CN103424379B - 大气能见度测量装置及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大气能见度测量装置及其测量方法。装置包括CCD摄像部件和与其电连接的微型计算机(8)，特别是测量装置还含有半导体激光器(1)，CCD摄像部件为CCD工业相机(5)，半导体激光器(1)与CCD工业相机(5)的间距为3～6m，半导体激光器(1)的出射光束方向(2)与CCD工业相机(5)的接收光轴(9)之间呈8～12度的夹角。方法为先分别获取无激光的背景图像和有激光的测试图像，再从测试图像中减除背景图像，得到散射光数据Is(θ)，接着，将散射光数据Is(θ)代入能见度L计算公式中计算，式中的g为不对称因子，取值为0.4～1、K为仪器常数，取值为8000～12000、θ为散射角，取值为8～42度，得到大气能见度值。它可广泛用于高精度大气能见度测量。

Description

大气能见度测量装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及一种能见度测量装置及测量方法，尤其是一种大气能见度测量装置及其测量方法。
背景技术
能见度是一个重要的气象观测要素，对其值的测报可用于气象部门的天气分析，更可广泛地用于航空、航海、高速公路等交通运输部门、军事以及环境监测等领域。早期的气象部门使用传统上的目测法来观测能见度，这种方法受观测人员生理、心理因素的影响，具有较大的主观性并且观察范围有限，尤为夜间观测的精度难以保证。近期，为解决这一问题，人们作了一些尝试和努力，如在“利用数字CCD摄像头测量能见度实验及结论”(首届长三角科技论坛——气象科技发展论坛论文集，高超等，2004年)一文第541～543页公开了一种摄像能见度仪的测量原理和特点。该文中提及的摄像能见度仪主要由目标物、摄像系统和PC机三部分组成；其中，摄像系统的主体为一分辨率为811×508象素、最小光照度为0.81x的CCD摄像头，PC机主要负责图像的存储、摄像机的控制和数据的处理，目标物为白天用的不发光黑体和夜间灯光目标物。测量时，通过分析CCD摄像头获取的数字图像的特征，如亮度、功率谱等，来确定能见度的量值。但是，这种摄像能见度仪虽有着结构简单、安装简便、造价低，适于小台站和海岛站台使用的特点，却也存在着欠缺之处，首先，能见度小于2000米的测量误差为10％左右，而当能见度大于2000米时，则有着高达30％左右的误差；其次，选择的光源白天为自然光、夜间为灯光，这极易于受到干扰而降低能见度测量的精确度；再次，随着能见度测量距离的增大，目标物需放置于相应距离处，增加了测量的难度。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的欠缺之处，提供一种结构简单、合理，测量精度高的大气能见度测量装置。
本发明要解决的另一个技术问题为提供一种上述大气能见度测量装置的测量方法。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：大气能见度测量装置包括CCD摄像部件和与其电连接的微型计算机，特别是，
所述测量装置还含有半导体激光器；
所述CCD摄像部件为CCD工业相机；
所述半导体激光器与所述CCD工业相机的间距为3～6m，半导体激光器的出射光束方向与CCD工业相机的接收光轴之间呈8～12度的夹角。
作为大气能见度测量装置的进一步改进，所述的半导体激光器的输出波长为550nm、光束直径为3mm、发散角为0.5mrad；所述的半导体激光器位于第二调整架之上；所述的第二调整架为带有仰俯角调节、水平方向360度调节的三维调整架；所述的CCD工业相机的模数转换位数为14位、量子效率的曲线顶点为450～550nm；所述的CCD工业相机位于第一调整架之上；所述的第一调整架为带有仰俯角调节、水平方向360度调节的三维调整架；所述的CCD工业相机的输出端经网线与微型计算机的千兆网口电连接。
为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为：上述大气能见度测量装置的测量方法为，
步骤1，先分别获取无激光的背景图像和有激光的测试图像，再从测试图像中减除背景图像，得到散射光数据Is(θ)；
步骤2，将散射光数据Is(θ)代入能见度L计算公式中计算，式中的g为不对称因子，取值为0.4～1、K为仪器常数，取值为8000～12000、θ为散射角，取值为8～42度，得到大气能见度值。
作为大气能见度测量装置的测量方法的进一步改进，所述的g的取值为0.7，K的取值为10000，θ的取值为33度。
相对于现有技术的有益效果是，其一，采用在CCD摄像部件和与其电连接的微型计算机的基础上，将光源设定为半导体激光器、CCD摄像部件为CCD工业相机，且使半导体激光器与CCD工业相机的间距为3～6m，半导体激光器的出射光束方向与CCD工业相机的接收光轴之间呈8～12度的夹角的技术方案，使其既结构简单、合理，又由于作为光源的激光具有非常小的发散角和极强的光强，极利于产生较强的大气散射光，以及具有较大张角的CCD工业相机能够观测连续角度的散射光，便于由其来计算散射相函数，再加上测量距离的确定性而使测量的精度得到了极大的提高，还因光源的惟一性而杜绝了干扰，进一步地提升了测量的精度，更避免了长距离测量时，需远距离设置目标物的困难，降低了测量的难度。其二，测量方法科学、有效，不仅经由大量的试验摸索出了能见度计算公式，还确定了公式中仪器常数和散射角的取值范围，其中，仪器常数的取值与CCD工业相机镜头的光圈数成正比，散射角的取值基于CCD工业相机的张角为0～30度；将测量结果经与现有的多种高精度能见度测量设备于同等条件之下测定的结果相比，其测量精度略高一点。
