以黑体为目标的能见度参考标准试验研究

黑体为目标的能见度测量是从科西米德定律出发,通过工业相机对黑体目标物进行拍摄,建立黑体和背景天空的数学模型,求得能见度。分析表明:当能见度小于30 km,黑体黑度和CCD(change-coupled device)工业相机的面非均匀性对该方法测得的能见度造成的误差约为3.7%。该方法与前向散射能见度仪测量进行对比,能见度变化趋势上具有一致性;但在高能见度时,黑体能见度测量值大于前向散射能见度测量值,低能见度时,黑体测量值小于前向散射能见度测量值。     

前散式和透射式能见度仪的综合观测试验及对比分析北大核心

通过在野外观测基地和能见度计量检测实验室开展的前散式和透射式能见度仪对比观测试验,获取了能见度和其他气象与环境要素的同步观测数据,分析了不同大气环境条件下能见度测量值差异及其产生原因。结果表明:在能见度环境模拟舱内,两种能见度仪的测量值具有较好的一致性,但在自然环境中,两种能见度仪的测量值差异随能见度上升而快速增大。在不同天气现象出现时,前向散射仪与大气透射仪的测量值比值(VIS_(FS)/VIS_(T))规律性变化明显,总体呈现随能见度上升而增大的趋势。无降水时,低湿情况下大气颗粒物吸收作用明显,透射能见度仪测量值远小于前散能见度仪测量值,两者均随PM_(2.5)质量浓度的增加而下降,且其差异也随之减小;高湿情况下大气颗粒物的散射作用在大气消光中占绝对优势,两种能见度仪测量值趋近。     

能见度自动观测系统性能对比及分析

1998年6月至9月间在北京进行了一次透射表能见度仪与前向散射式能见度仪的对比试验。参加试验的能见度自动观测系统有：透射表两套、前向散射能见度仪一套和双光路前向散射能见度仪两套。五套参试仪器分别被安装在南苑机场南北向主跑道的东侧。试验收集数据的起止时间为1998年7月25日09h至8月25日08h，时间间隔为1min。从总体误差分布分析，VAISALA公司的前向散射FD－12表现最好；其次是跑道中段的PRESENTEY公司的PEP9012双光路前向散射仪；而传统上认为测量结果较好的MITRAS透射表在高能见度时表现均不佳。所有参试仪器在能见度低于2000m时表现都不错，能见度4000m以上时，散射仪的测量值明显偏高。因此可以认为能见度在4000m以下时，参试的五套仪器均能满足航空气象保障要求，4000m以上测量结果的离散性较大，不确定性均大，但对飞行安全影响也较小，可以作为参考使用。     

前向散射式能见度仪示值对比及标定方法研究

实时、准确的能见度测量数据对指导交通监测预警和空气质量评价具有重要意义。叙述前向散射式能见度仪测量原理,介绍能见度实验室内的检测技术和检测方法。基于安徽省大气探测技术保障中心研制的能见度环境模拟方舱,对3个国产厂家的前向散射式能见度仪进行检测,对比了能见度仪示值的一致程度,分析了影响示值偏差的原因。针对我国目前未建立能见度量传体系现状,提出了标定厂家系统常数以减少测量误差的方法。研究结果表明:同一厂家生产的前向散射式能见度仪测量结果一致性相对较好。能见度小于1.5km时,标准偏差均值最大为131.3m。能见度在1.5~10km时,标准偏差均值最大为457.4m。不同厂家生产的能见度仪示值偏差较大,能见度在1.5~10km时,最大相对误差均值达到-40.9%。重新标定系统常数后,能见度仪示值一致性明显提高。     

基于数字摄像技术测量气象能见度--双亮度差方法和试验研究

数字摄像技术在地基、空基定量化大气遥感上的应用是一个方兴未艾的研究领域.作者阐述了基于数字摄像技术,利用地平线附近两个不同距离的目标物和其对应水平天空背景亮度差的比值计算白天气象能见度的方法(简称双亮度差方法)及其标准观测条件,该方法能够消除CCD(电荷耦合器件)数字摄像系统暗电流和背景杂散光的影响,可以增大数字摄像能见度观测系统(DPVS)的测量范围,提高测量精度.2002年在合肥骆岗机场进行了DPVS同V(a)is(a)l(a)前向散射仪、透射仪以及目测的对比试验,大量实测数据表明:DPVS和V(a)is(a)l(a)仪器以及目测的一致性相当好,采用双亮度差方法,即使能见度达到基线长度的200倍,DPVS也能给出可信的测量结果.     

