[發明專利]基于數字攝像法的能見度測量系統及方法

在審

• 申請號: 201410539453.1
• 申請日: 2014-10-13
• 公開（公告）號: CN104280344A
• 公開（公告）日: 2015-01-14
• 發明（設計）人: 王京麗;阮順賢;劉金城;韋濤;聶凱;雷鳴;陳小滿;繆宇鵬
• 申請（專利權）人: 中國氣象局北京城市氣象研究所;北京市氣象探測中心
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 陳英俊

技術領域

本發明涉及能見度測量領域，尤其涉及一種基于數字攝像法的能見度測量系統及方法。

背景技術

能見度是一個對航空、航海、陸上交通以及軍事活動等都有重要影響的氣象要素。能見度觀測在氣象預報、交通、環境等領域有十分重要的作用，與國民經濟建設和人民生命財產安全緊密相關。特別是近年來，許多領域已把能見度的日常觀測逐漸提到日程上來，如高速公路的關閉、車輛的限速、飛機的起降等等。可以說，對能見度的實時觀測和預報已經成為現實生活中不可缺少的重要內容。

迄今為止，國內外對能見度的觀測大都還是以人工目測為主，規范性和客觀性較差。以我國為例，2414個國家氣象臺站能見度的觀測仍然主要采用人工觀測方式，具有很大的主觀性，資料更新周期長，難以滿足氣象預報和服務的需求。在能見度儀器測量方面，目前采用的設備主要有大氣透射儀和激光能見度自動測量儀。前者通過光束透過兩固定點之間的大氣柱直接測量氣柱透射率，以此來評估能見度值，這種方法要求光束通過足夠長的大氣柱，而在雨、霧等低能見度天氣，又會因水汽吸收等復雜條件造成較大誤差，因此局限性很大。后者則是通過激光測量大氣消光系數的方法來推測能見度，相對而言較為客觀和準確，但這種方法的使用目前還僅限于少數研究部門。這是因為激光雷達不僅成本昂貴、維護費用高、操作復雜，而且在雨天、霧天也難以進行正常觀測。因此，改進乃至革新能見度探測技術仍是一個具有重要意義的研究課題。

數字攝像法測量能見度是通過數字攝像機直接攝取選定目標物的圖像，然后送入計算機進行分析處理，自動獲取能見度值。本方法用數字攝像機代替人眼，模仿人眼觀測和人對能見度的真實感受，是一種新的能見度觀測方法。它完全仿照人工目測能見度的原理，根據能見度的定義研制，是最科學的能見度探測方法，更是取代人工觀測能見度的最佳儀器。

經過若干年的研究和實驗，數字攝像法探測大氣能見度技術已經取得了突破性的研究成果，但還存在需要進一步完善和改進的地方，尤其是系統集成設計與儀器產品定型。基于數字攝像法的能見度測量，設計并實現一種新型的、較為經濟和客觀的能見度探測系統，已經成為能見度測量研究的發展趨勢與迫切需求。能夠應對復雜環境下氣候條件與地理條件的數字攝像法能見度測量系統，將會應用在航空、航海、陸上交通及軍事活動等諸多領域，具有巨大的市場前景。

在申請號為201210080662.5的同一申請人之前的中國發明申請中，提出了用激光作為目標光源，從而進行夜間觀測。但是，在該在先申請中，申請人也明確提出激光光源由于其價格高昂的限制，一直無法很好地大規模生產和應用的缺點。此外，還有人提出利用電致發光(electroluminescent，EL)光源來降低成本，然而，EL光源由于是利用化學能轉換為光能，因此其存在使用壽命不長，亮度不高等缺點。

因此，提出一種低成本的、高亮度的發光單元作為目標光源，是本領域要解決的進一步的技術問題。

發明內容

綜合以上考慮，本發明提出要利用多個LED構成的LED點陣列發光板作為能見度儀夜間使用的目標光源。相比于其他光源，諸如EL背光光源、激光光源等，LED點陣列發光板作為光源具有亮度高、性能穩定、使用壽命長、成本低和控制方便等特點，非常適合作為能見度儀的目標光源。

基于數字攝像法的能見度測量系統，其包括：

支撐裝置，其利用萬向節承載數字攝像單元，所述萬向節方向確定后不再變動，萬向節底部與安裝平臺連接，

數字攝像單元，其用于拍攝選定的目標物并將所拍攝的目標物圖像輸出到圖像處理單元，其中，所述目標物包括作為白天檢測2個或2個以上的目標黑體和作為夜晚檢測的2個目標光源；所述2個目標光源是2個獨立的LED點陣列發光板；

圖像處理單元，其對由上述數字攝像單元的拍攝而得到的目標物圖像使用目標定位算法來精確定位目標物，提取該目標物的亮度值并輸出到能見度計算單元；

能見度計算單元，其根據由上述圖像處理單元提取的上述目標物圖像的亮度值，使用雙亮度差對比公式，計算能見度值，并且求出上述目標物各方向能見度值的算術平均值作為當前能見度；

控制單元，包括數字攝像單元控制器，其對數字攝像單元的鏡頭變倍大/小、聚焦遠/近、光圈開/關進行控制；

網絡連接單元，包括與圖像處理單元連接的串口服務器，其作為通訊接口轉換器；及，計算機；及，路由器，負責搭建連接圖像處理單元和計算機的局域網；

設備保護單元，包括室外設備防護裝置，該室外設備防護裝置具有多層密封絕熱結構，容納需室外工作的設備且對其進行溫濕度保護。