作为有益效果的进一步体现，一是优选半导体激光器的输出波长为550nm、光束直径为3mm、发散角为0.5mrad，利于确保测量的精度。二是优选半导体激光器位于第二调整架之上，第二调整架优选为带有仰俯角调节、水平方向360度调节的三维调整架，便于半导体激光器出射光束方向的调节。三是优选CCD工业相机的模数转换位数为14位、量子效率的曲线顶点为450～550nm，保证了足够的测量精度。四是优选CCD工业相机位于第一调整架之上，第一调整架优选为带有仰俯角调节、水平方向360度调节的三维调整架，便于CCD工业相机接收光轴的调节。五是优选CCD工业相机的输出端经网线与微型计算机的千兆网口电连接，利于测量的进行。六是g的取值优选为0.7，K的取值优选为10000，θ的取值优选为33度，均利于获得较高的测量精度。
附图说明
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
图1是本发明的一种基本结构示意图。
具体实施方式
参见图1，大气能见度测量装置的构成如下：半导体激光器1与CCD工业相机5的间距为5(可为3～6)m；其中，半导体激光器1的输出波长为550nm、光束直径为3mm、发散角为0.5mrad，半导体激光器1位于第二调整架10之上，第二调整架10为带有仰俯角调节、水平方向360度调节的三维调整架，CCD工业相机5的模数转换位数为14位、量子效率的曲线顶点为500(可为450～550)nm，CCD工业相机5位于第一调整架6之上，第一调整架6为带有仰俯角调节、水平方向360度调节的三维调整架。
半导体激光器1的出射光束方向2与CCD工业相机5的接收光轴9之间呈10(可为8～12)度的夹角。CCD工业相机5的输出端经网线7与微型计算机8的千兆网口电连接。
测量时，先打开CCD工业相机5，由其获取无激光的背景图像。再开启半导体激光器1，由CCD工业相机5获取有激光的测试图像；有激光的测试图像为在背景图像的基础上，增加有位于半导体激光器1出射光束方向2上的气溶胶3被照射后而产生的被CCD工业相机5捕获的散射光4。
之后，先由微型计算机8从测试图像中减除背景图像，得到散射光数据Is(θ)；再将散射光数据Is(θ)代入能见度L计算公式中计算，式中的g为不对称因子，取值为0.7(可为0.4～1)、K为仪器常数，取值为10000(可为8000～12000)、θ为散射角，取值为33(可为8～42)度，得到大气能见度值。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的大气能见度测量装置及其测量方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种大气能见度测量装置，包括CCD摄像部件和与其电连接的微型计算机(8)，其特征在于：
所述测量装置还含有半导体激光器(1)；
所述CCD摄像部件为CCD工业相机(5)；
所述半导体激光器(1)与所述CCD工业相机(5)的间距为3～6m，半导体激光器(1)的出射光束方向(2)与CCD工业相机(5)的接收光轴(9)之间呈8～12度的夹角。
2.根据权利要求1所述的大气能见度测量装置，其特征是半导体激光器(1)的输出波长为550nm、光束直径为3mm、发散角为0.5mrad。
3.根据权利要求2所述的大气能见度测量装置，其特征是半导体激光器(1)位于第二调整架(10)之上。
4.根据权利要求3所述的大气能见度测量装置，其特征是第二调整架(10)为带有仰俯角调节、水平方向360度调节的三维调整架。
5.根据权利要求1所述的大气能见度测量装置，其特征是CCD工业相机(5)的模数转换位数为14位、量子效率的曲线顶点为450～550nm。
6.根据权利要求5所述的大气能见度测量装置，其特征是CCD工业相机(5)位于第一调整架(6)之上。
7.根据权利要求6所述的大气能见度测量装置，其特征是第一调整架(6)为带有仰俯角调节、水平方向360度调节的三维调整架。
8.根据权利要求1所述的大气能见度测量装置，其特征是CCD工业相机(5)的输出端经网线(7)与微型计算机(8)的千兆网口电连接。
9.一种权利要求1所述大气能见度测量装置的测量方法，其特征在于：
步骤1，先分别获取无激光的背景图像和有激光的测试图像，再从测试图像中减除背景图像，得到散射光数据Is(θ)；
步骤2，将散射光数据Is(θ)代入能见度L计算公式中计算，式中的g为不对称因子，取值为0.4～1、K为仪器常数，取值为8000～12000、θ为散射角，取值为8～42度，得到大气能见度值。
10.根据权利要求9所述的大气能见度测量装置的测量方法，其特征是g的取值为0.7，K的取值为10000，θ的取值为33度。
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