專利名稱：自校準(zhǔn)大氣能見度測量方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大氣能見度測量方法和系統(tǒng)，特別是涉及一種自校準(zhǔn)大氣能見度測量方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，道路交通特別是高速公路交通得到了飛速發(fā)展，機(jī)動車數(shù)量也在高速猛增，地區(qū)間的往來更加頻繁，隨之而來的交通安全問題日益突出并引起了社會的廣泛關(guān)注。能見度是直接影響高速公路交通安全的重要因素，低劣的能見度氣候條件，時常導(dǎo)致大規(guī)模的連環(huán)車禍，造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，快速、準(zhǔn)確地測量和報道能見度，對廣大司、乘人員和交通管理部門都是十分重要的。
早在50多年前，國際上就開始了對能見度測量技術(shù)研究和儀器的研究和開發(fā)。過去絕大多數(shù)能見度測量儀器是基于測量大氣的光透射比或衰減系數(shù)或散射系數(shù)而設(shè)計的，在純霧或大氣均勻的條件下，這類儀器的測量結(jié)果還比較準(zhǔn)確，但在下雨、下雪和揚(yáng)塵天氣條件下，它們的準(zhǔn)確度就大大下降了。此外在大氣不均勻，空間變化較大的情況下，由于被測散射光的空間范圍(體積)很小，再加上所用測量波長又非可見波長，儀器測量的能見度值常常與人眼觀察得到的相差很大。1990年以后，由于視頻相機(jī)的出現(xiàn)，使得人們能夠用非常接近于人類視覺特性的方法來獲得和處理圖像，實現(xiàn)能見度更準(zhǔn)確的測量。比如，1998-2004年，美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究所，利用一個視頻相機(jī)和多個靶標(biāo)，在高速公路上實現(xiàn)了日間能見度的測量，獲得了能見度值與靶標(biāo)對比度值之間的非線性曲線。但是，他們所用的計算公式都沒有考慮因散射引起的對靶標(biāo)光亮度的增加，也沒考慮黑、白目標(biāo)固有的光亮度差異。同時，散射式能見度測量裝置，使用前必需進(jìn)行預(yù)校準(zhǔn)(定標(biāo))，這是非常麻煩和費(fèi)時的事情，對校準(zhǔn)場地和季節(jié)也有一定的要求，且對霧天的校準(zhǔn)又不適用于雨、雪、揚(yáng)塵天氣。因此，能見度測量裝置的校準(zhǔn)問題困擾著這類測量儀器的實際應(yīng)用。
目前國內(nèi)關(guān)于公路能見度的研究主要集中在各種氣候條件對能見度的影響、環(huán)境污染對能見度的影響等方面，未見有關(guān)成熟實用的，基于世界氣象組織(WMO)正式定義的，直接按人類視覺特性評定的大氣能見度實時檢測系統(tǒng)報道，更未見有關(guān)成熟實用的帶自校準(zhǔn)的大氣能見度實時檢測系統(tǒng)方面的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種自校準(zhǔn)大氣能見度測量方法和系統(tǒng)，該方法考慮了因散射引起光亮度的增加及黑、白目標(biāo)固有光亮度差異對大氣能見度測量的影響，使大氣能見度的計算方法更科學(xué)、更實用，提出了能見度測量系統(tǒng)自校準(zhǔn)的概念，設(shè)計了不用預(yù)校準(zhǔn)的、可自動校準(zhǔn)的適用于任何天氣條件的大氣能見度測量儀器，免除了預(yù)校準(zhǔn)的麻煩，解決了預(yù)校準(zhǔn)不適用于雨、雪、揚(yáng)塵天氣變化的難題。
