CN108594329B

CN108594329B - 一种全天域红外云量计及测量方法

Info

Publication number: CN108594329B
Application number: CN201711497699.7A
Authority: CN
Inventors: 辛玉新; 余晓光; 业凯; 伦宝利; 范玉峰
Original assignee: Yunnan Astronomical Observatory of CAS
Current assignee: Yunnan Astronomical Observatory of CAS
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2020-09-01
Anticipated expiration: 2037-12-29
Also published as: CN108594329A

Abstract

本发明公开了一种全天域红外云量计及测量方法，该全天域红外云量计，包括四棱体柱，所述四棱体柱的四个侧面上分别设置有一个红外温度传感器，每个传感器的探测范围是90度，所述红外温度传感器通过USB线连接PC。该测量方法包括以下步骤：根据天空温度T_sky和地表温度T_amb，计算出天空晴朗的程度T_diff；根据天空晴朗的程度推算出每个红外温度传感器测量的90度范围内云量的成数Ci，通过T_diff和Ci，得到红外温度传感器测量范围内的云量值，按固定比例求和，得到全天域内的云量值。本发明不仅可以计算的出全天域内的云量数值，而且还可以得到不同方位的云量分布情况。

Description

一种全天域红外云量计及测量方法

技术领域

本发明属于天文台址监测和气象参数测量领域，具体地说，涉及一种全天域红外云量的测量方法。

背景技术

目前，国际上的地基云量测量技术主要包括雷达测量技术、全天图像处理技术和红外探测技术。其中，1)测云雷达就是通过雷达技术获取云量的设备，通过方向性很强的天线向空间发射脉冲无线电波，它在传播过程中和大气发生各种相互作用，然后通过反射回来的无线电波即可得到云的相关信息，主要是用来探测云顶、云底的高度。由于雷达测量的方向性较强，视场较小，无法测量全天域内的云量覆盖情况，而且其成本较高，很难实施多点布网测量；2)通过对全天图像进行处理得出云量的方法，已经在很多地方得到应用，国外也有很多类似的商业产品，但是其探测的时间段很受限，只能测量白天的全天云量，无法实现对晨昏时间段以及整个夜间的云量测量，或者说晨昏时间段和夜间测量的云量精度不高；3)通过红外温度传感器测量天空温度，从而得出云量的技术，在这几年蓬勃发展起来，其优点是可以实现白天和黑夜的无缝连接，开展持续测量。其缺点是只能，只能定性的描述天顶一定角度内的天空云量(云量多或云量少)，无法定量的给出全天云量数值。而全天云量的定义是：全天域视场(方位360度，天顶距90度)内云所占的成数，范围是从0个云(全天域内都无云)至10个云(全天域内都是云)。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种全天域红外云量的测量方法，本发明实现了低成本的全天域24小时不间断的较高精度云量测量。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种全天域红外云量计，包括四棱体柱，所述四棱体柱的四个侧面上分别设置有一个红外温度传感器，每个传感器的探测范围是90度，所述红外温度传感器通过USB线连接PC。

进一步地，所述USB线使用RS232/RS485协议传输数据。

本发明还公开了一种全天域红外云量的测量方法，包括以下步骤：

步骤1、采用全天域红外云量计的红外温度传感器采集天空温度T_sky，并用温度计测量地表温度T_amb；

步骤2、根据天空温度T_sky和地表温度T_amb，计算出天空晴朗的程度T_diff，具体为公式(1)，

T_diff＝T_amb-T_sky (1)

其中，T_sky：红外温度传感器测量的天空温度；

T_amb：地表温度；

Tdiff:环境温度和天空温度的差值，代表了天空晴朗的程度；

根据天空晴朗的程度推算出每个红外温度传感器测量的90度范围内云量的成数Ci，具体为公式(2)；

C_i＝b-k*T_diff (2)

