專利名稱：多波長(zhǎng)霧霾識(shí)別方法及能見(jiàn)度測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于大氣科學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種多波長(zhǎng)霧霾識(shí)別方法及能見(jiàn)度測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
能見(jiàn)度的觀測(cè)一直是天氣觀測(cè)中重要的組成部分，和人們的日常生活息息相關(guān)。 它在環(huán)境、航海、航空以及其他建設(shè)和交通運(yùn)輸領(lǐng)域起著尤為重要的作用。機(jī)場(chǎng)和高速公路附近能見(jiàn)度的測(cè)量，是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。特別是在能見(jiàn)度較低的情況下，能見(jiàn)度測(cè)量的不準(zhǔn)確性有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。如何提高能見(jiàn)度觀測(cè)的準(zhǔn)確性，是亟待解決的問(wèn)題。目前常見(jiàn)的能見(jiàn)度儀有透射式能見(jiàn)度儀和散射式能見(jiàn)度儀，由于透射式能見(jiàn)度儀需要較長(zhǎng)的光學(xué)路徑(50米)，在應(yīng)用中受到較多限制，而散射式能見(jiàn)度儀占用空間小，使用方便，在氣象、交通等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。一般氣象上所用的能見(jiàn)度測(cè)量?jī)x器都是基于著名的柯什密特(Koschmieder)能見(jiàn)度公式L = 3. 91/σ，由測(cè)得的消光系數(shù)σ計(jì)算出能見(jiàn)度L的值。目前廣泛使用的散射式能見(jiàn)度儀，通過(guò)測(cè)量光源(通常為紅外光)照射偏正前方約33度方向的散射光強(qiáng)，然后推算出消光系數(shù)ο，從而計(jì)算大氣能見(jiàn)度。近地面層大氣中影響能見(jiàn)度的粒子可分為霧滴(即霧)和氣溶膠(即霾)兩類(lèi)。 粒子的折射率包括實(shí)部和虛部，分別對(duì)應(yīng)消光的散射和吸收。然而，霧與霾的折射率具有顯著差異，因此霧與霾對(duì)光的散射和吸收性質(zhì)是不一樣的，兩者的消光系數(shù)對(duì)于散射光強(qiáng)度的依賴也是不一樣的。而現(xiàn)有的能見(jiàn)度儀一般只能用一種算法，根據(jù)接收到的散射光強(qiáng)度推算出大氣的消光系數(shù)，從而計(jì)算出能見(jiàn)度。那么無(wú)論是根據(jù)霧滴還是氣溶膠模型作出儀器標(biāo)定，在另一種情況下都有可能造成較大的誤差。因此，霧與霾的識(shí)別在提高散射式能見(jiàn)度儀測(cè)量精度方面尤為重要。利用霧天相對(duì)濕度大的特點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量相對(duì)濕度是一種識(shí)別霧天的方法，當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到某個(gè)閾值時(shí)，就按照霧計(jì)算能見(jiàn)度，否則，就按霾計(jì)算能見(jiàn)度。然而，相對(duì)濕度大的天氣未必就是霧天，因此，這個(gè)辦法并不總是有效。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提出本發(fā)明。本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種多波長(zhǎng)霧霾識(shí)別方法。霧與霾對(duì)光的散射和吸收性質(zhì)是不一樣的，由于霧的粒子尺度大于霾的粒子尺度，在可見(jiàn)光波段，霾的粒子尺度小于可見(jiàn)光波段的波長(zhǎng)，霾的散射是瑞利散射，其散射截面和波長(zhǎng)相關(guān)，不同的波長(zhǎng)如紅色、綠色和藍(lán)色，光的散射截面不同；而霧的粒子尺度大于可見(jiàn)光波段的波長(zhǎng)，其散射為米散射，散射截面對(duì)波長(zhǎng)并不敏感，只和尺度數(shù)即粒子周長(zhǎng)與電磁波波長(zhǎng)之比有關(guān)，基于這一特點(diǎn)，可以用不同波長(zhǎng)的方法識(shí)別霧與霾。濾光片是一種常用的波長(zhǎng)選擇器件，通過(guò)在能見(jiàn)度儀的光接收機(jī)前加裝一組濾光CN 102539385 A
