[发明专利]智能化前散能见度仪及智能化前散能见度测量方法

权利要求书

1.一种智能化前散能见度仪，其特征在于，包括近红外光源、近红外传感器、处理器和供电单元：

近红外光源，用于向大气中连续发射近红外光束；

近红外传感器，用于接收近红外光源的发射光束在大气中的前向散射光，得到前向散射光强测量值；其中，近红外传感器的光轴与近红外光源的光轴交叉，使发射光束与接收光路交叉重合，形成的大气采样区呈水平放置的菱形方体；采样区的水平面为边长(40～60)厘米×(40～60)厘米、前向散射角30°～50°的菱形，厚度为15～30厘米；

处理器，用于对近红外光源的信号强度进行高频采样获取发射光强测量值，并对近红外传感器输出的前向散射光强测量值进行高频采样，根据所述前向散射光强测量值与发射光强测量值的比值计算出前向散射值；根据前向散射值随时间变化信息，判断是否存在降水情况及存在降水情况下的降水粒子下降速度；根据降水粒子下降速度计算降水粒子尺寸，根据降水粒子下降速度结合前向散射值阶跃变化频率识别出降水粒子类型；根据降水粒子类型和降水粒子尺寸选择对应的相函数，利用前向散射值计算得到散射系数；根据散射系数近似为消光系数，利用能见度与消光系数的关系式，求得能见度；

根据前向散射值随时间是否存在阶跃变化及阶跃变化情况判断是否存在降水情况：若前向散射值随时间存在阶跃变化，且前向散射值的周期性阶跃变化的极大值与极小值的比值大于等于2时，认为发生降水情况；若前向散射值随时间不存在阶跃变化，或者阶跃变化的极大值与极小值的比值小于2时，认为未发生降水情况；

散射系数α计算公式为：α＝β_θP_θ(x)，式中β_θ为前向散射角θ方向的前向散射值，P_θ(x)为对应天气x有关的相函数项，P_θ(x)与降水粒子类型和尺寸相关；P_θ(x)取值方式包括：(i)非降水粒子相函数按Mie散射理论取典型值；(ii)降水粒子的相函数则需根据与透射式能见度仪同步测量的消光系数进行修订，形成修订的相函数项；

在降水情况下，散射系数和能见度通过以下方式获得：处理器根据前向散射值的阶跃分布情况，按照非阶跃部分为非降水粒子形成，减去非降水粒子散射成分后的阶跃部分为降水粒子形成的方法，分离出降水粒子产生的前向散射值及非降水粒子产生的前向散射值两部分；处理器根据降水粒子类型、降水粒子尺寸，选择对应的相函数P_θ(x)，根据实时降水粒子产生的前向散射值反演计算出散射系数1，根据非降水粒子产生的前向散射值反演计算出散射系数2，将散射系数1与散射系数2求和形成总体的散射系数，按照散射系数近似为消光系数，求得能见度；

在非降水情况下，散射系数和能见度通过以下方式获得：处理器根据非降水粒子的相函数及非降水粒子产生的前向散射值反演计算出散射系数，按照散射系数近似为消光系数，求得能见度；

供电单元，用于向近红外光源、近红外传感器和处理器提供电能，或者将外部电能转化为所需电能。

2.根据权利要求1所述的智能化前散能见度仪，其特征在于，近红外光束的发散角不高于2°。

3.根据权利要求1所述的智能化前散能见度仪，其特征在于，接收光路端可以通过增设光栅控制收光口来控制接收光路为厚度较小的扁平状，形成大气采样区呈水平放置的菱形方体。

4.根据权利要求1所述的智能化前散能见度仪，其特征在于，处理器对发射光强测量值和前向散射光强测量值的采样频率为4KHz～8KHz。

5.根据权利要求1所述的智能化前散能见度仪，其特征在于，处理器根据采样区厚度、以及每个降水粒子对应的前向散射值的阶梯值持续时长，计算出该降水粒子下降速度；其中，所述阶梯值持续时长是指某一个前向散射值从开始到结束持续时间长度。

6.一种智能化前散能见度测量方法，用于实现上述权利要求1至5之一所述前散能见度仪的能见度测量，包括：

处理器控制近红外光源开启，近红外光源向大气中连续发射近红外光束；

近红外传感器接收近红外光源的发射光束在大气中的前向散射光，得到前向散射光强测量值，所述近红外传感器的光轴与所述近红外光源的光轴交叉，使发射光束与接收光路交叉重合，形成的大气采样区呈水平放置的菱形方体；

处理器对近红外光源的信号强度进行高频采样获取发射光强测量值，并对近红外传感器输出的前向散射光强测量值进行高频采样，根据所述前向散射光强测量值与发射光强测量值的比值计算出前向散射值；

处理器根据前向散射值随时间变化信息，判断是否存在降水情况及存在降水情况下的降水粒子下降速度；根据降水粒子下降速度计算降水粒子尺寸，根据降水粒子下降速度结合前向散射值阶跃变化频率识别出降水粒子类型；根据降水粒子类型和降水粒子尺寸选择对应的相函数，利用前向散射值计算得到散射系数；

处理器根据散射系数近似为消光系数，利用能见度与消光系数的关系式，求得能见度。