其中，Ci:红外温度传感器测量的90度范围内云量的成数，0～10；

b,k：常数，该常数与安装地点的地理环境、地形地貌以及太阳辐射相关，需要根据设备安装地点实际情况得出；

云量成数的定义：天空无云，云量为0；天空满云，云量为10；天空云量占比10％，云量为1；

步骤3、通过公式(1)和公式(2)，得到红外温度传感器测量范围内的云量值，采用四个90度探测范围的红外温度传感器，分别对应东西南北四个方向进行测量，再按固定比例求和，得到全天域内的云量值，见公式(3)，

其中，C：全天域内的云量，0～10；

Ci:i＝1,2,3,4分别代表全天域四个方位的云量成数，0～10。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

本发明将之前对云量的定性测量(云量多或云量少)，改为定量测量(云量成数的具体测量)；将之前有限的观测区域拓展到全天域视场；不仅可以计算的出全天域内的云量数值，而且还可以得到不同方位的云量分布情况。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明全天域红外云量计的正面视图；

图2是本发明全天域红外云量计的结构示意图；

图3是本发明全天云图图像示意图；其中，左图是全天云图图像，右图是本发明设备中四个探测传感器对应的区域。

具体实施方式

以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

本发明公开了一种全天域红外云量计，其形状类似与金字塔，如图1和图2所示，包括支撑柱5，所述支撑柱5上连接有梯形凸台1，所述梯形凸台1包括长方体柱2，所述长方体柱2上方设置有四棱体柱3，所述四棱体柱3的四个侧面上分别设置有一个红外温度传感器4，每个传感器的探测范围是90度，所述红外温度传感器4通过USB线连接PC。

所述梯形凸台1的上下表面均为正方形，且平行于地平面设置，所述四棱体柱3的四个侧面于地平面的夹角为45°；所述红外温度传感器4安装于侧面的中心位置。

所述USB线使用RS232/RS485协议传输数据。

在安装的时候，每个传感器对应东西南北中的一个方向，即可实现各个方向上的云量测量以及全天域内的云量测量；所述红外温度传感器4通过USB线连接PC，使用RS232/RS485协议传输数据。

本发明公开了一种全天域红外云量的测量方法，包括以下步骤：

步骤1、采用全天域红外云量计采集数据，其中，数据包括天空温度(高空大气温度)T_sky，并用温度计测量环境温度(地表温度)T_amb，

具体地，红外温度传感器分别测量全天域四个块区域(东、西、南、北)的温度，测量出天空温度(高空大气温度)；

步骤2、根据天空温度(高空大气温度)T_sky和环境温度(地表温度)T_amb，计算出天空晴朗的程度T_diff，具体为公式(1)，

T_diff＝T_amb-T_sky (1)

其中，T_sky：红外温度传感器测量的天空温度(高空大气温度)。

T_amb：环境温度(地表温度)。

T_diff:环境温度和天空温度的差值，代表了天空晴朗的程度。

步骤3、计算常量b值和k值：

记录云量分别为1,5,10的时候，对应的温差数值，这样就得到三组数据，然后通过最小二乘法，计算得到b值和k值；

步骤4、根据天空晴朗的程度推算出每个红外温度传感器测量的90度范围内云量的成数(0～10)Ci，具体为公式(2)；

C_i＝b-k*T_diff (2)

其中，Ci:红外温度传感器测量的90度范围内云量的成数(0～10)。

k：常数，该常数与安装地点的地理环境和地形地貌相关，需要根据实际情况得出。

根据公式(1)得出晴朗度的理论基础：无论白天或夜晚，云在红外波段都具有相同的红外辐射特性，而大气的温度主要来自于地面的长波辐射，因此天空的温度是自下而上逐渐变冷的，天空中云量越多，吸收的地面辐射就越多，温度就越高；反之就越低，因此通过相同时刻地表温度和天空温度的差值，即可得到天空中云量的多少，差值越大，天空的晴朗度就越高。

云量成数的定义：天空无云，云量为0；天空满云，云量为10；天空云量占比10％，云量为1。

步骤5、通过公式(1)和公式(2)，就可以得到红外温度传感器测量范围内的云量值，我们采用四个90度探测范围的红外温度传感器，分别对应东西南北四个方向进行测量，再按固定比例求和，就可以得到全天域内的云量值，见公式(3)。

