專利名稱：利用天空散射光測量大氣水平能見度的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)測量領(lǐng)域，具體的說是一種利用天空散射光測量大氣水平能見度的方法及裝置。
背景技術(shù)：
作為氣象觀測的要素之一，大氣水平能見度測報(bào)不僅用于日常氣象部門的天氣分析，更廣泛用于高速公路、航空、航海等交通運(yùn)輸部門、軍事等領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)和我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種氣象要素的精確測量和預(yù)報(bào)越來越必要，特別是交通運(yùn)輸事業(yè)的迅速發(fā)展，海、陸、空各種交通工具的增加和速度的提高，使得大氣水平能見度這項(xiàng)氣象要素的測報(bào)顯得更為重要?，F(xiàn)在的測量技術(shù)主要是采用主動(dòng)光源的透射式能見度儀、散射式能見度測量儀以及測量氣溶膠散射來獲得能見度的激光雷達(dá)。但是前兩種技術(shù)取樣空間小，代表性稍差；受光源穩(wěn)定性的影響，定標(biāo)相對(duì)困難；計(jì)算公式反演比較繁瑣；必須遵循散射各向同性的原則。而激光雷達(dá)技術(shù)的運(yùn)行和維護(hù)成本較高，不適合于長期觀測和普及。因此綜上，目前現(xiàn)有技術(shù)中還沒有采用被動(dòng)太陽散射光源的近地面大氣水平能見度測量方法和裝置的文獻(xiàn)報(bào)道。本發(fā)明采用太陽散射光作為光源，采樣空間大，更能反應(yīng)真實(shí)大氣水平能見度；不需要絕對(duì)定標(biāo)，便于維護(hù)，適合于長期自動(dòng)連續(xù)實(shí)時(shí)觀測；儀器成本較低，適合于大量普及應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出了一種新型的測量大氣水平能見度的方法和裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)采樣空間小，無法反應(yīng)大區(qū)域真實(shí)的大氣水平能見度的問題。本發(fā)明的技術(shù)解決方案:利用天空散射 光測量大氣水平能見度的裝置，其特征在于:包括有轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)、電子羅盤、電子傾角儀、GPS定位單元，光接收系統(tǒng)、光譜探測單元、計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)通過控制線控制轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上安裝有電子羅盤、GPS定位單元，電子羅盤提供方位角信息，GPS定位單元提供測量點(diǎn)的經(jīng)緯度和海拔高度信息，光接收系統(tǒng)搭載到轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上，光接收系統(tǒng)指向低高度角和天頂方向，電子傾角儀安裝在光接收系統(tǒng)上，提供高度角信息，光接收系統(tǒng)的信號(hào)輸出端通過光纖接入光譜探測單元的信號(hào)輸入端，光譜探測單元的信號(hào)輸出端通過傳輸控制線接入計(jì)算機(jī)；天空散射光經(jīng)光接收系統(tǒng)傳輸?shù)焦庾V探測單元，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)光譜信息進(jìn)行處理，計(jì)算機(jī)同時(shí)通過傳輸控制線制光譜采集單元，計(jì)算機(jī)中存有大氣輻射傳輸模型和數(shù)據(jù)庫，通過大氣輻射傳輸模型建立數(shù)據(jù)庫，通過計(jì)算機(jī)利用差分吸收光譜分析方法進(jìn)行反演得到氧二聚體差分斜柱濃度，輸入到計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)庫查找得到近地面大氣水平能見度。所述的一種利用天空散射光測量大氣水平能見度的裝置，其特征在于:所述的大氣輻射傳輸模型是可以模擬光在大氣中傳輸?shù)挠?jì)算機(jī)仿真軟件，如SCAITRAN、MACARTIM、TRACY,LIDORT等模型軟件，在輸入大氣氣象參數(shù)、氣溶膠特性參數(shù)等信息后，可仿真計(jì)算得到任意測量方向、任意測量時(shí)間條件下的氧的二聚體斜柱濃度。所述的一種利用天空散射光測量大氣水平能見度的裝置，其特征在于:所述的低高度角的光譜和天頂方向的光譜分別是測量方向與水平方向之間的角度小于1°和測量方向與水平方向角度約為90°。所述的一種利用天空散射光測量大氣水平能見度的裝置，其特征在于:所述的氧的二聚體差分斜柱濃度是利用差分吸收光譜原理，以相鄰的天頂方向測量光譜為參考光譜，解析得到的低高度角光譜中氧的二聚體對(duì)吸收路徑的積分；吸收路徑集中于近地面的大氣中。所述的一種利用天空散射光測量大氣水平能見度的裝置，其特征在于:所述轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，水平轉(zhuǎn)動(dòng)范圍O到360°，垂直轉(zhuǎn)動(dòng)至少可以指向低高度角和90°高度角兩個(gè)方向，其轉(zhuǎn)動(dòng)精度應(yīng)小于0.1°。所述的一種利用天空散射光測量大氣水平能見度的裝置，其特征在于:所述電子羅盤和電子傾角儀能夠?qū)崟r(shí)與計(jì)算機(jī)通訊，給出光接收系統(tǒng)所指方向的仰角和方位角，電子羅盤和電子傾角儀的誤差小于0.1度。