CN103278478A - 一种前向散射式能见度仪的标定方法 - Google Patents

Abstract

一种前向散射式能见度仪的标定方法，其特征在于通过漫散射板和不同透过率衰减片的组合，定量模拟出前向散射式能见度仪在全量程上的多个标准测量点，并通过修正公式对仪器系数进行修正，从而实现仪器的标定。该方法应用在前向散射式能见度仪批量生产、长期使用后的标定、校准上，可以准确、简便、快速的修正仪器系数，提高仪器的准确性、一致性，解决了仪器在无法在室内进行快速、准确标定的难题。标定后的前向散射式能见度与标准仪器进行了实验比对，在能见度10公里以内测量误差小于10%，10公里以上测量误差小于20%，符合中国气象局颁发的《前向散射能见度仪功能规格需求书》中的准确性要求。

Description

一种前向散射式能见度仪的标定方法

技术领域

本发明涉及一种前向散射式能见度仪的标定方法，属于气象参数测量领域。

背景技术

能见度是城市灰霾、沙尘暴恶劣天气现象的一个重要监测指标，同时低能见度也会给交通运输等公共安全领域带来严重威胁，因此，对能见度的实时自动监测有着重要的意义。能见度仪可以实现大气能见度的实时自动观测，替代人工目测的传统观测方法，对于准确掌握天气状况，进行气象灾害的预警与控制具有重要意义。

目前气象学上的客观能见度定义为气象光学视程（MOR），是指色温为2700K的白炽灯的平行光束光通量削弱为其初始值的0.05时所需通过的大气路径长度。光通量的削弱是由于大气消光引起的，因此能见度可以通过测量大气透过率或消光系数直接计算。如公式（1）：

$\mathrm{MOR}=\frac{2.996}{\mathrm{\σ}}---\left(1\right)$

其中，σ是大气消光系数。

目前，常用的能见度仪测量仪器包括两种：一种是透射式能见度仪，另一种是前向散射式能见度仪。

透射式能见度仪是在距离D（一般为几十米）上放置发射端和接收端，测量该段距离空气柱的消光或透过率，直接计算能见度。透射式能见度需要很长的测量基线，体积较大，安装调试较复杂。

前向散射式能见度仪是通过测量前向散射光信号反演能见度值，具有精度高、体积小、易于安装的特点。其基本原理如图1所示，测量***由发射端和接收端组成，之间有夹角θ。在两端光路在中间的交汇区，称为大气散射信号采样体元。发射端发射的光照射到采样体元上，其中的气溶胶粒子在各个方向上进行散射，而接收端接收在θ角方向上的散射光，根据散射光强度进行能见度值反演。

前向散射式能见度的测量基本公式如下：

$V_{\mathrm{mor}}=\frac{2.996}{\mathrm{\σ}}=\frac{2.996I_0{V}_N\mathrm{GM}}{L^2}\·\frac{1}{S}---\left(2\right)$

其中，I₀是发射端的发射光源强度，S是测量端接收到的电信号，V_N是散射体元的体积，L是采样体元到接收端或发射端的距离，G为光电转换率，包括探测器的响应度、电路增益等参数。β(θ)是角散射函数，根据mie散射原理，固定一方向上的角散射函数β(θ)和大气消光系数σ成比例常数，M这个比例因子称为角散射消光比M。

$\frac{\mathrm{\β}\left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{\σ}}=\frac{P\left(\mathrm{\θ}\right)}{4\mathrm{\π}}=M---\left(3\right)$

其中，P(θ)称为相函数或归一化的角散射函数。

由公式（2）可以看出，对于同种型号的前向散射式能见度，即在光机结构稳定和光源恒定的情况下，

可以看成定值。

在具体应用中，前向散射式能见度仪的标定、校准一般是直接与高精度的透射式能见度仪在自然条件下进行比对实验，得到校准参数。而在批量化产生中，每台设备的光路、光源、探测器、电路***参数都有差异，需要进行标定，但不可能都与透射式能见度仪进行比对实验，这样会消耗大量的时间和精力，准确性也不一定能得到保证。

目前，有的国内外厂家采用单点漫散射板的标定方法，即在前向散射式能见度交汇点处放置漫散射板，通过该信号对仪器进行标定。但这种方法只是低能见度端（几十米）上进行一点标定，其作用等效为一个稳定的产生低能见度的气溶胶团，不能保证在较高能见度上的准确标定，从而不能保证仪器的较高能见度上的准确性，而气象观测要求的能见度测量上限至少在10公里以上，因此需要在整个量程端上对前向散射式能见度进行多点标定。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种前向散射式能见度仪标定方法，在全量程范围内实现多个测量点标定，实现对能见度的准确测量。