本發(fā)明的發(fā)明目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種自校準(zhǔn)大氣能見度測量的方法，其測量步驟包括(1)在現(xiàn)場沿靶標(biāo)圖像采集裝置的可視方向交錯設(shè)置5～10個大氣能見度測量專用靶標(biāo)；其靶標(biāo)的工程安裝參數(shù)由專用軟件根據(jù)基本參數(shù)(包括使用的靶標(biāo)總數(shù)、使用場地(高速路或機(jī)場)、安裝的距離范圍、所用相機(jī)的CCD尺寸、總像素，相機(jī)的最大焦距、相機(jī)安裝的光中心高度等)計算得到；(2)用靶標(biāo)圖像采集裝置一次性拍下包括所有靶標(biāo)在內(nèi)的圖像；(3)用圖像分析處理裝置對靶標(biāo)圖像進(jìn)行處理，計算每個靶標(biāo)的光亮度歸一化對比度；(4)歸一化對比度等于閾值0.05的那個靶標(biāo)的距離，就是現(xiàn)場的能見度值，在最近靶標(biāo)到最遠(yuǎn)靶標(biāo)距離范圍以外的能見度值則通過測量曲線擬合計算得到。
本發(fā)明所述的一種自校準(zhǔn)大氣能見度測量的方法，在計算靶標(biāo)的光亮度歸一化對比度時，包括了因散射引起的靶標(biāo)光亮度的減小和增加兩個部分的影響，而且也包括了黑、白目標(biāo)固有光亮度差異的影響。其計算方法如下1.能見度定義按世界氣象組織(WMO)，日間氣象能見度(Meteorological Visibility)的正式定義如下面對散射的天空背景觀察，能夠看見和辨認(rèn)接近地面的適當(dāng)大小的黑色物體的最大距離。所謂“能夠辨認(rèn)”是指人們觀察到的亮度對比度C(contrast)大于約定的閥值對比度，其對比度的計算公式如下C=Lw-LbLw---(1)]]>其中，LW，，LB分別為觀察到的白色目標(biāo)和黑色目標(biāo)的光亮度。
在航空領(lǐng)域，國際民航組織(ICAO)對日間能見度和夜間能見度也有其專門的定義。這些定義原本都基于人眼的獨(dú)立觀察。雖然這些定義不復(fù)雜，由于它們本身仍有許多不明確的因素，卻給科學(xué)測量帶來了許多困難。例如白色、黑色物體的光反射比(決定了它們的光亮度)究竟是多少；它面積的大小、形狀如何；白色、黑色物體的照明條件又怎樣，是僅有天空光照明，還是僅有汽車前大燈照明，或兩者兼而有之；在天空光照明的情況下，照明天空及背景天空區(qū)域的光亮度分布又如何；觀察者的角度和高度等等都沒有明確的定義，而它們又明顯地影響測量結(jié)果，即是說能見度是多個參數(shù)復(fù)雜的函數(shù)。
自W.E.K.Middleton提出術(shù)語“視見范圍(Visual Range，VR)”以后，這些不明確的因素減少了。它被定義為在日間為大氣對亮度對比度的衰減的主觀視覺評價。在他的VR定義中，能見度的辮認(rèn)部分被省略了，且還進(jìn)一步將VR介紹到其它特定的領(lǐng)域，如航空VR、傾斜VR、氣象VR等。今天，術(shù)語“能見度”和“視見范圍”幾乎可互換地不區(qū)別的使用。
本發(fā)明所述的能見度測量系統(tǒng)主要用于地面交通運(yùn)輸，因此我們對地面能見度VR更感興趣，而不是大氣參數(shù)的測量，在這個距離內(nèi)駕駛員可辨認(rèn)出車輛和道路邊界。
2.靶標(biāo)的光亮度對比度為了測量大氣的能見度，專門設(shè)計了測量靶標(biāo)，其白色部分由光反射比很高的漫反射材料構(gòu)成，黑色部分由光反射比很低的漫反射材料構(gòu)成，如圖1和圖6所示。