片，如紅色、綠色、藍(lán)色和透明，即可測(cè)量不同波長(zhǎng)的散射光強(qiáng)，根據(jù)紅色、綠色和藍(lán)色三個(gè)散射分量的差別來(lái)識(shí)別是霧還是霾的散射，在確定了是霧還是霾之后，根據(jù)散射粒子的不同性質(zhì)計(jì)算能見(jiàn)度。本發(fā)明采用的散射式能見(jiàn)度儀包括發(fā)射光源、光接收機(jī)和能見(jiàn)度計(jì)算單元，本發(fā)明的多波長(zhǎng)霧霾識(shí)別方法包括以下步驟1)在散射式能見(jiàn)度儀的光接收機(jī)前加裝濾光片；2)發(fā)射光源發(fā)出白光，經(jīng)大氣粒子散射，光接收機(jī)分別接收散射光經(jīng)紅色、綠色和藍(lán)色濾光片濾光后的散射分量SK、Sg和&，以及未經(jīng)濾光的散射分量S ；3)分別計(jì)算紅色的散射分量&與綠色的散射分量Se的比值Il Ke = SE/SG, 以及綠色的散射分量Se與藍(lán)色的散射分量&的比值IUb = ，計(jì)算比值的平均值 G = Ofeci+%β)/2，根據(jù)平均值&的大小，將大氣狀況分為霧、霾以及霧霾混合三種情況，當(dāng)平均值^接近于1時(shí)，識(shí)別為霧，當(dāng)平均值&遠(yuǎn)離1時(shí)，識(shí)別為霾，當(dāng)平均值；介于霧與霾的
識(shí)別閾值之間時(shí)，識(shí)別為霧霾混合天氣，具體的霧與霾的識(shí)別閾值可根據(jù)典型氣溶膠組分理論計(jì)算或定標(biāo)確定。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種能見(jiàn)度測(cè)量方法。本發(fā)明采用的散射式能見(jiàn)度儀包括發(fā)射光源、光接收機(jī)和能見(jiàn)度計(jì)算單元，本發(fā)明的能見(jiàn)度測(cè)量方法包括以下步驟1)在散射式能見(jiàn)度儀的光接收機(jī)前加裝濾光片；2)發(fā)射光源發(fā)出白光，經(jīng)大氣粒子散射，光接收機(jī)分別接收散射光經(jīng)紅色、綠色和藍(lán)色濾光片濾光后的散射分量SK、Sg和&，以及未經(jīng)濾光的散射分量S ；3)分別計(jì)算紅色的散射分量&與綠色的散射分量Se的比值Il Ke = SE/SG, 以及綠色的散射分量Se與藍(lán)色的散射分量&的比值IUb = ，計(jì)算比值的平均值 5 = ( ^+ ^)",根據(jù)平均值^的大小，將大氣狀況分為霧、霾以及霧霾混合三種情況，當(dāng)平均值^接近于1時(shí)，識(shí)別為霧，當(dāng)平均值^遠(yuǎn)離1時(shí)，識(shí)別為霾，當(dāng)平均值&介于霧與霾的
識(shí)別閾值之間時(shí)，識(shí)別為霧霾混合天氣，具體的霧與霾的識(shí)別閾值可根據(jù)典型氣溶膠組分理論計(jì)算或定標(biāo)確定；4)在理論上分別建立霧和霾的散射和消光系數(shù)之間的關(guān)系，當(dāng)識(shí)別為霧時(shí)，用霧的散射推導(dǎo)消光系數(shù)計(jì)算能見(jiàn)度，當(dāng)識(shí)別為霾時(shí)，用霾的散射推導(dǎo)消光系數(shù)計(jì)算能見(jiàn)度，當(dāng)識(shí)別為霧霾混合時(shí)，則根據(jù)比值偏離純霧的程度修正能見(jiàn)度。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明在散射式能見(jiàn)度儀的光接收機(jī)前加裝濾光片，通過(guò)在能見(jiàn)度儀的光接收機(jī)前加裝一組紅色、綠色和藍(lán)色濾光片，即可測(cè)量不同波長(zhǎng)的散射光的散射分量，根據(jù)紅色、 綠色和藍(lán)色三個(gè)散射分量的差別來(lái)識(shí)別是霧還是霾的散射，在確定了是霧還是霾之后，根據(jù)散射粒子的不同性質(zhì)以及未經(jīng)濾光的散射分量S計(jì)算能見(jiàn)度。本發(fā)明的方法簡(jiǎn)單有效地識(shí)別了霧與霾，然后根據(jù)霧與霾的差異分別推算消光系數(shù)，從而能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出能見(jiàn)度， 有效地提高了能見(jiàn)度觀測(cè)的精度。如非本地源的沙塵暴等小粒子造成的低能見(jiàn)度天氣使得散射式能見(jiàn)度儀測(cè)量出現(xiàn)較大誤差，而本發(fā)明的方法在識(shí)別小粒子造成的低能見(jiàn)度天氣方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。


