专利名称：利用天空散射光测量大气水平能见度的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光学测量领域，具体的说是一种利用天空散射光测量大气水平能见度的方法及装置。
背景技术：
作为气象观测的要素之一，大气水平能见度测报不仅用于日常气象部门的天气分析，更广泛用于高速公路、航空、航海等交通运输部门、军事等领域。随着科学技术和我国国民经济的发展，各种气象要素的精确测量和预报越来越必要，特别是交通运输事业的迅速发展，海、陆、空各种交通工具的增加和速度的提高，使得大气水平能见度这项气象要素的测报显得更为重要。现在的测量技术主要是采用主动光源的透射式能见度仪、散射式能见度测量仪以及测量气溶胶散射来获得能见度的激光雷达。但是前两种技术取样空间小，代表性稍差；受光源稳定性的影响，定标相对困难；计算公式反演比较繁琐；必须遵循散射各向同性的原则。而激光雷达技术的运行和维护成本较高，不适合于长期观测和普及。因此综上，目前现有技术中还没有采用被动太阳散射光源的近地面大气水平能见度测量方法和装置的文献报道。本发明采用太阳散射光作为光源，采样空间大，更能反应真实大气水平能见度；不需要绝对定标，便于维护，适合于长期自动连续实时观测；仪器成本较低，适合于大量普及应用。
发明内容
本发明的目的是提出了一种新型的测量大气水平能见度的方法和装置，解决了现有技术采样空间小，无法反应大区域真实的大气水平能见度的问题。本发明的技术解决方案:利用天空散射 光测量大气水平能见度的装置，其特征在于:包括有转动平台、电子罗盘、电子倾角仪、GPS定位单元，光接收系统、光谱探测单元、计算机；计算机通过控制线控制转动平台，转动平台上安装有电子罗盘、GPS定位单元，电子罗盘提供方位角信息，GPS定位单元提供测量点的经纬度和海拔高度信息，光接收系统搭载到转动平台上，光接收系统指向低高度角和天顶方向，电子倾角仪安装在光接收系统上，提供高度角信息，光接收系统的信号输出端通过光纤接入光谱探测单元的信号输入端，光谱探测单元的信号输出端通过传输控制线接入计算机；天空散射光经光接收系统传输到光谱探测单元，转化为数字信号传输到计算机，计算机对光谱信息进行处理，计算机同时通过传输控制线制光谱采集单元，计算机中存有大气辐射传输模型和数据库，通过大气辐射传输模型建立数据库，通过计算机利用差分吸收光谱分析方法进行反演得到氧二聚体差分斜柱浓度，输入到计算机中的数据库查找得到近地面大气水平能见度。所述的一种利用天空散射光测量大气水平能见度的装置，其特征在于:所述的大气辐射传输模型是可以模拟光在大气中传输的计算机仿真软件，如SCAITRAN、MACARTIM、TRACY,LIDORT等模型软件，在输入大气气象参数、气溶胶特性参数等信息后，可仿真计算得到任意测量方向、任意测量时间条件下的氧的二聚体斜柱浓度。所述的一种利用天空散射光测量大气水平能见度的装置，其特征在于:所述的低高度角的光谱和天顶方向的光谱分别是测量方向与水平方向之间的角度小于1°和测量方向与水平方向角度约为90°。所述的一种利用天空散射光测量大气水平能见度的装置，其特征在于:所述的氧的二聚体差分斜柱浓度是利用差分吸收光谱原理，以相邻的天顶方向测量光谱为参考光谱，解析得到的低高度角光谱中氧的二聚体对吸收路径的积分；吸收路径集中于近地面的大气中。所述的一种利用天空散射光测量大气水平能见度的装置，其特征在于:所述转动平台，水平转动范围O到360°，垂直转动至少可以指向低高度角和90°高度角两个方向，其转动精度应小于0.1°。所述的一种利用天空散射光测量大气水平能见度的装置，其特征在于:所述电子罗盘和电子倾角仪能够实时与计算机通讯，给出光接收系统所指方向的仰角和方位角，电子罗盘和电子倾角仪的误差小于0.1度。