專利名稱：散射式能見(jiàn)度儀中霧霾識(shí)別方法及能見(jiàn)度測(cè)量方法
散射式能見(jiàn)度儀中霧霾識(shí)別方法及能見(jiàn)度測(cè)量方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于大氣科學(xué)領(lǐng)域，具體涉及散射式能見(jiàn)度儀中霧與霾的識(shí)別方法及能見(jiàn)度的測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
能見(jiàn)度的觀測(cè)一直是天氣觀測(cè)中重要的組成部分，和人們的日常生活息息相關(guān)。 它在環(huán)境、航海、航空以及其他建設(shè)和交通運(yùn)輸領(lǐng)域起著尤為重要的作用。機(jī)場(chǎng)和高速公路附近能見(jiàn)度的測(cè)量，是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。特別是在能見(jiàn)度較低的情況下，能見(jiàn)度測(cè)量的不準(zhǔn)確性有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。如何提高能見(jiàn)度觀測(cè)的準(zhǔn)確性，是亟待解決的問(wèn)題。
目前常見(jiàn)的能見(jiàn)度儀有透射式能見(jiàn)度儀和散射式能見(jiàn)度儀，由于透射式能見(jiàn)度儀需要較長(zhǎng)的光學(xué)路徑(50米)，在應(yīng)用中受到較多限制，而散射式能見(jiàn)度儀占用空間小，使用方便，在氣象、交通等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。一般氣象上所用的能見(jiàn)度測(cè)量?jī)x器都是基于著名的柯什密特(Koschmieder)能見(jiàn)度公式L = 3. 91/ o，由測(cè)得的消光系數(shù)o計(jì)算出能見(jiàn)度L的值。
目前廣泛使用的散射式能見(jiàn)度儀，通過(guò)測(cè)量光源(通常為紅外光)照射偏正前方約33度方向的散射光強(qiáng)，然后推算出消光系數(shù)O，從而計(jì)算大氣能見(jiàn)度。
近地面層大氣中影響能見(jiàn)度的粒子可分為霧滴(即霧)和氣溶膠(即霾)兩類(lèi)。 粒子的折射率包括實(shí)部和虛部，分別對(duì)應(yīng)消光的散射和吸收。然而，霧與霾的折射率具有顯著差異，因此霧與霾對(duì)光的散射和吸收性質(zhì)是不一樣的，兩者的消光系數(shù)對(duì)于散射光強(qiáng)度的依賴也是不一樣的。而現(xiàn)有的能見(jiàn)度儀一般只能用一種算法，根據(jù)接收到的散射光強(qiáng)度推算出大氣的消光系數(shù)，從而計(jì)算出能見(jiàn)度。那么無(wú)論是根據(jù)霧滴還是氣溶膠模型作出儀器標(biāo)定，在另一種情況下都有可能造成較大的誤差。因此，霧與霾的識(shí)別在提高散射式能見(jiàn)度儀測(cè)量精度方面尤為重要。
利用霧天相對(duì)濕度大的特點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量相對(duì)濕度是一種識(shí)別霧天的方法，當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到某個(gè)閾值時(shí)，就按照霧計(jì)算能見(jiàn)度，否則，就按霾計(jì)算能見(jiàn)度。然而，相對(duì)濕度大的天氣未必就是霧天，因此，這個(gè)辦法并不總是有效。發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種讓散射式能見(jiàn)度儀能夠直接識(shí)別是霧還是霾，然后根據(jù)不同的識(shí)別結(jié)果使用不同的算法來(lái)推算消光系數(shù)，從而解決上述的能見(jiàn)度測(cè)量誤差的問(wèn)題。
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種散射式能見(jiàn)度儀中霧與霾的識(shí)別方法。
霧與霾在形狀上有明顯差別，霧滴為球形粒子，而氣溶膠粒子在形狀上呈非對(duì)稱性，因此，霧與霾的散射光的偏振度存在顯著差別。偏振度是一個(gè)比較容易測(cè)量的量，通過(guò)在散射式能見(jiàn)度儀的光接收機(jī)前加裝一個(gè)偏振片，測(cè)量散射光的平行于觀測(cè)平面和垂直于觀測(cè)平面兩個(gè)方向的偏振分量，根據(jù)這兩個(gè)偏振分量的差別識(shí)別是霧還是霾的散射，然后，根據(jù)散射粒子的不同性質(zhì)推導(dǎo)消光系數(shù)O，從而計(jì)算能見(jiàn)度L。