所述的一種利用天空散射光測量大氣水平能見度裝置，其特征在于:所述光接收系統(tǒng)由凸透鏡片、濾光片、擋光輪和光纖組成；天空散射光經(jīng)凸透鏡匯聚到光纖中；濾光片在凸透鏡后，光纖之前；擋光輪安裝在光纖前、凸透鏡后；光接收系統(tǒng)的凸透鏡采用石英晶體，以提高紫外透過率；光接收系統(tǒng)的視場角小于0.1°。一種利用天空散射光測量大氣水平能見度的方法，其特征在于:包括利用大氣輻射傳輸模型建立各個(gè)測量方位和太陽位置對(duì)應(yīng)的低高度角的氧的二聚體差分斜柱濃度與近地面大氣消光系數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用氣象能見度與消光系數(shù)關(guān)系的公式，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氧的二聚體斜柱濃度與近地面大氣水平能見度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫；然后利用轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)使光接收系統(tǒng)循環(huán)測量低高度角的光譜和天頂方向的光譜，通過差分吸收理論，解析出氧的二聚體差分斜柱濃度；然后根據(jù)解析的氧的二聚體差分斜柱濃度和對(duì)應(yīng)的測量方位角、測量時(shí)間，在數(shù)據(jù)庫中查找得到對(duì)應(yīng)的近地面大氣水平能見度；具體方法步驟如下:(I)首先使光接收系統(tǒng)指向仰角90°，得到參考光譜，然后使光接收系統(tǒng)指向小于1°的低高度角，得到測量光譜；根據(jù)光在大氣中傳輸測量光譜Ι(λ)和參考光譜ItlU)之間的關(guān)系:
權(quán)利要求
1.利用天空散射光測量大氣水平能見度的裝置，其特征在于:包括有轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)、電子羅盤、電子傾角儀、GPS定位單元，光接收系統(tǒng)、光譜探測單元、計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)通過控制線控制轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上安裝有電子羅盤、GPS定位單元，光接收系統(tǒng)搭載到轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上，電子傾角儀安裝在光接收系統(tǒng)上，光接收系統(tǒng)的信號(hào)輸出端通過光纖接入光譜探測單元的信號(hào)輸入端，光譜探測單元的信號(hào)輸出端通過傳輸控制線接入計(jì)算機(jī)；天空散射光經(jīng)光接收系統(tǒng)傳輸?shù)焦庾V探測單元，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)光譜信息進(jìn)行處理，計(jì)算機(jī)同時(shí)通過傳輸控制線制光譜采集單元，計(jì)算機(jī)中存有大氣輻射傳輸模型和數(shù)據(jù)庫，通過大氣輻射傳輸模型建立數(shù)據(jù)庫，通過計(jì)算機(jī)利用差分吸收光譜分析方法進(jìn)行反演得到氧二聚體差分斜柱濃度，輸入到計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)庫查找得到近地面大氣水平能見度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用天空散射光測量大氣水平能見度的裝置，其特征在于:所述的大氣輻射傳輸模型是可以模擬光在大氣中傳輸?shù)挠?jì)算機(jī)仿真軟件，如SCAITRAN、MACARTIM, TRACY, LIDORT等模型軟件，在輸入大氣氣象參數(shù)、氣溶膠特性參數(shù)等信息后，可仿真計(jì)算得到任意測量方向、任意測量時(shí)間條件下的氧的二聚體斜柱濃度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用天空散射光測量大氣水平能見度的裝置，其特征在于:所述的低高度角的光譜和天頂方向的光譜分別是測量方向與水平方向之間的角度小于1°和測量方向與水平方向角度約為90°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用天空散射光測量大氣水平能見度的裝置，其特征在于:所述的氧的二聚體差分斜柱濃度是利用差分吸收光譜原理，以相鄰的天頂方向測量光譜為參考光譜，解析得到的低高度角光譜中氧的二聚體對(duì)吸收路徑的積分；吸收路徑集中于近地面的大氣中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用天空散射光測量大氣水平能見度的裝置，其特征在于:所述轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，水平轉(zhuǎn)動(dòng)范圍O到360°，垂直轉(zhuǎn)動(dòng)至少可以指向低高度角和90°高度角兩個(gè)方向，其轉(zhuǎn)動(dòng)精度應(yīng)小于0.1°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用天空散射光測量大氣水平能見度的裝置，其特征在于:所述電子羅盤和電子傾角儀能夠?qū)崟r(shí)與計(jì)算機(jī)通訊，給出光接收系統(tǒng)所指方向的仰角和方位角，電子羅盤和電子傾角儀的誤差小于0.1度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用天空散射光測量大氣水平能見度裝置，其特征在于:所述光接收系統(tǒng)由凸透鏡片、濾光片、擋光輪和光纖組成；天空散射光經(jīng)凸透鏡匯聚到光纖中；濾光片在凸透鏡后，光纖之前；擋光輪安裝在光纖前、凸透鏡后；光接收系統(tǒng)的凸透鏡采用石英晶體，以提高紫外透過率；光接收系統(tǒng)的視場角小于0.1°。