所述的一种利用天空散射光测量大气水平能见度装置，其特征在于:所述光接收系统由凸透镜片、滤光片、挡光轮和光纤组成；天空散射光经凸透镜汇聚到光纤中；滤光片在凸透镜后，光纤之前；挡光轮安装在光纤前、凸透镜后；光接收系统的凸透镜采用石英晶体，以提高紫外透过率；光接收系统的视场角小于0.1°。一种利用天空散射光测量大气水平能见度的方法，其特征在于:包括利用大气辐射传输模型建立各个测量方位和太阳位置对应的低高度角的氧的二聚体差分斜柱浓度与近地面大气消光系数之间的对应关系，利用气象能见度与消光系数关系的公式，进一步转化为氧的二聚体斜柱浓度与近地面大气水平能见度的对应关系，建立测量点的数据库；然后利用转动平台使光接收系统循环测量低高度角的光谱和天顶方向的光谱，通过差分吸收理论，解析出氧的二聚体差分斜柱浓度；然后根据解析的氧的二聚体差分斜柱浓度和对应的测量方位角、测量时间，在数据库中查找得到对应的近地面大气水平能见度；具体方法步骤如下:(I)首先使光接收系统指向仰角90°，得到参考光谱，然后使光接收系统指向小于1°的低高度角，得到测量光谱；根据光在大气中传输测量光谱Ι(λ)和参考光谱ItlU)之间的关系:
权利要求
1.利用天空散射光测量大气水平能见度的装置，其特征在于:包括有转动平台、电子罗盘、电子倾角仪、GPS定位单元，光接收系统、光谱探测单元、计算机；计算机通过控制线控制转动平台，转动平台上安装有电子罗盘、GPS定位单元，光接收系统搭载到转动平台上，电子倾角仪安装在光接收系统上，光接收系统的信号输出端通过光纤接入光谱探测单元的信号输入端，光谱探测单元的信号输出端通过传输控制线接入计算机；天空散射光经光接收系统传输到光谱探测单元，转化为数字信号传输到计算机，计算机对光谱信息进行处理，计算机同时通过传输控制线制光谱采集单元，计算机中存有大气辐射传输模型和数据库，通过大气辐射传输模型建立数据库，通过计算机利用差分吸收光谱分析方法进行反演得到氧二聚体差分斜柱浓度，输入到计算机中的数据库查找得到近地面大气水平能见度。
2.根据权利要求1所述的一种利用天空散射光测量大气水平能见度的装置，其特征在于:所述的大气辐射传输模型是可以模拟光在大气中传输的计算机仿真软件，如SCAITRAN、MACARTIM, TRACY, LIDORT等模型软件，在输入大气气象参数、气溶胶特性参数等信息后，可仿真计算得到任意测量方向、任意测量时间条件下的氧的二聚体斜柱浓度。
3.根据权利要求1所述的一种利用天空散射光测量大气水平能见度的装置，其特征在于:所述的低高度角的光谱和天顶方向的光谱分别是测量方向与水平方向之间的角度小于1°和测量方向与水平方向角度约为90°。
4.根据权利要求1所述的一种利用天空散射光测量大气水平能见度的装置，其特征在于:所述的氧的二聚体差分斜柱浓度是利用差分吸收光谱原理，以相邻的天顶方向测量光谱为参考光谱，解析得到的低高度角光谱中氧的二聚体对吸收路径的积分；吸收路径集中于近地面的大气中。
5.根据权利要求1所述的一种利用天空散射光测量大气水平能见度的装置，其特征在于:所述转动平台，水平转动范围O到360°，垂直转动至少可以指向低高度角和90°高度角两个方向，其转动精度应小于0.1°。
6.根据权利要求1所述的一种利用天空散射光测量大气水平能见度的装置，其特征在于:所述电子罗盘和电子倾角仪能够实时与计算机通讯，给出光接收系统所指方向的仰角和方位角，电子罗盘和电子倾角仪的误差小于0.1度。
7.根据权利要求1所述的一种利用天空散射光测量大气水平能见度装置，其特征在于:所述光接收系统由凸透镜片、滤光片、挡光轮和光纤组成；天空散射光经凸透镜汇聚到光纤中；滤光片在凸透镜后，光纤之前；挡光轮安装在光纤前、凸透镜后；光接收系统的凸透镜采用石英晶体，以提高紫外透过率；光接收系统的视场角小于0.1°。
