本發(fā)明屬于環(huán)境檢測領(lǐng)域，具體涉及一種大氣流場光學(xué)測量儀。

背景技術(shù)：

大氣流場(湍流)是大氣中的一種重要運動形式，湍流每一點上的壓強、速度、溫度等物理特性會隨機(jī)漲落，大氣湍流的存在使大氣中的動量、熱量、水氣和污染物的垂直和水平交換作用明顯增強，遠(yuǎn)大于分子運動的交換強度，同時它對光波、聲波和電磁波在大氣中的傳播產(chǎn)生一定的干擾作用。同時大氣湍流又是發(fā)生在大氣邊界層內(nèi)的主要運動形式，而大氣邊界層是人類的生活和生產(chǎn)活動主要場所，由人類活動帶來污染物的排放、傳輸和轉(zhuǎn)化大部分發(fā)生在該層，因此大氣邊界層的環(huán)境問題直接影響到人類的健康和生存。大氣湍流特征的測量研究是天氣/氣候及大氣環(huán)境模式中大氣邊界層物理過程參數(shù)化方案的改進(jìn)以提高其模擬性能的關(guān)鍵科學(xué)問題之一，也是當(dāng)前大氣科學(xué)、空氣污染、健康研究的基礎(chǔ)前沿科學(xué)問題。

目前，目前國內(nèi)外關(guān)于大氣能見度(大氣消光：分子和氣溶膠粒子消光)及大氣湍流(氣體流場)的測量是分開進(jìn)行的(比如能見度儀測量能見度，超聲風(fēng)速儀測量風(fēng)速)。然而事實上，氣溶膠粒子是分布于大氣之中的，也就是說是在湍流氣團(tuán)之內(nèi)的。氣溶膠粒子與大氣湍流氣團(tuán)之間是相互作用的，一方面大氣湍流帶動氣溶膠粒子運動，另一方面氣溶膠粒子也拖曳湍流氣團(tuán)的運動，它們之間的伴隨與跟隨、遲滯與阻礙、拖曳與被拖曳之間的關(guān)系使得我們在探測大氣能見度(消光系數(shù))和大氣湍流特征時，應(yīng)該同時考慮它們之間的相互作用，這也是污染擴(kuò)散中的重要環(huán)節(jié)，而現(xiàn)在已由的測量儀器恰恰忽略了這一點，其忽略的原因在于這個問題是大氣科學(xué)研究中的難題之一，是大氣科學(xué)中的基礎(chǔ)科學(xué)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種大氣流場光學(xué)測量儀，實現(xiàn)大氣能見度、消光系數(shù)、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)、大氣湍流強度、風(fēng)速及大氣溫壓濕等氣象參數(shù)的一體化同步在線測量。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述技術(shù)方案，本發(fā)明的大氣流場光學(xué)測量儀包括發(fā)射光路裝置、接收光路裝置、檢測裝置、數(shù)據(jù)采集裝置和控制裝置，所述發(fā)射光路裝置用于產(chǎn)生平行的出射光，通過接收光路裝置匯聚并輸出光電信號，同時通過數(shù)據(jù)采集裝置檢測發(fā)射光路裝置和接收光路裝置的溫壓濕信號，并進(jìn)一步將所述光電信號和溫壓濕信號通過控制裝置進(jìn)行檢測和處理，具體地，大氣能見度vis是測量大氣消光系數(shù)σ獲得，即vis＝3.912/σ，大氣消光系數(shù)由光電系數(shù)再轉(zhuǎn)化為消光系數(shù)反映大氣湍流強度的大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)C_n²，通過溫度的測量結(jié)果，它可以用下式獲得式中，T為大氣溫度，λ為波長，為溫度結(jié)構(gòu)函數(shù)。

具體地，所述發(fā)射光路裝置包括第一殼體和依次設(shè)置于所述第一殼體內(nèi)部的光源、斬波器、第一透鏡、第二透鏡和第一窗口；所述發(fā)射光路裝置產(chǎn)生的可見光，依次通過斬波器調(diào)頻、第一透鏡匯聚和第二透鏡轉(zhuǎn)換成平行光從第一窗口發(fā)射出來，通過一定的距離后進(jìn)入接收光路裝置。

