CN102495030B - 同源双目标透射能见度测量装置及其测量方法 - Google Patents

同源双目标透射能见度测量装置及其测量方法 Download PDF

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Abstract

一种同源双目标透射能见度测量装置，包括数据采集单元、数据处理单元和目标单元，所述数据处理单元是一台将采集的图像进行滤波处理，并可对数据参数进行运算的计算机，所述目标单元包括第一暗箱、第二暗箱、LED光源、分光器和光纤，第一暗箱和第二暗箱均有两个形状一致的通道空腔，其中一个通道空腔是亮腔，另一个通道腔是黑腔，所述LED光源经过分光器内的两根光纤分为两束光，两根光纤分别置入第一暗箱的亮腔和第二暗箱的亮腔，所述亮腔端口和黑腔端口均在相机的镜头视野之内。本发明设计巧妙，体积小巧，制作成本低，安装简单，操作容易，不需要特别的维护费用，即使在雨天、雾天等特殊的天气里也能使用，便于推广使用。

Description

同源双目标透射能见度测量装置及其测量方法
技术领域
本发明属于能见度检测领域，涉及一种测量能见度的装置及其方法。
背景技术
大气能见度在现代交通、通信技术中占有重要的地位，一直备受人们的关注，随着交通网络的发展，特别是高速公路、水运、航空业的发展，需要对大气能见度进行实时监测，准确判断是否关闭机场、高速公路或停止某些作业等。
能见度的实时观测已经成为现实生活中不可缺少的重要内容。所谓能见度，是视力正常者，在当时天气情况下能将一定大小的黑色目标物（视场角大于３０＇）从地平线附近的天空背景中区别出来的最大水平距离。在气象学中，能见度用气象光学视程MOR值表示，气象光学视程是指白炽灯发出色温为2700K的平行光束的光通量，在大气中削弱至初始值的5%所通过的路径长度。能见度是反映大气透明度的一个指标，与当时的天气情况密切相关。当出现降雨、雾、霾、沙尘暴等天气过程时，大气透明度较低，因此能见度较差。
目前，传统的测量大气能见度一般用目测的方法，也有使用透射式能见度仪、前向散射能见度仪或激光能见度自动测量仪等测量仪器测量。采用人工目测方式，规范性、客观性相对较差。采用大气透射仪，这种仪器体积大、安装复杂，测量基线长，需要通过光束透过两固定点之间的大气柱直接测量气柱透射率，以此来推算能见度的值，测量的可靠性受光源及其他硬件***工作稳定性的影响，一般只适用于中等以下能见度的观测，而在雨、雾等低能见度天气，会因水汽吸收等复杂条件造成较大误差。前向散射能见度仪选择大气吸收微弱的近红外光，在探测光束传播方向成35度方向，测量角散射系数，再按一定的大气光学模式计算总散射系数，并根据Koschmieder定律确定能见度，前向散射能见度仪容易受到各种因素的干扰，光接收部件收集到的入射光束不是严格意义上的平行光束，是分布在较大锥角内的光束，由此得到的散射系数比实际的散射系数大。而激光能见度自动测量仪是通过激光测量大气消光系数的方法来推算能见度，相对而言，较为客观和准确，但这种仪器成本昂贵、维护费用高、操作复杂，在雨、雾天也难以进行正常观测，难以进行推广。
为了解决上述问题，急需一种避免上述不足，而且制作成本低的测量能见度的装置及方法。采用一种通过工业相机直接拍摄选定目标物及其背景图像的测量方法，然后将采集到的图像传输到计算机，通过所获取的图像进行分析计算，获取能见度的数值。
发明内容
本发明的目的是提供一种同源双目标透射能见度测量装置及其测量方法，对能见度进行实时、精确测量，解决现有透射能见度仪光轴对准要求高、易受窗口污染影响的缺陷，进而提高测量精度和简化设备维护。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种同源双目标透射能见度测量装置，包括数据采集单元、数据处理单元和目标单元，所述数据采集单元设有一个相机，所述相机用于拍摄位于镜头正前方的目标单元，将所拍摄的图像传输至数据处理单元，所述相机的信号输出接口与数据线一端连接，数据线的另一端与数据处理单元的数据输入接口连接， 