本发明的技术解决方案：一种前向散射式能见度仪标定方法，采用漫散射板与不同透过率的衰减片，模拟出多个能见度测量点，并通过标准前向散射式能见度仪对该测量点进行测量，确定对应的具体测量数值，再用该漫散射板和衰减片在同种型号的待标定前向散射式能见度仪上进行标定，通过相应算法确定修正系数，实现仪器的标定。

其中，漫散射板具有各向散射均匀的特点，散射光为朗伯体分布，为了保证散射光的均匀性，本发明采用了两块散射系数相同的漫散射板，形状为圆形，之间相隔一定距离，以便得到更加均匀的朗伯体光散射分布。并通过漫散射板固定支架安装在发射端和接收端光路的交汇点处，模拟出高密度气溶胶气团的情况，得到一个低能见度数据，一般在10-30米的范围。经过漫散射板后的散射光在前向半球面上亮度均一，则θ方向上探测到的散射光电信号为：

m²是经过两块漫散射板的透射系数，其各个方向上的角散射函数都等于1／π。

带入前公式（2），得到对应的能见度测量值为：

可以看出，对应同种型号的前向散射式能见度仪，测量出的能见度值V₀应该是确定的，漫散射板产生的消光系数σ_板也是确定的。

衰减片采用中性光学衰减片，分别采用透过率为50%、10%、1%、0.1%的四种衰减片。衰减片对经过漫散射板的散射信号进行衰减，可以定量的模拟出较高能见度值的光信号。衰减片通过衰减片固定支架安装在接收端前方，垂直与入射光，形状为圆形，直径大于接收端口，保证进入接收端的散射光都能被衰减。漫散射板、衰减片的安装都要通过固定支架进行安装，并能保证每次重复安装位置上的一致性。

根据上述公式（5），可以得到仅安装散射板的数据V₀，安装上衰减片后，衰减片对散射信号进行了衰减，得到信号为TS_板,T为透过率，σ_衰为对应的消光系数。

根据公式（4）（2），测量的能见度值为：

可以看出，对应同一漫散射板、衰减片，对应同种型号的前向散射式能见度仪，测量到的能见度值应该是确定的。一般安装漫散射板测量到的能见度在30米左右，而加装透过率分别为50%、10%、1%、0.1%的第一衰减片、第二衰减片、第三衰减片、第四衰减片，对应测量能见度分别在60米、300米、3000米、30000米左右，基本上覆盖了仪器的测量量程。

公式（5）、（6）中的m、M等参数虽然是可测的，但要求测量的精度很高，否则会给标定结果带来较大的误差，同时，***中还包含一些别的系数：如光学组件的透过率、衰减片的参数误差等未知影响因素。所以在实际应用中，通过用一台经过与标准透射式能见度仪标定过的同种型号的前向散射式能见度仪来测量该散射板的V₀和加装衰减片后的V_衰值，该值可以进行量值传递，用于标定其它同种型号的前向散射式能见度仪。

为了保证测量中避免气溶胶光散射的干扰，要求标定过程是清洁、干燥的大气条件下进行。

本发明具体步骤如下：

（1）把漫散射板固定在标准前向散射式能见度仪中间的漫散射板固定支架上，保证在发射端、接收端的光路交汇处，两块散射板均垂直；

（2）进行能见度测量，记录数据，此时的数据为低能见度数据V₀；

（3）把透过率为50%的第一衰减片通过衰减片固定支架固定在标准前向散射式能见度仪接收端前方，使经过漫散射板的散射光仅50%透过第一衰减片进入接收端，测量并记录能见度数据V₁；

（4）取下第一衰减片，把透过率为10%的第二衰减片通过衰减片固定支架固定在标准前向散射式能见度仪接收端前方，使经过漫散射板的散射光仅10%透过第二衰减片进入接收端，测量并记录能见度数据V₂；

（5）取下第二衰减片，把透过率为1%的第三衰减片通过衰减片固定支架固定在标准前向散射式能见度仪接收端前方，使经过漫散射板的散射光仅1%透过第三衰减片进入接收端，测量并记录能见度数据V₃；

（6）取下第三衰减片，把透过率为0.1%的第四衰减片通过衰减片固定支架固定在标准前向散射式能见度仪接收端前方，使经过漫散射板的散射光仅0.1%透过第四衰减片进入接收端，测量并记录能见度数据V₄；