8.一種基于權(quán)利要求1所述的利用天空散射光測量大氣水平能見度的裝置的方法，其特征在于:包括利用大氣輻射傳輸模型建立各個(gè)測量方位和太陽位置對(duì)應(yīng)的低高度角的氧的二聚體差分斜柱濃度與近地面大氣消光系數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用氣象能見度與消光系數(shù)關(guān)系的公式，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氧的二聚體斜柱濃度與近地面大氣水平能見度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫；然后利用轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)使光接收系統(tǒng)循環(huán)測量低高度角的光譜和天頂方向的光譜，通過差分吸收理論，解析出氧的二聚體差分斜柱濃度；然后根據(jù)解析的氧的二聚體差分斜柱濃度和對(duì)應(yīng)的測量方位角、測量時(shí)間，在數(shù)據(jù)庫中查找得到對(duì)應(yīng)的近地面大氣水平能見度；具體方法步驟 如下: 首先使光接收系統(tǒng)指向仰角90°，得到參考光譜，然后使光接收系統(tǒng)指向小于1°的低高度角，得到測量光譜；根據(jù)光在大氣中傳輸測量光譜I (λ)和參考光譜ItlU)之間的關(guān)系:Κλ) = 10(A) X exp(-L.(2 Carj(A).Cj) + εΕ(λ) + εΜ(λ))) j 式中L是光的有效傳輸路徑，也就是測量光譜的光的傳輸路徑中減去參考光譜光的傳輸路徑后的剩余部分；σ , “λ)代表多種吸收氣體的吸收截面，&代表多種吸收氣體的濃度，ε κ( λ )代表空氣分子的瑞利散射，ε Μ( λ )代表氣溶膠的米散射； 根據(jù)差分吸收光譜算法，通過高通濾波可以去除光譜中的慢變化部分εκ(λ)和ε Μ( λ )，通過最小二乘法擬合可以同時(shí)獲得多種吸收氣體的差分斜柱濃度，差分斜柱濃度是吸收氣體濃度對(duì)光的有效傳輸路徑L的積分；如果選擇氧的二聚體(04)的吸收帶波段分析光譜，可以得到04的差分斜柱濃度，由于04在大氣中的分布是穩(wěn)定的，因此04的斜柱濃度由有效傳輸路徑L決定；而有效傳輸路徑L在大氣中受氣溶膠散射、吸收和空氣分子的散射、吸收決定，在氣溶膠濃度較高的近地面大氣，相比于氣溶膠的散射作用，其他作用對(duì)L的影響可以近似忽略；因此如果有效傳輸路徑主要在近地面大氣中，通過測量04的斜柱濃度就可以反演得到氣溶膠散射消光系數(shù)； 通過大氣輻射傳輸模型可以獲得 近地面氣溶膠散射消光系數(shù)與04差分斜柱濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而且近地面大氣的水平能見度Lv主要由氣溶膠散射消光系數(shù)εΜ(λ)決定，如下式:Lv =2.996/ εΜ(λ) 因此通過基于數(shù)據(jù)庫的查表反演方法就可以由低高度角(如1°高度角)的04差分斜柱濃度獲得近地面的水平能見度； 在多個(gè)方位進(jìn)行測量，可以區(qū)分出不同水平方向的大氣能見度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用天空散射光測量大氣水平能見度的方法及裝置，利用大氣輻射傳輸模型建立各個(gè)測量方位和太陽位置對(duì)應(yīng)的低高度角的氧的二聚體差分斜柱濃度與近地面大氣消光系數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用氣象能見度與消光系數(shù)關(guān)系的公式，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氧的二聚體斜柱濃度與近地面大氣水平能見度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫；利用轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)使光接收系統(tǒng)循環(huán)測量低高度角的光譜和天頂方向的光譜，解析出氧的二聚體差分斜柱濃度；根據(jù)解析的氧的二聚體差分斜柱濃度和對(duì)應(yīng)的測量方位角、測量時(shí)間，在數(shù)據(jù)庫中查找對(duì)應(yīng)的近地面水平能見度。本發(fā)明的測量裝置結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測；測量方法利用太陽散射光為光源，采樣區(qū)域大，測量結(jié)果反應(yīng)真實(shí)大氣。
文檔編號(hào)G01N21/53GK103234942SQ20131009981
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月26日
發(fā)明者謝品華, 王楊, 李昂, 劉文清, 劉建國, 陳浩 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所