所述数据处理单元是一台将采集的图像进行滤波处理，并对数据参数进行运算的计算机，所述计算机包括用于对相机采集的图像进行滤波处理的滤波处理单元，用于提取图像各点亮度值的提取亮度值单元，用于计算能见度参数值的能见度计算单元，用于图像数据存储的存储单元；所述数据处理单元对输入的所述图像分别进行滤波处理，取得各图像上亮腔出光端口的光斑亮度值与黑腔端口的亮度值，将第一暗箱和第二暗箱与相机的距离作为输入参数。 
所述目标单元包括第一暗箱、第二暗箱、LED光源、分光器和光纤，所述第一暗箱和第二暗箱均有两个形状一致的通道空腔，其中一个通道空腔是亮腔，另一个通道腔是黑腔；所述LED光源经过分光器内的两根光纤分为两束光，所述两根光纤分别置入第一暗箱的亮腔和第二暗箱的亮腔，第一暗箱和第二暗箱的的亮腔出光端口和黑腔端口均在相机的镜头视野之内。
所述第一暗箱与相机的间距和第二暗箱与相机的间距不相等。
所述第一暗箱和第二暗箱的在各自的中轴处各有一竖直隔板或隔壁，所述隔板或隔壁将各自暗箱分为两个相等的通道空腔。
所述亮腔出光端口和黑腔端口为等大的圆形或方形。
所述分光器的主体内有两个平行的光纤通道，两个光纤通道在近光源端共用一个采光面。
所述相机采用具有计算机接口的工业相机。
所述计算机是台式计算机或便携式计算机。
一种同源双目标透射能见度测量装置的测量方法，测量步骤如下：步骤一，开启LED光源、相机和计算机。
步骤二，LED光源发出的光直接照射到两根光纤的采光面上，通过光纤分出两路光，两路光纤分别置入第一暗箱的亮腔和第二暗箱的亮腔。
步骤三，相机采集距离为R1的第一暗箱和距离为R2的第二暗箱的图像，并拍摄记录第一暗箱和第二暗箱的亮腔出光端口的光斑和黑腔端口的亮度，并通过数据线将采集图像数据输传送至计算机中。
步骤四，计算机将采集到的目标单元的图像进行滤波处理。
步骤五，提取亮度值单元分别取得第一暗箱和第二暗箱的两个亮腔出光端口的光斑的亮度值，分别为I1和I2，其中I1为第一暗箱的光斑亮度值，I2为第二暗箱的光斑亮度值，第一暗箱和第二暗的两个黑腔端口的亮度值，分别为Ih1和 Ih2，其中Ih1为第一暗箱的黑腔端口的亮度值，Ih2为第二暗箱的黑腔端口的亮度值，并将其输入到能见度计算单元。
步骤六，计算机的能见度计算单元通过已设定的计算公式　I1- Ih1＝（I2- Ih2）*e-xk／（R2／R1）^2，X= R2-R1，计算出K值，通过P=（X*Ｌn(20)）/Ｋ计算得气象光学视程（MOR）的P值。
与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：本发明测量气象光学视程仅仅是测量两路光的亮度比值。由于两路光的分光比稳定，测量又选择同一个相机拍摄目标，采用同一个发光源经光纤分光分为两束光，两束光纤分别穿过第一暗箱和第二暗箱的光纤入口，再经暗箱的亮腔出光端口把光送出去，两束光光强比值相对稳定，所以能较准确的测量两路光的亮度比值，相机拍摄亮腔出光端口与并排的黑腔端口的图像，经过滤波处理分别提取亮度值，再通过简单的计算从而获得更准确的气象光学视程值。
本发明设计巧妙，整个测量装置体积小巧、制作成本低、安装简单、操作容易、不需要特别的维护费用，即使在雨天、雾天等特殊的天气里也能使用。由于本发明采用的是工业相机作为传感器，获取的是图像资料，两根光纤出光端口发出的光和黑腔端口只要落在工业相机的图像取景区内，就能进行图像采集和测量，降低了光源与传感器的位置对准要求，比起前向散射能见度仪的精度要高，比起传统透射式能见度仪的安装维护要求低很多，从而实现实时、准确的能见度测量。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的光纤分光示意图。