靶標(biāo)由漫射的天空光和地面的反射光照明，設(shè)照明天空的平均等效光亮度為L0，地面反射產(chǎn)生的平均等效光亮度為Lg，若靶標(biāo)面為漫反射面，其白、黑靶面的光反射比分別為ρW，，ρB，，它們的光亮度在近處(x＝0處)分別為LB0，LW0，按光度學(xué)理論，有Lw0=b1ρWL0+b2ρWLg=bρwL0LB0=b1ρBL0+b2ρBLg=bρBL0---(2)]]>式中b1，b2，b為比例因子，在經(jīng)過光程為l后，其靶標(biāo)的亮度變?yōu)長W(l)=LW0exp(-∫0lγ(x)dx)+LD(l)]]>LB(l)=LB0exp(-∫0lγ(x)dx)+LD(l)---(3)]]>其中，γ(x)為大氣衰減系數(shù)，右邊第一項表示亮度因吸收和散射(出光路)引起的衰減，第二項LD(l)則表示因散射(入光路)引起的增加，其表達(dá)式為LD(l)=∫0lLd·σ(x)g(φ)ΔΩ·[exp(-∫xlγ(y)dy)]·dx---(4)]]>式中Ld為被天空照明后大氣柱截面的光亮度，顯然它正比于天空的平均光亮度L0，可表示為Ld＝p1L0，其p1為比例常數(shù)；g(φ)為4π方向入射條件下的歸一化散射函數(shù)g(φ)=∫04πI(θ)f(φ-θ)dΩθ∫04πI(θ)dΩθ---(5)]]>
σ(x)g(φ)ΔΩ為4π方向入射時，光程中單位散射體積散射到測光方向(φ)上立體角元ΔΩ內(nèi)的散射系數(shù)的份額，它與散射系數(shù)σ(x)的關(guān)系為∫04πσ·g(φ)dΩ=σ]]>·∫04πg(φ)dΩ=1,---(6)]]>通常σ(x)g(0)ΔΩ＝p2σ(x)，…………(0＜p2＜1)式中p2為比例常量，近似和浮質(zhì)粒子濃度無關(guān)。若考慮的是水平能見度，可認(rèn)為大氣是均勻的，γ(x)，σ(x)不隨距離x變化，則(9)式變?yōu)長D(l)=p1L0p2σγ·(1-e-γl)=αL0(1-e-γl)---(7)]]>α＝p1p2σ/γ＝p·σ/γ≈0.95p，………(λ＝514.5nm)式中 (8)p＝p1·p2α-為一比例常量，和波長有關(guān)，和靶標(biāo)被天空與地面反射光照明的狀態(tài)(即和靶標(biāo)周圍的地形地物)稍稍有關(guān)。故(3)式變?yōu)長W(l)＝bρWL0·e-γl+αL0·[1-e-γl)](9)LB(l)＝bρBL0·e-γl+αL0·[1-e-γl)]當(dāng)γ＝0，即無霧時，或l＝0光程很短時，第二項因散射引起的附加亮度LD＝0；當(dāng)γ↑，l↑很大時，即霧濃，光程長時，LD→極大值(≈0.95pL0)。在x＝l處觀察到的靶標(biāo)白/黑色表面光亮度的對比度C(l)為C(l)=(ρW-ρB)ρW+αb·[eγl-1]=(ρW-ρB)·[ρW+β(eγl-1)]-1---(10)]]>由(10)式可知，測得的對比度與浮質(zhì)濃度、光程有關(guān)，和(ρW-ρB)成正比，而和天空平均有效光亮度L0無關(guān)(當(dāng)然是在一定變化范圍內(nèi)！)，這正是我們所期望的結(jié)果。在實際測量中，應(yīng)盡量選擇接近理想漫反射白色和理想漫反射黑色的靶標(biāo)面。又從(10)式，對比度還和靶標(biāo)周圍的地形地物稍稍(通過參數(shù)β＝α/b)有關(guān)，故校準(zhǔn)時靶標(biāo)周圍的地形地物狀應(yīng)盡可能與使用時的相同。
