气象能见度观测在气象预报、交通、环境等领域有十分重要的作用^[1]，与国民经济建设和人民生命财产安全紧密相关。目前我国的2414个国家气象台站能见度仍然采用人工观测方式，有很大的主观性，资料更新周期长，难以满足气象预报和服务的需求。目前，国内已在业务上应用的能见度自动观测仪主要有前向散射式和透射式^[2]两大类，激光雷达由于成本高，操作复杂，一般用于科研领域。其中散射式能见度仪仅测量大气的散射部分，忽略了大气的吸收，在测量散射时也并不是测量大气的总散射系数，只是测量某一角度上的散射系数，利用角散射系数代表总散射系数，这就要求在测量范围内的大气是均匀的，这样角散射系数与总散射系数之间才有确定的比例关系，角散射系数按比例缩放后作为总散射系数，从而获得能见度^[3]。散射式能见度仪的优点是结构紧凑，占地面积小，安装维护简便，镜头污染对测量结果影响小；但也存在以下缺点：① 取样体积小，资料代表性差，在大气水平能见度不均匀的情况下，局部测得的能见度并不能代表全程能见度；② 在出现雨雪、冰雹等大颗粒时，由于在一定角度方向上的散射系数，对这些大粒子不太敏感，测量结果会引起较大误差^[4]。因此前向散射式能见度仪，适合无人站和维护安装要求低的台站使用。透射式能见度仪又称透射计 (透射表)，其优点是采样空间为基线长度, 观测资料代表性较好, 光吸收不会影响测量准确度，在由雾滴、霾引起的中、低能见度条件下测量较为准确，是目前唯一被航空领域认可的能见度测量仪器；其缺点是发射端和接收端必须分别安装，现场调校比较困难，且在工作过程中，发射端和接收端一旦发生偏移，光轴不处于一条直线上，会使测量结果出现很大偏差^[5]。基于以上能见度测量仪器现存的各种弊端，改进现有的能见度测量仪器，寻求新的能见度测量方法，对实现能见度的自动化观测具有重要的实践意义。

国内外在数字摄像法测量能见度仪方面开展了大量研究，20世纪40年代，国外就开始研究利用摄像法来测能见度^[6]，1949年Steffens^[7]提出利用摄像法测量能见度，但受当时科技水平的限制，他们采用的并非数码相机而是胶片相机，首先对目标物进行拍摄，然后经过工序复杂的手工冲洗过程获取图片，最后从图片中提取出目标物和背景的亮度对比，获取能见度。这种方法操作复杂且难以定量化，并未得到应用，但它提供了测量能见度的一种全新方法，为以后的数字摄像法测量能见度研究奠定了基础。1998年美国明尼苏达大学Taek开始用数字摄像法来测量能见度，由于在利用单目标物时存在固有亮度对比C₀，该量随时间变化，难以实时测量，只能通过估算或在目标物接近黑体时近似认为C₀为-1，为了避免这种近似计算带来的误差，Taek采用双目标物法^[8]，并对该方法进行理论推导，同时简单对比能见度在1000 m内的试验数据与Vaisala等设备的测量数据，但未对其他范围的能见度进行对比分析。在国内也有相应的研究，如数字摄像法自动测量能见度系统^[9]、数字摄像法测量能见度^[10]、利用数字图像分析技术监测大气能见度^[11]、普通数码相机测量大气能见度^[12]等。

双光路能见度测量系统试验平台如图 1所示，主要包括CCD、光源、工业计算机、目标物光源 (包括远、近两个)、1394传输线。类似于双目标物法 (Dual Target Approach) 和数字摄像法自动测能见度系统 (DPVS) 的双亮度差法^[13-14]，双光路能见度测量系统也设立了远、近两个目标物，工作时，首先由光源发出光信号，经过大气衰减后，分别被两个目标物装置反射，反射的光信号又经过一次大气衰减按原路返回，CCD接收后被转换为图像信号存储到计算机，通过光斑分割算法^[15-16]对存储图像信号进行处理，最终获取反演所需的信息，计算得到能见度。

图 1

图 1. 双光路能见度测量系统试验平台 Fig 1. Dual optical path visibility system experimental platform

