數字攝像能見度儀控制系統設計及對比數據分析

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)

數字攝像能見度儀控制系統設計及對比數據分析

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)

數字攝像能見度自動監測儀(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濟性和客觀性.文章以DPVS工作原理為引,對DPVS的系統搭建、控制系統集成、通訊系統集成等方面做了詳細介紹.文中將DPVS、散射儀、透射儀三種觀測設備在降雨天及霧霾天觀測數據進行了比對分析,并對實驗中遇到的一些問題進行了分析研究,并提出了相應的解決辦法.

數字攝像能見度自動監測儀(DPVS);控制系統 ;通訊系統 ;數據對比分析

能見度是反映大氣透明度的一個重要指標,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.本文介紹的數字攝像能見度自動監測儀(DPVS),即數字能見度儀,采用先進的數字攝像技術,完全仿照人眼觀測能見度的原理,根據能見度的定義研制,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.

經過近20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.

1 DPVS工作原理及系統組成

1.1 DPVS工作原理

數字攝像能見度自動觀測儀的工作原理是:通過數字攝像機(CCD-Camera)直接攝取選定目標物及其背景的圖像,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物作為探測目標,同時對這些選定目標的距離、亮度等進行標定.CCD直接攝取這些選定的目標物圖像,通過圖像采集卡將圖像傳至計算機.計算機再對這些目標物的圖像信息分別進行分析處理,然后帶入相關公式進行計算,最后得到一個綜合的能見度值.

DPVS從研發到投入測試已經10多年了,儀器的性能指標也在不斷提高,現在DPVS在其探測范圍內對能見度的探測能力已經基本達到國際標準,可以投入使用.隨著儀器產品的定型,系統的工控集成設計也將日趨完善.

1.2 DPVS的系統組成

DPVS的系統按功能單元劃分主要由數字攝像單元、圖像處理單元、能見度計算單元、網絡控制單元、目標物單元等組成,按地理空間劃分主要由室外控制系統和室內控制系統組成.

目標物單元主要由目標黑體和目標光源組成,每個選定的目標黑體為白天觀測的工作目標,目標光源則為夜間觀測目標.數字攝像單元主要由數字攝相機(CCD)、鏡頭系統、相機罩、萬向節、電源控制、防雷系統等組成.網絡控制單元主要由串口服務器、千兆交換機、網絡電源控制器等組成.圖像處理單元和能見度計算單元組成了DPVS的軟件系統.

2 DPVS控制系統集成設計

DPVS控制系統主要有室內控制系統和室外控制系統組成.室內控制系統主要通過網絡控制單元和后臺服務器實現圖像采集、能見度計算、指令控制等.室外控制系統則通過目標物控制單元、數字攝像單元、網絡控制單元完成目標觀測、鏡頭調整和數據傳輸等工作,它的正常工作直接影響到能見度的觀測結果.室外控制系統的設計,需要充分考慮自然環境因素和不可抗拒因素的影響.為了使室外控制系統能適應多地不同季節的自然變化,需要在設計之初,充分考慮到溫濕度、供電環境和網絡通訊對其的影響.

系統的搭建首先要對目標物及其周圍的參照物進行標定,通過支架立桿等方式搭建目標物(黑體/光源)與各測量設備,通過網絡控制單元將數字攝相機(CCD)觀測到的目標物視頻圖像傳送給工控機操作工控機,根據能見度計算公式求出大氣能見度達到全天候24小時的能見度測量.圖1是DPVS觀測系統示意圖.

圖1 DPVS觀測系統示意圖

3 霧霾天DPVS與對比儀器觀測數據對比分析

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微米空氣細顆粒物)等觀測要素,文中我們主要將上述三種觀測設備在霧霾天氣過程中的觀測數據與同時段的空氣濕度和顆粒物濃度進行了對比分析,結果顯示如圖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果比較接近,散射儀觀測結果高于前兩者.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與對比儀器觀測數據對比

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問題,但是一些不可抗拒因素也使我們的研發團隊走了一些彎路,現在舉例分析出現問題時的一些應對辦法.

(1)在實驗時,由于電壓不穩,偶爾出現斷電情況,如果此時數字攝相機處于觀測階段,容易引起相機死機,所以我們引入不間斷電源UPS,UPS可以保證室內控制系統和室外控制系統所有設備的正常供電,遇到停電情況,可以滿負荷保證用電設備維持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系統的持續觀測.

(2)在實驗時,我們遇到網絡通暢,但圖像缺失的情況,通過分析發現,數字攝像機在觀測期間會產生大量數據包,當數據交換頻繁時會引起網絡阻塞的現象,研發團隊將以前網絡控制單元的路由器更換為千兆交換機后,數據傳輸的問題就解決了.

(3)由于數字攝像機在觀測時會產生大量數據包,如果網絡通訊環境較差時,會引發交換機的數據包堵塞,這時也會導致DPVS系統無法正常觀測,我們引入網絡電源控制器可以遠程管理電源模塊,重啟交換機釋放數據包,從而使DPVS系統恢復正常.

(4)在實驗過程中,我們也遇到斷電后,云臺重啟無法正常回到預置位的情況,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取代數字云臺.

5 結語

DPVS控制系統相對簡單,容易上手.所涵蓋的設備,大多是一些成熟穩定的產品.但是由于其工作環境特殊,對電路設計和網絡通訊要求比較高,經過不斷的測試和完善,系統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驗.

由于DPVS系統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系統具有很高的使用價值和廣闊的應用前景.隨著技術的不斷發展,我們致力將這種能見度探測儀做成一款低碳環保、高度集成、經濟實用的產品,也相信這款產品能得到廣泛推廣和應用.

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

[1]王京麗,劉旭林,雷鳴等.數字數字攝像能監督系統及其比對試驗[J].電子學報,2014,42(11):2299-2303.

[2]王京麗,程叢蘭,徐曉峰.數字攝像法測量能見度儀器系統比對實驗[J].氣象科技,2002,30(6):353-357.

TP27

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1671-0711(2017)11(下)-0150-02

本文受公益性行業科研專項支持:數字攝像能見度白天測量技術及其標校方法研究(GYHY201106047).