（7）漫散射板、衰减片（第一至第四）的数据测量过程结束，得到该漫散射板与衰减片（第一至第四）对应的标准能见度数据：V₀、V₁、V₂、V₃、V₄；

（8）对待标定的前向散射式能见度仪进行标定，步骤同（1）至（7），得到测量数据：V₀′、V₁′、V₂′、V₃′、V₄′。

待标定前向散射式能见度仪测量的修正公式（7），其中Y是标准前向散射式能见度仪测量值。X是待标定前向散射式能见度仪测量值，K是斜率，B是截距。拟合出K、B就可以确定仪器修正系数，得到准确的测量值。

Y＝K*X+B      （7）

通过最小二乘法处理数据，算法过程如下：y_i是标准前向散射式能见度仪在上述模拟条件下测量能见度值对应数据：V₀、V₁、V₂、V₃、V₄，x_i是待标定前向散射式能见度仪在上述模拟条件下测量能见度值对应数据：V₀′、V₁′、V₂′、V₃′、V₄′。

$K=\frac{\mathrm{\Σ}{x}_i{y}_i\mathrm{\Σ}{x}_i-\mathrm{\Σ}{y}_i\mathrm{\Σ}{x}_i^2}{{\left(\mathrm{\Σ}{x}_i\right)}^2-\mathrm{n\Σ}{x}_i^2}---\left(8\right)$

$B=\frac{\mathrm{\Σ}{x}_i\mathrm{\Σ}{y}_i-\mathrm{n\Σ}{x}_i{y}_i}{{\left(\mathrm{\Σ}{x}_i\right)}^2-\mathrm{n\Σ}{x}_i^2}---\left(9\right)$

将得出的K、B,代入Y＝K*X+B可得修正公式。

同时，还应给出相关系数R，R定义为

$R=\frac{\mathrm{\Σ}(x_i-\stackrel{\‾}{x})\mathrm{\Σ}(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\sqrt{\mathrm{\Σ}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}\sqrt{\mathrm{\Σ}{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2}}---\left(10\right)$

其中 $\stackrel{\‾}{x}=\frac{\mathrm{\Σ}{x}_i}{n},\stackrel{\‾}{y}=\frac{\mathrm{\Σ}{y}_i}{n}$

R表示两变量之间的函数关系与线性的符合程度，大于0.95，x、y间线性关系好，当小于0.95，x、y间线性关系不好，拟合无意义，说明该前向散射式能见度仪存在故障。

本发明与现有技术相比的优点：本发明实现了在量程上多测量点标定，量程校准。目前仪器的校准工作都是多是在外场与标准透射式进行现场标定，时间长、步骤繁琐、工作量大，容易产生误差；或是通过散射板进行一点标定，从而缺少高能见度上的标定数据。本方法实现了在室内进行快速、准确的仪器标定和校准，为仪器的大批量生产中准确性、一致性的保障提供了技术支持。

通过该方法标定后的前向散射式能见度仪具有很高的准确性。与标准透射式能见度仪进行了比对实验，在10公里量程内误差小于10%，大于10公里误差小于20%，实现了大气能见度的准确测量，达到《国家气象局能见度观测功能规格要求书》中的准确度要求。

附图说明

图1为前向散射式能见度测量原理图；

图2为本发明标定方法实现流程图；

图3为本发明方法中前向散射式能见度仪安装漫散射板测量原理图；

图4为本发明方法中前向散射式能见度仪安装漫散射板、衰减片测量原理图；

图5为本发明方法中的漫散射板图；

图6为本发明方法中衰减片图；

图7为本发明方法标定后的仪器与标准透射仪的比对数据。

具体实施方式

如图2、3、4所示，本发明中的标定方法包括：漫散射板、第一衰减片、第二衰减片、第三衰减片、第四衰减片。其中，漫散射板的为朗伯体散射板，其在各个方向的光散射幅度相同。第一衰减片、第二衰减片、第三衰减片、第四衰减片分别是透过率为50%、10%、1%、0.1%的中性光学衰减片。

首先，在已经过标定的标准前向散射式仪器确定各个测量点的参数。步骤如下：

（1）如图3所示，把漫散射板通过漫散射板固定支架安装在前向散射式能见度仪中间支架上，保证漫散射板在前向散射式能见度仪发射端、接收端的光路交汇处，两块散射板均垂直于水平面；

