能见度测量方法及其专用设备技术

本发明专利技术提供一种能见度测量新方法，包括：原位测量介质的后向散射系数s

Visibility measuring method and special equipment thereof

The invention provides a new method for visibility measurement, which comprises: measuring the backscattering coefficient s of the medium in situ;

【技术实现步骤摘要】
能见度测量方法及其专用设备
本专利技术涉及一种能见度测量方法，及其专用设备。
技术介绍
人们的生活在很大程度上依赖于信息。因为信息是形成人们正确决策的基础，特别是视觉信息。人类的眼脑系统是最早的“成像仪”，至今在我们的日常生活中仍是最常用的和不可缺少的。人类通过这个系统对事物进行观察，观察对象是否可见对于决策的形成和管理来说至关重要。“能见度”作为一种提供定量表征信息的术语已被沿用多年，但是迄今为止仍没有统一的定义。它通常指的是“物体刚好能被看得见”(Duntley，1948b；Malm等，1980；Middleton，1947年)的距离，这个定义被国际民航管理局用于航空领域。同时，世界气象组织把“能见度”定义为“平行光束的光通量在大气中衰减至其原始值的5％所需要通过的路径长度”。显然，前者的定义涉及人类感观，而后者的定义只是无需人工参与的大气特性量度。因此两个“能见度”的测量可能无法提供一致的结果。在白天，物体对于眼睛是否可见往往依赖主观因素(Duntley，1948b)。例如，如果一个物体太小(低于我们的眼睛的分辨率)，那么它就是不可见的，或者如果对象的颜色和亮度与背景过于接近(例如，具有伪装能力的生物)也是不可见的(或几乎不可见)。如果介质(空气或水)不够透明(例如，浓雾或严重的沙尘暴)，即使物体在近距离也会几乎看不到。以介质的质量为重点，并且为了让不同时间或不同位置观察到的能见度范围具有可比性(Dabberdt和Eigsti，1981；Doyle和Dorling，2002；Ma等，2011；Majewski等人，2015年)，经典能见度理论(CVT)中的能见度(表示为Vcvt，公里)不包括小目标物体和伪装物体的情形，因此需要使用ICAA采用的定义作为能见度的定义(Duntley，1948a；霍瓦特，1981；Middleton，1947年)。为了解释Vcvt和大气特性之间的关系，Koschmieder在90多年前提出了一个简单的理论模型，其中Vcvt与空气的消光系数(ea，千米-1)成反比。ea是大气的吸收系数(aa，公里-1)和散射系数(Sa，公里-1)的总和(Middleton，1947)。该模型成为了WMO所采用的“能见度”定义的基础，也成为了使用仪器测量能见度的理论基础，尽管客观上真实地测量了空气性能(ea)(Ahmed等，2014年；Majewski等人，2015年；Marthinsen，2015年)；然而通过眼脑系统“测量”的能见度始终是主观的。随后，政府机构和天气预报提供的能见度数据是通过位于不同位置(例如，机场、港口、旅游景点、桥梁、公路)的能见度仪测量得到的。Horvath(1971)40多年前重新审视Koschmieder模型得出的结论是“......只有非常有限的情况下适用。”Horvath指出Koschmieder的模型要求的大气被均匀地照射并具有空间上恒定的大气消光系数，而且需要在水平方向的天空观察一个黑色的目标。Horvath(1971)进而提出了一个修正模型，结论认为只要应用一个合理的黑色目标和平均消光系数，Koschmieder模型的误差就会在大约10％以内。从根本上说，“可见”或“可以看到”都是定性的描述，本质上是含糊不清和主观的。人的视觉决策过程中的“可以看到”有两个不同级别：第一个级别是对一个目标的探测，如看到一个字母但暂时无法区分(即，它是“C”或“O”？)；第二个级别是对一个目标的识别，如区分字母“C”和字母“O”。“可以看到”的第一个级别的重点在目标整体，且对结果的回答只有是或否两种，而第二个级别的“可以看到”往往会搜索更精细或更详细的信息。不同于第一个级别，第二个级别得到的回答并不是两种。此外，“识别”是完成“探测”后的决定。理想的情况下，我们希望达到在视觉范围内的第二个级别的“看到”或得出结论；然而，在很多情况下，第一级别的信息可能会在达到第二个级别前存在很长一段时间，在其他许多情况下，第一级别信息也是形成认知的必要的和重要的信息来源(Duntley，1948b)。例如，在雾天航行过程中，我们想要搜集的信息首先是附近是否有任何船只(或障碍物)，而不是精确的船型信息；还有当我们在视野内的背景中搜索一个已知目标，以完成简单地为其定位的任务时，例如在天空搜索飞机或者观测水下透明度，也是一样的。此外，对于一种高散射的介质(例如，大雾，沙尘暴，混浊水域)，物体的细节会由于前向散射效应而很快丧失其明锐度。因此，在这种情况下的主要任务就是实现探测。所以，实际上有两个“能见度”对应我们的眼脑系统中两个级别的视觉决策。为了尽量减少“能见度”一词相关的歧义，我们这里使用“可探测度”来表示注意到物体的最大距离，即我们的眼脑系统刚好能够注意到或检测到物体的距离，我们用“可识别度”来表示识别物体的最大距离。新的研究经过推理和试验发现，Koschmieder模型仅适用于对很小的目标物体(角度尺寸很小的物体或边缘)的“可识别度”测算，而不适用于对大型目标或近距离的“可探测度”测算。那么过去几十年中基于Koschmieder模型提出的能见度测定方法实际上解决的只是清晰地识别小物体时的能见度测量，所以运用这些方法在雾天或强沙尘暴等恶劣天气中得到的“能见度”数据其实并不是常规尺寸物体可探测的最大实际距离，而是远远小于真实的可探测距离。由于光电系统的发展，肉眼对物体具有几十公里的可视范围变得不再必要也不再重要。而近距离物体(比如雾天或沙尘暴天的汽车或轮船)的“可探测度”对于我们日常生活是非常有必要的。在实践中，恶劣天气下的能见度(即“可探测度”)往往是对人们日常生活更加重要的数据和信息，因此有必要提出一种可以广泛用于各种情况，特别是能够真实地测量恶劣天气下物体可探测的最大距离(即“可探测度”)的方法。
技术实现思路
鉴于上述技术背景，本专利技术的首要目的在于：提出一种新的能见度测量方法，该方法可以通用于各种情况的能见度测量，不仅能够解决介质中目标“可识别度”的测量问题，而且能够有效测量在某种介质中可探测目标的最远距离，即该介质的“可探测度”，特别是对于高散射性的介质可以提供更加真实的能见度测量结果。本专利技术的第二个目的在于：提供一种专用于所述能见度测量方法的设备，以使所述测量方法依赖合理的设备结构获得准确、稳定的测量结果。本专利技术的第三个目的在于：提供所述能见度测量方法及其专用设备在航海、行车或水下探测等领域中的应用。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：首先，提供一种能见度测量方法，包括：1)原位测量介质的后向散射系数sab，并基于所述后向散射系数sab推算得到所述介质的漫射衰减系数κa2)将步骤1)得到的κa代入以下公式(I)，计算所述介质的能见度Vnm(km)：其中，Γ为常数。经典理论Koschmieder模型中的能见度(Vcvt)计算为：此处的Ci被称为固有对比度(即，未被介质消减的对比度)；Ct是眼睛的视觉阈值，通常认为是0.02，后来讨论认为大约是0.05。对于非常黑的目标，上式可简化为：也就是说，Koschmieder模型认为“能见度”与消光系数ea成反比。研究发现，人的眼脑系统对于目标在某种介质中的“可探测度”和“可识别度”都以目标和背景间的反射率差值为基础，因此基于“本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能见度测量方法，其特征在于，包括：1)原位测量介质的后向散射系数s