圖1為本發(fā)明的測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)濾波片的放大的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖詳描述本發(fā)明的實(shí)施方式。本發(fā)明的采用的測(cè)量裝置如圖1所示，散射式能見(jiàn)度儀包括發(fā)射光源1、光接收機(jī) 2和能見(jiàn)度計(jì)算單元3。在光接收機(jī)2前安裝濾光片4。發(fā)射光源1發(fā)出白光，經(jīng)過(guò)大氣粒子5散射，光接收機(jī)2接收散射光每半秒鐘采集一次數(shù)據(jù)。光接收機(jī)2所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)能見(jiàn)度計(jì)算單元3的計(jì)算，以能見(jiàn)度L的形式輸出于屏幕上。本發(fā)明的多波長(zhǎng)霧霾識(shí)別方法包括以下步驟1)在散射式能見(jiàn)度儀的光接收機(jī)前加裝濾光片；2)發(fā)射光源發(fā)出白光，經(jīng)大氣粒子散射，光接收機(jī)分別接收散射光經(jīng)紅色、綠色和藍(lán)色的濾光片濾光后的散射分量SK、Sg和&，以及未經(jīng)濾光的散射分量S ；3)分別計(jì)算紅色的散射分量&與綠色的散射分量Se的比值1!^ = / ， 以及綠色的散射分量Se與藍(lán)色的散射分量&的比值JUb = ，計(jì)算比值的平均值 5 = ( ^+ ^)",根據(jù)平均值^的大小，將大氣狀況分為霧、霾以及霧霾混合三種情況，當(dāng)平均值^接近于1時(shí)，識(shí)別為霧，當(dāng)平均值^遠(yuǎn)離1時(shí)，識(shí)別為霾，當(dāng)平均值G介于霧與霾的識(shí)別閾值之間時(shí)，識(shí)別為霧霾混合天氣，具體的霧與霾的識(shí)別閾值可根據(jù)典型氣溶膠尺度譜理論計(jì)算或定標(biāo)確定。優(yōu)選采用旋轉(zhuǎn)濾光片，如圖2所示，旋轉(zhuǎn)濾光片為圓盤(pán)狀，分成紅色濾光片R、綠色濾光片G、藍(lán)色濾光片B以及透明片T四個(gè)區(qū)域。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)濾光片，光接收機(jī)分別接收散射光經(jīng)紅色、綠色和藍(lán)色濾光片濾光后的散射分量SK、Sg和&，以及未經(jīng)濾光的散射分量 S。濾光片還可以采用一組疊片，散射光分別經(jīng)過(guò)紅色濾光片R、綠色濾光片G、藍(lán)色濾光片B及透明片T，通過(guò)逐個(gè)濾光，光接收機(jī)分別接收散射光經(jīng)紅色、綠色和藍(lán)色濾光片濾光后的散射分量&、Sg和&，以及未經(jīng)濾光的的散射分量S。未經(jīng)濾光的散射分量S用于能見(jiàn)度計(jì)算，首先在理論上分別建立霧和霾(可采用城市型氣溶膠模型)的散射和消光系數(shù)之間的關(guān)系，當(dāng)識(shí)別為霧時(shí)，用霧的散射推導(dǎo)消光系數(shù)計(jì)算能見(jiàn)度，當(dāng)識(shí)別為霾時(shí)，用霾的散射推導(dǎo)消光系數(shù)計(jì)算能見(jiàn)度，當(dāng)識(shí)別為霧霾混合時(shí)，則根據(jù)比值偏離純霧的程度修正能見(jiàn)度。最后需要注意的是，公布實(shí)施方式的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開(kāi)的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書(shū)界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種多波長(zhǎng)霧霾識(shí)別方法，采用的散射式能見(jiàn)度儀包括發(fā)射光源、光接收機(jī)和能見(jiàn)度計(jì)算單元，其特征在于，包括以下步驟1)在散射式能見(jiàn)度儀的光接收機(jī)前加裝濾光片；2)發(fā)射光源發(fā)出白光，經(jīng)大氣粒子散射，光接收機(jī)分別接收散射光經(jīng)紅色、綠色和藍(lán)色濾光片濾光后的散射分量SK、Sg和&，以及未經(jīng)濾光的散射分量S ；3)分別計(jì)算紅色的散射分量&與綠色的散射分量Sg的比值Jilffi= SE/SG,以及綠色的散射分量Sg與藍(lán)色的散射分量&的比值η eB = SB/SB,計(jì)算比值的平均值G = (T1rg + ηΟΒ)/2，根據(jù)平均值&的大小，將大氣狀況分為霧、霾以及霧霾混合三種情況，當(dāng)平均值&接近于1時(shí)，識(shí)別為霧，當(dāng)平均值&遠(yuǎn)離1時(shí)，識(shí)別為霾，當(dāng)平均值G介于霧與霾的識(shí)別閾值之間時(shí)， 識(shí)別為霧霾混合天氣。
