聶凱,王京麗,雷鳴,劉金城,阮順賢

(1.北京市氣象探測中心;2.北京市氣象信息中心;3.中國氣象局北京城市氣象研究所,北京 100089)

數(shù)字?jǐn)z像能見度儀控制系統(tǒng)設(shè)計及對比數(shù)據(jù)分析

聶凱1,王京麗3,雷鳴2,劉金城1,阮順賢3

(1.北京市氣象探測中心;2.北京市氣象信息中心;3.中國氣象局北京城市氣象研究所,北京 100089)

數(shù)字?jǐn)z像能見度自動監(jiān)測儀(Digital Photographic Visibility System ,簡稱DPVS)采用仿照人工目測能見度的方法測量能見度,比人工目測和其他器測更具經(jīng)濟性和客觀性.文章以DPVS工作原理為引,對DPVS的系統(tǒng)搭建、控制系統(tǒng)集成、通訊系統(tǒng)集成等方面做了詳細(xì)介紹.文中將DPVS、散射儀、透射儀三種觀測設(shè)備在降雨天及霧霾天觀測數(shù)據(jù)進行了比對分析,并對實驗中遇到的一些問題進行了分析研究,并提出了相應(yīng)的解決辦法.

數(shù)字?jǐn)z像能見度自動監(jiān)測儀(DPVS);控制系統(tǒng) ;通訊系統(tǒng) ;數(shù)據(jù)對比分析

能見度是反映大氣透明度的一個重要指標(biāo),對航空、航海、陸上交通以及軍事活動等有重要影響,與天氣情況密切相關(guān).本文介紹的數(shù)字?jǐn)z像能見度自動監(jiān)測儀(DPVS),即數(shù)字能見度儀,采用先進的數(shù)字?jǐn)z像技術(shù),完全仿照人眼觀測能見度的原理,根據(jù)能見度的定義研制,通過數(shù)字?jǐn)z像機直接攝取選定目標(biāo)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.

經(jīng)過近20年的研究和實驗,數(shù)字?jǐn)z像法探測大氣能見度技術(shù)已經(jīng)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(tǒng)集成設(shè)計與儀器產(chǎn)品定型.基于數(shù)字?jǐn)z像法的能見度測量,設(shè)計并實現(xiàn)一種新型的、較為經(jīng)濟和客觀的能見度探測系統(tǒng),已經(jīng)成為能見度測量研究的發(fā)展趨勢與迫切需求.

1 DPVS工作原理及系統(tǒng)組成

1.1 DPVS工作原理

數(shù)字?jǐn)z像能見度自動觀測儀的工作原理是:通過數(shù)字?jǐn)z像機(CCD-Camera)直接攝取選定目標(biāo)物及其背景的圖像,并傳到計算機,計算機通過對所獲取的圖像進行分析處理,自動獲取能見度的數(shù)值.

具體做法是:選定若干較明顯的、在一般天氣條件下CCD能夠分辨出來的目標(biāo)物作為探測目標(biāo),同時對這些選定目標(biāo)的距離、亮度等進行標(biāo)定.CCD直接攝取這些選定的目標(biāo)物圖像,通過圖像采集卡將圖像傳至計算機.計算機再對這些目標(biāo)物的圖像信息分別進行分析處理,然后帶入相關(guān)公式進行計算,最后得到一個綜合的能見度值.

DPVS從研發(fā)到投入測試已經(jīng)10多年了,儀器的性能指標(biāo)也在不斷提高,現(xiàn)在DPVS在其探測范圍內(nèi)對能見度的探測能力已經(jīng)基本達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn),可以投入使用.隨著儀器產(chǎn)品的定型,系統(tǒng)的工控集成設(shè)計也將日趨完善.

1.2 DPVS的系統(tǒng)組成

DPVS的系統(tǒng)按功能單元劃分主要由數(shù)字?jǐn)z像單元、圖像處理單元、能見度計算單元、網(wǎng)絡(luò)控制單元、目標(biāo)物單元等組成,按地理空間劃分主要由室外控制系統(tǒng)和室內(nèi)控制系統(tǒng)組成.

目標(biāo)物單元主要由目標(biāo)黑體和目標(biāo)光源組成,每個選定的目標(biāo)黑體為白天觀測的工作目標(biāo),目標(biāo)光源則為夜間觀測目標(biāo).數(shù)字?jǐn)z像單元主要由數(shù)字?jǐn)z相機(CCD)、鏡頭系統(tǒng)、相機罩、萬向節(jié)、電源控制、防雷系統(tǒng)等組成.網(wǎng)絡(luò)控制單元主要由串口服務(wù)器、千兆交換機、網(wǎng)絡(luò)電源控制器等組成.圖像處理單元和能見度計算單元組成了DPVS的軟件系統(tǒng).

2 DPVS控制系統(tǒng)集成設(shè)計

DPVS控制系統(tǒng)主要有室內(nèi)控制系統(tǒng)和室外控制系統(tǒng)組成.室內(nèi)控制系統(tǒng)主要通過網(wǎng)絡(luò)控制單元和后臺服務(wù)器實現(xiàn)圖像采集、能見度計算、指令控制等.室外控制系統(tǒng)則通過目標(biāo)物控制單元、數(shù)字?jǐn)z像單元、網(wǎng)絡(luò)控制單元完成目標(biāo)觀測、鏡頭調(diào)整和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ?它的正常工作直接影響到能見度的觀測結(jié)果.室外控制系統(tǒng)的設(shè)計,需要充分考慮自然環(huán)境因素和不可抗拒因素的影響.為了使室外控制系統(tǒng)能適應(yīng)多地不同季節(jié)的自然變化,需要在設(shè)計之初,充分考慮到溫濕度、供電環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)通訊對其的影響.

