基于光衰减和散射原理的天气现象在线观测装置及方法

摘要

基于光衰减和散射原理的天气现象在线观测装置及方法，采用了双光源发射端、单接收端的光机结构：光源一发射一条精确平行的测量光带，当下落降水粒子通过测量光带时，对光带起到阻挡、衰减的作用，通过对光电转化信号的解析，可以得到降水粒子的下落速度和粒径的信息，实现降水天气现象判断，并可以提供降水强度、雨滴谱等信息；光源二发射一条准直的测量光束，通过探测光束上采样区内的大气粒子在水平45度上的散射光强，反演大气能见度，实现视程天气现象的识别。本发明实现了多种天气现象在线自动观测，避免了人工观测中具有主观性等不利因素，使得观测结果更加准确、及时、全面、完整，对于气象、农业、环保等相应科学及工程研究都具有现实的意义，在气象业务观测、交通安全调度、农业减灾防灾及空气质量监测等领域都具有广泛的应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光衰减和散射原理的多种天气现象在线观测装置及方法，适用于在线自动观测天气现象的变化，属于气象观测应用领域。

背景技术

天气现象是地面气象观测中的常规项目，该项目的观测对多种学科研究具有重要意义。根据天气现象特征，分为降水现象、视程障碍现象、地面凝结现象等，这些现象都是在一定的天气条件下产生的。其中，降水是指从云中降落或从大气沉降到地面的液态或固态的水汽凝结物，降水天气现象按照国际气象组织的定义，包括：降雨（毛毛雨、小雨、中雨、大雨、暴雨）、降雪（小雪、大雪）、雨夹雪、霰、冰雹等；视程障碍是指空气中因存在水汽凝结物、干质悬浮物等而使空气变得混浊，并造成能见度下降的一类天气现象，包括雾、轻雾、雪暴、吹雪、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、霾等。天气现象的准确判别为气象、水文、农业和资源环境等科学的研究提供了重要的依据，对农业生产、交通运输和防灾减灾等领域有重大的实用价值。

目前，我国在气象业务上的天气现象观测和记录仍然依赖人工，观测员需要根据在观测场看到的现象和听到的声音来判断发生的天气现象类型，但是人工观测存在着许多弊端：首先，由于观测结果因人而异，其主观性强、简单定性；其次，人工观测的频次少，存在不能全面、连续反映天气现象情况；同时，在很多恶劣的环境下无法实现人工观测。通过天气现象在线自动观测系统，可以开展天气现象及时、全面、连续、客观的在线观测，将改变我国目前以人工观测为主的天气现象观测局面。

在国外，天气现象的自动观测发展很快，多种新技术、新方法开始应用于自动气象观测领域，天气现象自动观测在技术上也已成为可能。当前，常见在线式天气现象自动观测仪多为智能型多变量传感器，它通过对能见度、降水等观测，并对变量进行逻辑分析来判断当前发生的天气现象。目前，在线式天气现象自动观测仪多数用于视程障碍现象和降水现象的自动化观测。

代表了国内外天气现象仪研制的较为成熟的几家厂家的产品有：瑞典VAISALA公司的PWD22、美国OSI公司的OWI-430、英国Biral公司的VPF-730和美国Campbell公司的PWS-100，均为基于光学原理采用近红外光源进行探测的天气现象仪。

美国OSI公司的OWI430系列天气现象传感器就是采用光闪烁法测量原理，即当光束在降水过程中传播时，由于降水粒子的下落运动，在接收平面上形成各个衍射条纹的移动，引起探测器上光强变化，称为光闪烁，通过测量闪烁光强的信息可以计算出降水类型及强度，该仪器能够区分雨、雪、冰雹等天气现象。

英国Biral公司的VPF-730是通过测量降水粒子下落速度和粒子半径来判断降水类型。不同的降水粒子对应不同的下落末速度和粒子尺寸，从降水粒子尺寸和降水粒子速度的二维矩阵反演降水类型和降水量。它是世界上比较有特色的天气现象仪，分辨降水类型和计算降雨量，能够区分毛毛雨、雨、雪、冰雹及混合降水等多种类型。

