CN107807366B - 一种大气能见度的计算方法、装置、雷达及系统 - Google Patents

一种大气能见度的计算方法、装置、雷达及系统 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种大气能见度的计算方法、装置、雷达及系统，通过在计算出初始大气消光系数时，利用预先从太阳光度计或粒子谱仪获得的反映大气消光系数随激光光束波长变化关系的埃波长指数，对该初始大气消光系数进行修正处理，可以将波长偏离550nm激光光束较远的能见度激光雷达自身激光光束所对应的初始大气消光系数进行转换，从而获得近似于波长为550nm的激光光束所对应的大气消光系数的大气修正消光系数，进而在将大气修正消光系数代入现有的能见度计算公式计算探测区域的能见度值时，可以确保能见度计算公式与大气修正消光系数的高度匹配，以降低能见度值的误差率，达到提高能见度值准确度的目的。

Description

一种大气能见度的计算方法、装置、雷达及系统
技术领域
本发明涉及环境监测技术领域，更具体的说，是涉及一种大气能见度的计算方法、装置、雷达及系统。
背景技术
能见度是表征地表附近空气污染程度的重要物理量，其大小可以直观的反应出一个地区的环境质量，故大气能见度的测量与人们的日常生活息息相关。
目前，通常采用的测量大气能见度的手段主要利用能见度测量仪来实现对大气能见度的准确测量，其中，能见度激光雷达由于具有测量方位多、测量范围广等特点，故成为能见度测量仪中较常用的一种测量仪器。而能见度激光雷达测量大气能见度的过程主要包括：在向探测区域发射激光光束进行探测后，会接收到由探测区域返回的回波信号，进而利用回波信号获取到该能见度激光雷达的探测功率，再结合反演法得到大气消光系数，从而利用能见度计算公式，计算出探测区域的能见度值。
然而，能见度计算公式中所规定使用的大气消光系数为对应波长为550nm的激光光束的消光系数，但采用现有的能见度计算方法时，能见度激光雷达所产生的激光光束为波长偏离550nm较远的光束，进而导致计算出来的大气消光系数与现有的能见度计算公式的匹配度较低，增大了能见度值的误差率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种大气能见度的计算方法、装置、雷达及系统，提高了大气消光系数与现有的能见度计算公式的匹配度，进而缩减了能见度值的误差率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种大气能见度的计算方法，包括：
在接收到回波信号时，利用所述回波信号，获取能见度激光雷达的探测功率；
利用反演法和所述能见度激光雷达的探测功率，计算出初始大气消光系数；
利用埃波长指数对所述初始大气消光系数进行修正，计算出大气修正消光系数，其中，所述埃波长指数预先从太阳光度计或粒子谱仪获得；
将所述大气修正消光系数代入能见度计算公式，获得能见度值。
优选地，所述利用反演法和所述能见度激光雷达的探测功率，计算出初始大气消光系数，包括：
利用所述反演法对所述回波信号进行反演计算，计算出后向散射系数与所述初始大气消光系数的指数关系式；
将所述指数关系式代入第一功率计算公式进行变量替换，获得第二功率计算公式；
将所述能见度激光雷达的探测功率代入所述第二功率计算公式，计算出所述初始大气消光系数。
优选地，所述利用埃波长指数对所述初始大气消光系数进行修正，计算出大气修正消光系数，包括：
将所述埃波长指数代入波长系数转换公式中，计算出波长转换系数；
将所述波长转换系数与所述初始大气消光系数相乘，计算出所述大气修正消光系数。
优选地，所述在将所述埃波长指数代入波长系数转换公式中，计算出波长转换系数之前，包括：
判断所述埃波长指数是否存在；
若所述埃波长指数存在，执行所述将所述埃波长指数代入波长系数转换公式中，计算出波长转换系数这一步骤；
若所述埃波长指数不存在，将替补埃波长指数代入替补波长系数转换公式中，计算出替补波长转换系数，作为所述波长转换系数，并执行所述将所述波长转换系数与所述初始大气消光系数相乘，计算出所述大气修正消光系数这一步骤，其中，所述替补埃波长指数预先从太阳光度计或粒子谱仪获得。
优选地，所述埃波长指数预先从所述太阳光度计或粒子谱仪获得的具体过程，包括：
接收所述太阳光度计或粒子谱仪获得的当前埃波长指数；
判断所述埃波长指数是否存在；
若所述埃波长指数存在，判断所述埃波长指数与接收到的所述当前埃波长指数是否相同；
若所述埃波长指数与所述当前埃波长指数不相同，将所述当前埃波长指数确定为所述埃波长指数；
若所述埃波长指数不存在，将所述当前埃波长指数确定为所述埃波长指数。
一种大气能见度的计算装置，包括：
功率计算模块，用于在接收到回波信号时，利用所述回波信号，获取能见度激光雷达的探测功率；
第一大气消光系数计算模块，用于利用反演法和所述能见度激光雷达的探测功率，计算出初始大气消光系数；
修正模块，用于利用埃波长指数对所述初始大气消光系数进行修正，计算出大气修正消光系数，其中，所述埃波长指数预先从太阳光度计或粒子谱仪获得；
能见度计算模块，用于将所述大气修正消光系数代入能见度计算公式，获得能见度值。
优选地，所述修正模块，包括：
系数转换模块，用于将所述埃波长指数代入波长系数转换公式中，计算出波长转换系数；
第二大气消光系数计算模块，用于将所述波长转换系数与所述初始大气消光系数相乘，计算出所述大气修正消光系数。
一种雷达，包括存储器和处理器；
所述存储器，用于存储程序；
所述处理器，用于处理所述程序，其中，所述程序包括：
在接收到回波信号时，利用所述回波信号，获取能见度激光雷达的探测功率；