系統(tǒng)的搭建首先要對目標(biāo)物及其周圍的參照物進行標(biāo)定,通過支架立桿等方式搭建目標(biāo)物(黑體/光源)與各測量設(shè)備,通過網(wǎng)絡(luò)控制單元將數(shù)字?jǐn)z相機(CCD)觀測到的目標(biāo)物視頻圖像傳送給工控機操作工控機,根據(jù)能見度計算公式求出大氣能見度達(dá)到全天候24小時的能見度測量.圖1是DPVS觀測系統(tǒng)示意圖.

圖1 DPVS觀測系統(tǒng)示意圖

3 霧霾天DPVS與對比儀器觀測數(shù)據(jù)對比分析

判定霧霾天等級的主要有能見度、空氣濕度、PM2.5(直徑小于等于2.5微米空氣細(xì)顆粒物)等觀測要素,文中我們主要將上述三種觀測設(shè)備在霧霾天氣過程中的觀測數(shù)據(jù)與同時段的空氣濕度和顆粒物濃度進行了對比分析,結(jié)果顯示如圖2所示,霧霾天氣條件下,視頻能見度儀與大氣透射儀觀測結(jié)果比較接近,散射儀觀測結(jié)果高于前兩者.分析原因主要是因為霧霾天時,相對濕度較高,且大氣中含有較多顆粒物,顆粒物的吸收消光忽略不計是導(dǎo)致前向散射儀觀測能見度值偏高的主要原因.

圖2 霧霾天DPVS與對比儀器觀測數(shù)據(jù)對比

4 遇到問題及解決方法

項目在研制和測試中不可避免的遇到了一些技術(shù)問題,但是一些不可抗拒因素也使我們的研發(fā)團隊走了一些彎路,現(xiàn)在舉例分析出現(xiàn)問題時的一些應(yīng)對辦法.

(1)在實驗時,由于電壓不穩(wěn),偶爾出現(xiàn)斷電情況,如果此時數(shù)字?jǐn)z相機處于觀測階段,容易引起相機死機,所以我們引入不間斷電源UPS,UPS可以保證室內(nèi)控制系統(tǒng)和室外控制系統(tǒng)所有設(shè)備的正常供電,遇到停電情況,可以滿負(fù)荷保證用電設(shè)備維持10～15min的正常用電.這樣可以在臨時斷電情況下,有效的保證DPVS系統(tǒng)的持續(xù)觀測.

(2)在實驗時,我們遇到網(wǎng)絡(luò)通暢,但圖像缺失的情況,通過分析發(fā)現(xiàn),數(shù)字?jǐn)z像機在觀測期間會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)包,當(dāng)數(shù)據(jù)交換頻繁時會引起網(wǎng)絡(luò)阻塞的現(xiàn)象,研發(fā)團隊將以前網(wǎng)絡(luò)控制單元的路由器更換為千兆交換機后,數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}就解決了.

(3)由于數(shù)字?jǐn)z像機在觀測時會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)包,如果網(wǎng)絡(luò)通訊環(huán)境較差時,會引發(fā)交換機的數(shù)據(jù)包堵塞,這時也會導(dǎo)致DPVS系統(tǒng)無法正常觀測,我們引入網(wǎng)絡(luò)電源控制器可以遠(yuǎn)程管理電源模塊,重啟交換機釋放數(shù)據(jù)包,從而使DPVS系統(tǒng)恢復(fù)正常.

(4)在實驗過程中,我們也遇到斷電后,云臺重啟無法正?；氐筋A(yù)置位的情況,由于我們的觀測方向固定,所以我們引入鏡頭控制器和萬向節(jié)取代數(shù)字云臺.

5 結(jié)語

DPVS控制系統(tǒng)相對簡單,容易上手.所涵蓋的設(shè)備,大多是一些成熟穩(wěn)定的產(chǎn)品.但是由于其工作環(huán)境特殊,對電路設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)通訊要求比較高,經(jīng)過不斷的測試和完善,系統(tǒng)的整體性能得到了很大提高,同時我們也積累了一些寶貴經(jīng)驗.

由于DPVS系統(tǒng)的工作原理是仿照人眼觀測能見度,這種觀測方式與其他器測原理不同,這就使DPVS系統(tǒng)具有很高的使用價值和廣闊的應(yīng)用前景.隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,我們致力將這種能見度探測儀做成一款低碳環(huán)保、高度集成、經(jīng)濟實用的產(chǎn)品,也相信這款產(chǎn)品能得到廣泛推廣和應(yīng)用.

DPVS、PWD22、LT31三種儀器對比結(jié)果顯示,霧霾天氣條件下,視頻能見度儀與大氣透射儀觀測結(jié)果比較接近,散射儀觀測結(jié)果高于前兩者.

[1]王京麗,劉旭林,雷鳴等.數(shù)字?jǐn)?shù)字?jǐn)z像能監(jiān)督系統(tǒng)及其比對試驗[J].電子學(xué)報,2014,42(11):2299-2303.

[2]王京麗,程叢蘭,徐曉峰.數(shù)字?jǐn)z像法測量能見度儀器系統(tǒng)比對實驗[J].氣象科技,2002,30(6):353-357.

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1671-0711(2017)11(下)-0150-02

本文受公益性行業(yè)科研專項支持:數(shù)字?jǐn)z像能見度白天測量技術(shù)及其標(biāo)校方法研究(GYHY201106047).