[發明專利]基于積分球的前向散射能見度儀外場檢定裝置及方法

有效

• 申請號: 201810497966.9
• 申請日: 2018-05-22
• 公開（公告）號: CN108761577B
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發明（設計）人: 程寅;劉建國;劉達新;雷勇;賀曉雷;桂華僑;陸亦懷;余同柱
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院;中國氣象局氣象探測中心
• 主分類號: G01W1/18
• 分類號: G01W1/18
• 代理公司: 合肥天明專利事務所(普通合伙) 34115
• 代理人: 奚華保

本發明提供一種基于積分球的前向散射能見度儀外場檢定裝置，包括積分球、可調節光闌、光電探測模塊、信號預處理單元、模數轉換電路、中央處理單元、信號輸出電路和積分球支架。本發明通過在前向散射能見度儀散射光采樣區安裝積分球，設計積分球的進光孔和出光孔分別指向設備的發射端和接收端，并且在積分球進光孔處設計可調節光闌模擬散射光的定量變化，實現了光源強度、光電探測系統靈敏度、系統準確性的檢定。本發明的裝置具有體積小、結構簡單、易于安裝、操作便捷等特點，避免了傳統檢定中需要將設備從外場安裝拆卸至實驗室進行檢定的繁瑣過程，也避免了反復安裝可能影響測量光路準確性的問題。

技術領域

本發明涉及氣象參數測量儀器檢定技術領域，具體是一種基于積分球的前向散射能見度儀外場檢定裝置及方法。

背景技術

大氣能見度是反映大氣透明度的重要參數,也是城市灰霾、大氣污染的一個重要監測指標。對能見度進行在線監測在交通安全、氣象預報、大氣污染治理等領域有著重要的意義。

氣象學上的客觀能見度定義為氣象光學視程(MOR)，是指色溫為2700K的白熾燈的平行光束光通量削弱為其初始值的0.05時所需通過的大氣路徑長度。光通量的削弱是由于大氣消光引起的，因此能見度可以通過測量大氣透過率或消光系數直接計算。如公式(1)：

其中，σ是大氣消光系數。

目前，氣象、交通安全、環境監測領域常用的前向散射能見度儀通過測量前向散射光信號反演能見度值，具有精度高、體積小、易于安裝的特點。其基本原理如圖1所示，測量系統由發射端1和接收端2組成，兩者之間有夾角θ。在兩端光路中間的交匯區，稱為大氣散射信號采樣體元3。發射端1發射的光照射到采樣體元3上，其中的氣溶膠粒子在各個方向上進行散射，而接收端2接收在θ角方向上的散射光，根據散射光強度進行能見度值反演。

前向散射能見度的測量基本公式如下：

其中，V_mor是前向散射能見度，I₀是發射端的發射光源強度，S是測量端接收到的電信號，V_N是采樣體元的體積，L是采樣體元到接收端或發射端的距離，G為光電轉換率，包括探測器的響應度、電路增益等參數，M為角散射消光比。

用β(θ)表示角散射函數，根據mie散射原理，固定一方向上的角散射函數β(θ)和大氣消光系數σ成比例常數，這個比例因子即為角散射消光比M，如公式(3)所示：

由公式(3)可以看出，對于同一種結構設計的前向散射能見度儀，在結構穩定和光源恒定的情況下，可以看成定值K_S，即

目前，我國在多個領域通過前向散射能見度儀開展了能見度業務觀測，由于設備在外場長期使用，光源、電子學系統會趨于老化，光路也可能發生偏離，從而造成測量誤差增大，因此需要周期性對設備進行光源強度、光電探測系統靈敏度、系統準確性的檢定。由于設備一般在外場安裝，將設備拆卸至實驗室進行檢定極為不便，這樣即會消耗大量的時間和精力，也會在反復安裝中可能會影響測量光路位置，導致準確性得不到保證。

因此，需要一種可在外場可以對前向散射能見度儀進行檢定的裝置和方法，方便、快速地對設備進行各項性能指標的檢定。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于積分球的前向散射能見度儀外場檢定裝置及方法，能夠模擬連續的散射光信號變化，實現設備的光源強度、光電探測系統靈敏度、系統準確性的檢定。

本發明的技術方案為：