由于双光路能见度测量系统和其他数字摄像法能见度系统一样，并不能直接获取光斑的亮度值，只能通过CCD摄像机获取图像的灰度值，不同CCD亮度和灰度的线性关系不一样，所以在试验之前需要对所用CCD进行验证试验，在这里通过可调光强的积分球作为光源来验证所选相机的线性度，试验标定过程与文献[17]中的工业相机的线性标定过程一致，这里不再累述。

双光路能见度反演模型如图 2所示，设CCD和远、近目标物的距离分别为R₂, R₁，远、近目标光源视亮度为E_t2, E_t1，远、近黑体暗箱视亮度为E_g2, E_g1，目标光源和黑体暗箱相应的灰度为G_t2, G_t1和G_g2, G_g1。远、近目标光源和黑体暗箱的初始亮度值分别设为E_t20, E_t10和E_g20，E_g10，则由上面积分球试验的灰度与亮度关系得到目标光源与其对应的视线背景方向的黑体暗箱灰度之差为

(1)

图 2

图 2. 双光路能见度反演模型 Fig 2. Dual optical path visibility inversion model

式 (1) 中, A为修正系数。根据文献[18]提出的从已知强度点光源发出的光的衰减定律，可得

(2)

式 (2) 中，σ为消光系数。由式 (1)、式 (2) 可得到双光路能见度测量系统的能见度计算公式为

(3)

这里考虑到光源的不均匀性，设远、近目标光源的初始亮度关系为E_t20=AE_t10，且远、近目标光源的视线背景方向采用黑体暗箱^[19-21]，本身不发光，可以认为初始亮度E_g10=E_g20=0，从而有

(4)

双光路能见度测量系统相对于传统能见度仪，系统测量的是所经光路的大气衰减，这包括大气的散射和吸收，克服了散射式能见度仪只测量散射的缺点，由于是同一光源发出的光信号到达两个目标物，光源受污染后，两个目标物光强的变化同步，解决了透射式能见度仪镜头受污染测量偏差变大的缺点，同时该系统安装简单，不需要类似传统透射式能见度仪安装时的复杂调校过程。相对于目前的数字摄像法，该系统克服了双目标物法因采用两个不同光源而产生的光学特性差异和强度不同步变化的缺点，同时也克服了双亮度差法利用黑体作为目标物只能测量白天能见度的缺陷。在该系统中目标物为一反射装置，采用发射—反射—接收的方式，使基线增加了一倍，同时利用反射装置只反射平行光的特性，其他杂光就不会进入CCD接收系统中，减少了环境杂光的影响，在反射装置外设置长度相对较长且内壁涂有消光漆的防护罩，也减少了太阳光以及周围杂光的进入，保证了两个目标物周围环境的一致性，通过在CCD镜头前加中灰密度镜，提高了信噪比。除此之外，该方法在暗电流和背景杂光的去除上，在设置目标物的地方同时设置视线背景方向的黑体暗箱装置，黑体暗箱装置除了没有反射体外其他部分和目标光源一样，这样最后的信息获得是通过同一张图像上目标物部分减掉黑体暗箱部分，这样不仅可以实时去除掉暗电流，也去除了部分太阳光和周围环境杂光。

试验中远、近目标物与CCD的距离分别为50 m，15 m，CCD采用MV-VS142FM/C工业数字摄像机，最高分辨率为1392×1040，12位输出，最高采集速度达15 fps，这里设置每分钟采集10帧，试验仪器南北方向安装 (CCD在南，目标物装置在北)，对比仪器安装类似，对比仪器采用1台前向散射式能见度仪和1台Vaisala透射式能见度仪，试验仪器和对比仪器均为1 min输出1个能见度数据，试验仪器每分钟的数据是对该分钟采集的10张图片信息平均的结果，通过5个参数来衡量比对结果：均方根偏差R_sd、均方根相对偏差R_srd、平均偏差A_sd、相对平均偏差A_srd和相关系数r，均方根偏差和均方根相对偏差描述的均为与对比数据的离散程度，均方根偏差以及均方根相对偏差表达式如下：

(5)

(6)

其中，N为样本量，V_expi为试验值，V_stdi为对比值，均方根相对偏差越小，说明试验仪器与对比仪器测量结果越接近。相关系数为

(7)

式 (7) 中，V_expi和V_stdi与上面相同，相关系数用来衡量试验数据与对比数据之间的线性相关程度，|r|≤1，|r|越接近于1，说明数据线性相关程度越高。

