專利名稱：多波長霧霾識別方法及能見度測量方法
技術領域：
本發(fā)明屬于大氣科學領域，具體涉及一種多波長霧霾識別方法及能見度測量方法。
背景技術：
能見度的觀測一直是天氣觀測中重要的組成部分，和人們的日常生活息息相關。 它在環(huán)境、航海、航空以及其他建設和交通運輸領域起著尤為重要的作用。機場和高速公路附近能見度的測量，是一個急需解決的問題。特別是在能見度較低的情況下，能見度測量的不準確性有可能導致嚴重的事故。如何提高能見度觀測的準確性，是亟待解決的問題。目前常見的能見度儀有透射式能見度儀和散射式能見度儀，由于透射式能見度儀需要較長的光學路徑(50米)，在應用中受到較多限制，而散射式能見度儀占用空間小，使用方便，在氣象、交通等領域得到廣泛應用。一般氣象上所用的能見度測量儀器都是基于著名的柯什密特(Koschmieder)能見度公式L = 3. 91/σ，由測得的消光系數(shù)σ計算出能見度L的值。目前廣泛使用的散射式能見度儀，通過測量光源(通常為紅外光)照射偏正前方約33度方向的散射光強，然后推算出消光系數(shù)ο，從而計算大氣能見度。近地面層大氣中影響能見度的粒子可分為霧滴(即霧)和氣溶膠(即霾)兩類。 粒子的折射率包括實部和虛部，分別對應消光的散射和吸收。然而，霧與霾的折射率具有顯著差異，因此霧與霾對光的散射和吸收性質是不一樣的，兩者的消光系數(shù)對于散射光強度的依賴也是不一樣的。而現(xiàn)有的能見度儀一般只能用一種算法，根據(jù)接收到的散射光強度推算出大氣的消光系數(shù)，從而計算出能見度。那么無論是根據(jù)霧滴還是氣溶膠模型作出儀器標定，在另一種情況下都有可能造成較大的誤差。因此，霧與霾的識別在提高散射式能見度儀測量精度方面尤為重要。利用霧天相對濕度大的特點，通過測量相對濕度是一種識別霧天的方法，當相對濕度達到某個閾值時，就按照霧計算能見度，否則，就按霾計算能見度。然而，相對濕度大的天氣未必就是霧天，因此，這個辦法并不總是有效。

發(fā)明內容
針對以上現(xiàn)有技術中存在的問題，提出本發(fā)明。本發(fā)明的一個目的在于提出一種多波長霧霾識別方法。霧與霾對光的散射和吸收性質是不一樣的，由于霧的粒子尺度大于霾的粒子尺度，在可見光波段，霾的粒子尺度小于可見光波段的波長，霾的散射是瑞利散射，其散射截面和波長相關，不同的波長如紅色、綠色和藍色，光的散射截面不同；而霧的粒子尺度大于可見光波段的波長，其散射為米散射，散射截面對波長并不敏感，只和尺度數(shù)即粒子周長與電磁波波長之比有關，基于這一特點，可以用不同波長的方法識別霧與霾。濾光片是一種常用的波長選擇器件，通過在能見度儀的光接收機前加裝一組濾光CN 102539385 A
片，如紅色、綠色、藍色和透明，即可測量不同波長的散射光強，根據(jù)紅色、綠色和藍色三個散射分量的差別來識別是霧還是霾的散射，在確定了是霧還是霾之后，根據(jù)散射粒子的不同性質計算能見度。本發(fā)明采用的散射式能見度儀包括發(fā)射光源、光接收機和能見度計算單元，本發(fā)明的多波長霧霾識別方法包括以下步驟1)在散射式能見度儀的光接收機前加裝濾光片；2)發(fā)射光源發(fā)出白光，經(jīng)大氣粒子散射，光接收機分別接收散射光經(jīng)紅色、綠色和藍色濾光片濾光后的散射分量SK、Sg和&，以及未經(jīng)濾光的散射分量S ；3)分別計算紅色的散射分量&與綠色的散射分量Se的比值Il Ke = SE/SG, 以及綠色的散射分量Se與藍色的散射分量&的比值IUb = ，計算比值的平均值 G = Ofeci+%β)/2，根據(jù)平均值&的大小，將大氣狀況分為霧、霾以及霧霾混合三種情況，當平均值^接近于1時，識別為霧，當平均值&遠離1時，識別為霾，當平均值；介于霧與霾的
識別閾值之間時，識別為霧霾混合天氣，具體的霧與霾的識別閾值可根據(jù)典型氣溶膠組分理論計算或定標確定。本發(fā)明的另一個目的在于提供一種能見度測量方法。本發(fā)明采用的散射式能見度儀包括發(fā)射光源、光接收機和能見度計算單元，本發(fā)明的能見度測量方法包括以下步驟1)在散射式能見度儀的光接收機前加裝濾光片；2)發(fā)射光源發(fā)出白光，經(jīng)大氣粒子散射，光接收機分別接收散射光經(jīng)紅色、綠色和藍色濾光片濾光后的散射分量SK、Sg和&，以及未經(jīng)濾光的散射分量S ；3)分別計算紅色的散射分量&與綠色的散射分量Se的比值Il Ke = SE/SG, 以及綠色的散射分量Se與藍色的散射分量&的比值IUb = ，計算比值的平均值 5 = ( ^+ ^)",根據(jù)平均值^的大小，將大氣狀況分為霧、霾以及霧霾混合三種情況，當平均值^接近于1時，識別為霧，當平均值^遠離1時，識別為霾，當平均值&介于霧與霾的