（2）进行能见度测量，记录数据，此时的数据为低能见度数据V₀；

（3）如图4所示，放置透过率为50%的第一衰减片，通过衰减片固定支架安装在标准前向散射式能见度仪接收端前方，使经过漫散射板的散射光仅50%透过第一衰减片进入接收端，记录测量数据V₁；

（4）取下第一衰减片，把10%的第二衰减片通过衰减片固定支架安装在标准前向散射式能见度仪接收端前方，使经过漫散射板的散射光仅10%透过第二衰减片进入接收端，记录测量数据V₂；

（5）取下第二衰减片，把1%的第三衰减片通过衰减片固定支架安装在标准前向散射式能见度仪接收端前方，使经过漫散射板的散射光仅1%透过第三衰减片进入接收端，记录测量数据V₃；

（6）取下第三衰减片，放置0.1%的第四衰减片通过衰减片固定支架安装在标准前向散射式能见度仪接收端前方，使经过漫散射板的散射光仅0.1%透过第四衰减片进入接收端，记录测量数据V₄。

以上步骤确定了漫散射板和衰减片对应的能见度值V₀、V₁、V₂、V₃、V₄，用于对待标定的前向散射式能见度仪进行标定，步骤如下：

（7）把该漫散射板通过漫散射板固定支架安装在待标定的前向散射式能见度仪中间，保证漫散射板在发射端、接收端的光路交汇处，两块漫散射板均垂直；

（8）进行能见度测量，记录测量信号V₀′；

（9）把透过率为50%的第一衰减片，通过衰减片固定支架安装在待标定的前向散射式能见度仪的接收端前方，使经过漫散射板的散射光仅50%透过第一衰减片进入接收端，记录测量数据V₁′；

（10）取下第一衰减片，把10%的第二衰减片通过衰减片固定支架安装在待标定的前向散射式能见度仪的接收端前方，使经过漫散射板的散射光仅10%透过第二衰减片进入接收端，记录测量数据V₂'；

（11）取下第二衰减片，放置1%的第三衰减片通过衰减片固定支架安装在待标定的前向散射式能见度仪的接收端前方，使经过漫散射板的散射光仅1%透过第三衰减片进入接收端，记录测量数据V₃′；

（12）取下第三衰减片，放置0.1%的第四衰减片通过衰减片固定支架安装在待标定的前向散射式能见度仪的接收端前方，使经过漫散射板的散射光仅0.1%透过第四衰减片进入接收端，记录测量数据V₄′。

（13）按照公式（8）（9），计算修正公式（7）系数值，得到该前向散射式能见度仪的修正公式系数，并计算相关系数R，如果R低于95%，判断该前向散射式能见度仪存在故障。

实施例1：计算并分析能见度

图7是本发明方法标定后的前向散射式能见度仪与标准透射式能见度仪的比对实验数据，横坐标是测量时间，纵坐标是测量数据，单位是米。通过数据分析，在能见度6公里以内，测量数据的最大误差小于5%；在能见度10公里大于6公里的范围，测量数据的最大误差小于10%；当在能见度大于10公里时，测量数据的最大误差小于20%。

可以看出，经过本发明方法标定的前向散射能见度仪测量能见度有很高的准确度，符合国家气象局颁发的《前向散射能见度仪功能规格需求书》中对设备准确度的要求。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种前向散射式能见度仪标定方法，其特征在于实现步骤如下：

（1）首先把漫散射板固定在标准前向散射式能见度仪中间漫散射板固定支架上，保证漫散射板在该标准前向散射式能见度仪发射端、接收端的光路交汇处；

（2）对漫散射板进行能见度测量，记录能见度测量数据V₀；

（3）把透过率为50%的第一衰减片通过衰减片固定支架固定在该标准前向散射式能见度仪接收端前方，使经过漫散射板的散射光仅50%透过第一衰减片进入接收端，测量并记录能见度数据V₁；

（4）取下第一衰减片，把透过率为10%的第二衰减片通过衰减片固定支架固定在标准前向散射式能见度仪的接收端前方，使经过漫散射板的散射光仅10%透过第二衰减片进入接收端，测量并记录能见度数据V₂；

（5）取下第二衰减片，把透过率为1%的第三衰减片通过衰减片固定支架固定在标准前向散射式能见度仪的接收端前方，使经过漫散射板的散射光仅1%透过第三衰减片进入接收端，测量并记录能见度数据V₃；

