CN100357726C - 一种大气低能见度的测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大气低能见度测量的方法和装置，它由多次反射池、激光器、数字摄象机和计算机组成，多次反射池置于待测大气环境中，连续激光束以小入射角投射在构成多次反射池的一个高反射镜上而进入多次反射池，采用数字摄象机感光面记录构成高反射镜上不同反射点透射出来的激光束强度，然后对透射光强在感光面上极大值的空间分布进行曲线拟合以计算多次反射池中大气在入射激光波长处的能见度，保证了低能见度的检测精度，并能根据低能见度情况自动调整检测精度。

Description

一种大气低能见度的测量方法和装置

技术领域

本发明涉及一种测量大气低能见度的方法和装置，尤其是一种基于数字摄象机和多次反射池的大气低能见度的测量方法和装置。

背景技术

所谓能见度是在一定的大气透明度下人眼能发现以水平天空为背景的黑色目标物(视场角大于30′)的最大距离，它是用距离表示大气浑浊度的一种指标，一般以米为单位。大气能见度，特别是低能见度的及时检测，是一个对航空、航海、陆上交通以及军事活动等都有重要影响的气象要素，如飞机的起降、导弹的发射寻的、火车的限速、高速公路的关闭等情形，可以说对能见度的实时观测已经成为现实生活中不可缺少的重要内容。

能见度不仅与大气的光学特性有关，而且与人眼的视觉生理有关。气象学上常取视觉反应阈值ε＝0.02，由Koschmider定律可知能见度V：

$V=\frac{1}{\mathrm{\σ}}\ln \frac{1}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{3.912}{\mathrm{\σ}}$

能见度V的测量由大气消光系数6的测量决定。

目前，能见度测量设备主要有透射式能见度激光探测仪、数字摄像能见度测量仪，以及利用激光散射的能见度激光测量系统和激光雷达。

1999年1月科学通报杂志第44卷第1期的文章“数字摄像法测量气象能见度”揭示了数字摄像能见度测量仪的工作原理，它通过拍摄预设目标图象进而辨认图象的清晰度来模拟人眼的感受。但是受背景影响较大，容易误报。

1997年应用光学杂志第5期的文章“跑道能见度激光探测仪的研究分析”揭示了透射式能见度激光探测仪的工作原理，它以激光束透过两固定点之间大气柱的光强差异来测量大气消光系数，评估能见度值。透射式能见度激光探测仪要求大气柱足够长，是一种在大尺寸范围内空气能见度平均值的测量，而在雨、雾等须准确检测能见度的低能见度天气，因光损耗大信号强度低致使测量无意义，并且不能根据低能见度的高低自动调节测量精度。

1999年气象水文海洋仪器杂志第2期的文章“SS-1型前向散射式能见度仪”和1999年光学技术杂志第5期的文章“后向散射式路道能见度激光测量仪的研究”揭示了利用激光散射的能见度激光测量系统的工作原理。2004年中国发明专利“车载式双波长米散射激光雷达”，申请号200410013874.7，公开号CN1556393A公开了一种激光雷达的工作原理。相对而言，利用激光散射的能见度激光测量系统和激光雷达对能见度的测量更为客观准确，但是都有制作难度大、成本高的问题。尤其是激光雷达成本昂贵、操作复杂、维护费用高，在雨、雾等低能见度天气也难以进行正常观测。

1999年红外与激光杂志第4期的文章“长光程大气模拟仓实验装置”揭示了由高反射镜构成的多次反射池研究大气气溶胶的工作原理，它也常用于气体消光系数的测量。它采用多次反射来延长大气柱的长度，有入射孔和出射孔，通过检测入池光强和出池光强变化获得消光系数。由于反射次数固定，要求对高反射镜精细调试，操作较为困难。它未能利用多次反射时的透射光强携带的信息，仍是两固定点之间大气柱的透过率测量，测量精度受限制，而且不能根据被测物的消光系数自动调整测量精度。

1998年中国发明专利“一种反射镜高反射率的测量方法”，申请号98114152.8，公开号1242516公开了衰荡光谱技术的工作原理，它也可以用来检测大气的消光系数。它采用激光束垂直入射由平行高反射镜构成的多次反射池，光电探测器记录多次反射池中透射出来的一系列激光束。多次反射延长了与激光束作用的大气柱长度，在时域上分开的各个透射激光束强度的检测实现了对大尺度大气柱的多点检测，检测精度较高。但是，衰荡光谱技术要求入射激光与多次反射池有较好的模式匹配，需要精密光学元件配合精确调整才行。另外，由于在时域上要将各个透射激光束分开，要求短脉冲激光入射，而且光电探测器的时间响应要快，使得整套装置操作困难、成本昂贵、维护费用高，现场环境适应性差。

