專利名稱：散射式能見度儀中霧霾識別方法及能見度測量方法
散射式能見度儀中霧霾識別方法及能見度測量方法技術領域
本發明屬于大氣科學領域，具體涉及散射式能見度儀中霧與霾的識別方法及能見度的測量方法。
背景技術：
能見度的觀測一直是天氣觀測中重要的組成部分，和人們的日常生活息息相關。 它在環境、航海、航空以及其他建設和交通運輸領域起著尤為重要的作用。機場和高速公路附近能見度的測量，是一個急需解決的問題。特別是在能見度較低的情況下，能見度測量的不準確性有可能導致嚴重的事故。如何提高能見度觀測的準確性，是亟待解決的問題。
目前常見的能見度儀有透射式能見度儀和散射式能見度儀，由于透射式能見度儀需要較長的光學路徑(50米)，在應用中受到較多限制，而散射式能見度儀占用空間小，使用方便，在氣象、交通等領域得到廣泛應用。一般氣象上所用的能見度測量儀器都是基于著名的柯什密特(Koschmieder)能見度公式L = 3. 91/ o，由測得的消光系數o計算出能見度L的值。
目前廣泛使用的散射式能見度儀，通過測量光源(通常為紅外光)照射偏正前方約33度方向的散射光強，然后推算出消光系數O，從而計算大氣能見度。
近地面層大氣中影響能見度的粒子可分為霧滴(即霧)和氣溶膠(即霾)兩類。 粒子的折射率包括實部和虛部，分別對應消光的散射和吸收。然而，霧與霾的折射率具有顯著差異，因此霧與霾對光的散射和吸收性質是不一樣的，兩者的消光系數對于散射光強度的依賴也是不一樣的。而現有的能見度儀一般只能用一種算法，根據接收到的散射光強度推算出大氣的消光系數，從而計算出能見度。那么無論是根據霧滴還是氣溶膠模型作出儀器標定，在另一種情況下都有可能造成較大的誤差。因此，霧與霾的識別在提高散射式能見度儀測量精度方面尤為重要。
利用霧天相對濕度大的特點，通過測量相對濕度是一種識別霧天的方法，當相對濕度達到某個閾值時，就按照霧計算能見度，否則，就按霾計算能見度。然而，相對濕度大的天氣未必就是霧天，因此，這個辦法并不總是有效。發明內容
針對以上現有技術中存在的問題，本發明提出一種讓散射式能見度儀能夠直接識別是霧還是霾，然后根據不同的識別結果使用不同的算法來推算消光系數，從而解決上述的能見度測量誤差的問題。
本發明的一個目的在于提出一種散射式能見度儀中霧與霾的識別方法。
霧與霾在形狀上有明顯差別，霧滴為球形粒子，而氣溶膠粒子在形狀上呈非對稱性，因此，霧與霾的散射光的偏振度存在顯著差別。偏振度是一個比較容易測量的量，通過在散射式能見度儀的光接收機前加裝一個偏振片，測量散射光的平行于觀測平面和垂直于觀測平面兩個方向的偏振分量，根據這兩個偏振分量的差別識別是霧還是霾的散射，然后，根據散射粒子的不同性質推導消光系數O，從而計算能見度L。
本發明采用的散射式能見度儀包括發射光源、光接收機和能見度計算單元，本發明的散射式能見度儀中霧與霾的識別方法包括以下步驟
I)在散射式能見度儀的光接收機前加裝偏振片；
2)發射光源發出白光，經大氣粒子散射，通過調整偏振片的方向，光接收機分別接收散射光的平行偏振分量和垂直偏振分量；
3)能見度計算單元計算平行偏振分量與垂直偏振分量的比值，根據比值的大小， 將大氣狀況分為霧、霾以及霧霾混合三種情況，當比值接近于I時，識別為霧，當比值遠離I 時，識別為霾，當比值介于霧與霾的識別閾值之間時，識別為霧霾混合天氣，具體的霧與霾的識別閾值可根據典型氣溶膠的組成成分理論計算或定標確定。
本發明的另一個目的在于提供一種能見度的測量方法。
本發明采用的散射式能見度儀包括發射光源、光接收機和能見度計算單元，本發明的能見度測量方法包括以下步驟
I)在散射式能見度儀的光接收機前加裝偏振片；
2)發射光源發出白光，經大氣粒子散射，通過調整偏振片的方向，光接收機分別接收散射光的平行偏振分量和垂直偏振分量；