（6）取下第三衰减片，把透过率为0.1%的第四衰减片通过衰减片固定支架固定在标准前向散射式能见度仪的接收端前方，使经过漫散射板的散射光仅0.1%透过第四衰减片进入接收端，测量并记录能见度数据V₄；

以上步骤通过标准前向散射式能见度仪测量了该漫散射板和四个衰减片对应的能见度值V₀、V₁、V₂、V₃、V₄，用该漫散射板和四个衰减片对同种型号待标定的前向散射式能见度仪进行标定，步骤如下：

（7）把漫散射板固定在待标定前向散射式能见度仪中间漫散射板固定支架上，保证漫散射板在待标定前向散射式能见度仪发射端、接收端的光路交汇处；

（8）对漫散射板进行能见度测量，记录测量数据V₀′；

（9）把透过率为50%的第一衰减片，通过衰减片固定支架固定在待标定前向散射式能见度仪接收端前方，使经过漫散射板的散射光仅50%透过第一衰减片进入接收端，测量并记录能见度数据V₁′；

（10）取下第一衰减片，把透过率为10%的第二衰减片通过衰减片固定支架固定在待标定前向散射式能见度仪接收端前方，使经过漫散射板的散射光仅10%透过第二衰减片进入接收端，测量并记录能见度数据V₂′；

（11）取下第二衰减片，把透过率为1%的第三衰减片通过衰减片固定支架固定在待标定前向散射式能见度仪接收端前方，使经过漫散射板的散射光仅1%透过第三衰减片进入接收端，测量并记录能见度数据V₃′；

（12）取下第三衰减片，把透过率为0.1%的第四衰减片通过衰减片固定支架固定在待标定前向散射式能见度仪接收端前方，使经过漫散射板的散射光仅0.1%透过第四衰减片进入接收端，测量并记录能见度数据V₄′；

（13）通过以上数据，计算该待标定前向散射式能见度仪的修正系数和相关系数。

2.根据权利要求1所述的前向散射式能见度仪标定方法，其特征在于：所述前向散射式能见度仪标定的修正公式如下：

Y＝K*X+B

其中Y是标准前向散射式能见度测量值，X是待标定前向散射式能见度测量值，K是斜率，B是截距，拟合出K、B确定待标定前向散射式能见度仪修正系数，计算方法如下：

$K=\frac{\mathrm{\Σ}{x}_i{y}_i\mathrm{\Σ}{x}_i-\mathrm{\Σ}{y}_i\mathrm{\Σ}{x}_i^2}{{\left(\mathrm{\Σ}{x}_i\right)}^2-\mathrm{n\Σ}{x}_i^2}$

$B=\frac{\mathrm{\Σ}{x}_i\mathrm{\Σ}{y}_i-\mathrm{n\Σ}{x}_i{y}_i}{{\left(\mathrm{\Σ}{x}_i\right)}^2-\mathrm{n\Σ}{x}_i^2}$

其中，y_i是标准前向散射式能见度在上述模拟条件下测量能见度值的对应数据：V₀、V₁、V₂、V₃、V₄，x_i是待标定***在同样模拟条件下测量能见度值的对应数据：V₀′、V₁′、V₂′、V₃′、V₄′，n是测量标准点的个数；

除了给出K、B外，还应给出相关系数R，R计算方法：

$R=\frac{\mathrm{\Σ}(x_i-\stackrel{\‾}{x})\mathrm{\Σ}(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\sqrt{\mathrm{\Σ}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}\sqrt{\mathrm{\Σ}{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2}}$

其中 $\stackrel{\‾}{x}=\frac{\mathrm{\Σ}{x}_i}{n},\stackrel{\‾}{y}=\frac{\mathrm{\Σ}{y}_i}{n}$

R表示两变量之间的函数关系与线性的符合程度，当小于0.95，拟合无意义，说明该待标定前向散射式能见度仪存在故障。

3.根据权利要求1所述的前向散射式能见度仪标定方法，其特征在于：所述步骤（1）、（7）中漫散射板采用形状为圆形的漫散射板，数目是两块，形状大小及散射系数相同，之间相隔一定距离，通过漫散射板固定支架安装在前向散射式能见度仪发射端和接收端光路的交汇点处，方向垂直于水平面。

4.根据权利要求1所述的前向散射式能见度仪标定方法，其特征在于：所述衰减片采用中性光学衰减片，衰减片通过衰减片固定支架安装在前向散射式能见度仪接收端前方，垂直与入射光，形状为圆形，直径大于接收端口，保证进入接收端的散射光都被衰减。

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