下面给出试验对比观测的一些结果，结果从低 (50~2500 m)、中 (2500~5000 m)、高 (5000~10000 m) 3个不同能见度范围进行讨论，图 3为分别选取低、中、高能见度时，双光路能见度测量系统和透射式能见度仪以及前向散射式能见度仪的对比结果 (图中时间均为北京时)。由图 3可以看出，不论在低、中能见度还是高能见度，双光路能见度测量系统测得的能见度均与透射式能见度仪接近，这在低和高能见度时特别明显，在低能见度时，前向散射式能见度仪要明显高于双光路能见度测量系统和透射式能见度仪，在高能见度时，虽然有些地方双光路能见度测量系统出现了一些小的波动，与透射式能见度仪不太吻合，但在出现峰值处与透射式能见度仪变化一致，比前向散射式能见度仪敏感，起伏要大一些，这与双光路能见度测量系统的工作原理有关，双光路能见度测量系统与透射式能见度仪均测量整个光路的大气衰减，而前向散射式能见度仪只测量大气散射，忽略了大气的吸收作用，出现小的波动主要与光源的波动有关。在能见度测量的稳定度上，由图 3c可知，高能见度时，双光路能见度测量系统结果的整条曲线比较平滑，波动较透射式能见度仪和前向散射式能见度仪结果偏小，这说明本文采用的图像方法比传统测量方法连续性好，除此之外，由图 3b白天的数据也可以看出，太阳光对双光路能见度测量系统的影响基本消除，这归功于装置本身目标物的设置以及采取的一些避光措施。

图 3

图 3. 不同方法测量能见度结果对比 (a) 2013年6月8日低能见度对比, (b) 2013年6月13日白天中能见度对比, (c) 2013年6月13日夜晚高能见度对比 Fig 3. Visibility comparison by different measuring methods (a) low visibility comparison diagram on 8 June 2013, (b) medium daytime visibility comparison diagram on 13 June 2013, (c) high visibility comparison diagram on 13 June 2013

表 1是对2013年5—7月数据进行统计得出。由表 1可以看出，双光路能见度测量系统结果与透射式能见度仪均方根偏差和均方根相对偏差以及平均偏差和相对平均偏差从低能见度到高能见度逐渐变大，而与前向散射式能见度仪的对比中有小幅度变小。这说明双光路能见度测量系统结果和透射式能见度仪对比数据随能见度的升高偏差越来越大，数据吻合度依次下降，而与前向散射式能见度仪逐渐接近，双光路能见度测量系统和透射式能见度仪对比出现这种情况的主要原因是双光路能见度测量系统和透射式能见度仪的工作原理一样，但随能见度的升高，双光路能见度测量系统光源的波动对能见度测量的影响越来越大。为分析其原因，给出表 2, 表 2中第1列是光学视程 (即试验中测量的能见度)，第2列是在对应第1列光学视程下的消光系数，第3列是对应第2列消光系数下的固定基线的光强 (表 2中取原始光强为1，基线取0.050 km，在一定光学视程所对应的消光系数下的光的衰减量。由表 2可以看出，当光学视程由0.1 km变为0.2 km时，光强变化为0.235，当光学视程由1 km变为2 km时，光强变化为0.0845，当能见度再升高，达到4 km以上时，光学视程每增加1 km，光强的变化仅有千分之几，这种变化随着光学视程变大会变得越来越小，在低能见度时，大气衰减造成的光强的变化相对较大，光源亮度的波动，远小于因为大气衰减造成的光强的变化，所以此时对能见度的测量影响不大，但高能见度时不同，大气衰减造成的光强的变化相对较小，仅为千分之几，光源的波动不再远远小于大气衰减造成的光强变化，此时光源的波动对能见度的测量影响较大，因此同一光源在相同亮度波动的情况下，在低能见度时可能导致几十米甚至上百米的能见度变化，而在高能见度时可能导致几百米甚至上千米的变化，即低能见度时影响较小而在高能见度时影响较大。双光路能见度测量系统与前向散射式能见度仪随能见度升高对比的偏差小幅变小，这与上面分析的随着能见度的升高受光源波动影响变大不一致，原因是在低能见度时，大气中的气溶胶颗粒物的吸收作用比较严重，不可忽略，而前向散射式能见度仪不能测量粒子对光线的吸收^[21]，双光路能见度测量系统测量整个光路上的衰减，包含了粒子的散射和吸收，所以导致在低能见度时双光路能见度测量系统与前向散射式能见度仪对比的偏差较大，随着能见度慢慢升高到中能见度，光源的波动影响随之增大，双光路能见度测量系统与前向散射式能见度仪的偏差应增大，但由于随着能见度的升高，大气中的颗粒物也在逐渐减少，这种吸收影响也随之减小，使得双光路能见度测量系统与前向散射式能见度仪测量值的偏差逐渐缩小，这种缩小的幅度抵消了光源随能见度增大波动的影响，所以此时出现了随着能见度的升高而偏差小幅减小。由平均偏差和相对平均偏差可以看出，双光路能见度测量系统与前向散射式能见度仪的偏差为负值，与透射式能见度仪的偏差为正值，说明前向散射式能见度仪测得的值比双光路高，透射式能见度仪测得的值比双光路低，而且是稳定地保持这种符号特征，说明双光路能见度测量系统工作较为稳定。表 1除列举了低、中、高能见度时不同测量方法对比参数外，还列举了白天和夜晚能见度测量的对比情况，由这些数据考察双光路能见度测量系统的改进对白天测量能见度受太阳光的影响如何，如果受太阳光的影响，白天的数据就会比夜晚的数据波动大，与对比数据的吻合度会比夜晚差。从表 1中各个参数可以看出，夜晚和白天的数据对比结果相差不大，说明太阳光的影响已基本消除。