識別閾值之間時，識別為霧霾混合天氣，具體的霧與霾的識別閾值可根據(jù)典型氣溶膠組分理論計算或定標確定；4)在理論上分別建立霧和霾的散射和消光系數(shù)之間的關系，當識別為霧時，用霧的散射推導消光系數(shù)計算能見度，當識別為霾時，用霾的散射推導消光系數(shù)計算能見度，當識別為霧霾混合時，則根據(jù)比值偏離純霧的程度修正能見度。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明在散射式能見度儀的光接收機前加裝濾光片，通過在能見度儀的光接收機前加裝一組紅色、綠色和藍色濾光片，即可測量不同波長的散射光的散射分量，根據(jù)紅色、 綠色和藍色三個散射分量的差別來識別是霧還是霾的散射，在確定了是霧還是霾之后，根據(jù)散射粒子的不同性質以及未經(jīng)濾光的散射分量S計算能見度。本發(fā)明的方法簡單有效地識別了霧與霾，然后根據(jù)霧與霾的差異分別推算消光系數(shù)，從而能夠準確地計算出能見度， 有效地提高了能見度觀測的精度。如非本地源的沙塵暴等小粒子造成的低能見度天氣使得散射式能見度儀測量出現(xiàn)較大誤差，而本發(fā)明的方法在識別小粒子造成的低能見度天氣方面具有明顯優(yōu)勢。


圖1為本發(fā)明的測量裝置的結構示意圖；圖2為本發(fā)明的旋轉濾波片的放大的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合說明書附圖詳描述本發(fā)明的實施方式。本發(fā)明的采用的測量裝置如圖1所示，散射式能見度儀包括發(fā)射光源1、光接收機 2和能見度計算單元3。在光接收機2前安裝濾光片4。發(fā)射光源1發(fā)出白光，經(jīng)過大氣粒子5散射，光接收機2接收散射光每半秒鐘采集一次數(shù)據(jù)。光接收機2所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過能見度計算單元3的計算，以能見度L的形式輸出于屏幕上。本發(fā)明的多波長霧霾識別方法包括以下步驟1)在散射式能見度儀的光接收機前加裝濾光片；2)發(fā)射光源發(fā)出白光，經(jīng)大氣粒子散射，光接收機分別接收散射光經(jīng)紅色、綠色和藍色的濾光片濾光后的散射分量SK、Sg和&，以及未經(jīng)濾光的散射分量S ；3)分別計算紅色的散射分量&與綠色的散射分量Se的比值1!^ = / ， 以及綠色的散射分量Se與藍色的散射分量&的比值JUb = ，計算比值的平均值 5 = ( ^+ ^)",根據(jù)平均值^的大小，將大氣狀況分為霧、霾以及霧霾混合三種情況，當平均值^接近于1時，識別為霧，當平均值^遠離1時，識別為霾，當平均值G介于霧與霾的識別閾值之間時，識別為霧霾混合天氣，具體的霧與霾的識別閾值可根據(jù)典型氣溶膠尺度譜理論計算或定標確定。優(yōu)選采用旋轉濾光片，如圖2所示，旋轉濾光片為圓盤狀，分成紅色濾光片R、綠色濾光片G、藍色濾光片B以及透明片T四個區(qū)域。通過轉動旋轉濾光片，光接收機分別接收散射光經(jīng)紅色、綠色和藍色濾光片濾光后的散射分量SK、Sg和&，以及未經(jīng)濾光的散射分量 S。濾光片還可以采用一組疊片，散射光分別經(jīng)過紅色濾光片R、綠色濾光片G、藍色濾光片B及透明片T，通過逐個濾光，光接收機分別接收散射光經(jīng)紅色、綠色和藍色濾光片濾光后的散射分量&、Sg和&，以及未經(jīng)濾光的的散射分量S。未經(jīng)濾光的散射分量S用于能見度計算，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)之間的關系，當識別為霧時，用霧的散射推導消光系數(shù)計算能見度，當識別為霾時，用霾的散射推導消光系數(shù)計算能見度，當識別為霧霾混合時，則根據(jù)比值偏離純霧的程度修正能見度。最后需要注意的是，公布實施方式的目的在于幫助進一步理解本發(fā)明，但是本領域的技術人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附的權利要求的精神和范圍內，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應局限于實施例所公開的內容，本發(fā)明要求保護的范圍以權利要求書界定的范圍為準。