利用反演法和所述能见度激光雷达的探测功率，计算出初始大气消光系数；
利用埃波长指数对所述初始大气消光系数进行修正，计算出大气修正消光系数，其中，所述埃波长指数预先从太阳光度计或粒子谱仪获得；
将所述大气修正消光系数代入能见度计算公式，获得能见度值。
一种大气能见度的计算系统，包括：
太阳光度计和雷达；
所述太阳光度计，用于计算所述埃波长指数，并发送所述埃波长指数到所述雷达；
所述雷达，用于接收所述太阳光度计发送的所述埃波长指数；在接收到回波信号时，利用所述回波信号，获取能见度激光雷达的探测功率，利用反演法和所述能见度激光雷达的探测功率，计算出初始大气消光系数，利用埃波长指数对所述初始大气消光系数进行修正，计算出大气修正消光系数，其中，所述埃波长指数预先从太阳光度计获得，将所述大气修正消光系数代入能见度计算公式，获得能见度值。
优选地，所述太阳光度计计算所述埃波长指数，具体用于：
获取目标辐射值，所述目标辐射值包括太阳的直接辐射值和不同角度的天空辐射值；
利用Skyrad算法对所述目标辐射值进行计算，获得第一换算关系式，所述第一换算关系式为大气气溶胶体积半径与粒径之间的换算关系式；
利用Mie散射算法对所述第一换算关系式进行变量替换，获得第二换算关系式，所述第二换算关系式为散射消光效率因子与大气气溶胶消光系数之间的换算关系式；
将第一目标波长和第二目标波长各自代入散射消光效率因子计算公式，计算出第一散射消光效率因子和第二散射消光效率因子，其中，所述第一目标波长为能见度激光雷达的波长，所述第二目标波长为能见度计算公式中所定义使用的波长；
将所述第一散射消光效率因子和第二散射消光效率因子各自代入所述第二换算关系式，计算出第一大气气溶胶消光系数和第二大气气溶胶消光系数；
将所述第一目标波长、第二目标波长、第一大气气溶胶消光系数和第二大气气溶胶消光系数代入埃波长指数计算公式，计算出所述埃波长指数。
一种大气能见度的计算系统，包括：
粒子谱仪和雷达；
所述粒子谱仪，用于计算所述埃波长指数，并发送所述埃波长指数到所述雷达；
所述雷达，用于接收所述粒子谱仪发送的所述埃波长指数；在接收到回波信号时，利用所述回波信号，获取能见度激光雷达的探测功率，利用反演法和所述能见度激光雷达的探测功率，计算出初始大气消光系数，利用埃波长指数对所述初始大气消光系数进行修正，计算出大气修正消光系数，其中，所述埃波长指数预先从粒子谱仪获得，将所述大气修正消光系数代入能见度计算公式，获得能见度值。
优选地，所述粒子谱仪计算所述埃波长指数，具体用于：
对大气进行测量，获得第一换算关系式，所述第一换算关系式为大气气溶胶体积半径与粒径之间的换算关系式；
利用Mie散射算法对所述第一换算关系式进行变量替换，获得第二换算关系式，所述第二换算关系式为散射消光效率因子与大气气溶胶消光系数之间的换算关系式；
将第一目标波长和第二目标波长各自代入散射消光效率因子计算公式，计算出第一散射消光效率因子和第二散射消光效率因子，其中，所述第一目标波长为能见度激光雷达的波长，所述第二目标波长为能见度计算公式中所定义使用的波长；
将所述第一散射消光效率因子和第二散射消光效率因子各自代入所述第二换算关系式，计算出第一大气气溶胶消光系数和第二大气气溶胶消光系数；
将所述第一目标波长、第二目标波长、第一大气气溶胶消光系数和第二大气气溶胶消光系数代入埃波长指数计算公式，计算出所述埃波长指数。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种大气能见度的计算方法、装置、雷达及系统，通过在计算出初始大气消光系数时，利用预先从太阳光度计或粒子谱仪获得的反映大气消光系数随激光光束波长变化关系的埃波长指数，对该初始大气消光系数进行修正处理，可以将波长偏离550nm激光光束较远的能见度激光雷达自身激光光束所对应的初始大气消光系数进行转换，从而获得近似于波长为550nm的激光光束所对应的大气消光系数的大气修正消光系数，进而在将大气修正消光系数代入现有的能见度计算公式计算探测区域的能见度值时，可以确保能见度计算公式与大气修正消光系数的高度匹配，以降低能见度值的误差率，达到提高能见度值准确度的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种大气能见度的计算方法的方法流程图；
图2为本发明实施例提供的一种初始大气消光系数的计算方法的方法流程图；
图3为本发明实施例提供的一种大气修正消光系数的计算方法的方法流程图；
图4为本发明实施例提供的另一种大气修正消光系数的计算方法的方法流程图；
图5为本发明实施例提供的一种埃波长指数的获取方法的方法流程图；
图6为本发明实施例提供的一种大气能见度的计算装置的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种大气修正消光系数的计算装置的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种雷达的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的一种大气能见度的计算系统的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的另一种大气能见度的计算系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种大气能见度的计算方法，请参见附图1，所述方法具体包括以下步骤：
S101：在接收到回波信号时，利用所述回波信号，获取能见度激光雷达的探测功率；