芬兰VAISALA公司生产的PWD22天气现象传感器是通过结合能见度测量传感器、电容接触式雨量传感器等传感器，测量大气能见度、雨量要素判断天气类型。根据前向散射仪原理，接收端接收到的光强与测量区域的粒子多少有关，这样可根据接收到的散射光强与能见度建立关系。

但是，国外的设备除了价格昂贵、难以普及以外，其性能、参数未必符合我国的地域特点，很多现象的识别标准也不符合我国气象部门的相关标准。近年来，国内也有厂家和研究所开展了天气现象自动观测设备的研制，其中包括大气物理研究所、安徽光学精密机械研究所、凯迈测控有限公司等，采用的测量方法主要包括了：基于光学原理、数字图像处理方法等。但多数设备还是处于科研实验阶段，有的虽然已经在外场试用，但测量的精度和识别率较低，观测的种类也有限，因此设计一种高精度、高识别率的天气现象仪是本发明的一个关键内容。

发明内容

本发明解决的问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于光衰减和散射原理的天气现象在线观测装置及方法，通过测量大气气溶胶的前向散射光强，来反演大气能见度，并在通过光阻法获得降水粒子信息，实现多种天气现象自动、准确的在线观测。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种基于光衰减和散射原理的天气现象在线观测装置，采用了双光源发射端，单接收端的光机结构：光源一产生的一条精确平行的测量光带，当下落降水粒子通过测量光带时，对光带起到阻挡、衰减的作用，通过对光电转化信号的解析，可以得到降水粒子的下落速度和粒径的信息，实现降水天气现象判断，并可以提供降水强度、雨滴谱等数据；光源二产生的一束准直的测量光束，探测器探测到光束上采样区在45度上的散射光强，反演大气能见度，实现视程天气现象的识别；装置中的光电信号采集和处理系统完成信号采集、数字量的转化及算法的实现。

具体包括：第一发射端300、第二发射端100、光信号接收端200、光电信号采集和数据处理模块400。其中第一发射端300、第二发射端100、光信号接收端200属于装置中的光信号测量系统。

所述第一发射端300中，第一光源单位301安装在第一凸透镜302后端，并位于凸透镜的焦点上，对第一光源单位301发射的光束进行准直，水平狭缝303安装在第一凸透镜302前端，与凸透镜平行，第一凸透镜302准直后的光束经过水平狭缝303后成为一条准直平行光带2；所述第二发射端100中，第二光源单元101安装第二凸透镜102后端，位于凸透镜的焦点上，第二光源单元101发出的光通过第二凸透镜102后进行准直，形成平行的准直光束1；所述光信号接收端200中的探测器单元203安装在接收端凸透镜201后端，并位于凸透镜的焦点上，使照射到接收端的光能聚焦到探测器单元203上，在探测器单元203前安装了滤光片202，过滤去外界的杂散光，使只有光源波段上的光才能进入探测器单元203。

所述第一发射端300与光信号接收端200水平正向相对，第一发射端300发出的准直平行光带2直接照射到光信号接收端200，第二发射端100位于第一发射端300水平一侧，并使第二发射端100发出准直光束1与光信号接收端200的轴线呈水平45°夹角。

所述光电信号采集和数据处理模块400中，包括：前置放大单元401、锁相放大单元402、脉冲发生器403、二次放大处理单元404、低通滤波单元405、第一模数转换单元406、高通滤波单元407、第二模数转换单元408、数字信号处理DSP单元409。其中，脉冲发生器403对第一发射端300、第二发射端300的发射光源进行脉冲调制,前置放大单元401将光信号接收端200的光电转换信号放大去噪后传输至锁相放大单元402，锁相放大单元402接收来自脉冲发生器403的光源调制方波信号作为参考信号，对放大后的光电信号进行解调，解调后的信号传输至二次放大处理单元404，再分别通过低通滤波单元405、高通滤波单元407进行滤波处理，滤波后的信号分别在数字信号处理DSP单元409的控制下通过第一模数转换单元406、第二模数转换单元408进行模数转换，转换后的数字信号送入数字信号处理DSP单元409进行数据处理。

