CN102539385B - 多波长雾霾识别方法及能见度测量方法 - Google Patents

多波长雾霾识别方法及能见度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多波长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滤光片，通过在能见度仪的光接收机前加装一组红色、绿色和蓝色滤光片，即可测量不同波长的散射光的散射分量，根据红色、绿色和蓝色三个散射分量的差别来识别是雾还是霾的散射，在确定了是雾还是霾之后，根据散射粒子的不同性质以及未经滤光的散射分量计算能见度。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，并且本发明的方法在识别小粒子造成的低能见度天气方面具有明显优势。

Description

多波长雾霾识别方法及能见度测量方法
技术领域
本发明属于大气科学领域，具体涉及一种多波长雾霾识别方法及能见度测量方法。 
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，提出本发明。 
本发明的一个目的在于提出一种多波长雾霾识别方法。 
雾与霾对光的散射和吸收性质是不一样的，由于雾的粒子尺度大于霾的粒子尺度，在可见光波段，霾的粒子尺度小于可见光波段的波长，霾的散射是瑞利散射，其散射截面和波长相关，不同的波长如：红色、绿色和蓝色，光的散射截面不同；而雾的粒子尺度大于可见光波段的波长，其散射为米散射，散射截面对波长并不敏感，只和尺度数即粒子周长与电磁波波长之比有关，基于这一特点，可以用不同波长的方法识别雾与霾。 
滤光片是一种常用的波长选择器件，通过在能见度仪的光接收机前加装一组滤光片，如：红色、绿色、蓝色和透明，即可测量不同波长的散射光强，根据红色、绿色和蓝色三个散射分量的差别来识别是雾还是霾的散射，在确定了是雾还是霾之后，根据散射粒子的不同性质计算能见度。 
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，本发明的多波长雾霾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滤光片； 
2）发射光源发出白光，经大气粒子散射，光接收机分别接收散射光经红色、绿色和蓝色滤光片滤光后的散射分量SR、SG和SB，以及未经滤光的散射分量S； 
3）分别计算红色的散射分量SR与绿色的散射分量SG的比值ηRG＝SR/SG，以及绿色的散射分量SG与蓝色的散射分量SB的比值ηGB＝SG/SB，计算比值的平均值 
Figure GDA00003056069100021
根据平均值
Figure GDA00003056069100022
的大小，将大气状况分为雾、霾以及雾霾混合三种情况，当平均值
Figure GDA00003056069100023
接近于1时，识别为雾，当平均值
Figure GDA00003056069100024
远离1时，识别为霾，当平均值
Figure GDA00003056069100025
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组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滤光片； 
2）发射光源发出白光，经大气粒子散射，光接收机分别接收散射光经红色、绿色和蓝色滤光片滤光后的散射分量SR、SG和SB，以及未经滤光的散射分量S； 
3）分别计算红色的散射分量SR与绿色的散射分量SG的比值ηRG＝SR/SG，以及绿色的 散射分量SG与蓝色的散射分量SB的比值ηGB＝SG/SB，计算比值的平均值 
Figure GDA00003056069100031
根据平均值
Figure GDA00003056069100032
的大小，将大气状况分为雾、霾以及雾霾混合三种情况，当平均值
Figure GDA00003056069100033
接近于1时，识别为雾，当平均值远离1时，识别为霾，当平均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组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滤光片，通过在能见度仪的光接收机前加装一组红色、绿色和蓝色滤光片，即可测量不同波长的散射光的散射分量，根据红色、绿色和蓝色三个散射分量的差别来识别是雾还是霾的散射，在确定了是雾还是霾之后，根据散射粒子的不同性质以及未经滤光的散射分量S计算能见度。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。如非本地源的沙尘暴等小粒子造成的低能见度天气使得散射式能见度仪测量出现较大误差，而本发明的方法在识别小粒子造成的低能见度天气方面具有明显优势。 
附图说明
图1为本发明的测量装置的结构示意图； 
图2为本发明的旋转滤波片的放大的结构示意图。 
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。 
本发明的采用的测量装置如图1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前安装滤光片4。发射光源1发出白光，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。 
本发明的多波长雾霾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滤光片； 
2）发射光源发出白光，经大气粒子散射，光接收机分别接收散射光经红色、绿色和蓝色的滤光片滤光后的散射分量SR、SG和SB，以及未经滤光的散射分量S； 
3）分别计算红色的散射分量SR与绿色的散射分量SG的比值ηRG＝SR/SG，以及绿色的散射分量SG与蓝色的散射分量SB的比值ηGB＝SG/SB，计算比值的平均值 根据平均值
Figure GDA00003056069100042
的大小，将大气状况分为雾、霾以及雾霾混合三种情况，当平均值
Figure GDA00003056069100043
接近于1时，识别为雾，当平均值
Figure GDA00003056069100044
远离1时，识别为霾，当平均值
Figure GDA00003056069100045
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尺度谱理论计算或定标确定。 
优选采用旋转滤光片，如图2所示，旋转滤光片为圆盘状，分成红色滤光片R、绿色滤光片G、蓝色滤光片B以及透明片T四个区域。通过转动旋转滤光片，光接收机分别接收散射光经红色、绿色和蓝色滤光片滤光后的散射分量SR、SG和SB，以及未经滤光的散射分量S。 
滤光片还可以采用一组叠片，散射光分别经过红色滤光片R、绿色滤光片G、蓝色滤光片B及透明片T，通过逐个滤光，光接收机分别接收散射光经红色、绿色和蓝色滤光片滤光后的散射分量SR、SG和SB，以及未经滤光的的散射分量S。 
未经滤光的散射分量S用于能见度计算，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。 
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 (6)

