Комплексное сравнение пяти измерителей видимости: какой из них лучше всего подходит для видимости в тумане?

I. Сравнение типов измерителей видимости и принципов измерения

1. Трансмиссиометр

(1) Принцип измерения:
Используется метод измерения базовой линии. Излучатель света (передатчик) и приемник света (приемник) устанавливаются на двух концах на известном расстоянии (обычно 10-75 метров). Передатчик излучает свет фиксированной интенсивности, а приемник измеряет затухание света. Согласно закону Бера-Ламберта, путем расчета пропускания света через атмосферу непосредственно вычисляется коэффициент атмосферного ослабления, что позволяет получить метеорологический оптический диапазон (МОР).

(2) Преимущества:
① Наивысшая точность, признанная Всемирной метеорологической организацией (ВМО) в качестве эталонного метода.
② Непосредственно измеряет коэффициент ослабления, который теоретически наиболее близок к определению видимости.
③ Хорошая адаптивность к различным погодным условиям, таким как туман, дождь и снег, обеспечивающая стабильные измерения.

(3) Недостатки:
① Требует большой базовой линии (обычно несколько десятков метров), предъявляет высокие требования к площадке и имеет сложную инфраструктуру.
② Установка и настройка — сложные процессы, требующие строгой юстировки между передатчиком и приемником.
③ Загрязнение окон (например, пылью, каплями дождя) существенно влияет на результаты измерений, требуя частой чистки или использования автоматических чистящих устройств.
④ Как правило, более высокая стоимость.

2. Измеритель видимости прямого рассеяния

(1) Принцип измерения:
В настоящее время это наиболее распространенный тип измерителя видимости. Передатчик излучает инфракрасный свет под определенным углом (обычно 30°-45°) и измеряет интенсивность рассеянного вперед света (близкого к направлению исходного луча) от аэрозольных частиц в определенном объеме воздуха впереди. Интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна видимости. С помощью калибровки и алгоритмических моделей вычисляются коэффициент ослабления и значение видимости.

(2) Преимущества:
① Компактная конструкция, малый размер, простота установки и отсутствие необходимости в длинной базовой линии.
② Более низкая чувствительность к загрязнению окон по сравнению с трансмиссометрами.
③ Зрелая технология, хорошая экономическая эффективность и относительно простое техническое обслуживание.
④ Быстрое время отклика.

(3) Недостатки:
① Косвенное измерение; его калибровка основана на использовании трансмиссометров или теоретических моделей, что делает его, в принципе, «вторичным измерением».
② На результаты измерений влияют распределение частиц по размерам, форма и состав, что потенциально может привести к ошибкам в различных типах тумана (радиационный туман, адвективный туман) или условиях осадков.
③ Могут существовать ограничения при измерении неравномерного тумана на очень близком расстоянии от земли.

3. Измеритель видимости обратного рассеяния

(1) Принцип измерения:
Передатчик излучает световой луч и измеряет рассеянный световой сигнал, который возвращается почти по исходному пути (обычно под очень малым углом к ​​излучаемому лучу или соосно с ним). Видимость оценивается на основе эмпирической зависимости между интенсивностью обратного рассеяния и общим коэффициентом ослабления.

(2) Преимущества:
① Наиболее компактная конструкция, как правило, односторонняя, со всеми оптическими компонентами, интегрированными в один зонд, что делает установку чрезвычайно удобной.
② Особенно подходит для установки на мобильных платформах (например, транспортных средствах, судах) или в помещениях с ограниченным пространством.

(3) Недостатки:
① Принцип измерения является наиболее эмпирическим, и точность, как правило, ниже, чем у измерителей прямого рассеяния, особенно при очень высоком или очень низком уровне видимости.
② В большей степени зависит от характеристик аэрозоля; калибровка и обеспечение стабильности представляют собой сложную задачу.

4. Лидарный измеритель видимости (туманный лидар)

(1) Принцип измерения:
Активное устройство дистанционного зондирования. Оно излучает лазерные импульсы в атмосферу и принимает сигналы, рассеянные обратно аэрозолями и молекулами (включая рассеяние Ми и рамановское рассеяние). Анализируя затухание возвращаемого сигнала с расстоянием, можно определить пространственное вертикальное или горизонтальное распределение коэффициента экстинкции, что позволяет измерять наклонную видимость или получать информацию о профиле.

(2) Преимущества:
① Предоставляет информацию о пространственном распределении, а не только данные по отдельным точкам. Для аэропортов это позволяет определять высоту туманного слоя и тенденции его изменения.
② Большая дальность обнаружения (от нескольких километров до более десяти километров).

(3) Недостатки:
① Чрезвычайно дорогостоящее оборудование со сложной системой эксплуатации и технического обслуживания.
② Сложные алгоритмы обработки данных.
③ В основном используется в высокотехнологичных, исследовательских и специализированных системах раннего предупреждения (например, в крупных аэропортах, метеорологических исследованиях).

5. Измеритель видимости видео (метод цифровой фотографии)

(1) Принцип измерения:
Использует камеру высокого разрешения для захвата неподвижных объектов (например, черных объектов, гор, зданий) на известных расстояниях, размерах и с известной яркостью. С помощью методов обработки изображений анализирует ослабление контраста между объектом и фоновым небом, вычисляя видимость в соответствии с законом Кошмидера.

(2) Преимущества:
① Интуитивно понятный; принцип измерения наиболее близок к человеческому визуальному наблюдению.
② Может использовать существующие сети камер видеонаблюдения, что потенциально снижает затраты на оборудование.
③ Позволяет одновременно получать широкомасштабные метеорологические снимки в режиме реального времени.

(3) Недостатки:
① Точность измерений в значительной степени зависит от условий освещения (день/ночь, контровое освещение), характеристик объекта и качества изображения; для ночных измерений требуются дополнительные источники света.
② Сложные алгоритмы, стабильность которых в значительной степени зависит от погодных и экологических условий.
③ В настоящее время это преимущественно дополнительный или качественный инструмент наблюдения, который трудно использовать в качестве стандартного инструмента для высокоточных количественных измерений.

II. Различия в среде применения и рекомендации по выбору.

III. Краткое сравнение

Заключение и рекомендации по отбору

1. Для подавляющего большинства задач автоматизированного мониторинга (например, в аэропортах, на автомагистралях, метеостанциях) измеритель видимости с прямым рассеянием является предпочтительным и наиболее распространенным решением благодаря своим всесторонним преимуществам в точности, надежности, простоте установки/обслуживания и стоимости.

2. Если для получения данных требуется максимально высокая точность, соответствующая законодательным требованиям или исследовательским стандартам, можно выбрать трансмиссометр .

3. В мобильных или крайне ограниченных по пространству установках можно рассмотреть использование детектора обратной видимости .

4. Системы лидарного и видеосканирования предназначены для удовлетворения специфических требований к высокоточному дистанционному зондированию или визуальной поддержке.

При выборе необходимо всесторонне учитывать требования к измерениям, условия окружающей среды, бюджет и возможности технического обслуживания.