脉冲发生器403发出周期为108K方波脉冲对第一光源单元300的第一光源301进行调制，调制后的光线通过第一凸透镜302后变为准直光束，经过水平狭缝303后形成准直的平行光带2，直接照射到光信号接收端200，第一光源单元300和光信号接收端200之间的测量光带形成采样区，当下落的雨滴粒子的经过该采样区时，由于对光带起了阻挡的作用，在光信号接收端200引起了一个脉冲信号，通过测量脉冲信号的宽度和幅值反演出粒子的下落速度和粒径，可以得到对应的降水天气现象及降水量。

脉冲发生器403发出周期为108K方波脉冲对第二光源单元100的第二光源101进行调制，调制后的光线通过第二凸透镜102后变为准直光束1，准直光束1与光信号接收端200的轴线方向呈水平45°夹角，两端光路在中间的交汇区，称为大气散射信号采样体元4，光信号接收端200能接收到准直光束1照射到交汇区内的大气粒子在水平45°上的散射光，测量该散射光的强度，可以反演出大气能见度，可以得到对应的视程天气现象。

本发明原理：在本发明中，天气降水现象的判断是通过光阻法的测量原理，主要是利用Bougure定律：第一发射端300产生一个水平的平行光带，如图2所示，当下落的降水粒子通过光带时，对照射到探测器上的光起到阻挡、衰减的作用，探测器把下落降水粒子引起的光强衰减变化转化成电信号，经过放大、反相和去除直流偏置后处理后，形成如图3所示的光阻脉冲信号，测量信号变化的强度和持续时间可以计算出降水粒子粒径大小和末速度，粒子数目是统计衰减信号的次数得到的。对获取上述量值进行计算分析可得到降水类型、雨滴谱、降水强度等信息。

其中降水粒子的粒径D是与光阻脉冲信号的强度呈线性关系，可以采用公式（1）：

D＝KV_f+B              （1）

V_f是光阻脉冲信号的幅值，K、B是公式的系数，可以通过标准粒子标定得到。

其中降水粒子下落的速度V采用公式（2）：

V＝(D+H)/S             （2）

其中，H是光带的厚度，S是光阻脉冲信号持续的时间，可以通过采样周期和采样点数计算得到，D是降水粒子的粒径。如图3所示，通过公式（1）采用光阻脉冲信号的幅值计算降水粒子的粒径D。

在测量过程中，数字信号处理器在内存中记录下每分钟测量到的降水粒子的粒径、速度、个数，如图4所示，可以依据测量到的降水粒子所处的不同速度、粒径区间信息判别出各种降水类型。降水粒子落在A区域时表示为毛毛雨；B区域表示下雪；C区域表示雨夹雪混合天气；D区域表示降雨降水；E区域表示霰；F区域表示雹。

在降水强度的测量中，降水粒子可以近似为一个等价小球模型。雨强的测量可以用在单位时间内采集到的降水粒子信息通过公式（3）得到：

$>I=\frac{\Sigma \frac{\pi }{6}{D}_i^3{n}_i\rho }{M}---\left(3\right)$>

其中，I是降水强度，ρ是降水粒子的密度，n_i是某个粒径尺度上粒子的个数，D_i是该尺度上粒子的直径,M是仪器的测量面积（在本发明中指的是测量平行光带的面积）。

通过以上方法可以判断出无雨、毛毛雨、小雨、中雨、大雨、暴雨、小雪、大雪、雨夹雪、霰、冰雹等多种降水天气现象，并计算出降水量。

天气大气能见度的判断是利用MIE散射原理：大气消光主要由大气粒子对光的散射和吸收引起，在可见和近红外波段，相当距离内大气对光的吸收可以忽略不计，通过测量空气中粒子对光的散射强度来计算消光系数，可以反演出能见度值。在本装置中，通过测量前向角度45°上的散射光强，计算出散射系数，反演出大气能见度。其基本原理如图1所示，测量系统由第二发射端（300）、光信号接收端（200）组成，两端的轴线之间在水平方向上有夹角θ=45°。在两端光路在中间的交汇区，称为大气散射信号采样体元（4）。第二发射端（300）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，而信号接收端（200）接收在水平θ=45°方向上的散射光，测量散射光强度进行能见度值反演，其大气能见度测量基本公式如下：