所述接收光路裝置包括第二殼體和依次設(shè)置于所述第二殼體內(nèi)部的第二窗口、第三透鏡、第四透鏡和光電探測器；來自發(fā)射光路裝置的出射光通過第二窗口進(jìn)入，并經(jīng)第三透鏡和第四透鏡的匯聚后進(jìn)入光電探測器，得到光電信號。

所述數(shù)據(jù)采集裝置包括設(shè)置于第一控制箱、視頻采樣器、第一溫壓濕傳感器、第二控制箱和第二溫壓濕傳感器，所述第一控制箱、視頻采樣器和第一溫壓濕傳感器分別設(shè)置于第一殼體的外部，視頻采樣器通過固定一定間隔時間對固定目標(biāo)物進(jìn)行圖形像采集，并對使用灰度分析的方式進(jìn)行對比度分析，獲取天氣狀況信息，如每3分鐘、5分鐘、10分鐘、30分鐘、1小時間隔進(jìn)行檢測。所述第一控制箱用于觸發(fā)光源發(fā)出可見光波長、控制視屏采樣器進(jìn)行天氣狀況采樣(包括晴空、降水、視程障礙、大氣光像和雷電等)以及溫濕度傳感器的檢測；所述第二控制箱和第二溫壓濕傳感器分別設(shè)置于第二殼體的外部，所述第二控制箱用于接收來自光電探測器的光信號和控制第二溫壓濕傳感器的檢測。

所述控制裝置包括控制電腦和電源，來自數(shù)據(jù)采集裝置的采集數(shù)據(jù)由控制電腦進(jìn)行控制。

優(yōu)選地，來自發(fā)射光路裝置的出射光在經(jīng)過35-75m長(該數(shù)值的選擇有沒有什么依據(jù)？或者小于這個范圍或大于這個范圍對檢測結(jié)果有何影響？答：的基線之后到達(dá)接接收光路裝置，本發(fā)明為雙端式探測器，主要是收發(fā)分置，為保證測量精度，需要有一個相對較長的基線，這個基線需＞30m，＜75m：這樣選擇的依據(jù)是大氣動態(tài)變化會影響測量精度，同時考慮到光源能量的衰減量，基線過長(如＞75m)有可能會使接收探測器檢測不到足夠強度的光信號；基線過短(如＜30m)可能會使接收探測器飽和；因此優(yōu)選35-75m長度基線，范圍可根據(jù)場地的大小可調(diào)。

所述第一殼體表面設(shè)置有第一風(fēng)扇和第一通風(fēng)窗，所述第二殼體表面設(shè)置有第二風(fēng)扇和第二通風(fēng)窗。

所述第一殼體的下方設(shè)置有第一支柱和第一基座，用于支撐所述第一殼體；所述第二殼體下方設(shè)置有第二支柱和第二基座，用于支撐所述第二殼體

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的大氣流場光學(xué)測量儀能夠直接測量大氣能見度、大氣消光系數(shù)和大氣流場(湍流)起伏強度、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)、大氣風(fēng)速，并兼?zhèn)渫将@取大氣溫度、濕度和氣壓等氣象參數(shù)的功能，實現(xiàn)大氣能見度、消光系數(shù)、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)、大氣湍流強度、風(fēng)速及大氣溫壓濕等氣象參數(shù)的一體化同步在線測量，自動化程度高，穩(wěn)定性好。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明所測量的大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)隨時間變化圖；

圖3為本發(fā)明所測量的大氣能見度和消光系數(shù)隨時間變化圖；

圖4為本發(fā)明所測量的溫度隨時間變化圖；

圖5為本發(fā)明所測量的相對濕度隨時間變化圖；

圖6為本發(fā)明所測量的氣壓隨時間變化圖。

具體實施方式

下面通過具體的實施例詳細(xì)說明本發(fā)明。

如圖1所示，一種大氣流場光學(xué)測量儀，包括發(fā)射光路裝置、接收光路裝置、數(shù)據(jù)采集裝置和控制裝置。

其中，發(fā)射光路裝置包括第一殼體和依次設(shè)置于第一殼體內(nèi)部的光源1、斬波器2、第一透鏡3、第二透鏡4和第一窗口5；發(fā)射光路裝置產(chǎn)生的可見光，依次通過斬波器調(diào)頻、第一透鏡匯聚和第二透鏡轉(zhuǎn)換成平行光從第一窗口發(fā)射出來，通過一定的距離后進(jìn)入接收光路裝置；第一殼體表面設(shè)置有第一風(fēng)扇6和第一通風(fēng)窗7，第一殼體的下方設(shè)置有第一支柱10和第一基座11。