本發(fā)明采用的散射式能見(jiàn)度儀包括發(fā)射光源、光接收機(jī)和能見(jiàn)度計(jì)算單元，本發(fā)明的散射式能見(jiàn)度儀中霧與霾的識(shí)別方法包括以下步驟
I)在散射式能見(jiàn)度儀的光接收機(jī)前加裝偏振片；
2)發(fā)射光源發(fā)出白光，經(jīng)大氣粒子散射，通過(guò)調(diào)整偏振片的方向，光接收機(jī)分別接收散射光的平行偏振分量和垂直偏振分量；
3)能見(jiàn)度計(jì)算單元計(jì)算平行偏振分量與垂直偏振分量的比值，根據(jù)比值的大小， 將大氣狀況分為霧、霾以及霧霾混合三種情況，當(dāng)比值接近于I時(shí)，識(shí)別為霧，當(dāng)比值遠(yuǎn)離I 時(shí)，識(shí)別為霾，當(dāng)比值介于霧與霾的識(shí)別閾值之間時(shí)，識(shí)別為霧霾混合天氣，具體的霧與霾的識(shí)別閾值可根據(jù)典型氣溶膠的組成成分理論計(jì)算或定標(biāo)確定。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種能見(jiàn)度的測(cè)量方法。
本發(fā)明采用的散射式能見(jiàn)度儀包括發(fā)射光源、光接收機(jī)和能見(jiàn)度計(jì)算單元，本發(fā)明的能見(jiàn)度測(cè)量方法包括以下步驟
I)在散射式能見(jiàn)度儀的光接收機(jī)前加裝偏振片；
2)發(fā)射光源發(fā)出白光，經(jīng)大氣粒子散射，通過(guò)調(diào)整偏振片的方向，光接收機(jī)分別接收散射光的平行偏振分量和垂直偏振分量；
3)能見(jiàn)度計(jì)算單元計(jì)算平行偏振分量與垂直偏振分量的比值，根據(jù)比值的大小， 將大氣狀況分為霧、霾以及霧霾混合三種情況，當(dāng)比值接近于I時(shí)，識(shí)別為霧，當(dāng)比值遠(yuǎn)離I 時(shí)，識(shí)別為霾，當(dāng)比值介于霧與霾的識(shí)別閾值之間時(shí)，識(shí)別為霧霾混合天氣，具體的霧與霾的識(shí)別閾值可根據(jù)典型氣溶膠的組成成分理論計(jì)算或定標(biāo)確定；
4)在理論上分別建立霧和霾的散射和消光系數(shù)之間的關(guān)系，當(dāng)識(shí)別為霧時(shí)，用霧的散射推導(dǎo)消光系數(shù)計(jì)算能見(jiàn)度，當(dāng)識(shí)別為霾時(shí)，用霾的散射推導(dǎo)消光系數(shù)計(jì)算能見(jiàn)度，當(dāng)識(shí)別為霧霾混合時(shí)，則根據(jù)比值偏離純霧的程度修正能見(jiàn)度。
本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明在散射式能見(jiàn)度儀的光接收機(jī)前加裝偏振片，根據(jù)接收的散射光的平行偏振分量和垂直偏振分量的比值的大小，將大氣狀況識(shí)別為霧、霾以及霧霾混合三種情況，然后根據(jù)識(shí)別的情況修正能見(jiàn)度。由于霾在形狀上的非對(duì)稱性，用偏振方法可以在從可見(jiàn)光到近紅外的較大頻譜范圍內(nèi)測(cè)量出霾的散射光的平行偏振分量和垂直偏振分量的差異，而對(duì)光接收機(jī)沒(méi)有特殊的要求。本發(fā)明的方法簡(jiǎn)單有效地識(shí)別了霧與霾，然后根據(jù)霧與霾的差異分別推算消光系數(shù)，從而能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出能見(jiàn)度，有效地提高了能見(jiàn)度觀測(cè)的精度。 本發(fā)明采用偏振方法識(shí)別霧與霾，識(shí)別容易、實(shí)施方便。


圖I為霧的散射光的平行偏振分量與垂直偏振分量對(duì)應(yīng)的能見(jiàn)度的擬合圖2為霾的散射光的平行偏振分量與垂直偏振分量對(duì)應(yīng)的能見(jiàn)度的擬合圖3為本發(fā)明的散射式能見(jiàn)度儀中霧與霾的識(shí)別方法的測(cè)量裝置的示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖詳描述本發(fā)明的實(shí)施方式。