图3是本发明的暗箱结构示意图。
图4是本发明的处理流程图。
附图标记：1－相机、2－计算机、3－第一暗箱、4－第二暗箱、5－光纤入口、6－亮腔出光端口、7－黑腔端口、8-光纤、9-采光面、10-隔板、11-LED光源、12-分光器。
具体实施方式
实施例参见图1所示，本发明的结构示意图。这种同源双目标透射能见度测量装置，包括数据采集单元、数据处理单元和目标单元，所述数据采集单元设有一个相机1，所述相机1采用具有计算机接口的工业相机。所述相机1用于拍摄位于镜头正前方的目标单元，将所拍摄的图像传输至数据处理单元，所述相机1的信号输出接口与数据线一端连接，数据线的另一端与数据处理单元的数据输入接口连接。
所述数据处理单元是一台将采集的图像进行滤波处理，并对数据参数进行运算的计算机2，所述计算机2是台式计算机或便携式计算机。所述计算机2包括用于对相机采集的图像进行滤波处理的滤波处理单元，用于提取图像各点亮度值的提取亮度值单元，用于计算能见度参数值的能见度计算单元，用于图像数据存储的存储单元；所述数据处理单元对输入的所述图像分别进行滤波处理，取得各图像上亮腔出光端口的光斑亮度值与黑腔端口的亮度值，将第一暗箱和第二暗箱与相机的距离、亮腔出光端口的光斑亮度值和黑腔端口的亮度值作为拍摄参数。
所述目标单元包括第一暗箱3、第二暗箱4、LED光源11、分光器12和光纤8。如图3所示，本发明的暗箱结构示意图。所述第一暗箱3和第二暗箱4均有两个形状一致的通道空腔，所述第一暗箱3和第二暗箱4的在各自的中轴处各有一竖直隔板10，所述隔板将各自暗箱分为两个相等的通道空腔。其中一个通道空腔是通有光纤的亮腔，亮腔的远端是光纤入口5，亮腔的近端是亮腔出光端口6，相机可以拍摄到光纤在亮腔出光端口的光斑，另一个通道腔是黑腔，腔内是空的，黑腔开有黑腔端口，黑腔端口和亮腔出光端口均朝着相机，所述亮腔出光端口6和黑腔端口7为等大的圆形或者方形。
如图2所示，本发明的光纤分光示意图。所述分光器12的主体内有两个平行的光纤通道，两个光纤通道在近光源端共用一个采光面9。所述LED光源11经过分光器12内的两根光纤8分为两束光，所述两根光纤分别经两个光纤入口5置入第一暗箱的亮腔和第二暗箱的亮腔，第一暗箱和第二暗箱的亮腔出光端口6和黑腔端口7均在相机1的镜头视野之内，所述第一暗箱3与相机1的间距和第二暗箱4与相机1的间距不相等。
如图4所示，本发明的处理流程图。同源双目标透射能见度测量装置的测量方法， 安装步骤如下：
步骤一，开启LED光源、相机和计算机。
步骤二，LED光源发出的光直接照射到两根光纤的采光面上，通过光纤分出两路光，两路光纤分别置入第一暗箱的亮腔和第二暗箱的亮腔。
步骤三，相机采集距离为R1的第一暗箱和距离为R2的第二暗箱的图像，图像拍摄记录第一暗箱3和第二暗箱4的亮腔出光端口6的光斑和黑腔端口7的亮度，并通过数据线将采集图像数据输传送至计算机中。
步骤四，计算机将采集到的目标单元的图像进行滤波处理。
步骤五，提取亮度值单元分别取得第一暗箱和第二暗箱的两个亮腔出光端口的光斑的亮度值，分别为I1和I2，其中I1为第一暗箱的光斑亮度值，I2为第二暗箱的光斑亮度值，第一暗箱和第二暗的两个黑腔端口的亮度值，分别为Ih1和 Ih2，其中Ih1为第一暗箱的黑腔端口的亮度值，Ih2为第二暗箱的黑腔端口的亮度值，并将其输入到能见度计算单元。
步骤六，计算机的能见度计算单元通过已设定的计算公式　I1- Ih1＝（I2- Ih2）*e-xk／（R2／R1）^2，X= R2-R1，计算出K值，通过P=（X*Ｌn(20)）/Ｋ计算得气象光学视程（MOR）的P值。