发明内容

为了进一步拓宽能见度测量仪的应用领域，克服现有能见度测量设备存在的成本昂贵、探测范围小、不能根据能见度变化自动改变测量精度、空间分辨率低和操作复杂的问题，本发明基于数字摄象机检测多次反射池的各个透射激光束强度，实现了对大尺度大气柱多点检测的平面记录，对于低能见度情形通过透射激光束数的减少可以自动调整了测量精度，增大了能见度探测范围，提高了检测精度和空间分辨率，而且可全固化，使得装置体积小、成本低、抗震动能力强、操作简单，对现场环境适应性好。

为了达到所述目的，本发明提供了一种大气低能见度的测量方法和装置。

一种大气低能见度测量方法的技术方案：

多次反射池内充满待测能见度的大气，多次反射池中高反射镜的反射率、投射率均匀；可见光波长的连续激光束以小入射角投射在多次反射池的一个高反射镜上；激光束在多次反射池中高反射镜上以小入射角多次反射、透射；数字摄象机感光面记录由多次反射池一高反射镜镜面上不同反射点透射出来的、空间分离的各透射激光束强度；曲线拟合透射光强在数字摄象机感光面上极大值的空间分布从而得出多次反射池中大气在入射激光波长处的能见度。

一种实现低能见度测量装置的技术方案：

该装置由多次反射池、激光器、数字摄象机和计算机组成，多次反射池由两块平面高反射镜构成，这两块高反射镜镜面平行或微有倾斜对面放置，多次反射池置于待测能见度的大气环境中充满大气样品，连续激光器设置在多次反射池的外侧，激光束以小入射角投射到的一个高反射镜上进入多次反射池中，数字摄象机置于多次反射池的一个高反射镜下方，数字摄象机感光面与该高反射镜平行放置，数字摄象机感光面记录透射激光束的强度，数字摄象机通过计算机的端口与计算机连接，将记录的数据传送给计算机以计算出大气能见度。

本发明的有益效果如下：

首先，由于本发明基于数字摄象机感光面检测多次反射池不同反射点透射出来激光束强度，将衰荡光谱技术中的时间分辨式大尺度大气柱多点检测，转换成为了空间分辨式大尺度大气柱多点检测，可以使用廉价的连续激光器，也不象衰荡光谱技术那样必须昂贵的短脉冲激光器和快响应光电探测器，降低了装置成本，维持了高测量精度。而且只需一个光电转换器——数字摄象机，不象透射式能见度激光探测仪和多次反射池那样需要两个光电转换器分别对出入射光束光强进行测量。整套装置成本很低。

其次，由于构成多次反射池的高反射镜可以是对面严格平行放置也可以是微倾角对面平行放置，多次反射池内激光束的反射次数以及透射光束出射位置没有特定的要求，因此降低了多次反射池的调整精度要求，易于操作，普通的技术人员即可进行测量操作。

对于晴朗天气能见度高时，反射池内大气对测量激光光束的消光作用小，得到数目较多的透射激光光束，测量精度高；对于雨、雾等低能见度恶劣天气，多次反射池内反射次数降低，透射激光光束数随之减少，测量精度自动降低，所以，本发明对能见度的测量随能见度的变化而自动调节测量精度，增大了能见度的探测范围。

再次，整个装置可以全固化。激光光源可使用半导体激光器，或者半导体泵浦的YAG倍频激光器，数字摄象机可使用小型CCD摄象机，高反射镜可固定联接形成一体式多次反射池，使得整个装置体积小、耐震动、成本低，能见度测量的空间分辨率较高，现场环境适应性好。

因此，本发明全固化装置体积小成本低，保证了低能见度的检测精度，有很强的竞争力，将会拓展能见度测量仪的市场份额，还可以应用于工业生产，例如化工生产线的反应物浓度、工矿行业的粉尘浓度的监测，实际上凡是涉及到消光系数测量的场合都可以应用。