權利要求
1.一種多波長霧霾識別方法，采用的散射式能見度儀包括發(fā)射光源、光接收機和能見度計算單元，其特征在于，包括以下步驟1)在散射式能見度儀的光接收機前加裝濾光片；2)發(fā)射光源發(fā)出白光，經(jīng)大氣粒子散射，光接收機分別接收散射光經(jīng)紅色、綠色和藍色濾光片濾光后的散射分量SK、Sg和&，以及未經(jīng)濾光的散射分量S ；3)分別計算紅色的散射分量&與綠色的散射分量Sg的比值Jilffi= SE/SG,以及綠色的散射分量Sg與藍色的散射分量&的比值η eB = SB/SB,計算比值的平均值G = (T1rg + ηΟΒ)/2，根據(jù)平均值&的大小，將大氣狀況分為霧、霾以及霧霾混合三種情況，當平均值&接近于1時，識別為霧，當平均值&遠離1時，識別為霾，當平均值G介于霧與霾的識別閾值之間時， 識別為霧霾混合天氣。
2.如權利要求1所述的識別方法，其特征在于，霧與霾的識別閾值根據(jù)典型氣溶膠尺度譜理論計算或定標確定。
3.如權利要求1所述的識別方法，其特征在于，濾光片采用旋轉濾光片，旋轉濾光片為圓盤狀，分成紅色濾光片、綠色濾光片、藍色濾光片以及透明片四個區(qū)域，通過轉動旋轉濾光片，光接收機分別接收散射光經(jīng)紅色、綠色和藍色濾光片濾光后的散射分量SK、知和&， 以及未經(jīng)濾光的散射分量S。
4.一種能見度測量方法，采用的散射式能見度儀包括發(fā)射光源、光接收機和能見度計算單元，其特征在于，包括以下步驟1)在散射式能見度儀的光接收機前加裝濾光片；2)發(fā)射光源發(fā)出白光，經(jīng)大氣粒子散射，光接收機分別接收散射光經(jīng)紅色、綠色和藍色濾光片濾光后的散射分量SK、Sg和&，以及未經(jīng)濾光的散射分量S ；3)分別計算紅色的散射分量&與綠色的散射分量Sg的比值Jilffi= SE/SG,以及綠色的散射分量Sg與藍色的散射分量SB的比值JUb = SB/SB,計算比值的平均值G = (T1rg + ηΟΒ)/2， 根據(jù)平均值^的大小，將大氣狀況分為霧、霾以及霧霾混合三種情況，當平均值^接近于1 時，識別為霧，當平均值▽遠離1時，識別為霾，當平均值G介于霧與霾的識別閾值之間時， 識別為霧霾混合天氣；4)在理論上分別建立霧和霾的散射和消光系數(shù)之間的關系，當識別為霧時，用霧的散射推導消光系數(shù)計算能見度，當識別為霾時，用霾的散射推導消光系數(shù)計算能見度，當識別為霧霾混合時，則根據(jù)比值偏離純霧的程度修正能見度。
5.如權利要求4所述的測量方法，其特征在于，霧與霾的識別閾值根據(jù)典型氣溶膠尺度譜理論計算或定標確定。
6.如權利要求4所述的測量方法，其特征在于，旋轉濾光片為圓盤狀，分成紅色濾光片、綠色濾光片、藍色濾光片以及透明片四個區(qū)域，通過轉動旋轉濾光片，光接收機分別接收散射光經(jīng)紅色、綠色和藍色濾光片濾光后的散射分量SK、Sg和&，以及未經(jīng)濾光的散射分量S
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多波長霧霾識別方法及能見度測量方法。本發(fā)明在散射式能見度儀的光接收機前加裝濾光片，通過在能見度儀的光接收機前加裝一組紅色、綠色和藍色濾光片，即可測量不同波長的散射光的散射分量，根據(jù)紅色、綠色和藍色三個散射分量的差別來識別是霧還是霾的散射，在確定了是霧還是霾之后，根據(jù)散射粒子的不同性質以及未經(jīng)濾光的散射分量計算能見度。本發(fā)明的方法簡單有效地識別了霧與霾，然后根據(jù)霧與霾的差異分別推算消光系數(shù)，從而能夠準確地計算出能見度，有效地提高了能見度觀測的精度，并且本發(fā)明的方法在識別小粒子造成的低能見度天氣方面具有明顯優(yōu)勢。
文檔編號G01N21/49GK102539385SQ20121000492
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月9日 優(yōu)先權日2012年1月9日
發(fā)明者何平, 劉曉陽, 杜金林 申請人:北京大學