1.一种多波长雾霾识别方法，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滤光片； 
2）发射光源发出白光，经大气粒子散射，光接收机分别接收散射光经红色、绿色和蓝色滤光片滤光后的散射分量SR、SG和SB，以及未经滤光的散射分量S； 
3）分别计算红色的散射分量SR与绿色的散射分量SG的比值ηRG＝SR/SG，以及绿色的散射分量SG与蓝色的散射分量SB的比值ηGB＝SG/SB，计算比值的平均值
Figure FDA00003056069000011
根据平均值
Figure FDA00003056069000012
的大小，将大气状况分为雾、霾以及雾霾混合三种情况，当平均值
Figure FDA00003056069000013
接近于1时，识别为雾，当平均值
Figure FDA00003056069000014
远离1时，识别为霾，当平均值
Figure FDA00003056069000015
介于雾与霾的识别阈值之间时，识别为雾霾混合天气。 
2.如权利要求1所述的识别方法，其特征在于，雾与霾的识别阈值根据典型气溶胶尺度谱理论计算或定标确定。 
3.如权利要求1所述的识别方法，其特征在于，滤光片采用旋转滤光片，旋转滤光片为圆盘状，分成红色滤光片、绿色滤光片、蓝色滤光片以及透明片四个区域，通过转动旋转滤光片，光接收机分别接收散射光经红色、绿色和蓝色滤光片滤光后的散射分量SR、SG和SB，以及未经滤光的散射分量S。 
4.一种能见度测量方法，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滤光片； 
2）发射光源发出白光，经大气粒子散射，光接收机分别接收散射光经红色、绿色和蓝色滤光片滤光后的散射分量SR、SG和SB，以及未经滤光的散射分量S； 
3）分别计算红色的散射分量SR与绿色的散射分量SG的比值ηRG＝SR/SG，以及绿色的散射分量SG与蓝色的散射分量SB的比值
Figure FDA00003056069000016
计算比值的平均值
Figure FDA00003056069000017
根据平均值
Figure FDA00003056069000018
的大小，将大气状况分为雾、霾以及雾霾混合三种情况，当平均值
Figure FDA00003056069000019
接近于1时，识别为雾，当平均值远离1时，识别为霾，当平均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。 
5.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，雾与霾的识别阈值根据典型气溶胶尺度谱理论计算或定标确定。 
6.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，旋转滤光片为圆盘状，分成红色滤光片、绿色滤光片、蓝色滤光片以及透明片四个区域，通过转动旋转滤光片，光接收机分别接收散射光经红色、绿色和蓝色滤光片滤光后的散射分量SR、SG和SB，以及未经滤光的散射分量S。 
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