其中，C：全天域内的云量(0～10)。

Ci:i＝1，2，3，4分别代表全天域四个方位的云量成数(0～10)。

实施例1

对丽江天文观测站应用该理论方法，实现了对丽江站全天云量的不间断测量，每分钟获取一组云量数值，测量精度达到90％以上。具体实现是以Arduino作为下位机，负责采集四组红外温度传感器的数据和一组环境温度数据，以VS2015开发的基于RS232协议的上位机程序，每分钟采集一组下位机传输过来的数据，然后应用公式(1)，(2)，(3)计算得到全天云量数值，并将数据保存到硬盘中。

采用全天域红外云量计采集数据，得到白天天空温度(高空大气温度)Tsky(例如：Tsky＝-10℃)，并用温度计测量环境温度(地表温度)Tamb(例如：Tamb＝12℃)；

根据公式(1)，计算得到T_diff＝12-(-10)＝22℃；

其中最重要的步骤是需要人工确定不同云量情况下对应的温差数值，具体操作是根据已经采集的全天图像，统计相同时刻的温差数值，得到云量和温差数值的对应关系(见表1)，然后通过最小二乘法，计算得出公式(2)中的常数b和k。丽江站的实际测量结果如下：

表1云量与温差对应情况

白天云量	白天温差值(℃)	夜间云量	夜间温差值(℃)
				1	27	1	21
5	19	5	17
				10	10	10	11

白天：b＝15，k＝0.5；

夜间：b＝22，k＝1。

根据公式(2)，再结合白天的b值和k值，就可以计算得到90度范围内云量的成数Ci＝15.23-0.53*22＝3.57(按照0～10描述，云量为4)；

根据公式(3)计算得到全天域内的云量(假设四个区的云量一样)

C＝0.25(C₁+C₂+C₃+C₄)＝0.25*(4+4+4+4)＝4(全天域云量为4)；

如果全天域四个方位中，只有一个方位云量为10，而其他3个方位云量均为0，最终的结果是全天域云量都为2.5，使用本发明的提供的数据，就可以知道在全天域云量为2.5的情况下，具体是哪个方位的云量较多，哪个方位的云量较少，具体见表2，对于开展夜间的天文观测具有重要价值。

表2全天域云量分布表

	东	西	南	北	全天域
						1	10	0	0	0	2.5
2	0	10	0	0	2.5
						3	0	0	10	0	2.5
4	0	0	0	10	2.5

上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种全天域红外云量的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

T_diff＝T_amb-T_sky (1)

其中，T_sky：红外温度传感器测量的天空温度；

T_amb：地表温度；

T_diff：环境温度和天空温度的差值，代表了天空晴朗的程度；

C_i＝b-k*T_diff (2)

其中，Ci：红外温度传感器测量的90度范围内云量的成数，0～10；

b，k：常数，该常数与安装地点的地理环境、地形地貌以及太阳辐射相关，需要根据设备安装地点实际情况得出；

其中，C：全天域内的云量，0～10；

Ci：i＝1，2，3，4分别代表全天域四个方位的云量成数，0～10。

2.根据权利要求1所述的全天域红外云量的测量方法，其特征在于，所述全天域红外云量计包括支撑柱，所述支撑柱上连接有梯形凸台，所述梯形凸台包括长方体柱，所述长方体柱上方设置有四棱体柱，所述四棱体柱的四个侧面上分别设置有一个红外温度传感器，每个传感器的探测范围是90度，所述红外温度传感器通过USB线连接PC。

3.根据权利要求2所述的全天域红外云量的测量方法，其特征在于，所述梯形凸台(1)的上下表面均为正方形，且平行于地平面设置，所述四棱体柱的四个侧面于地平面的夹角为45°；所述红外温度传感器安装于侧面的中心位置。

4.根据权利要求2所述的全天域红外云量的测量方法，其特征在于，所述USB线使用RS232/RS485协议传输数据。