表 1

表 1 双光路能见度测量系统与其他方法对比 Table 1 Comparison between dual optical path visibility system and the other methods 参数 低能见度 中能见度 高能见度 白天 夜晚 与前向散射式能见度仪均方根偏差/m 299 620 750 780 790 与前向散射式能见度仪均方根相对偏差/% 16.0 15.0 14.8 15.2 15.4 与前向散射式能见度仪平均偏差/m -185 -400 -525 -380 -402 与前向散射式能见度仪平均相对偏差/% -14.0 -11.0 -9.8 -14.0 -15.0 与前向散射式能见度仪相关系数 0.93 0.79 0.75 0.88 0.85 与透射式能见度仪均方根偏差/m 180 625 730 670 640 与透射式能见度仪均方根相对偏差/% 10.8 13.0 17.0 15.5 14.8 与透射式能见度仪平均偏差/m 26 237 260 250 220 与透射式能见度仪平均相对偏差/% 1.3 8.0 9.2 11.0 10.0 与透射式能见度仪相关系数 0.91 0.81 0.72 0.87 0.89

表 1 双光路能见度测量系统与其他方法对比 Table 1 Comparison between dual optical path visibility system and the other methods

表 2

表 2 能见度消光系数与光强的关系 Table 2 Relationship between visibility extinction coefficient and light intensity 光学视程/km 消光系数 光强 0.05 78.24046011 0.020008114 0.1 39.12023005 0.141450040 0.2 19.56011503 0.376098445 0.5 7.824046011 0.676270768 1 3.912023005 0.822356837 2 1.956011503 0.906838926 3 1.304007668 0.936886043 4 0.978005751 0.952280907 5 0.782404601 0.961638985 6 0.652003834 0.967928739 7 0.558860429 0.972446591 8 0.489002876 0.975848814 9 0.434669223 0.978503214 10 0.391202301 0.980631932

表 2 能见度消光系数与光强的关系 Table 2 Relationship between visibility extinction coefficient and light intensity

1) 通过双光路能见度测量系统和透射式能见度仪以及前向散射式能见度仪对比数据的相关系数可知，不同方法获取的能见度总体变化趋势一致，低能见度时一致性最好，高能见度时欠佳。从平均偏差和平均相对偏差来看，双光路能见度测量系统和透射式能见度仪结果更为接近，这是因为两者工作原理相近。

2) 双光路能见度测量系统和透射式能见度仪测量结果的均方根相对偏差在高能见度时较大，因为两者都存在同样的光强误差所造成的能见度的偏差高能见度时远大于低能见度时的问题。此外，高能见度时，透射式能见度仪对光轴对准要求高，对镜头污染敏感，造成了两者在高能见度时偏差变大。

3) 通过白天和夜晚数据的对比，各项参数基本接近，说明双光路能见度测量系统白天太阳光的影响已基本消除，这与装置本身目标物的特性只反射平行光有关，同时也与采取的一系列措施有关，如在镜头前加中灰密度镜，压低背景，提高信噪比，为消除周围杂光设置消光外罩等。