接收光路裝置包括第二殼體和依次設(shè)置于第二殼體內(nèi)部的第二窗口14、第三透鏡15、第四透鏡16和光電探測器17；來自發(fā)射光路裝置的出射光通過第二窗口進(jìn)入，并經(jīng)第三透鏡和第四透鏡的匯聚后進(jìn)入光電探測器，得到光電信號，第二殼體表面設(shè)置有第二風(fēng)扇18和第二通風(fēng)窗19，第二殼體下方設(shè)置有第二支柱21和第二基座22，用于支撐第二殼體。

數(shù)據(jù)采集裝置包括設(shè)置于第一控制箱9、視頻采樣器23、第一溫壓濕傳感器8、第二控制箱20和第二溫壓濕傳感器24，第一控制箱、視頻采樣器和第一溫壓濕傳感器分別設(shè)置于第一殼體的外部，視頻采樣器通過固定一定間隔時間對固定目標(biāo)物進(jìn)行圖形像采集，并對使用灰度分析的方式進(jìn)行對比度分析，獲取天氣狀況信息，如每3分鐘、5分鐘、10分鐘、30分鐘、1小時間隔進(jìn)行檢測。所述第一控制箱用于觸發(fā)光源發(fā)出可見光波長、控制視屏采樣器進(jìn)行天氣狀況采樣(包括晴空、降水、視程障礙、大氣光像和雷電等)以及溫濕度傳感器的檢測；第二控制箱和第二溫壓濕傳感器分別設(shè)置于第二殼體的外部，第二控制箱用于接收來自光電探測器的光信號和控制第二溫壓濕傳感器的檢測。

控制裝置包括控制電腦和電源，來自數(shù)據(jù)采集裝置的采集數(shù)據(jù)由控制電腦進(jìn)行控制。

在檢測時，第一控制箱9觸發(fā)LED光源1發(fā)出可見光波長，通過斬波器2調(diào)頻至110KHz，然后通過第一透鏡3和第二透鏡4變成平行出射光經(jīng)過第一窗口5射出，在經(jīng)過35-75m長的基線之后到達(dá)接收光學(xué)裝置的第二窗口14，然后經(jīng)過第三透鏡15匯聚到第四透鏡16進(jìn)入光電探測器17，然后光電信號進(jìn)入第二控制箱20；同時第一控制箱9也控制視屏采樣器23進(jìn)行天氣狀況采樣和第一溫濕度傳感器8的運行；第二控制箱20也控制第二溫濕度傳感器24；數(shù)據(jù)及控制采集信號最終進(jìn)入系統(tǒng)控制電腦12，由供電電源13進(jìn)行供電。大氣能見度vis是測量大氣消光系數(shù)σ獲得，即vis＝3.912/σ，大氣消光系數(shù)由光電系數(shù)再轉(zhuǎn)化為消光系數(shù)反映大氣湍流強度的大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)C_n²，通過溫度的測量結(jié)果，它可以用下式獲得式中，T為大氣溫度，λ為波長，為溫度結(jié)構(gòu)函數(shù)。

下面通過本發(fā)明的裝置對張家港的環(huán)境進(jìn)行檢測并記錄，檢測結(jié)果如圖2～6所示。

本發(fā)明的大氣流場光學(xué)測量儀能夠直接測量大氣能見度、大氣消光系數(shù)和大氣流場(湍流)起伏強度、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)、大氣風(fēng)速，并兼?zhèn)渫将@取大氣溫度、濕度和氣壓等氣象參數(shù)的功能，實現(xiàn)大氣能見度、消光系數(shù)、大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)、大氣湍流強度、風(fēng)速及大氣溫壓濕等氣象參數(shù)的一體化同步在線測量。