2.如權(quán)利要求1所述的識(shí)別方法，其特征在于，霧與霾的識(shí)別閾值根據(jù)典型氣溶膠尺度譜理論計(jì)算或定標(biāo)確定。
3.如權(quán)利要求1所述的識(shí)別方法，其特征在于，濾光片采用旋轉(zhuǎn)濾光片，旋轉(zhuǎn)濾光片為圓盤(pán)狀，分成紅色濾光片、綠色濾光片、藍(lán)色濾光片以及透明片四個(gè)區(qū)域，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)濾光片，光接收機(jī)分別接收散射光經(jīng)紅色、綠色和藍(lán)色濾光片濾光后的散射分量SK、知和&， 以及未經(jīng)濾光的散射分量S。
4.一種能見(jiàn)度測(cè)量方法，采用的散射式能見(jiàn)度儀包括發(fā)射光源、光接收機(jī)和能見(jiàn)度計(jì)算單元，其特征在于，包括以下步驟1)在散射式能見(jiàn)度儀的光接收機(jī)前加裝濾光片；2)發(fā)射光源發(fā)出白光，經(jīng)大氣粒子散射，光接收機(jī)分別接收散射光經(jīng)紅色、綠色和藍(lán)色濾光片濾光后的散射分量SK、Sg和&，以及未經(jīng)濾光的散射分量S ；3)分別計(jì)算紅色的散射分量&與綠色的散射分量Sg的比值Jilffi= SE/SG,以及綠色的散射分量Sg與藍(lán)色的散射分量SB的比值JUb = SB/SB,計(jì)算比值的平均值G = (T1rg + ηΟΒ)/2， 根據(jù)平均值^的大小，將大氣狀況分為霧、霾以及霧霾混合三種情況，當(dāng)平均值^接近于1 時(shí)，識(shí)別為霧，當(dāng)平均值▽遠(yuǎn)離1時(shí)，識(shí)別為霾，當(dāng)平均值G介于霧與霾的識(shí)別閾值之間時(shí)， 識(shí)別為霧霾混合天氣；4)在理論上分別建立霧和霾的散射和消光系數(shù)之間的關(guān)系，當(dāng)識(shí)別為霧時(shí)，用霧的散射推導(dǎo)消光系數(shù)計(jì)算能見(jiàn)度，當(dāng)識(shí)別為霾時(shí)，用霾的散射推導(dǎo)消光系數(shù)計(jì)算能見(jiàn)度，當(dāng)識(shí)別為霧霾混合時(shí)，則根據(jù)比值偏離純霧的程度修正能見(jiàn)度。
5.如權(quán)利要求4所述的測(cè)量方法，其特征在于，霧與霾的識(shí)別閾值根據(jù)典型氣溶膠尺度譜理論計(jì)算或定標(biāo)確定。
6.如權(quán)利要求4所述的測(cè)量方法，其特征在于，旋轉(zhuǎn)濾光片為圓盤(pán)狀，分成紅色濾光片、綠色濾光片、藍(lán)色濾光片以及透明片四個(gè)區(qū)域，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)濾光片，光接收機(jī)分別接收散射光經(jīng)紅色、綠色和藍(lán)色濾光片濾光后的散射分量SK、Sg和&，以及未經(jīng)濾光的散射分量S
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種多波長(zhǎng)霧霾識(shí)別方法及能見(jiàn)度測(cè)量方法。本發(fā)明在散射式能見(jiàn)度儀的光接收機(jī)前加裝濾光片，通過(guò)在能見(jiàn)度儀的光接收機(jī)前加裝一組紅色、綠色和藍(lán)色濾光片，即可測(cè)量不同波長(zhǎng)的散射光的散射分量，根據(jù)紅色、綠色和藍(lán)色三個(gè)散射分量的差別來(lái)識(shí)別是霧還是霾的散射，在確定了是霧還是霾之后，根據(jù)散射粒子的不同性質(zhì)以及未經(jīng)濾光的散射分量計(jì)算能見(jiàn)度。本發(fā)明的方法簡(jiǎn)單有效地識(shí)別了霧與霾，然后根據(jù)霧與霾的差異分別推算消光系數(shù)，從而能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出能見(jiàn)度，有效地提高了能見(jiàn)度觀測(cè)的精度，并且本發(fā)明的方法在識(shí)別小粒子造成的低能見(jiàn)度天氣方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。
文檔編號(hào)G01N21/49GK102539385SQ20121000492
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月9日
發(fā)明者何平, 劉曉陽(yáng), 杜金林 申請(qǐng)人:北京大學(xué)