CN102539383B - 散射式能见度仪中能见度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了散射式能见度仪中雾霾识别方法及能见度测量方法。本发明在散射式能见度仪的光接收机前加装偏振片，根据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，将大气状况识别为雾、霾以及雾霾混合三种情况，然后根据识别的情况修正能见度。由于霾在形状上的非对称性，用偏振方法可以在从可见光到近红外的较大频谱范围内测量出霾的散射光的水平偏振分量和垂直偏振分量的差异，而对光接收机没有特殊的要求。本发明的方法简单有效地识别了雾与霾，然后根据雾与霾的差异分别推算消光系数，从而能够准确地计算出能见度，有效地提高了能见度观测的精度。本发明采用偏振方法识别雾与霾，识别容易、实施方便。
Description
技术领域
本发明属于大气科学领域，具体涉及散射式能见度仪中雾与霾的识别方法及能见度的测量方法。
背景技术
能见度的观测一直是天气观测中重要的组成部分，和人们的日常生活息息相关。它在环境、航海、航空以及其他建设和交通运输领域起着尤为重要的作用。机场和高速公路附近能见度的测量，是一个急需解决的问题。特别是在能见度较低的情况下，能见度测量的不准确性有可能导致严重的事故。如何提高能见度观测的准确性，是亟待解决的问题。
目前常见的能见度仪有透射式能见度仪和散射式能见度仪，由于透射式能见度仪需要较长的光学路径(50米)，在应用中受到较多限制，而散射式能见度仪占用空间小，使用方便，在气象、交通等领域得到广泛应用。一般气象上所用的能见度测量仪器都是基于著名的柯什密特(Koschmieder)能见度公式L＝3.91/σ，由测得的消光系数σ计算出能见度L的值。
目前广泛使用的散射式能见度仪，通过测量光源(通常为红外光)照射偏正前方约33度方向的散射光强，然后推算出消光系数σ，从而计算大气能见度。
近地面层大气中影响能见度的粒子可分为雾滴(即雾)和气溶胶(即霾)两类。粒子的折射率包括实部和虚部，分别对应消光的散射和吸收。然而，雾与霾的折射率具有显著差异，因此雾与霾对光的散射和吸收性质是不一样的，两者的消光系数对于散射光强度的依赖也是不一样的。而现有的能见度仪一般只能用一种算法，根据接收到的散射光强度推算出大气的消光系数，从而计算出能见度。那么无论是根据雾滴还是气溶胶模型作出仪器标定，在另一种情况下都有可能造成较大的误差。因此，雾与霾的识别在提高散射式能见度仪测量精度方面尤为重要。
利用雾天相对湿度大的特点，通过测量相对湿度是一种识别雾天的方法，当相对湿度达到某个阈值时，就按照雾计算能见度，否则，就按霾计算能见度。然而，相对湿度大的天气未必就是雾天，因此，这个办法并不总是有效。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出一种让散射式能见度仪能够直接识别是雾 还是霾，然后根据不同的识别结果使用不同的算法来推算消光系数，从而解决上述的能见度测量误差的问题。
本发明的一个目的在于提出一种散射式能见度仪中雾与霾的识别方法。
雾与霾在形状上有明显差别，雾滴为球形粒子，而气溶胶粒子在形状上呈非对称性，因此，雾与霾的散射光的偏振度存在显著差别。偏振度是一个比较容易测量的量，通过在散射式能见度仪的光接收机前加装一个偏振片，测量散射光的平行于观测平面和垂直于观测平面两个方向的偏振分量，根据这两个偏振分量的差别识别是雾还是霾的散射，然后，根据散射粒子的不同性质推导消光系数σ，从而计算能见度L。
本发明采用的散射式能见度仪包括发射光源、光接收机和能见度计算单元，本发明的散射式能见度仪中雾与霾的识别方法包括以下步骤：
1)在散射式能见度仪的光接收机前加装偏振片；
2)发射光源发出白光，经大气粒子散射，通过调整偏振片的方向，光接收机分别接收散射光的平行偏振分量和垂直偏振分量；
3)能见度计算单元计算平行偏振分量与垂直偏振分量的比值，根据比值的大小，将大气状况分为雾、霾以及雾霾混合三种情况，当比值接近于1时，识别为雾，当比值远离1时，识别为霾，当比值介于雾与霾的识别阈值之间时，识别为雾霾混合天气，具体的雾与霾的识别阈值可根据典型气溶胶的组成成分理论计算或定标确定。
本发明的另一个目的在于提供一种能见度的测量方法。
本发明采用的散射式能见度仪包括发射光源、光接收机和能见度计算单元，本发明的能见度测量方法包括以下步骤：
1)在散射式能见度仪的光接收机前加装偏振片；
2)发射光源发出白光，经大气粒子散射，通过调整偏振片的方向，光接收机分别接收散射光的平行偏振分量和垂直偏振分量；
3)能见度计算单元计算平行偏振分量与垂直偏振分量的比值，根据比值的大小，将大气状况分为雾、霾以及雾霾混合三种情况，当比值接近于1时，识别为雾，当比值远离1时，识别为霾，当比值介于雾与霾的识别阈值之间时，识别为雾霾混合天气，具体的雾与霾的识别阈值可根据典型气溶胶的组成成分理论计算或定标确定；
4)在理论上分别建立雾和霾的散射和消光系数之间的关系，当识别为雾时，用雾的散射推导消光系数计算能见度，当识别为霾时，用霾的散射推导消光系数计算能见度， 当识别为雾霾混合时，则根据比值偏离纯雾的程度修正能见度。
本发明的有益效果：