加濕器用超聲可產(chǎn)生粒徑在5微米左右的人造霧，在散射式能見(jiàn)度儀上加裝偏振片后，可測(cè)出散射光的平行和垂直偏振分量對(duì)應(yīng)的能見(jiàn)度，如圖1所示，由于霧為對(duì)稱球形，平行偏振分量和垂直偏振分量對(duì)應(yīng)的能見(jiàn)度基本相同。而對(duì)于用紙、燭、木、碳等燃燒產(chǎn)生的氣溶膠，其散射光的平行偏振分量和垂直偏振分量有明顯差別，用散射式能見(jiàn)度儀計(jì)算出的能見(jiàn)度也明顯不同，如圖2所示。本發(fā)明采用的測(cè)量裝置如圖3所示，散射式能見(jiàn)度儀包括發(fā)射光源1、光接收機(jī)2 和能見(jiàn)度計(jì)算單元3。在光接收機(jī)2前安裝偏振片4。發(fā)射光源1發(fā)射白光，經(jīng)過(guò)大氣粒子 5散射，光接收機(jī)2接收散射光每半秒鐘采集一次數(shù)據(jù)。光接收機(jī)2所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)能見(jiàn)度計(jì)算單元3的計(jì)算，以能見(jiàn)度L的形式輸出于屏幕上。本發(fā)明的散射式能見(jiàn)度儀中霧與霾的識(shí)別方法包括以下步驟1)在散射式能見(jiàn)度儀的光接收機(jī)前加裝偏振片；2)發(fā)射光源發(fā)出白光，經(jīng)大氣粒子散射，通過(guò)調(diào)整偏振片的方向，光接收機(jī)分別接收散射光的平行偏振分量和垂直偏振分量；3)計(jì)算平行偏振分量與垂直偏振分量的比值，根據(jù)比值的大小，將大氣狀況分為霧、霾以及霧霾混合三種情況，當(dāng)比值接近于1時(shí)，識(shí)別為霧，當(dāng)比值遠(yuǎn)離1 (如小于0. 8或大于1.2)時(shí)，識(shí)別為霾，當(dāng)比值介于霧與霾的識(shí)別閾值之間時(shí)，識(shí)別為霧霾混合天氣，具體的霧與霾的識(shí)別閾值可根據(jù)典型氣溶膠的組成成分理論計(jì)算或定標(biāo)確定。理論上，識(shí)別閾值與氣溶膠的組成成分、大小、取向、發(fā)射光源的頻譜以及光接收機(jī)對(duì)光譜的響應(yīng)函數(shù)等有關(guān)，實(shí)際計(jì)算很難，比較可行的辦法是在實(shí)驗(yàn)室里產(chǎn)生人造純霧和人造霾，測(cè)量?jī)煞N情況下的平行偏振分量與垂直偏振分量的比值，從而定標(biāo)確定霧與霾的識(shí)別閾值。此后，只要保證光源和光接收器件的一致性，這個(gè)閾值就可以沿用。超聲霧化式加濕器產(chǎn)生人造霧，最大加濕量> 250ml/h。使用廢紙、蠟燭、蚊香、煤炭等混合燃燒產(chǎn)生人造霾。識(shí)別了霧與霾即可用于能見(jiàn)度的修正，首先在理論上分別建立霧和霾(可采用城市型氣溶膠模型)的散射和消光系數(shù)之間的關(guān)系，當(dāng)識(shí)別為霧時(shí)，用霧的散射推導(dǎo)消光系數(shù)計(jì)算能見(jiàn)度，當(dāng)識(shí)別為霾時(shí)，用霾的散射推導(dǎo)消光系數(shù)計(jì)算能見(jiàn)度，當(dāng)識(shí)別為霧霾混合時(shí)，則根據(jù)比值偏離純霧的程度修正能見(jiàn)度。對(duì)偏振片沒(méi)有特殊要求，關(guān)鍵是要能得到兩個(gè)分量。偏振片的方向由人工調(diào)整，更好的辦法是用電機(jī)帶動(dòng)偏振片旋轉(zhuǎn)，分別取平行和垂直偏振分量即可。最后需要注意的是，公布實(shí)施方式的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開(kāi)的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書(shū)界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種散射式能見(jiàn)度儀中霧與霾的識(shí)別方法，所述散射式能見(jiàn)度儀包括發(fā)射光源、光接收機(jī)和能見(jiàn)度計(jì)算單元，其特征在于，包括以下步驟1)在散射式能見(jiàn)度儀的光接收機(jī)前加裝偏振片；2)發(fā)射光源發(fā)出白光，經(jīng)大氣粒子散射，通過(guò)調(diào)整偏振片的方向，光接收機(jī)分別接收散射光的平行偏振分量和垂直偏振分量；3)能見(jiàn)度計(jì)算單元計(jì)算平行偏振分量與垂直偏振分量的比值，根據(jù)比值的大小，將大氣狀況分為霧、霾以及霧霾混合三種情況，當(dāng)比值接近于1時(shí)，識(shí)別為霧，當(dāng)比值遠(yuǎn)離1時(shí)， 識(shí)別為霾，當(dāng)比值介于霧與霾的識(shí)別閾值之間時(shí)，識(shí)別為霧霾混合天氣。