8.一种基于权利要求1所述的利用天空散射光测量大气水平能见度的装置的方法，其特征在于:包括利用大气辐射传输模型建立各个测量方位和太阳位置对应的低高度角的氧的二聚体差分斜柱浓度与近地面大气消光系数之间的对应关系，利用气象能见度与消光系数关系的公式，进一步转化为氧的二聚体斜柱浓度与近地面大气水平能见度的对应关系，建立测量点的数据库；然后利用转动平台使光接收系统循环测量低高度角的光谱和天顶方向的光谱，通过差分吸收理论，解析出氧的二聚体差分斜柱浓度；然后根据解析的氧的二聚体差分斜柱浓度和对应的测量方位角、测量时间，在数据库中查找得到对应的近地面大气水平能见度；具体方法步骤 如下: 首先使光接收系统指向仰角90°，得到参考光谱，然后使光接收系统指向小于1°的低高度角，得到测量光谱；根据光在大气中传输测量光谱I (λ)和参考光谱ItlU)之间的关系:Κλ) = 10(A) X exp(-L.(2 Carj(A).Cj) + εΕ(λ) + εΜ(λ))) j 式中L是光的有效传输路径，也就是测量光谱的光的传输路径中减去参考光谱光的传输路径后的剩余部分；σ , “λ)代表多种吸收气体的吸收截面，&代表多种吸收气体的浓度，ε κ( λ )代表空气分子的瑞利散射，ε Μ( λ )代表气溶胶的米散射； 根据差分吸收光谱算法，通过高通滤波可以去除光谱中的慢变化部分εκ(λ)和ε Μ( λ )，通过最小二乘法拟合可以同时获得多种吸收气体的差分斜柱浓度，差分斜柱浓度是吸收气体浓度对光的有效传输路径L的积分；如果选择氧的二聚体(04)的吸收带波段分析光谱，可以得到04的差分斜柱浓度，由于04在大气中的分布是稳定的，因此04的斜柱浓度由有效传输路径L决定；而有效传输路径L在大气中受气溶胶散射、吸收和空气分子的散射、吸收决定，在气溶胶浓度较高的近地面大气，相比于气溶胶的散射作用，其他作用对L的影响可以近似忽略；因此如果有效传输路径主要在近地面大气中，通过测量04的斜柱浓度就可以反演得到气溶胶散射消光系数； 通过大气辐射传输模型可以获得 近地面气溶胶散射消光系数与04差分斜柱浓度的对应关系，而且近地面大气的水平能见度Lv主要由气溶胶散射消光系数εΜ(λ)决定，如下式:Lv =2.996/ εΜ(λ) 因此通过基于数据库的查表反演方法就可以由低高度角(如1°高度角)的04差分斜柱浓度获得近地面的水平能见度； 在多个方位进行测量，可以区分出不同水平方向的大气能见度。
全文摘要
本发明公开了一种利用天空散射光测量大气水平能见度的方法及装置，利用大气辐射传输模型建立各个测量方位和太阳位置对应的低高度角的氧的二聚体差分斜柱浓度与近地面大气消光系数之间的对应关系，利用气象能见度与消光系数关系的公式，进一步转化为氧的二聚体斜柱浓度与近地面大气水平能见度的对应关系，建立测量点的数据库；利用转动平台使光接收系统循环测量低高度角的光谱和天顶方向的光谱，解析出氧的二聚体差分斜柱浓度；根据解析的氧的二聚体差分斜柱浓度和对应的测量方位角、测量时间，在数据库中查找对应的近地面水平能见度。本发明的测量装置结构简单，实现实时自动监测；测量方法利用太阳散射光为光源，采样区域大，测量结果反应真实大气。
文档编号G01N21/53GK103234942SQ20131009981
公开日2013年8月7日 申请日期2013年3月26日 优先权日2013年3月26日
发明者谢品华, 王杨, 李昂, 刘文清, 刘建国, 陈浩 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所