附图说明

图1是本发明的大气低能见度测量方法的流程示意图。

图2是本发明的大气低能见度测量装置的实施方式示意图。

具体实施方式

大气低能见度测量方法的流程示意图，如图1所示。

多次反射池置于待测能见度的大气环境中，多次反射池内充满待测能见度的大气。

连续激光器发射的可见光波长激光束以小入射角投射在多次反射池的一个高反射镜上；构成多次反射池的高反射镜的反射率、透射率均匀。激光束在多次反射池中高反射镜上以小入射角多次反射、透射，直至光强衰减完结消失；反射按照高反射镜的反射率反射，透射按照高反射镜的透射率透射。

数字摄象机感光面记录由多次反射池的一个高反射镜镜面上不同反射点透射出来的、空间分离的各透射激光束强度。

使用数学软件例如Origin或matlab，对透射光强在数字摄象机感光面上极大值的空间分布进行曲线拟合，即可得出多次反射池中大气在入射激光波长处的能见度。

大气低能见度测量装置的实施方式，如图2所示。

该装置包括由两块平面高反射镜31和32镜面平行或微有倾斜对面放置构成的多次反射池3、半导体泵浦的YAG倍频连续激光器1、数字摄象机5和计算机7。多次反射池3置于待测能见度的大气环境下其中充满大气样品，半导体泵浦的YAG倍频激光器1设置在多次反射池3的外侧，波长532纳米激光束2以小入射角投射到第二高反射镜32上进入多次反射池3中。进入多次反射池3内的激光束在第二高反射镜32和第一高反射镜31之间多次反射，同时与多次反射池3内的大气相互作用，直至光强衰减完结。数字摄象机5置于第二高反射镜32下方，数字摄象机5感光面与第二高反射镜32平行放置，数字摄象机5感光面记录第二高反射镜32上不同反射点处的透射激光束4的强度，数字摄象机5与计算机7通过计算机7的通用串行总线USB端口6连接，将记录的数据传送给计算机7以计算出大气能见度。

第一高反射镜31和第二高反射镜32为高反射镜商品，例如：中国科学院上海光学精密机械研究所的HR-S-45-02型高反镜。半导体泵浦的YAG倍频激光器1为商品，例如：中国科学院长春光机所的532NM型半导体泵浦的YAG倍频激光器，数字摄象机5为普通电荷耦合CCD摄像机，例如：广州凯伦数码科技有限公司的S400型小型CCD摄像机，计算机7是使用Windows操作系统的台式机，或者笔记本电脑。

Claims (7)

1.一种大气低能见度测量的方法，该方法包含下列步骤：

多次反射池内充满待测能见度的大气；

连续激光束以小入射角投射在多次反射池的一个高反射镜上；

激光束在多次反射池中的高反射镜上以小入射角多次反射、透射；

数字摄象机感光面记录由多次反射池一个高反射镜镜面上不同反射点透射出来的、空间分离的各透射激光束强度；

对透射光强在数字摄象机感光面上极大值的空间分布进行曲线拟合，得出多次反射池中大气在入射激光波长处的能见度。

2.根据权利要求1所述的一种大气低能见度测量的方法，其特征是：高反射镜的反射率和透射率均匀。

3.根据权利要求1所述的一种大气低能见度测量的方法，其特征是：激光束是可见光波长的激光束。

4.一种实现大气低能见度测量的装置，包括多次反射池(3)、激光器(1)、数字摄象机(5)和计算机(7)，多次反射池(3)置于待测能见度的大气环境下，其中充满大气样品，其特征在于：激光器(1)设置在多次反射池(3)的外侧，使发出的激光束(2)以小入射角投射到多次反射池(3)中高反射镜(32)的镜面上，数字摄象机(5)置于多次反射池(3)中高反射镜(32)下方，数字摄象机(5)感光面与高反射镜(32)平行放置，数字摄象机(5)感光面记录透射激光束(4)的强度，数字摄象机(5)通过计算机(7)的端口(6)与计算机(7)连接，将记录的数据传送给计算机(7)以计算出大气能见度。

5.根据权利要求4所述的一种实现大气低能见度测量的装置，其特征是：多次反射池(3)由第一高反射镜(31)和第二高反射镜(32)构成，所述的两块高反射镜以镜面平行或微有倾斜的方式对面放置，所述的两块高反射镜为平面反射镜，反射率在99％以上。

6.根据权利要求4所述的一种实现大气低能见度测量的装置，其特征是：激光器(1)为半导体泵浦的YAG倍频连续激光器，输出波长532纳米。

7.根据权利要求4所述的一种实现大气低能见度测量的装置，其特征是：数字摄像机(5)为采用具有计算机接口的小型摄像机。