数字摄像法测量能见度仪器系统比对实验

文章介绍了数字摄像法测量能见度仪器系统（DPVS）的基本原理，DPVS通过数字摄像机直接摄取选定目标物的图像，并将该图像直接输入计算机进行分析处理，自动获取能见度值。DPVS能见度仪与常用能见度仪比对实验结果表明DPVS已基本可以应用。     

自研透射式能见度测量系统性能分析

从系统测量原理、组成结构、计算过程及测量效果等方面介绍了一种自行研制的透射式能见度测量系统。该系统使用白色LED光源,实现发散角为1mrad的平行光路;利用积分球进行分光监控以补偿光能量变化;使用非球面镜实现全光斑接收。系统与积分浊度计在2～10km量程内能见度测试误差小于10%。从透射式能见度测量原理与计算过程,分析了影响系统测量性能的因素。结果显示定标准确性、测量线性度与系统稳定性是影响系统测量性能的主要因素,同时给出了该系统的定标准确性、测量线性度与系统稳定性的评估方法及评估数据,验证了该系统的测量性能。     

前向散射式能见度仪测试方法研究

针对气象行业前向散射式能见度仪检测标准缺失现状,开展了前向散射式能见度仪室内测试方法研究。文中介绍了前向散射式能见度仪的工作原理,阐述了测量标准设备的组成和技术要求,详细论述了前向散射式能见度仪的测试项目和测试方法,展示了多台前向散射式能见度仪室内实测结果。研究表明:利用试验舱模拟能见度进行测量范围和示值误差测试具有可行性,测量标准器可选择透射仪;响应时间可通过放置散射板或遮光板产生突变信号完成测试。     

基于视频监控的能见度测量

针对目前白天气象能见度观测的手段和方法,提出了利用视频监控进行能见度测量的思路,同时设计基于边缘存量的神经网络能见度检测算法并获得了与前向散射能见度仪相近的测量结果,能有效测量气象能见度值,有助于实现利用分布较广的多点监控视频补充前向散射能见度仪的单点测量,从而可得到格点更为精细的能见度测量结果。     

前向散射式能见度仪检测不确定度评定方法

根据能见度计量检测实验室(合肥)前向散射式能见度仪检测实例,展示了前向散射式能见度仪检测结果的测量不确定度评定方法。首先,介绍了能见度检测系统组成和技术要求;其次,建立前向散射式能见度仪示值误差测量模型,分析了测量不确定度来源;最后,依据不同的评定方法,对测量不确定度分量进行评定。研究结果表明:前向散射式能见度仪检测结果的不确定度分量主要有被测能见度仪、测量标准器、试验舱引入的标准不确定度。在50m和200m检测点,示值误差的扩展不确定度U(k=2)分别为4.9m和14.3m;在500～10000m检测点,相对扩展不确定度U(k=2)在8.5%～11.0%之间。     

基于全视野数字图像的能见度估算方法

基于全视野数字图像的能见度估算方法是将全视野图像大气透射率与大气能见度通过曲线拟合方法建立联系,得到估算模型进行能见度估算。首先通过历史全视野图像和对应时刻的大气能见度建立样本数据集,再利用暗原色先验理论获取全视野图像大气透射率,通过多项式拟合方法建立离散样本数据集中大气透射率与对应时刻大气能见度的关系,即全视野图像能见度估算模型,最终将所需估算时刻的数字图像输入估算模型进行能见度估算,得到大气能见度数值。结果表明:建立的基于全视野数字图像能见度估算模型在环境光照均匀时大气能见度估算值与能见度实测值有较好的一致性,可作为前向散射仪的补充观测方法,弥补其采样存在的局限性。     