$>V_{\mathrm{mor}}=K_1\frac{1}{S_s}---\left(4\right)$>

其中，S_s是测量到的散射信号强度，K₁是能见度测量系统系数，与光源光强、探测器效率、电路增益有关，可以通过系统标定的方法得到。

通过得到的能见度值判断出对雾、轻雾、霾等多种视程天气现象。

本发明与现有技术相比优点在于：

（1）本发明利用Mie散射理论和光信号衰减原理，实现了多种天气现象的自动在线观测，克服了人工观测存在着许多弊端，保证了天气现象观测的客观性、多样性、连续性，及时性和准确性。

（2）本发明中，采用单探测器，双光源端的结构设计，实现能见度、降水粒子的在线测量，具有灵敏度高、结构简单、易于安装、便于维护的优点。

（3）本发明中，探测器前端加入了滤光片，并采用了高频光源调制，有效的避免了外界杂散光的干扰。

（4）本发明中，测量光信号通过锁相放大电路进行提取，有效的解决了微弱散射光、小粒径降水粒子光阻脉冲信号的采集问题，提高了系统信噪比，保证了测量结果的准确性。

附图说明

图1为本发明的系统组成框图；

图2为本发明光阻法降水天气现象的测量原理；

图3为本发明的下落粒子阻挡光带处理后得到的光阻脉冲电信号；

图4降水天气类型判别区域划分图；

图5为水平狭缝示意图；

图6为散射信号和光阻脉冲信号的提取示意图；其中a是经过二次放大处理后的散射光和光阻脉冲电信号的叠加信号；b是经过低通滤波后的光散射信号；c是经过高通滤波后的光阻脉冲电信号；

图7为本发明的数字信号处理DSP单元工作流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明基于光学原理的天气现象在线观测系统主要包括：第一发射端300、第二发射端300、光信号接收端200和光电信号采集和数据处理模块400。

如图1所示，第一发射端300中第一光源单位301安装在第一凸透镜302后端，位于凸透镜的焦点位置，第一凸透镜302对第一光源单位301发射的光束进行准直，水平狭缝303安装在第一凸透镜302前端，水平狭缝303的形状如图5所示，第一凸透镜302准直后的光束经过水平狭缝303后成为一条准直平行光带2；

所述第二发射端100中第二光源单元101位于第二凸透镜102后端，位于凸透镜的焦点位置，使第二光源单元101发出的光通过第二凸透镜102后进行准直，形成平行的准直光束1；

所述光信号接收端200中的探测器单元203位于接收端凸透镜201后端，位于凸透镜的焦点位置，使照射到接收端的光能聚焦到探测器单元203上，在探测器单元203前安装了滤光片202，过滤去外界的杂散光，使只有光源波段上的光才能进入探测器单元203；

所述第一发射端300与光信号接收端200水平相对，第一发射端300发出的准直平行光带2直接照射到光信号接收端200，第二发射端100位于第一发射端300水平一侧，第二发射端100发出准直光束1与光信号接收端200的水平轴线呈45°夹角。

如图1所示，脉冲发生器403发出周期为108K方波脉冲对第一光源单元301的光源进行调制，调制后的光线通过第一凸透镜302后变为准直光束，经过水平狭缝303后形成准直的平行光带2，直接照射到光信号接收端200，第一光源单元301和光信号接收端200之间形成采样区，当下落的雨滴粒子的经过该光带时如图2所示，由于对光带起了阻挡的作用，在光信号接收端200引起了一个脉冲电信号，该电信号经过二次放大单元的放大，同时将光阻脉冲电信号反相并去除直流偏置，处理后如图3所示，通过测量信号的宽度和幅值反演出降水粒子5的下落速度和粒径，可以得到对应的降水天气现象。