本发明在散射式能见度仪的光接收机前加装偏振片，根据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，将大气状况识别为雾、霾以及雾霾混合三种情况，然后根据识别的情况修正能见度。由于霾在形状上的非对称性，用偏振方法可以在从可见光到近红外的较大频谱范围内测量出霾的散射光的平行偏振分量和垂直偏振分量的差异，而对光接收机没有特殊的要求。本发明的方法简单有效地识别了雾与霾，然后根据雾与霾的差异分别推算消光系数，从而能够准确地计算出能见度，有效地提高了能见度观测的精度。本发明采用偏振方法识别雾与霾，识别容易、实施方便。
附图说明
图1为雾的散射光的平行偏振分量与垂直偏振分量对应的能见度的拟合图；
图2为霾的散射光的平行偏振分量与垂直偏振分量对应的能见度的拟合图；
图3为本发明的散射式能见度仪中雾与霾的识别方法的测量装置的示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图详描述本发明的实施方式。
加湿器用超声可产生粒径在5微米左右的人造雾，在散射式能见度仪上加装偏振片后，可测出散射光的平行和垂直偏振分量对应的能见度，如图1所示，由于雾为对称球形，平行偏振分量和垂直偏振分量对应的能见度基本相同。而对于用纸、烛、木、碳等燃烧产生的气溶胶，其散射光的平行偏振分量和垂直偏振分量有明显差别，用散射式能见度仪计算出的能见度也明显不同，如图2所示。
本发明采用的测量装置如图3所示，散射式能见度仪包括发射光源1、光接收机2和能见度计算单元3。在光接收机2前安装偏振片4。发射光源1发射白光，经过大气粒子5散射，光接收机2接收散射光每半秒钟采集一次数据。光接收机2所采集的数据经过能见度计算单元3的计算，以能见度L的形式输出于屏幕上。
本发明的散射式能见度仪中雾与霾的识别方法包括以下步骤：
1)在散射式能见度仪的光接收机前加装偏振片；
2)发射光源发出白光，经大气粒子散射，通过调整偏振片的方向，光接收机分别接收散射光的平行偏振分量和垂直偏振分量；
3)计算平行偏振分量与垂直偏振分量的比值，根据比值的大小，将大气状况分为雾、霾以及雾霾混合三种情况，当比值接近于1时，识别为雾，当比值远离1(如小于0.8或大于1.2)时，识别为霾，当比值介于雾与霾的识别阈值之间时，识别为雾霾混合天气，具体的雾与霾的识别阈值可根据典型气溶胶的组成成分理论计算或定标确定。
理论上，识别阈值与气溶胶的组成成分、大小、取向、发射光源的频谱以及光接收机对光谱的响应函数等有关，实际计算很难，比较可行的办法是在实验室里产生人造纯雾和人造霾，测量两种情况下的平行偏振分量与垂直偏振分量的比值，从而定标确定雾与霾的识别阈值。此后，只要保证光源和光接收器件的一致性，这个阈值就可以沿用。
超声雾化式加湿器产生人造雾，最大加湿量≥250ml/h。使用废纸、蜡烛、蚊香、煤炭等混合燃烧产生人造霾。
识别了雾与霾即可用于能见度的修正，首先在理论上分别建立雾和霾(可采用城市型气溶胶模型)的散射和消光系数之间的关系，当识别为雾时，用雾的散射推导消光系数计算能见度，当识别为霾时，用霾的散射推导消光系数计算能见度，当识别为雾霾混合时，则根据比值偏离纯雾的程度修正能见度。
对偏振片没有特殊要求，关键是要能得到两个分量。偏振片的方向由人工调整，更好的办法是用电机带动偏振片旋转，分别取平行和垂直偏振分量即可。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (5)
1.一种能见度的测量方法，采用的散射式能见度仪包括发射光源、光接收机和能见度计算单元，其特征在于，包括以下步骤：
1）在散射式能见度仪的光接收机前加装偏振片；
2）发射光源发出白光，经大气粒子散射，通过调整偏振片的方向，光接收机分别接收散射光的平行偏振分量和垂直偏振分量；
3）能见度计算单元计算平行偏振分量与垂直偏振分量的比值，根据比值的大小，将大气状况分为雾、霾以及雾霾混合三种情况，当比值接近于1时，识别为雾，当比值远离1时，识别为霾，当比值介于雾与霾的识别阈值之间时，识别为雾霾混合天气；
4）在理论上分别建立雾和霾的散射和消光系数之间的关系，当识别为雾时，用雾的散射推导消光系数计算能见度，当识别为霾时，用霾的散射推导消光系数计算能见度，当识别为雾霾混合时，则根据比值偏离纯雾的程度修正能见度。
2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，在步骤3）中雾与霾的识别阈值根据典型气溶胶的组成成分理论计算或定标确定。
3.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，产生人造纯雾和人造霾，实际测量两种情况下的平行偏振分量与垂直偏振分量的比值，从而定标确定雾与霾的识别阈值。
4.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，超声雾化式加湿器产生人造雾，使用废纸、蜡烛、蚊香、煤炭混合燃烧产生人造霾。
5.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，偏振片的方向采用电机带动偏振片旋转，分别取平行和垂直偏振分量。
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