3)能見度計算單元計算平行偏振分量與垂直偏振分量的比值，根據比值的大小， 將大氣狀況分為霧、霾以及霧霾混合三種情況，當比值接近于I時，識別為霧，當比值遠離I 時，識別為霾，當比值介于霧與霾的識別閾值之間時，識別為霧霾混合天氣，具體的霧與霾的識別閾值可根據典型氣溶膠的組成成分理論計算或定標確定；
4)在理論上分別建立霧和霾的散射和消光系數之間的關系，當識別為霧時，用霧的散射推導消光系數計算能見度，當識別為霾時，用霾的散射推導消光系數計算能見度，當識別為霧霾混合時，則根據比值偏離純霧的程度修正能見度。
本發明的有益效果
本發明在散射式能見度儀的光接收機前加裝偏振片，根據接收的散射光的平行偏振分量和垂直偏振分量的比值的大小，將大氣狀況識別為霧、霾以及霧霾混合三種情況，然后根據識別的情況修正能見度。由于霾在形狀上的非對稱性，用偏振方法可以在從可見光到近紅外的較大頻譜范圍內測量出霾的散射光的平行偏振分量和垂直偏振分量的差異，而對光接收機沒有特殊的要求。本發明的方法簡單有效地識別了霧與霾，然后根據霧與霾的差異分別推算消光系數，從而能夠準確地計算出能見度，有效地提高了能見度觀測的精度。 本發明采用偏振方法識別霧與霾，識別容易、實施方便。
圖I為霧的散射光的平行偏振分量與垂直偏振分量對應的能見度的擬合圖2為霾的散射光的平行偏振分量與垂直偏振分量對應的能見度的擬合圖3為本發明的散射式能見度儀中霧與霾的識別方法的測量裝置的示意圖。
具體實施方式
下面結合說明書附圖詳描述本發明的實施方式。
加濕器用超聲可產生粒徑在5微米左右的人造霧，在散射式能見度儀上加裝偏振片后，可測出散射光的平行和垂直偏振分量對應的能見度，如圖1所示，由于霧為對稱球形，平行偏振分量和垂直偏振分量對應的能見度基本相同。而對于用紙、燭、木、碳等燃燒產生的氣溶膠，其散射光的平行偏振分量和垂直偏振分量有明顯差別，用散射式能見度儀計算出的能見度也明顯不同，如圖2所示。本發明采用的測量裝置如圖3所示，散射式能見度儀包括發射光源1、光接收機2 和能見度計算單元3。在光接收機2前安裝偏振片4。發射光源1發射白光，經過大氣粒子 5散射，光接收機2接收散射光每半秒鐘采集一次數據。光接收機2所采集的數據經過能見度計算單元3的計算，以能見度L的形式輸出于屏幕上。本發明的散射式能見度儀中霧與霾的識別方法包括以下步驟1)在散射式能見度儀的光接收機前加裝偏振片；2)發射光源發出白光，經大氣粒子散射，通過調整偏振片的方向，光接收機分別接收散射光的平行偏振分量和垂直偏振分量；3)計算平行偏振分量與垂直偏振分量的比值，根據比值的大小，將大氣狀況分為霧、霾以及霧霾混合三種情況，當比值接近于1時，識別為霧，當比值遠離1 (如小于0. 8或大于1.2)時，識別為霾，當比值介于霧與霾的識別閾值之間時，識別為霧霾混合天氣，具體的霧與霾的識別閾值可根據典型氣溶膠的組成成分理論計算或定標確定。理論上，識別閾值與氣溶膠的組成成分、大小、取向、發射光源的頻譜以及光接收機對光譜的響應函數等有關，實際計算很難，比較可行的辦法是在實驗室里產生人造純霧和人造霾，測量兩種情況下的平行偏振分量與垂直偏振分量的比值，從而定標確定霧與霾的識別閾值。此后，只要保證光源和光接收器件的一致性，這個閾值就可以沿用。超聲霧化式加濕器產生人造霧，最大加濕量> 250ml/h。使用廢紙、蠟燭、蚊香、煤炭等混合燃燒產生人造霾。識別了霧與霾即可用于能見度的修正，首先在理論上分別建立霧和霾(可采用城市型氣溶膠模型)的散射和消光系數之間的關系，當識別為霧時，用霧的散射推導消光系數計算能見度，當識別為霾時，用霾的散射推導消光系數計算能見度，當識別為霧霾混合時，則根據比值偏離純霧的程度修正能見度。對偏振片沒有特殊要求，關鍵是要能得到兩個分量。偏振片的方向由人工調整，更好的辦法是用電機帶動偏振片旋轉，分別取平行和垂直偏振分量即可。最后需要注意的是，公布實施方式的目的在于幫助進一步理解本發明，但是本領域的技術人員可以理解在不脫離本發明及所附的權利要求的精神和范圍內，各種替換和修改都是可能的。因此，本發明不應局限于實施例所公開的內容，本發明要求保護的范圍以權利要求書界定的范圍為準。