具体的，在利用能见度激光雷达探测大气的能见度值的过程中，能见度激光雷达通常发射自身的激光光束到所需探测的探测区域处，此时，探测区域会在接收到激光光束之后，产生反射与散射，从而使能见度激光雷达接收到一个回波信号，以便利用该回波信号获取能见度激光雷达的探测功率。
获取能见度激光雷达的探测功率的方法本方案并不限定，可以是将接收到的回波信号依次进行信号转换、信号采集和数据处理后得到能见度激光雷达的探测功率。
S102：利用反演法和所述能见度激光雷达的探测功率，计算出初始大气消光系数；
具体的，在利用能见度激光雷达的探测功率计算初始大气消光系数的过程中，可能还存在其他未知计算量，从而导致无法准确求解出初始大气消光系数，因此，需要利用反演法来获得初始大气消光系数计算过程中所必须的一个或多个未知计算量，再结合能见度激光雷达的探测功率，求解出初始大气消光系数。
本发明实施例所涉及到的反演法可以为Klett反演法、Fernald反演法等其中的任意一种。
S103：利用埃波长指数对所述初始大气消光系数进行修正，计算出大气修正消光系数，其中，所述埃波长指数预先从太阳光度计或粒子谱仪获得；
具体的，大气气溶胶一般指悬浮于大气中的各种液态和固态粒子,粒径范围从0.001μm到10μm，是导致大气能见度高低的主要因素，埃波长指数则能够反映出气溶胶中粒子谱分布，而大气消光系数随激光光束波长的变化关系又与大气中气溶胶所含粒子的微物理特性和光学特性相关，也就是说，大气消光系数随激光光束波长的变化关系与埃波长指数相关。因此，选择埃波长指数对初始大气消光系数进行消光系数修正，既能够使计算出的大气修正消光系数更贴合探测区域的实际大气情况，实现因地制宜的波长修正，又确保了修正后的大气修正消光系数更近似于波长为550nm的激光光束的大气消光系数，从而在后续将大气修正消光系数代入现有的能见度计算公式计算探测区域的能见度值时，提高能见度计算公式与大气修正消光系数的匹配精度。
埃波长指数是由太阳光度计或粒子谱仪计算获得的，并预先存入能见度激光雷达中，以便在计算大气的能见度值时，及时参与消光系数的修正操作。
S104：将所述大气修正消光系数代入能见度计算公式，获得能见度值；
具体的，能见度计算公式中所定义使用的自变量是波长为550nm的激光光束所对应的大气消光系数，故将修正后数值近似于550nm波长的激光光束所对应大气消光系数的大气修正消光系数代入能见度计算公式所计算出的能见度值与该能见度计算公式的匹配度更高，从而降低了能见度值的误差率，使其更能真实地反映出探测区域当前的环境变化。
其中，能见度计算公式为：
V＝-lnK/σ
其中，V为能见度值，σ为大气消光系数，K为人眼的对比度阈值。
本发明提供了一种大气能见度的计算方法，通过在计算出初始大气消光系数时，利用预先从太阳光度计或粒子谱仪获得的反映大气消光系数随激光光束波长变化关系的埃波长指数，对该初始大气消光系数进行修正处理，可以将波长偏离550nm激光光束较远的能见度激光雷达自身激光光束所对应的初始大气消光系数进行转换，从而获得近似于波长为550nm的激光光束所对应的大气消光系数的大气修正消光系数，进而在将大气修正消光系数代入现有的能见度计算公式计算探测区域的能见度值时，可以确保能见度计算公式与大气修正消光系数的高度匹配，以降低能见度值的误差率，达到提高能见度值准确度的目的。
请参见图2，在上述图1所对应实施例中的S102的具体实现过程包括以下步骤：
S201：利用所述反演法对所述回波信号进行反演计算，计算出后向散射系数与所述初始大气消光系数的指数关系式；
举例说明，接收到“回波信号A”后，利用“Klett反演法”对“回波信号A”进行反演计算，从而得到后向散射系数与所述初始大气消光系数的指数关系式：
β＝constσk
其中，β为后向散射系数，σ为初始大气消光系数，K为取值在0.67-1之间的任一常数。
S202：将所述指数关系式代入第一功率计算公式进行变量替换，获得第二功率计算公式；
具体的，第一功率计算公式是表示能见度激光雷达的探测功率与初始大气消光系数之间相等关系的一个等式，故可以将S101中获取到的能见度激光雷达的探测功率作为已知变量，来求解出该第一功率计算公式中的另一未知变量初始大气消光系数。然而，在计算过程中，第一功率计算公式中包含着的后向散射系数也为未知变量，此时，为了顺利求解出初始大气消光系数，需要对后向散射系数进行如上述S201的反演计算，从而得到后向散射系数与所述初始大气消光系数的指数关系式，以便对第一功率计算公式进行后向散射系数的变量替换，从而得到只存在唯一的未知变量，即初始大气消光系数的第二功率计算公式。
举例说明，后向散射系数与所述初始大气消光系数的指数关系式为β＝constσk，第一功率计算公式为
Figure BDA0001450809530000091
则将后向散射系数与所述初始大气消光系数的指数关系式β＝constσk代入第一功率计算公式
Figure BDA0001450809530000092
从而得到第二功率计算公式：
Figure BDA0001450809530000093
其中，P(λ,r)为能见度激光雷达的探测功率，x为探测区域与能见度激光雷达的激光光源之间的距离，r为探测区域与能见度激光雷达的激光光源之间的最大距离，A为能见度激光雷达的仪器常数，λ为能见度激光雷达激光光束的波长，β为后向散射系数，σ为初始大气消光系数，K为取值在0.67-1之间的任一常数。
S203：将所述能见度激光雷达的探测功率代入所述第二功率计算公式，计算出所述初始大气消光系数；
具体的，由于S101中获取到的能见度激光雷达的探测功率为已知量，故可以直接将其代入第二功率计算公式求解出初始大气消光系数。