【技术特征摘要】
1.一种能见度测量方法，其特征在于，包括：1)原位测量介质的后向散射系数sab，并基于所述后向散射系数sab推算得到所述介质的漫射衰减系数κa；2)将步骤1)得到的κa代入以下公式(I)，计算所述介质的能见度Vnm(km)：其中，Γ为常数。2.权利要求1所述的能见度测量方法，其特征在于，步骤1)通过以下方法测量后向散射系数sab：使用波长在200～1100nm，更优选200～850nm范围内的光源照射目标，同时使用光学探头接收目标反射光，所述的光学探头接收的反射光与光源发出的照射光之间夹角控制在0～5°。3.权利要求2所述的能见度测量方法，其特征在于，所述的光学探头接收环绕所述光源一周多个点的反射光。4.权利要求2所述的能见度测量方法，其特征在于，步骤1)所述的后向散射系数sab测量中，对所述的光源进行调制，采用特定频率调制的照射光照射目标，光学探头也接收相应频率的光。5.一种权利要求1所述能见度测量方法的专用设备，包括：可发射200～1100nm波长光的光源，所述的光源周围设置光信号接收装置；所述的设备还设置主控电路，所述的主控电路包括将光学信号转为模拟电信号的电路单元一、将模拟电信号转为数字电信号的电路单元二，以及控制光源开闭的电路单元三；所述的光信号接收装置与所述的电路单元一通过光纤连接；所述的电路...

【专利技术属性】
技术研发人员：李忠平，孙兆华，商少凌，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35