權利要求
1.一種散射式能見度儀中霧與霾的識別方法，所述散射式能見度儀包括發射光源、光接收機和能見度計算單元，其特征在于，包括以下步驟1)在散射式能見度儀的光接收機前加裝偏振片；2)發射光源發出白光，經大氣粒子散射，通過調整偏振片的方向，光接收機分別接收散射光的平行偏振分量和垂直偏振分量；3)能見度計算單元計算平行偏振分量與垂直偏振分量的比值，根據比值的大小，將大氣狀況分為霧、霾以及霧霾混合三種情況，當比值接近于1時，識別為霧，當比值遠離1時， 識別為霾，當比值介于霧與霾的識別閾值之間時，識別為霧霾混合天氣。
2.如權利要求1所述的識別方法，其特征在于，在步驟3)中霧與霾的識別閾值根據典型氣溶膠的組成成分理論計算或定標確定。
3.如權利要求2所述的識別方法，其特征在于，產生人造純霧和人造霾，測量兩種情況下的平行偏振分量與垂直偏振分量的比值，從而定標確定霧與霾的識別閾值。
4.如權利要求3所述的識別方法，其特征在于，超聲霧化式加濕器產生人造霧，使用廢紙、蠟燭、蚊香、煤炭等混合燃燒產生人造霾。
5.如權利要求1所述的識別方法，其特征在于，偏振片的方向采用電機帶動偏振片旋轉，分別取平行和垂直偏振分量。
6.一種能見度的測量方法，采用的散射式能見度儀包括發射光源、光接收機和能見度計算單元，其特征在于，包括以下步驟1)在散射式能見度儀的光接收機前加裝偏振片；2)發射光源發出白光，經大氣粒子散射，通過調整偏振片的方向，光接收機分別接收散射光的平行偏振分量和垂直偏振分量；3)能見度計算單元計算平行偏振分量與垂直偏振分量的比值，根據比值的大小，將大氣狀況分為霧、霾以及霧霾混合三種情況，當比值接近于1時，識別為霧，當比值遠離1時， 識別為霾，當比值介于霧與霾的識別閾值之間時，識別為霧霾混合天氣；4)在理論上分別建立霧和霾的散射和消光系數之間的關系，當識別為霧時，用霧的散射推導消光系數計算能見度，當識別為霾時，用霾的散射推導消光系數計算能見度，當識別為霧霾混合時，則根據比值偏離純霧的程度修正能見度。
7.如權利要求6所述的測量方法，其特征在于，在步驟3)中霧與霾的識別閾值根據典型氣溶膠的組成成分理論計算或定標確定。
8.如權利要求7所述的測量方法，其特征在于，產生人造純霧和人造霾，實際測量兩種情況下的平行偏振分量與垂直偏振分量的比值，從而定標確定霧與霾的識別閾值。
9.如權利要求8所述的測量方法，其特征在于，超聲霧化式加濕器產生人造霧，使用廢紙、蠟燭、蚊香、煤炭等混合燃燒產生人造霾。
10.如權利要求6所述的測量方法，其特征在于，偏振片的方向采用電機帶動偏振片旋轉，分別取平行和垂直偏振分量。
全文摘要
本發明公開了散射式能見度儀中霧霾識別方法及能見度測量方法。本發明在散射式能見度儀的光接收機前加裝偏振片，根據接收的散射光的水平偏振分量和垂直偏振分量的比值的大小，將大氣狀況識別為霧、霾以及霧霾混合三種情況，然后根據識別的情況修正能見度。由于霾在形狀上的非對稱性，用偏振方法可以在從可見光到近紅外的較大頻譜范圍內測量出霾的散射光的水平偏振分量和垂直偏振分量的差異，而對光接收機沒有特殊的要求。本發明的方法簡單有效地識別了霧與霾，然后根據霧與霾的差異分別推算消光系數，從而能夠準確地計算出能見度，有效地提高了能見度觀測的精度。本發明采用偏振方法識別霧與霾，識別容易、實施方便。
文檔編號G01N21/47GK102539383SQ20121000475
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月9日 優先權日2012年1月9日
發明者劉曉陽, 杜金林, 趙爽 申請人:北京大學