本发明实施例中，通过将利用反演法计算出的后向散射系数与所述初始大气消光系数的指数关系式代入第一功率计算公式，可以得到进行了变量替换后只包含初始大气消光系数这一唯一未知变量的第二功率计算公式，为后续顺利求解出初始大气消光系数提供计算依据，同时，在初始大气消光系数的计算过程中引入反演法对后向散射系数与初始大气消光系数的指数关系式进行反演计算，能够进一步确保求解结果初始大气消光系数的准确度。
在准确计算出初始大气消光系数后，如何准确对该初始大气消光系数进行修正处理，计算出大气修正消光系数，是对于获得精准能见度值比较重要的一步。因此，如何准确对该初始大气消光系数进行修正处理，计算出大气修正消光系数是本方案所关注的一个重点。
故针对上述图1所对应实施例中的S103，如图3所示，本发明实施例公开了一种大气修正消光系数的计算方法，所述方法具体包括以下步骤：
S301：将所述埃波长指数代入波长系数转换公式中，计算出波长转换系数；
具体的，埃波长指数可以预先从太阳光度计或粒子谱仪获得；当埃波长指数预先从太阳光度计获得时，主要是从依据太阳光度计测得的太阳某一时段的直接辐射值和不同角度的天空辐射值，并结合Skyrad算法所计算得到多个不同波长对应的气溶胶消光系数中，分别选取出与550nm波长最接近的1个波长所对应的气溶胶消光系数，以及波长与能见度激光雷达激光光束的波长最接近的1个波长所对应的气溶胶消光系数，令两者共同进行计算而获得的，从而使得埃波长指数可以准确反映出大气消光系数随激光光束波长变化的关系，提高了后续利用埃波长指数进行修正所得的大气修正消光系数与550nm波长的激光光束所对应大气消光系数的相似程度，进而提高能见度值的准确度。
当埃波长指数预先从粒子谱仪获得时，主要是利用粒子谱仪对当前需要计算能见度的大气进行测量，进而获得多个不同波长对应的气溶胶消光系数，之后分别选取出与550nm波长最接近的1个波长所对应的气溶胶消光系数，以及波长与能见度激光雷达激光光束的波长最接近的1个波长所对应的气溶胶消光系数，令两者共同进行计算而获得的，从而使得埃波长指数可以准确反映出大气消光系数随激光光束波长变化的关系，提高了后续利用埃波长指数进行修正所得的大气修正消光系数与550nm波长的激光光束所对应大气消光系数的相似程度，进而提高能见度值的准确度。
波长系数转换公式是依据获得埃波长指数的计算表达式而生成的。换句话说，将太阳光度计或粒子谱仪中利用选取的两个气溶胶消光系数进行计算得到埃波长指数的计算表达式中等号两边的变量进行数学处理，从而生成能见度激光雷达预存的埃波长系数转换公式，用于后续对初始大气消光系数进行修正处理。其中，对计算表达式中等号两边的变量进行的数学处理可根据实际需求任意设置，在此不做限定。
由于埃波长指数为预存的波长系数转换公式中唯一的未知变量，故将其代入后，可以直接计算出波长转换系数。举例说明，若从太阳光度计或粒子谱仪中获得“埃波长指数α”进行存储，能见度激光雷达预存的埃波长系数转换公式为
Figure BDA0001450809530000111
则将现存的“埃波长指数α”代入埃波长系数转换公式进行计算，获得波长转换系数“X”，其中，λ为能见度激光雷达的激光光束的波长，550nm为能见度计算公式中定义使用的大气消光系数所对应的波长。
S302：将所述波长转换系数与所述初始大气消光系数相乘，计算出所述大气修正消光系数；
举例说明，计算出的波长转换系数为“X”，初始大气消光系数为“σ”，则大气修正消光系数为“Y”，其中，Y＝X*σ。
本发明实施例中，通过利用当前预存的埃波长指数计算出波长转换系数，可以确保利用该波长转换系数对初始大气消光系数进行修正所得的大气修正消光系数与能见度计算公式中定义使用的波长550nm的激光光束所对应的大气消光系数高度近似，从而提高了后续计算所得的能见度值的准确度。
请参见图4，在上述图3所对应实施例的基础上，本发明实施例公开了另一种大气修正消光系数的计算方法，所述方法具体包括以下步骤：
S401：判断所述埃波长指数是否存在，若是，则执行S402，若否，则执行S403；
具体的，由于埃波长指数是从太阳光度计或粒子谱仪获取到的，故能见度激光雷达是否能够预先存储一个埃波长指数，取决于太阳光度计或粒子谱仪当前是否测量获得一个实时的埃波长指数。因此，需要在利用埃波长指数对所述初始大气消光系数进行修正的过程中，先对能见度激光雷达当前是否已预存了埃波长指数进行判断。
S402：将所述埃波长指数代入波长系数转换公式中，计算出波长转换系数，并执行S404。
S403：将替补埃波长指数代入替补波长系数转换公式中，计算出替补波长转换系数，作为所述波长转换系数，并执行S404；
具体的，替补埃波长指数可以预先从太阳光度计或粒子谱仪获得；当埃波长指数预先从太阳光度计获得时，主要是从依据太阳光度计测得的太阳某一时段的直接辐射值和不同角度的天空辐射值，并结合Skyrad算法所计算得到多个不同波长对应的气溶胶光学厚度中，分别选取出与550nm波长最接近的1个波长所对应的气溶胶光学厚度，以及波长与能见度激光雷达激光光束的波长最接近的1个波长所对应的气溶胶光学厚度，令两者共同进行计算而获得的。
当埃波长指数预先从粒子谱仪获得时，主要是利用粒子谱仪对当前需要计算能见度的大气测量所得的多个不同波长对应的气溶胶光学厚度中，分别选取出与550nm波长最接近的1个波长所对应的气溶胶光学厚度，以及波长与能见度激光雷达激光光束的波长最接近的1个波长所对应的气溶胶光学厚度，令两者共同进行计算而获得的。