Claims (8)

1.一种同源双目标透射能见度测量装置，包括数据采集单元、数据处理单元和目标单元，所述数据采集单元设有一个相机（1），所述相机（1）用于拍摄位于镜头正前方的目标单元，将所拍摄的图像传输至数据处理单元，所述相机（1）的信号输出接口与数据线一端连接，数据线的另一端与数据处理单元的数据输入接口连接，其特征在于：
所述数据处理单元是一台将采集的图像进行滤波处理，并对数据参数进行运算的计算机（2），所述计算机包括用于对相机采集的图像进行滤波处理的滤波处理单元，用于提取图像各点亮度值的提取亮度值单元，用于计算能见度参数值的能见度计算单元，用于图像数据存储的存储单元；所述数据处理单元对输入的所述图像分别进行滤波处理，取得各图像上亮腔出光端口的光斑亮度值与黑腔端口的亮度值，将第一暗箱和第二暗箱与相机的距离作为输入参数；
所述目标单元包括第一暗箱（3）、第二暗箱（4）、LED光源（11）、分光器（12）和光纤（8），所述第一暗箱（3）和第二暗箱（4）均有两个形状一致的通道空腔，其中一个通道空腔是亮腔，另一个通道腔是黑腔，所述LED光源（11）经过分光器（12）内的两根光纤（8）分为两束光，所述两根光纤分别经光纤入口（5）置入第一暗箱的亮腔和第二暗箱的亮腔，第一暗箱和第二暗箱的黑腔端口（7）和亮腔出光端口（6）均在相机（1）的镜头视野之内。
2.根据权利要求1所述的同源双目标透射能见度测量装置，其特征在于：所述第一暗箱（3）与相机（1）的间距和第二暗箱（4）与相机（1）的间距不相等。
3.根据权利要求1所述的同源双目标透射能见度测量装置，其特征在于：所述第一暗箱（3）和第二暗箱（4）的在各自的中轴处各有一竖直隔板（10）或隔壁，所述隔板或隔壁将各自暗箱分为两个相等的通道空腔。
4.根据权利要求1所述的同源双目标透射能见度测量装置，其特征在于：所述亮腔出光端口（6）和黑腔端口（7）为等大的圆形或方形。
5.根据权利要求1所述的同源双目标透射能见度测量装置，其特征在于：所述分光器（12）的主体内有两个平行的光纤通道，两个光纤通道在近光源端共用一个采光面（9）。
6.根据权利要求1所述的同源双目标透射能见度测量装置，其特征在于：所述相机（1）采用具有计算机接口的工业相机。
7.根据权利要求1所述的同源双目标透射能见度测量装置，其特征在于：所述计算机（2）是台式计算机或便携式计算机。
8.一种应用权利要求1-7任意一项所述同源双目标透射能见度测量装置的测量方法，其特征在于测量步骤如下：
步骤一，开启LED光源、相机和计算机；
步骤二，LED光源发出的光直接照射到两根光纤的采光面上，通过光纤分出两路光，两路光纤分别置入第一暗箱的亮腔和第二暗箱的亮腔；
步骤三，相机采集距离为R1的第一暗箱和距离为R2的第二暗箱的图像，拍摄记录第一暗箱（3）和第二暗箱（4）的亮腔出光端口（6）的光斑和黑腔端口（7）的亮度，并通过数据线将采集图像数据输传送至计算机中；
步骤四，计算机将采集到的目标单元的图像进行滤波处理；
步骤五，提取亮度值单元分别取得第一暗箱和第二暗箱的两个亮腔出光端口的光斑的亮度值，分别为I1和I2，其中I1为第一暗箱的光斑亮度值，I2为第二暗箱的光斑亮度值，第一暗箱和第二暗的两个黑腔端口的亮度值，分别为Ih1和 Ih2，其中Ih1为第一暗箱的黑腔端口的亮度值，Ih2为第二暗箱的黑腔端口的亮度值，并将其输入到能见度计算单元；
步骤六，计算机的能见度计算单元通过已设定的计算公式　I1- Ih1＝（I2- Ih2）*e-xk／（R2／R1）^2，X= R2-R1，计算出K值，通过P=（X*Ｌn(20)）/Ｋ计算得气象光学视程的P值。
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