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。
3 地表大气消光系数ε的测量
3.1 消光系数的测量装置与原理
基于直角棱镜构造的气室如图1所示。相同直角棱镜D1,D2的两个底面F1,F2平行放置,构成气室。探测光束经输入光纤传送到准直装置,经压缩准直后成为细平行光束,垂直入射到直角棱镜D1,由D1反射后,垂直入射到直角棱镜D2,又被D2反射,再次垂直入射到D1,如此在D1,D2间多次往返,再由输出光纤输出。为讨论方便起见,把按图中所示方向传播的光束称为前向光束。应注意的是当往返次数为偶数时,光束将在入射光束附近沿相反方向输出,不妨把此光束称为反向光束。
探测光束在气室内往返的次数N与过直角棱镜D1,D2各自直角棱的两对称面的间距d有关。在光束直径比间距d小时,探测光束在气室内往返的次数N为
式中int()为求整符号,h为入射光束到直角棱镜D1底部45°角棱边的距离。调节间距d,即可调节探测光束在气室内往返的次数N,从而改变探测光束的光程,即改变气体传感器灵敏度。令其中一个直角棱镜略为倾斜,使得前向光束与反射光束分离,在探测光束接收端,利用光纤端面作为孔径光阑限制非近轴光束———反射光束进入探测器。前向光束的光强度[2]可表示为
其中τ为直角棱镜底面的透过率,I0(λ)为入射光束的强度,l0为两个直角棱镜底面F1和F2间的距离。设间距为d1时,波长为λ的探测光束在气室内传播的次数为N1,由(4)式知,此时前向光束的光强IN1(λ)为
(10)~(12)式表明,在一定条件下,大气消光系数ε的测定与棱镜底面透过率τ无关,仅由测量的光强IN1(λ),IN2(λ)和I0(λ)确定,即只要两个直角棱镜底面的表面污染近似相同且可视为均匀时,环境对直角棱镜的污染对测量的影响可不考虑。
3.2 测量结果与讨论
取两个棱镜底面间距为1 m,分别调节间距d,使N1=9,N2=3,ΔN=6,由(12)式,大气消光系数进一步表示为
用波长为0·650μm的半导体激光作为探测光束,调节半导体激光器的注入电流,并使输出光功率稳定为1 mW,测得不同气象条件下大气消光系数ελ如图2所示。作为精度分析的对比,图中测试点是以同样测试条件下直接测试距离为9·0 m时所得消光系数εd标识的。纵坐标为用气室所测的消光系数,两种方法所得结果的相关系数为0·98。存在差别的原因主要是光路上存在随机扰动,气室内的扰动与9·0 m路程上的扰动有差别。气室内测得的消光系数是1·0 m内的平均结果,直接测量的是9·0 m长区域的平均结果。
由于测试过程是在较长时间间隔内完成的,且气室两个底面暴露在空气中,出现明显的尘埃,而直接测量时半导体激光器输出镜和光功率计入射窗保持洁净。图2所示的测试结果表明底面污脏对测量的影响不大,和上述分析结果一致。由此可知,基于直角棱镜构造的气室具有较强的环境适应能力。
根据所测波长为0.650μm的不同消光系数值ελ,由(2)式计算的相应能见度值如表1。表中数值与目测情况大致相同。
需要指出的是,在第二次测量时,出射光束的位置将发生平移,这里利用一种灵敏度自动设置机构[9],在调节第二棱镜F2时,同时调节输出光束接收器的位置。为了避免光束移动可能带来的误差,透镜后面的接收光纤束由均匀分布的阶跃折射率光纤构成,光纤束端面在透镜焦面约2 mm处;远轴光束由于透镜聚焦后以较大的入射角投射到接收光纤端面,这部分光束因入射角大于临界入射角,而不能传输到光纤束的输出端。因此,只要输出光束接收器被调节到基本对准位置即可,这种位置已在设置机构中预制好。让聚焦光束在光纤束端面上作小范围平移,测得光纤束输出端光强的变化小于2·0%,这是由于接收端光纤分布的非均匀性和光纤的断裂产生的分布误差。这一误差可以通过提高光纤束加工工艺水平而改善。
另外,在测量环境中,若存在较严重的水气(如雾天),棱镜表面易形成一层薄雾或结露,将对测量产生较大影响。通常解决这一干扰的方法是在暴露于大气中的光学元件表面镀电加热膜或用其他方式将此元件加热。在此处,光束投射单元和直角棱镜F2,F1分别置于与大气隔离的两个盒内,盒前各加一个平面镜片。将平面镜片加热至50℃,结露现象的影响明显改善。
4 结 论
基于直角棱镜的气体传感器在应用中,采用分时测量探测光束在气室内不同往返次数对应光强来测定大气消光系数的方法,有如下明显的优越性:
1)直角棱镜底面的外表面轻度(即不致严重衰减光信号)污脏,对测量准确度的影响可以不考虑。这对提高实时监测系统的长期可靠性非常有利。
2)用此传感器测定的大气消光系数比散射法测定的相应值准确。因此,由此方法计算的近地大气水平能见度比散射法获得的更为准确,并且在此传感器中光源的选择可不考虑大气是否对探测光束有吸收作用。而散射法装置中,必须选择大气对探测光无吸收作用的光源,使得探测光源的选取受到限制。
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作者简介:肖韶荣(1958—),男,江西人,南京信息工程大学教授,硕士,主要从事激光技术应用与信号处理方面的研究。E2mail:sr.xiao@163.com