由于替补埃波长指数较埃波长指数而言，更易被太阳光度计或粒子谱仪获得，故可以在太阳光度计或粒子谱仪利用气溶胶消光系数长时间段内未计算出埃波长指数的前提下，令太阳光度计或粒子谱仪利用气溶胶光学厚度计算出的替补埃波长指数参与到对初始大气消光系数的修正处理过程中，从而防止能见度值计算延迟现象的发生。
替补波长转换系数是依据获得替补埃波长指数的计算表达式而生成的。换句话说，将太阳光度计或粒子谱仪中利用选取的两个气溶胶光学厚度进行计算得到替补埃波长指数的计算表达式中等号两边的变量进行数学处理，而生成能见度激光雷达预存的替补埃波长系数转换公式，并将其作为波长转换系数，用于后续对初始大气消光系数进行修正处理。其中，对计算表达式中等号两边的变量进行的数学处理可根据实际需求任意设置，在此不做限定。
S404：将所述波长转换系数与所述初始大气消光系数相乘，计算出所述大气修正消光系数。
本发明实施例中，通过在波长转换系数不存在的情况下，将预存的替补埃波长指数代入替补波长系数转换公式中，以计算出替补波长转换系数，用于后续对初始大气消光系数的修正处理，从而有效避免了因波长转换系数未存在而导致的能见度值的计算延迟现象发生。
由于埃波长指数是影响修正后所得大气修正消光系数与能见度计算公式匹配度高低的主要因素，因此，如何从太阳光度计或粒子谱仪获得精确的埃波长指数是本方案所关注的一个重点。
故在上述图1所对应实施例的基础上，如图5所示，本发明实施例公开了一种埃波长指数的获取方法，所述方法具体包括以下步骤：
S501：接收所述太阳光度计或粒子谱仪获得的当前埃波长指数；
具体的，当前埃波长指数可以是从依据太阳光度计测得的太阳最近某一时段的直接辐射值和不同角度的天空辐射值，并结合Skyrad算法所计算得到多个不同波长对应的气溶胶消光系数中，分别选取出与550nm波长最接近的1个波长所对应的气溶胶消光系数，以及波长与能见度激光雷达激光光束的波长最接近的1个波长所对应的气溶胶消光系数，再令两者共同进行计算而获得的，从而提高了当前埃波长指数反映当前大气变化的准确性与实时性。
当前埃波长指数还可以是从依据粒子谱仪对当前需要计算能见度的大气进行测量所获得的多个不同波长对应的气溶胶消光系数中，分别选取出与550nm波长最接近的1个波长所对应的气溶胶消光系数，以及波长与能见度激光雷达激光光束的波长最接近的1个波长所对应的气溶胶消光系数，再令两者共同进行计算而获得的，从而提高了当前埃波长指数反映当前大气变化的准确性与实时性。
能见度激光雷达接收当前埃波长指数的接收方式本方案并不限定，可以是直接从太阳光度计或粒子谱仪中接收；也可以是通过研究人员手动输入而接收到的；还可以是通过与太阳光度计相连的其他电子设备中接收到，或是与粒子谱仪相连的其他电子设备中接收到。
S502：判断所述埃波长指数是否存在，若是，则执行S503，若否，则执行S504；
具体的，由于太阳光度计或粒子谱仪所计算获得的埃波长系数可以被不定时发送到能见度激光雷达中，供其接收并预存，以确保能见度激光雷达中所存的埃波长系数的实时性，间接提高修正初始大气消光系数的准确度。因此，能见度激光雷达需要在每次接收到一个近期计算出的当前埃波长指数后，需要对其内是否已存储有埃波长指数进行判断，以便后续是否对该埃波长指数进行实时更新。
S503：判断所述埃波长指数与接收到的所述当前埃波长指数是否相同，若否，则执行S504，若是，则结束。
S504：将所述当前埃波长指数确定为所述埃波长指数；
具体的，若能见度激光雷达中还未存有埃波长指数，则直接将当前接收到的当前埃波长指数作为其后续对初始大气消光系数进行修正所使用的埃波长指数。
若能见度激光雷达中已存有埃波长指数，但该埃波长指数与近期接收到的当前埃波长指数不相同，则需要对已存储的埃波长指数进行实时更新，以便确保能见度激光雷达预存的埃波长指数始终为太阳光度计或粒子谱仪依据最新大气变化所计算获得的一个当前埃波长指数，从而间接提高了初始大气消光系数的修正精度。
本发明实施例中，通过在接收到太阳光度计或粒子谱仪获得的当前埃波长指数，且能见度激光雷达中已存在埃波长指数时，将已存在的埃波长指数替换为当前埃波长指数，可以确保能见度激光雷达预存的埃波长指数具有实时性，从而提高初始大气消光系数的修正精度，间接降低了能见度值计算的误差率。
本发明实施例公开了一种大气能见度的计算装置，请参见附图6，所述装置包括：
功率计算模块601，用于在接收到回波信号时，利用所述回波信号，获取能见度激光雷达的探测功率；
第一大气消光系数计算模块602，用于利用反演法和所述能见度激光雷达的探测功率，计算出初始大气消光系数；
修正模块603，用于利用埃波长指数对所述初始大气消光系数进行修正，计算出大气修正消光系数，其中，所述埃波长指数预先从太阳光度计或粒子谱仪获得；
能见度计算模块604，用于将所述大气修正消光系数代入能见度计算公式，获得能见度值。
本发明提供了一种大气能见度的计算装置，通过在第一大气消光系数计算模块602计算出初始大气消光系数时，修正模块603利用预先从太阳光度计或粒子谱仪获得的反映大气消光系数随激光光束波长变化关系的埃波长指数，对该初始大气消光系数进行修正处理，可以将波长偏离550nm激光光束较远的能见度激光雷达自身激光光束所对应的初始大气消光系数进行转换，从而获得近似于波长为550nm的激光光束所对应的大气消光系数的大气修正消光系数，进而在能见度计算模块604将大气修正消光系数代入现有的能见度计算公式计算探测区域的能见度值时，可以确保能见度计算公式与大气修正消光系数的高度匹配，以降低能见度值的误差率，达到提高能见度值准确度的目的。
请参见图7，在上述图6所对应实施例中的修正模块603具体包括：
系数转换模块6031，用于将所述埃波长指数代入波长系数转换公式中，计算出波长转换系数；
