，并将式( 2 4 ) 推广到粒子 群的辐射传输上，设计了基于气溶胶前向角散射的大气能见度测量系统。其中， 设计的关键问题在于：1 ) 散射角0 的选取：2 ) 入射光照度局和角散射光强“臼) 的精确测定。下面本文首先根据6 s 的( s e c o n ds i m u l a t i o no fs a t e l l i t es i g n a li nt h e s o l a rs p e c t r u m ) 辐射传输模式和m i e 模式【1 6 1 计算得到几种典型大气模式下的相 函数曲线，再利用自主设计的共轴多角度前向散射系统获得不同霾雾天气下的 相函数实验曲线，最终确定了前向散射能见度系统的测量角度。第二个问题将 在下一章详细讨论。 2 1 2 气溶胶角度散射信号与大气消光系数的关系 大气消光主要由大气对光的散射和吸收引起。存可见和近红外波段，相当 第二章气溶胶多角度前向散射特性的实验研究 短距离内大气对光的吸收可以忽略不计，这时散射是消光的主要因素l j 引。 首先根据上面的结论，建立单个粒子的散射光强，( 秒) 与总散射截面g 之间 的关系， 邶) = 晟瓯嘉m ，聊，护) ( 2 1 6 ) 其中，e o 是入射光强，以是消光系数，p ( x ，聊，乡) 是单个粒子的散射相函数，a r o 是单次散射反照率，对于无吸收的纯散射来说，w o = 1 ，散射系数a s a e 。由式 ( 2 1 6 ) 可见，瓯和，( 乡) 成正比，比例系数为 拈南 ( 2 1 7 ) 磊p ( x ，聊，护) 、7 上述这些量都和入射光的波长有关，因此，当入射波长一定日粒子类型一定( 折 射率m 一定) 时，k 只与粒径和散射角有关。如果要将上述关系推广到多分散 系的粒子群散射，则需要将上述关系式对粒子尺度谱分布函数进行积分。 本文先前给出了大气气溶胶满足“独立散射”【3 5 1 的条件，则每个粒子的散 射强度是可相加的。由此可以定义，基于普遍适用的对数正态分布n ( 1 nx ) 的散 射相函数对粒子群总散射系数归一化为【6 l 刑) = 去e 叽删堋圳n 州l n x ( 2 1 8 ) 其中，粒子群总散射系数屈为 屈= 刍e 咆m ) 出 则由一小体积气溶胶粒子在散射角0 上的散射强度为 “印= 邑鲁只( 乡) ( 2 1 9 ) 这里，只( 秒) 是这一小体积气溶胶粒子的相函数。则散射光强和消光系数之比为 k = 警= 警 仁2 。， 气溶胶前向角度散射信号提取及大气能见度反演研究 根据式( 2 2 0 ) ，只要入射光照度玩值确定，当前天气下的大气消光系数值可以 获知，则通过测量不同散射角上的散射光强，就可以得到这一小体积气溶胶粒 子的散射相函数。由于相函数的形状只与粒子尺度和角度有关，与粒子浓度( 包 括数浓度、体积浓度等) 无关( 本文前面已经做了详细分析) ，因此单位体积上 的气溶胶散射相函数线形就能表征当前大气模式下大气气溶胶的散射相函数随 角度变化的线形。 2 2典型大气模式的相函数计算 大气气溶胶以群体出现，具有一定的尺度分布。在1 1 2 和1 1 3 节中已经 知道，对于不同的气溶胶类型，气溶胶粒子的尺度谱分布一般都符合对数正态 分布，但其谱型参数各不相同，如表1 3 和图2 3 所示( 由于本文的研究工作地 点不在沿海地区，所以这里对海洋性气溶胶粒子类型不作考虑) 。因此，相函数 尸( 臼) 应当受粒子尺度谱分布的影响，呈现出随角度变化的不同曲线。下面基于 6 s 的辐射传输模式和m i e 模式i l6 j 进行相函数计算分析。 1 0 6 1 0 5 1 0 4 1 0 3 1 0 2 1 0 圭1 0 0 z - 0 ， 1 0 。2 1 0 。1 1 0 4 1 0 。 1 0 4 1 0 4 1 0 。1 0 31 0 21 0 11 0 01 0 1 0 2 r ( u m ) 图2 - 3 粒子尺度谱分布曲线 计算基于气溶胶标准辐射大气模型给出的四种对流层气溶胶类型：水溶性、 尘埃类、煤烟型和海洋性。