Optical attenuation in fog at a wavelength of 1.55 micrometers

As part of a series of studies on laser propagation for terrestrial free space optical (FSO) telecommunications or laser telecommunications, an experiment was conducted to determine the relationship between visibility in fog and optical attenuation (dB/km) at a laser wavelength of 1.55 μm. In the telecommunications industry, a semi-empirical equation, called the Kruse formula [Kruse, P.W., McGlauchlin, L., McQuistan, R.B., 1962. Elements of infrared technology: generation, transmission, and detection. John Wiley and Sons, New York] is typically used to calculate expected attenuation for a given meteorological visibility. The Kruse formula, however, was developed to relate meteorological visibility to optical attenuation over wavelengths from the visible to the near infrared (IR), and for dust and small particle aerosols with dimensions much smaller than the wavelength. Typically, suspended small aerosols have diameters that average about 0.1 μm while fog droplets have diameters that range upward from 2.5 μm with mean diameters that exceed 10 μm in some fogs. Therefore, application of the Kruse formula to attenuation in fog is not appropriate since fogs consist mainly of particles much larger than the laser wavelength. As part of the experiment, a transmissometer with an 85-m baseline and a dynamic range of 60 dB operated for thirteen months in an area prone to radiation fog. A commercial visibility sensor, similar to those used at airports, was located near the middle of the optical path of the transmissometer and operated over the same period. The largest attenuation measured at this site was just over 300 dB/km, corresponding to a visibility of 32 m. The key finding of the study is that the generally accepted Kruse formula relating visibility and optical attenuation may be too pessimistic at low visibilities, and actual attenuation values for a given visibility may be more than 20% lower than previously thought. At visibilities exceeding about 650 m, the Kruse formula gives a good estimate of optical attenuation.     

全天空数字相机观测云量的初步研究

采用带有鱼眼镜头的数字相机拍摄全天空图像,对图像进行处理并分析,实现根据图像获取云量的目的。介绍了工作的基本原理和方法并给出初步实验结果。结果表明,用目前分析图像所获取的算法计算云量（与观测员记录相比）,平均误差在15％以内,结果的准确度受地面能见度影响较大,对能见度达15km以上的图像分析效果最好。     

Application of optical techniques to the study of plumes in stratified fluids

Digital techniques for the correction of signal distortions that arise in planar laser-induced fluorescence (PLIF) measurements (by PC-based video digitizing systems) of jets and plumes and the production of flow statistics in both time and space are reviewed. The entire concentration field is repeatedly imaged in s intervals over hundreds of thousands a points in a plane. By the recognition of signal distortion sources and the employment of corrections, a clearer picture of tracer concentrations may be realized.Fluorescence studies are made with a planar sheet of laser light 430 mm tall and 1.5 mm thick. The fluorescence excitation produced from trace concentrations of Rhodamine 6G is used to visualize and measure the propagation of a jet or plume in a density stratified laboratory tank. The emitted light is collected by a CCD camera in a 512 × 480 pixel format over a 940 × 715 mm field of view. The captured images are corrected for transverse laser sheet intensity distribution; laser beam attenuation; refraction; lens vignette; time varying and spatial noise; digitization aspect ratio; camera response. The measurement and methods of correction are discussed in detail. The resulting image data can then be used to collect tracer concentration statistics for jets and plumes. Instantaneous (i.e. over of a second intervals), average, maximum, minimum, standard deviation, and coefficient of variation are given as introductory examples of image statistics realizable for a buoyant jet.     

微型无人机遥感影像的纠偏与定位

在分析无人机遥感影像几何变形理论基础上，利用标准图形垂直摄影法标定相机，建立相机误差纠正模型；使用大比例尺地形图作为底图，通过同名点配准纠正航摄影像，全过程不使用外方位元素。最终影像经实际检验，单点定位平均误差为1．0m左右。     

一种基于实景图像的低能见度识别算法

为了利用大量视频监控设备提高能见度数据采集密度,提出一种基于实景图像转换的、采用简单卷积神经网络分类提取能见度等级的算法。该算法假设视频设备水平安装且具备开阔视野, 对原始视频图像进行水平分块,提取各分块的梯度、饱和度和亮度信息组成新的图像,基于简单卷积神经网络建模。采用2019年9月—2020年12月上海洋山港气象站29668张视频图像进行训练,建立识别模型,并采用2021年1—5月5757张视频图像对模型进行测试。采用该算法建立的模型参考雾的预报等级(GB/T 27964—2011)将能见度分为5个等级进行检验,白天准确率为87.99%,夜间准确率为81.32%,优于直接采用AlexNet模型。对1000 m以下低能见度天气的识别准确率达95%以上。利用现有的视频摄像头,可有效弥补气象站点能见度仪数据不足的问题,在气象业务上有一定的应用价值。