第二大气消光系数计算模6032，用于将所述波长转换系数与所述初始大气消光系数相乘，计算出所述大气修正消光系数。
本发明实施例中，通过系数转换模块6031利用当前预存的埃波长指数计算出波长转换系数，可以确保第二大气消光系数计算模6032利用该波长转换系数对初始大气消光系数进行修正所得的大气修正消光系数与能见度计算公式中定义使用的波长550nm的激光光束所对应的大气消光系数高度近似，从而提高了后续计算所得的能见度值的准确度。
本发明实施例公开了一种雷达，请参见附图8，包括：
存储器701和处理器702；
所述存储器701，用于存储程序；
所述处理器702，用于处理所述程序，其中，所述程序包括：
在接收到回波信号时，利用所述回波信号，获取能见度激光雷达的探测功率；
利用反演法和所述能见度激光雷达的探测功率，计算出初始大气消光系数；
利用埃波长指数对所述初始大气消光系数进行修正，计算出大气修正消光系数，其中，所述埃波长指数预先从太阳光度计或粒子谱仪获得；
将所述大气修正消光系数代入能见度计算公式，获得能见度值。
本发明实施例公开的一种雷达，通过处理器702依据存储器701中预先存储的程序，在计算出初始大气消光系数时，利用预先从太阳光度计或粒子谱仪获得的反映大气消光系数随激光光束波长变化关系的埃波长指数，对该初始大气消光系数进行修正处理，可以将波长偏离550nm激光光束较远的能见度激光雷达自身激光光束所对应的初始大气消光系数进行转换，从而获得近似于波长为550nm的激光光束所对应的大气消光系数的大气修正消光系数，进而在将大气修正消光系数代入现有的能见度计算公式计算探测区域的能见度值时，可以确保能见度计算公式与大气修正消光系数的高度匹配，以降低能见度值的误差率，达到提高能见度值准确度的目的。
本发明实施例公开了一种大气能见度的计算系统，请参见附图9，该系统包括：
太阳光度计801和雷达802；
所述太阳光度计801，用于计算所述埃波长指数，并发送所述埃波长指数到所述雷达802；
所述雷达802，用于接收所述太阳光度计801发送的所述埃波长指数；在接收到回波信号时，利用所述回波信号，获取能见度激光雷达的探测功率，利用反演法和所述能见度激光雷达的探测功率，计算出初始大气消光系数，利用埃波长指数对所述初始大气消光系数进行修正，计算出大气修正消光系数，其中，所述埃波长指数预先从太阳光度计801获得，将所述大气修正消光系数代入能见度计算公式，获得能见度值。
本发明提供了一种大气能见度的计算系统，通过雷达802在计算出初始大气消光系数时，利用预先从太阳光度计801接收到的可以反映大气消光系数随激光光束波长变化关系的埃波长指数对该初始大气消光系数进行修正处理，可以将波长偏离550nm激光光束较远的雷达801自身激光光束所对应的初始大气消光系数进行转换，从而获得近似于波长为550nm的激光光束所对应的大气消光系数的大气修正消光系数，进而在将大气修正消光系数代入现有的能见度计算公式计算探测区域的能见度值时，可以确保能见度计算公式与大气修正消光系数的高度匹配，以降低能见度值的误差率，达到提高能见度值准确度的目的。
仍参见附图9，在上述图9所对应实施例中的太阳光度计801计算埃波长指数的具体过程包括：
获取目标辐射值，所述目标辐射值包括太阳的直接辐射值和不同角度的天空辐射值；
利用Skyrad算法对所述目标辐射值进行计算，获得第一换算关系式，所述第一换算关系式为大气气溶胶体积半径与粒径之间的换算关系式；
利用Mie散射算法对所述第一换算关系式进行变量替换，获得第二换算关系式，所述第二换算关系式为散射消光效率因子与大气气溶胶消光系数之间的换算关系式；
将第一目标波长和第二目标波长各自代入散射消光效率因子计算公式，计算出第一散射消光效率因子和第二散射消光效率因子，其中，所述第一目标波长为能见度激光雷达的波长，所述第二目标波长为能见度计算公式中所定义使用的波长；
将所述第一散射消光效率因子和第二散射消光效率因子各自代入所述第二换算关系式，计算出第一大气气溶胶消光系数和第二大气气溶胶消光系数；
将所述第一目标波长、第二目标波长、第一大气气溶胶消光系数和第二大气气溶胶消光系数代入埃波长指数计算公式，计算出所述埃波长指数。
举例说明，太阳光度计依据目标辐射值和Skyrad算法，获得的第一换算关系式为
Figure BDA0001450809530000171
利用Mie散射算法对该第一换算关系式进行变量替换，从而将散射消光效率因子代入第一换算关系式中，获得第二换算关系式
Figure BDA0001450809530000172
之后从太阳光度计自身所具有的不同波长的激光光束中分别确定出第一目标波长λ1和第二目标波长λ2，即能见度激光雷达的波长和能见度计算公式中所定义使用的550nm波长，从而直接将第一目标波长λ1和第二目标波长λ2分别代入散射消光效率因子计算公式中，先计算出第一散射消光效率因子Qext-1和第二散射消光效率因子Qext-2，再将第一散射消光效率因子Qext-1和第二散射消光效率因子Qext-2代入第二换算关系式
Figure BDA0001450809530000181
计算出第一大气气溶胶消光系数σa1和第二大气气溶胶消光系数σa2，最后，将所述第一目标波长λ1、第二目标波长λ2、第一大气气溶胶消光系数σa1和第二大气气溶胶消光系数σa2均代入埃波长指数计算公式
Figure BDA0001450809530000182
从而计算出埃波长指数α。其中，v(r)是单位体积中半径为0～r的粒子所占的体积，r为粒子半径，n(r)为粒子粒径，λ为太阳光度计所具有的激光光束波长，m为大气气溶胶的折射率。
