[發明專利]基于天空可見光圖像的太陽直接輻射強度測量方法和裝置

有效

• 申請號: 201210199066.9
• 申請日: 2012-06-14
• 公開（公告）號: CN102692271A
• 公開（公告）日: 2012-09-26
• 發明（設計）人: 楊俊;呂偉濤;馬穎;姚雯
• 申請（專利權）人: 中國氣象科學研究院
• 主分類號: G01J1/10
• 分類號: G01J1/10
• 代理公司: 北京智匯東方知識產權代理事務所(普通合伙) 11391
• 代理人: 范曉斌;康正德

技術領域

本發明涉及氣象探測領域，尤其涉及一種基于天空可見光圖像的太陽直接輻射強度測量方法和裝置。

背景技術

太陽輻射是影響大氣環流和氣候變化的重要因素。太陽直接輻射是太陽總輻射的重要組成部分。從觀測或測量角度來講，太陽直接輻射通常包括垂直太陽表面(視角約0.5°)的輻射和太陽周圍很窄的環形天空的散射輻射（環日散射）。對太陽直接輻射強度或者說輻照度的測量在氣象探測、太陽能利用以及其它與太陽輻射相關的領域中有重要的價值，因此太陽直接輻射強度是氣象部門的常規監測數據。

目前，太陽直接輻射強度的直接測量是利用太陽直接輻射表。太陽直接輻射表通常主要由進光筒、感應件和跟蹤裝置構成。在工作時，進光筒對準太陽；感應件吸收太陽直接輻射并將其轉換成可測量的電信號；跟蹤裝置則用于支撐進光筒并能夠跟蹤太陽的移動，從而使進光筒準確跟蹤并對準太陽。

對于這樣的太陽直接輻射表，跟蹤裝置的微小跟蹤偏差將產生較大的系統偏差。這樣，為了消除系統跟蹤誤差的影響，則要求太陽直接輻射表能夠實時、快速、可靠地跟蹤太陽。這對跟蹤裝置的要求極高，而且使用和維護也很復雜。

太陽直接輻射表的一個應用是對日照時數的觀測和測量。日照是太陽輻射最直觀的表現。日照時數則是指太陽在一地實際照射的時數，其定義為太陽直接輻射強度達到或超過120W/m²那段時間的總和，以小時為單位，取一位小數。日照時數的分布規律，對于合理布局農業生產、規劃城市建設、開發旅游資源、設計太陽能電站等具有重要的現實意義。由于太陽直接輻射表可以獲得任何指定時刻的太陽直接輻射強度，因此，其可以直接用來定時測量太陽直接輻射強度并統計日照時數。

由于對日照時數的測量并不需要獲得各個時刻準確的太陽直接輻射強度，僅需要判斷太陽直接輻射強度是否達到或超過120W/m²這個閾值，因此現有技術中也有一些不使用太陽直接輻射表的日照時數觀測方案。

基于燒痕法的日照時數觀測儀器主要有暗筒式日照計和聚焦式日照計。這是國內大多數氣象臺站目前使用的日照觀測儀器。但暗筒式和聚焦式日照計的業務觀測離不開人工操作，如日照紙需人工制作、安裝和更換，日照時數需要根據感光跡線（或焦痕）進行人工判斷等，這使得該類型儀器的自動化程度較低。

基于輻射測量法的日照時數觀測儀器除了前述的太陽直射輻射表外，還有雙金屬片日照傳感器等。雙金屬片日照傳感器采用的雙金屬片是機械形變型元件，易受膨脹和收縮的溫度效應影響，重復性較差，且長期穩定性難以保證，導致該類型傳感器測量精度不高。

此外，荷蘭Kipp?&?Zonen公司的CSD型太陽日照儀利用三個電子光敏器件來測定太陽總輻照度和散射輻照度，再利用總輻照度與散射輻照度之差得到太陽直接輻照度，該太陽直接輻照度可用來統計和計算日照時數。中國氣象科學研究院設計過一種利用積分球原理的日照計來計算日照時數。但由于各自的一些不足，都未能在業務上得到廣泛應用。

發明內容

本發明的目的在于以一種全新的構思提供一種全新的太陽直接輻射強度測量方法，并且基于該太陽直接輻射強度測量方法提供一種太陽直接輻射強度測量裝置以及一種日照時數測量方法。

本申請的基本構思源于本申請的發明人發現天空可見光圖像中太陽及其周圍高亮度像素的數量能夠反映太陽直接輻射強度的大小。具體來說，本申請人的發明人分析了在一較長時間范圍內同步觀測的太陽直接輻射強度資料序列和對應的天空可見光圖像序列。本發明人驚奇地發現，天空可見光圖像中太陽及其周圍一定區域內的高亮度像素的數量與太陽直接輻射強度之間呈現明顯的單調遞增的關系，并且可以通過擬合算法得到擬合函數以反映高亮度像素數量與太陽直接輻射強度之間的擬合關系。

按照本發明的一個方面，提供了一種基于天空可見光圖像的太陽直接輻射強度測量方法，包括：

圖像獲取步驟：利用圖像獲取設備獲取預定時刻的天空可見光圖像；

高亮度像素計數步驟：搜索所述天空可見光圖像的預定區域內的高亮度像素，并對高亮度像素的數量進行計數；

輻射強度計算步驟：基于預先確定的天空可見光圖像中所述預定區域內的高亮度像素的數量與太陽直接輻射強度之間的擬合關系，根據所述高亮度像素的數量計算所述預定時刻的太陽直接輻射強度。

優選地，所述預定區域可以為所述天空可見光圖像中太陽及其周圍預定范圍內的區域。

優選地，所述預定區域可以為從所述天空可見光圖像中的太陽圖像的中心點延伸預定半徑的圓形區域。