[發明專利]一種極光活動監測系統

在審

• 申請號: 201410369969.6
• 申請日: 2014-07-30
• 公開（公告）號: CN104113736A
• 公開（公告）日: 2014-10-22
• 發明（設計）人: 黃德宏;胡紅橋;胡澤駿
• 申請（專利權）人: 中國極地研究中心
• 主分類號: H04N7/18
• 分類號: H04N7/18;H04N5/232
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 韓國勝;楊小偉

技術領域

本發明涉及環境數據技術領域，尤其涉及一種極光活動監測系統。

背景技術

極光是太陽活動產生的太陽風等離子體與地球大氣相互作用產生的極區大氣發光現象，是影響人造衛星、空間站運行以及人類航天活動安全的災害性空間天氣活動的重要指示器，是世界各國極地考察研究的重要目標對象。人類賴以生存的日地系統，伴隨著太陽的活動，通過專用儀器設備能夠在地球空間監測地磁場變化、電離層擾動等空間環境的變化，而極光作為唯一能夠被肉眼看到的高空大氣物理現象，在空間環境研究及空間天氣預報等領域早就受到重視，近幾十年來在南北極科學考察站得到了持續的監測，并發展了較為系統的成像觀測設備。由于地磁場的特殊位形，極光經常出現在離地磁極25°～30°的范圍極光橢圓(或稱為極光卵)內，即在南極洲和環北極國家的部分高緯地區才能親眼看到那絢麗多彩而又美輪美奐的極光。國際上一些研究機構根據太陽活動等實時觀測數據，構建了極光活動的預報模型，給出何時在何地可能會看到極光供旅游者和極光攝影愛好者參考，但預報的準確性程度還不是很高，加上當地的氣象條件的不確定性很難保證每次的出行都令人滿意。

在極光成像觀測上，早期采用的是低照度下高靈敏度的極光電視攝像系統，隨著CCD相機技術的發展特別是EMCCD相機的出現，采用濾光片的單色極光成像成為主流觀測設備。分別說明如下：

技術1：圖1是低照度下高靈敏度的極光電視攝像系統。低照度下高靈敏度的極光電視攝像系統【楊惠根,劉瑞源,黃德宏,菊池雅行,佐藤夏雄,小野高幸,港屋浩一,田瑋；“極光全天空視頻圖像分析系統”，地球物理學報；1997年05期】的工作流程圖如圖1所示，利用高靈敏度的SK-5型攝像機經過控制器調整增益、疊加幀數和靈敏度來實現低照度下的極光視頻的攝像。時基校正器對經過控制器后的視頻圖像和經過手動調整后的來自時鐘發生器的日期和時間信息進行迭加處理，最終合成可被激光視盤讀寫器(每20秒記錄一幀，用于快速檢索)和三臺Hi8型錄像機(用于數據共享和備份)記錄。切換開關可以實現Hi8型錄像機和激光視盤讀寫器的圖像監視和圖像打印。中山站在1995年安裝了該型號的攝像系統，直到2011年由于設備老化的原因退役，為中國極地考察累積了超過一個太陽周期(11年)的連續觀測資料，作為早期的極光監測設備，低照度下高靈敏度電視極光攝像系統為空間環境監測做出了巨大貢獻。

技術2：圖2是單色極光成像系統，是最新的較為流行的南北極臺站使用的商用單色極光成像系統。其主要部件及描述如下：魚眼鏡頭1可以收集全視野即視野范圍FOV為180゜的極光活動情況，光路經準直透鏡2后再由安裝在濾光輪3上的濾光片后，由中繼透鏡5和后端的光路調整為合適的成像面積和成像角度最終成像在EMCCD相機6上。濾光輪3上還可以安裝多個濾光片，通過智能馬達4定時對濾光片進行旋轉和定位，可以實現不同極光特征譜線的觀測。目前我國南極中山站、北極KHO觀測站和中冰極光觀測臺都安裝了同類極光成像設備。

對于低照度下高靈敏度的極光電視攝像系統，雖然能夠實現低照度下高靈敏度的極光攝像，但系統構成復雜，主要的不足體現在以下幾個方面：

1、攝像機自身體積龐大，需要安裝在室外或專用的透明罩下，幾乎不具備移動性；

2、對控制器的增益、靈敏度和疊加幀數的調整需要人工手動完成，而且每次觀測前所有上述參數均從最小值開始，逐步調整到合適的成像質量，觀測結束后恢復各參數到最小值，調整過程耗時長。每次觀測過程中，參數的相對固定后，對于極光活動期間強大的動態范圍，無法同時實現弱極光和強極光的理想觀測；

3、無法做到光控關機和定時關機，觀測過程必需有人值守，以避免日出后的強光對相機的致命性損傷；

4、視頻數字化難度高，雖然可以引入時基校正器后的視頻信號給安裝有視頻采集卡的計算機定時采集數字化圖像，但時鐘發生器上的時間和計算機上的時間很難實現同步，造成圖像上的時間和文件生成時間存在差異；

5、視頻圖像分辨率不高，視頻數字化輸出的最大分辨率僅為320×240像素；

6、無法實現網絡在線實時視頻流功能。