本发明实施例中，通过太阳光度计801利用表示散射消光效率因子与大气气溶胶消光系数之间的换算关系的第二换算关系式，可以计算出第一目标波长和第二目标波长各自的大气气溶胶消光系数，即第一大气气溶胶消光系数和第二大气气溶胶消光系数，从而将计算所得的目标波长与大气气溶胶消光系数均代入埃波长指数计算公式，就能够得到更符合当前一段时间内大气变化的埃波长指数，从而在后续将其发送给雷达802后，能够提高雷达802所得能见度值的准确率。
本发明实施例公开了另一种大气能见度的计算系统，请参见附图10，该系统包括：
粒子谱仪901和雷达902；
所述粒子谱仪901，用于计算所述埃波长指数，并发送所述埃波长指数到所述雷达902；
所述雷达902，用于接收所述粒子谱仪901发送的所述埃波长指数；在接收到回波信号时，利用所述回波信号，获取能见度激光雷达的探测功率，利用反演法和所述能见度激光雷达的探测功率，计算出初始大气消光系数，利用埃波长指数对所述初始大气消光系数进行修正，计算出大气修正消光系数，其中，所述埃波长指数预先从粒子谱仪获得，将所述大气修正消光系数代入能见度计算公式，获得能见度值。
本发明提供了一种大气能见度的计算系统，通过雷达902在计算出初始大气消光系数时，利用预先从粒子谱仪901接收到的可以反映大气消光系数随激光光束波长变化关系的埃波长指数对该初始大气消光系数进行修正处理，可以将波长偏离550nm激光光束较远的雷达901自身激光光束所对应的初始大气消光系数进行转换，从而获得近似于波长为550nm的激光光束所对应的大气消光系数的大气修正消光系数，进而在将大气修正消光系数代入现有的能见度计算公式计算探测区域的能见度值时，可以确保能见度计算公式与大气修正消光系数的高度匹配，以降低能见度值的误差率，达到提高能见度值准确度的目的。
仍参见附图10，在上述图10所对应实施例中的粒子谱仪901计算埃波长指数的具体过程包括：
对大气进行测量，获得第一换算关系式，所述第一换算关系式为大气气溶胶体积半径与粒径之间的换算关系式；
利用Mie散射算法对所述第一换算关系式进行变量替换，获得第二换算关系式，所述第二换算关系式为散射消光效率因子与大气气溶胶消光系数之间的换算关系式；
将第一目标波长和第二目标波长各自代入散射消光效率因子计算公式，计算出第一散射消光效率因子和第二散射消光效率因子，其中，所述第一目标波长为能见度激光雷达的波长，所述第二目标波长为能见度计算公式中所定义使用的波长；
将所述第一散射消光效率因子和第二散射消光效率因子各自代入所述第二换算关系式，计算出第一大气气溶胶消光系数和第二大气气溶胶消光系数；
将所述第一目标波长、第二目标波长、第一大气气溶胶消光系数和第二大气气溶胶消光系数代入埃波长指数计算公式，计算出所述埃波长指数。
本发明实施例中，通过粒子谱仪901利用表示散射消光效率因子与大气气溶胶消光系数之间的换算关系的第二换算关系式，可以计算出第一目标波长和第二目标波长各自的大气气溶胶消光系数，即第一大气气溶胶消光系数和第二大气气溶胶消光系数，从而将计算所得的目标波长与大气气溶胶消光系数均代入埃波长指数计算公式，就能够得到更符合当前一段时间内大气变化的埃波长指数，从而在后续将其发送给雷达902后，能够提高雷达902所得能见度值的准确率。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种大气能见度的计算方法，其特征在于，包括：
在接收到回波信号时，利用所述回波信号，获取能见度激光雷达的探测功率；
利用反演法和所述能见度激光雷达的探测功率，计算出初始大气消光系数；
利用埃波长指数对所述初始大气消光系数进行修正，计算出大气修正消光系数，其中，所述埃波长指数预先从太阳光度计或粒子谱仪获得；
将所述大气修正消光系数代入能见度计算公式，获得能见度值；
所述埃波长指数预先从所述太阳光度计或粒子谱仪获得的具体过程，包括：
接收所述太阳光度计或粒子谱仪获得的当前埃波长指数；
判断所述埃波长指数是否存在；
若所述埃波长指数存在，判断所述埃波长指数与接收到的所述当前埃波长指数是否相同；
若所述埃波长指数与所述当前埃波长指数不相同，将所述当前埃波长指数确定为所述埃波长指数；
若所述埃波长指数不存在，将所述当前埃波长指数确定为所述埃波长指数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用反演法和所述能见度激光雷达的探测功率，计算出初始大气消光系数，包括：
利用所述反演法对所述回波信号进行反演计算，计算出后向散射系数与所述初始大气消光系数的指数关系式；
将所述指数关系式代入第一功率计算公式进行变量替换，获得第二功率计算公式；
将所述能见度激光雷达的探测功率代入所述第二功率计算公式，计算出所述初始大气消光系数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用埃波长指数对所述初始大气消光系数进行修正，计算出大气修正消光系数，包括：
将所述埃波长指数代入波长系数转换公式中，计算出波长转换系数；
将所述波长转换系数与所述初始大气消光系数相乘，计算出所述大气修正消光系数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在将所述埃波长指数代入波长系数转换公式中，计算出波长转换系数之前，包括：
判断所述埃波长指数是否存在；
若所述埃波长指数存在，执行所述将所述埃波长指数代入波长系数转换公式中，计算出波长转换系数这一步骤；
若所述埃波长指数不存在，将替补埃波长指数代入替补波长系数转换公式中，计算出替补波长转换系数，作为所述波长转换系数，并执行所述将所述波长转换系数与所述初始大气消光系数相乘，计算出所述大气修正消光系数这一步骤，其中，所述替补埃波长指数预先从太阳光度计或粒子谱仪获得。