2.如權(quán)利要求1所述的識(shí)別方法，其特征在于，在步驟3)中霧與霾的識(shí)別閾值根據(jù)典型氣溶膠的組成成分理論計(jì)算或定標(biāo)確定。
3.如權(quán)利要求2所述的識(shí)別方法，其特征在于，產(chǎn)生人造純霧和人造霾，測(cè)量?jī)煞N情況下的平行偏振分量與垂直偏振分量的比值，從而定標(biāo)確定霧與霾的識(shí)別閾值。
4.如權(quán)利要求3所述的識(shí)別方法，其特征在于，超聲霧化式加濕器產(chǎn)生人造霧，使用廢紙、蠟燭、蚊香、煤炭等混合燃燒產(chǎn)生人造霾。
5.如權(quán)利要求1所述的識(shí)別方法，其特征在于，偏振片的方向采用電機(jī)帶動(dòng)偏振片旋轉(zhuǎn)，分別取平行和垂直偏振分量。
6.一種能見(jiàn)度的測(cè)量方法，采用的散射式能見(jiàn)度儀包括發(fā)射光源、光接收機(jī)和能見(jiàn)度計(jì)算單元，其特征在于，包括以下步驟1)在散射式能見(jiàn)度儀的光接收機(jī)前加裝偏振片；2)發(fā)射光源發(fā)出白光，經(jīng)大氣粒子散射，通過(guò)調(diào)整偏振片的方向，光接收機(jī)分別接收散射光的平行偏振分量和垂直偏振分量；3)能見(jiàn)度計(jì)算單元計(jì)算平行偏振分量與垂直偏振分量的比值，根據(jù)比值的大小，將大氣狀況分為霧、霾以及霧霾混合三種情況，當(dāng)比值接近于1時(shí)，識(shí)別為霧，當(dāng)比值遠(yuǎn)離1時(shí)， 識(shí)別為霾，當(dāng)比值介于霧與霾的識(shí)別閾值之間時(shí)，識(shí)別為霧霾混合天氣；4)在理論上分別建立霧和霾的散射和消光系數(shù)之間的關(guān)系，當(dāng)識(shí)別為霧時(shí)，用霧的散射推導(dǎo)消光系數(shù)計(jì)算能見(jiàn)度，當(dāng)識(shí)別為霾時(shí)，用霾的散射推導(dǎo)消光系數(shù)計(jì)算能見(jiàn)度，當(dāng)識(shí)別為霧霾混合時(shí)，則根據(jù)比值偏離純霧的程度修正能見(jiàn)度。
7.如權(quán)利要求6所述的測(cè)量方法，其特征在于，在步驟3)中霧與霾的識(shí)別閾值根據(jù)典型氣溶膠的組成成分理論計(jì)算或定標(biāo)確定。
8.如權(quán)利要求7所述的測(cè)量方法，其特征在于，產(chǎn)生人造純霧和人造霾，實(shí)際測(cè)量?jī)煞N情況下的平行偏振分量與垂直偏振分量的比值，從而定標(biāo)確定霧與霾的識(shí)別閾值。
9.如權(quán)利要求8所述的測(cè)量方法，其特征在于，超聲霧化式加濕器產(chǎn)生人造霧，使用廢紙、蠟燭、蚊香、煤炭等混合燃燒產(chǎn)生人造霾。
10.如權(quán)利要求6所述的測(cè)量方法，其特征在于，偏振片的方向采用電機(jī)帶動(dòng)偏振片旋轉(zhuǎn)，分別取平行和垂直偏振分量。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了散射式能見(jiàn)度儀中霧霾識(shí)別方法及能見(jiàn)度測(cè)量方法。本發(fā)明在散射式能見(jiàn)度儀的光接收機(jī)前加裝偏振片，根據(jù)接收的散射光的水平偏振分量和垂直偏振分量的比值的大小，將大氣狀況識(shí)別為霧、霾以及霧霾混合三種情況，然后根據(jù)識(shí)別的情況修正能見(jiàn)度。由于霾在形狀上的非對(duì)稱性，用偏振方法可以在從可見(jiàn)光到近紅外的較大頻譜范圍內(nèi)測(cè)量出霾的散射光的水平偏振分量和垂直偏振分量的差異，而對(duì)光接收機(jī)沒(méi)有特殊的要求。本發(fā)明的方法簡(jiǎn)單有效地識(shí)別了霧與霾，然后根據(jù)霧與霾的差異分別推算消光系數(shù)，從而能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出能見(jiàn)度，有效地提高了能見(jiàn)度觀測(cè)的精度。本發(fā)明采用偏振方法識(shí)別霧與霾，識(shí)別容易、實(shí)施方便。
文檔編號(hào)G01N21/47GK102539383SQ20121000475
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月9日
發(fā)明者劉曉陽(yáng), 杜金林, 趙爽 申請(qǐng)人:北京大學(xué)