根据这四种气溶胶成份的“外部混合”比例，见表 1 2 ，得到大陆性、城市性和海洋性三种大气气溶胶模式。表1 2 中的数值是气 溶胶成份，在不同大气模式下所占的体积百分比q 。气溶胶的体积浓度 ( 单位： g m 3 c m 3 ) 由式( 1 3 ) 给出，其中数浓度m ( 单位：个c m 3 ) 为不同类型气溶胶对各自 第二章气溶胶多角度前向散射特性的实验研究 尺度谱分布的积分。 由于g = v j v ，而v 广q v ，这里n j 表示混合成份在某一大气模式下的百 分数密度，所以，混合模式下各成份的总数8 为 即2 驴v 莩号 jjl ( 2 2 1 ) 这样就得到混合成份在某一大气模式下占的百分比为 c j 嘉 眨2 2 ) 刀n l ， ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 而对于每种气溶胶类型的相函数毋( 计算公式在上一节已经详细描述，其中本 文采用了目前普遍适用的气溶胶尺度谱分布一一对数正态分布 吣，= 瓦n 唧h 等) 2 一形- 3 节中怵、 ( 1 ，1 2 ) 矛d ( 1 1 3 ) 。为方便计算，将这些公式中的秋分形式用下列的级数和形式近 似描述。 屈= 互8 , 7 r 2 艺r q z 2 厅( x 洫 ( 2 2 5 ) 即) = 筹蒌m , n 卿2 毗) 缸 ( 2 2 6 ) 这里的粒子尺度间隔缸定义为 t n ( 半) 一o 。7 亿2 7 ， 像 ， 缈 鳓 奶 ， ， = 一? o 肛 屈 汐 p 为数函柏 气溶胶前向角度散射信号提取及大气能见度反演研究 值o 0 7 的选取是为了保证在计算机有效n 向应时间内的计算精度 43 l 。 单个粒子的角散射截面o - ( o ) 的计算，目前有很多研究者编写的源程序代码 可以使用，这里本文采用了6 s 提供的基于f o r t r a n 语言的m i e 散射源程序 代码。另外，不同类型气溶胶的折射指数由表1 4 给出。计算程序由中科院安 光所的赵雪松博士利用v b 语言编写完成，程序界面如图2 4 所示。输入参数 是不同大气模式下的各种气溶胶类型的体积百分比g 。 图2 4 基于正态分布的混合大气模式相函数计算程序界面 由于能见度是以人眼最敏感的绿光( 五= 0 5 5 9 m ) 经过大气水甲路径衰减引 出的概念，而且根据m i e 散射理论，当粒子尺度与入射波长相当时，粒子是最 有效的散射体。因此，在o 5 5 i t m 入射波长下，半径在0 1 l g m 范围的粒子是 影响大角度相函数分布的主要粒子成分 5 2 1 。所以，本文在计算时主要考虑这段 粒径范围内的尺度分布对相函数的影n 向，如果入射波长改变，根据式( 1 3 3 ) 计算可以得到修正。 图2 5 给出了计算得到的不同大气模式的粒子尺度分布下，散射相函数随角 度变化的曲线。从图中可以看出，不同的大气模式下呈现出不同的相函数曲线。 根据式( 2 1 3 ) 可知，只要获得了某一角度上的相函数和角散射系数的值，就可以 求出气溶胶的总散射系数。因此当散射角度确定时，认为相函数为定值，这时 角散射系数和总散射系数之间是固定的比例关系，这是大气能见度测量系统设 计的一个依据。系统就可以利用辐射传输方程来确定这一角度上的角散射系数， 进而得到准确的大气能见度值。 但是，见图2 5 ，如果散射角选取的不当，相函数的值具有不确定性，给系 3 4 第二章气溶胶多角度前向散射特性的实验研究 统的测量带来误差。如图所示，在散射角2 0 。5 0 。范围内，各相函数曲线相重叠。 这说明在该角度范围内，相函数对粒子尺度分布的变化不敏感。 c q 芑 c 己 ，) c 0 2 0 4 06 0 8 01 0 01 2 01 4 01 6 01 8 0 8 。 图2 5 几种典型大气模式下的相函数计算曲线( a = 0 5 5 p m ) 下面本文通过测量多角度的气溶胶前向散射光来获得相函数的实验数据， 一方面是验证前面的计算结果，另一方面是进一步确定最适合的前向散射角。 同时还分