5.一种大气能见度的计算装置，其特征在于，包括：
功率计算模块，用于在接收到回波信号时，利用所述回波信号，获取能见度激光雷达的探测功率；
第一大气消光系数计算模块，用于利用反演法和所述能见度激光雷达的探测功率，计算出初始大气消光系数；
修正模块，用于利用埃波长指数对所述初始大气消光系数进行修正，计算出大气修正消光系数，其中，所述埃波长指数预先从太阳光度计或粒子谱仪获得；
能见度计算模块，用于将所述大气修正消光系数代入能见度计算公式，获得能见度值；
所述埃波长指数预先从所述太阳光度计或粒子谱仪获得的具体过程，包括：
接收所述太阳光度计或粒子谱仪获得的当前埃波长指数；
判断所述埃波长指数是否存在；
若所述埃波长指数存在，判断所述埃波长指数与接收到的所述当前埃波长指数是否相同；
若所述埃波长指数与所述当前埃波长指数不相同，将所述当前埃波长指数确定为所述埃波长指数；
若所述埃波长指数不存在，将所述当前埃波长指数确定为所述埃波长指数。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述修正模块，包括：
系数转换模块，用于将所述埃波长指数代入波长系数转换公式中，计算出波长转换系数；
第二大气消光系数计算模块，用于将所述波长转换系数与所述初始大气消光系数相乘，计算出所述大气修正消光系数。
7.一种雷达，其特征在于，包括存储器和处理器；
所述存储器，用于存储程序；
所述处理器，用于处理所述程序，其中，所述程序包括：
在接收到回波信号时，利用所述回波信号，获取能见度激光雷达的探测功率；
利用反演法和所述能见度激光雷达的探测功率，计算出初始大气消光系数；
利用埃波长指数对所述初始大气消光系数进行修正，计算出大气修正消光系数，其中，所述埃波长指数预先从太阳光度计或粒子谱仪获得；
将所述大气修正消光系数代入能见度计算公式，获得能见度值；
所述埃波长指数预先从所述太阳光度计或粒子谱仪获得的具体过程，包括：
接收所述太阳光度计或粒子谱仪获得的当前埃波长指数；
判断所述埃波长指数是否存在；
若所述埃波长指数存在，判断所述埃波长指数与接收到的所述当前埃波长指数是否相同；
若所述埃波长指数与所述当前埃波长指数不相同，将所述当前埃波长指数确定为所述埃波长指数；
若所述埃波长指数不存在，将所述当前埃波长指数确定为所述埃波长指数。
8.一种大气能见度的计算系统，其特征在于，包括：
太阳光度计和雷达；
所述太阳光度计，用于计算埃波长指数，并发送所述埃波长指数到所述雷达；
所述雷达，用于接收所述太阳光度计发送的所述埃波长指数；在接收到回波信号时，利用所述回波信号，获取能见度激光雷达的探测功率，利用反演法和所述能见度激光雷达的探测功率，计算出初始大气消光系数，利用埃波长指数对所述初始大气消光系数进行修正，计算出大气修正消光系数，其中，所述埃波长指数预先从太阳光度计获得，将所述大气修正消光系数代入能见度计算公式，获得能见度值；
所述太阳光度计计算所述埃波长指数，具体用于：
获取目标辐射值，所述目标辐射值包括太阳的直接辐射值和不同角度的天空辐射值；
利用Skyrad算法对所述目标辐射值进行计算，获得第一换算关系式，所述第一换算关系式为大气气溶胶体积半径与粒径之间的换算关系式；
利用Mie散射算法对所述第一换算关系式进行变量替换，获得第二换算关系式，所述第二换算关系式为散射消光效率因子与大气气溶胶消光系数之间的换算关系式；
将第一目标波长和第二目标波长各自代入散射消光效率因子计算公式，计算出第一散射消光效率因子和第二散射消光效率因子，其中，所述第一目标波长为能见度激光雷达的波长，所述第二目标波长为能见度计算公式中所定义使用的波长；
将所述第一散射消光效率因子和第二散射消光效率因子各自代入所述第二换算关系式，计算出第一大气气溶胶消光系数和第二大气气溶胶消光系数；
将所述第一目标波长、第二目标波长、第一大气气溶胶消光系数和第二大气气溶胶消光系数代入埃波长指数计算公式，计算出所述埃波长指数。
9.一种大气能见度的计算系统，其特征在于，包括：
粒子谱仪和雷达；
所述粒子谱仪，用于计算埃波长指数，并发送所述埃波长指数到所述雷达；
所述雷达，用于接收所述粒子谱仪发送的所述埃波长指数；在接收到回波信号时，利用所述回波信号，获取能见度激光雷达的探测功率，利用反演法和所述能见度激光雷达的探测功率，计算出初始大气消光系数，利用埃波长指数对所述初始大气消光系数进行修正，计算出大气修正消光系数，其中，所述埃波长指数预先从粒子谱仪获得，将所述大气修正消光系数代入能见度计算公式，获得能见度值；
所述粒子谱仪计算所述埃波长指数，具体用于：
对大气进行测量，获得第一换算关系式，所述第一换算关系式为大气气溶胶体积半径与粒径之间的换算关系式；
利用Mie散射算法对所述第一换算关系式进行变量替换，获得第二换算关系式，所述第二换算关系式为散射消光效率因子与大气气溶胶消光系数之间的换算关系式；
将第一目标波长和第二目标波长各自代入散射消光效率因子计算公式，计算出第一散射消光效率因子和第二散射消光效率因子，其中，所述第一目标波长为能见度激光雷达的波长，所述第二目标波长为能见度计算公式中所定义使用的波长；
将所述第一散射消光效率因子和第二散射消光效率因子各自代入所述第二换算关系式，计算出第一大气气溶胶消光系数和第二大气气溶胶消光系数；
将所述第一目标波长、第二目标波长、第一大气气溶胶消光系数和第二大气气溶胶消光系数代入埃波长指数计算公式，计算出所述埃波长指数。
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