脉冲发生器403发出周期为108K方波脉冲对第二光源单元101的光源进行调制，调制后的光线通过第二凸透镜102后变为准直光束1，准直光束1与光信号接收端200接收的轴线方向为水平45°的夹角，第二发射端100发出准直光束1与光信号接收端200轴线的水平呈45°夹角，如图1所示，两端光路在中间的交汇区形成散射体采样区4，称为大气散射信号采样体元，光信号接收端200能接收到准直光束1照射到交汇区内的粒子在45°上的散射光，测量该散射光的强度，可以反演出大气能见度，得到对应的视程天气现象。

光信号接收端200接收光信号进行光电转换，其中包括了经过调制的大气粒子散射信号和降水粒子光衰减信号3，经过前置放大单元401进行放大，在锁相放大单元402进行锁相放大，脉冲发生器403为锁相放大单元402提供参考信号解调出测量信号，并由二次放大处理单元404放大，同时将降水粒子引起的脉冲信号反相并去除直流偏置，二次放大处理器单元处理后的信号如图6中的a所示,包括大气中粒子的散射信号和下落降水粒子的光阻脉冲信号叠加。由于大气能见度慢变化的性质决定了散射信号是近似直流信号，如图6中的b所示，可以通过低通滤波单元405滤波后得到，在数字信号处理DSP单元409的控制下由第一模数转换单元406转换成数字信号。下落降水粒子的光阻信号是降水粒子下落过程中在阻挡水平光带在探测器上引起的一个高频脉冲信号，如图6中的c所示，通过高通滤波单元407滤波后可以提取，在数字信号处理DSP单元409的控制下由第二模数转换单元408转换成数字信号。

本发明中采用数字信号处理DSP单元409负责整个系统的数据采集处理和算法实现，并将结果输出。如图7所示，具体工作流程如下：

（1）系统上电，进行初始化操作，主要包括工作时钟、模数转换单元、存储器等初始化等操作；

（2）数字信号处理DSP单元409控制脉冲信号控制单元403输出方波脉冲信号，开启光源，并进行调制；

（3）数字信号处理DSP单元409控制第一模数转换单元406读取散射光强值，经过模数转换后进行以下数据处理：a.剔除异常值；b.进行数字信号滤波处理；c.放入指定内存缓存区。

（4）数字信号处理DSP单元409控制第二模数转换单元407读取下落降水粒子的光阻信号的强度值，经过模数转换后进行以下数据处理：a.剔除异常值；b.判断采样值是否超过设定阈值，如果没有超过，即认为没有下落降水粒子进过采样区，退出该采样步骤；如果超过阈值，认为有下落降水粒子进入采样区，开始连续采样并记录，同时判断采样值是否低于阈值，如果低于阈值说明下落降水粒子已经下落出采样区的范围，停止采样；c.进行数字信号滤波处理；d.将数据放入指定内存缓存区。

（5）完成对数据的采样和模数转化后，对天气现象进行反演，首先判断是否有降水天气现象发生，如果有降水天气现象发生，通过公式D＝KV_f+B和V＝(D+H)/S计算降水粒子的粒径、下落速度信息，并统计单位时间内的粒子数目。其中，D是粒子粒径，V_f是光阻脉冲信号的幅值，H是光带的厚度，S是光阻脉冲信号持续的时间，可以通过采样周期和采样点数计算得到，K、B是公式的系数，可以通过标准粒子标定得到。并通过公式计算降水量。其中，I是降水强度，ρ是降水粒子的密度，n_i是某个粒径尺度上粒子的个数，D_i是该尺度上粒子的直径,M是仪器的测量面积在本发明中指的是测量平行光带的面积。计算出降水粒子的粒径、下落速度、数目信息，通过判断其粒径和速度分布区间识别降水天气类型，包括无雨、毛毛雨、小雨、中雨、大雨、暴雨、小雪、大雪、雨夹雪、霰、冰雹等。

（6）对散射光信号的采样模数转化后数据处理：通过公式其计算大气能见度V_mor。其中，S_s是测量到的散射信号强度，K₁是能见度测量系统系数，与光强、探测器效率、电路增益有关，可以通过系统标定的方法得到。通过得到的能见度值识别出雾、轻雾、霾等多种视程天气现象。

（7）输出观测结果。

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。