須注意，光亮度是一個按人類視覺特性評價的可見波長范圍的輻射量，不過，按積分中值定理，從(3)到(10)式只要理解為可見波長范圍內(nèi)的某一等效單色光即可。(10)式中的常量b，ρW，ρB，α，進(jìn)而β，都可由實驗測定。它們的取值范圍大約為b≈(0.1∽0.8)，ρW≈(0.8∽0.90)，ρB≈(0.02∽0.05)，p＝(0.01∽0.2)，α≈0.95p，β＝α/b≈(0.01∽0.1∽0.2∽0.9)，γ≈(0.1∽100)[km-1]。
當(dāng)γ一定時，光亮度LW(l)，LB(l)和對比度C(l)隨距離的變化曲線如圖2。
須注意，在圖2中劃出的LW(l)，LB(l)曲線是按最大值LW0歸一化后的曲線，當(dāng)距離增大時，白靶面亮度LW(l)下降，黑靶面亮度LB(l)上升，最后趨于一個恒定的亮度值αL0，而對比度C(l)則從最大值一直下降到零。
當(dāng)γ＝0，即無霧時，或l＝0光程很短時，第二項因散射引起的附加亮度LD＝0；完全透明，對比度達(dá)到最大值C0；C=C0=ρw-ρBρw---(11)]]>當(dāng)浮質(zhì)濃度增大，距離加大時，即γ↑，l↑時，(10)式值趨于0，即對比度C→0，再也看不清靶標(biāo)了。顯然，隨著距離加大，C值逐漸減小，目標(biāo)物將逐漸變模糊；當(dāng)C小于某一臨界值ε，人眼將無法把目標(biāo)物從背景中分辨出來，這一臨界值ε稱為閾值對比度，C＝ε就是確定能見度距V的條件。ε是一個與人眼視覺特征有關(guān)的量，世界氣象組織(WMO)推薦的ε值為0.02，而國際民航組織(ICAO)推薦值為0.05。
當(dāng)浮質(zhì)濃度一定，即γ一定，加長光程l，當(dāng)滿足條件C(l)＝ε，時的距離，按世界氣象組織(WMO)的定義便就等于能見度值V了。由(10)式得V=1n(ρW-ϵρW+ϵβ-ρB)-1n(ϵβ)γ---(12)]]>3.能見度與靶標(biāo)的光亮度歸一化對比度的變化關(guān)系3.1光亮度歸一化對比度按世界氣象組織關(guān)于能見度的原始定義，其能見度值和黑色物體的光反射比及背景天空區(qū)域的光亮度密切相關(guān)，從(10)式也可看出，它的值明顯受靶標(biāo)白、黑區(qū)域光反射比ρW，，ρB，的影響。為減少影響它的不確定因素，按W.E.K.Middleton的術(shù)語″VR″，定義為大氣對亮度對比度衰減的主觀評價。因此下面我們引入歸一化對比度的慨念，著重對比度值的變化而不是對比度值的本身。
由(10)式可知，當(dāng)γ＝0，即理想的晴天，大氣完全透明，對比度達(dá)到最大值C0，我們稱此時的對比度為靶標(biāo)的固有對比度，C為觀測到的靶標(biāo)表觀對比度，則定義CN＝C/C0為靶標(biāo)的歸一化對比度CN(l)=C(l)C0=ρWρW+β·[eγl-1]---(13)]]>其最大值為1，最小值為0。當(dāng)浮質(zhì)濃度一定，即γ一定，加長光程l，當(dāng)滿足條件CN(l)＝ε時的距離，即通過一定距離的水平大氣柱后，靶標(biāo)的對比度衰減為固有對比度的ε倍時，就是Middleton定義的能見度VR值了，即VR=1n(ρW-ϵρW+ϵβ)-1n(ϵβ)γ---(14)]]>對能見度測量的實際情況，公式(13)，(14)考慮到了因散射引起的附加亮度和黑、白目標(biāo)的固有光亮度差異，因而較以前的Koschmieder定律和Duntley定律的能見度計算公式更科學(xué)、更實用。
由(13)式可知，靶標(biāo)白、黑區(qū)域的光反射比對VR的影響就小得多了。
3.2不同能見度條件下靶標(biāo)的光亮度歸一化對比度隨距離的變化在歸一化條件下，我們要問“在不同的能見度條件下，靶標(biāo)歸一化對比度隨距離如何變化？”。假定靶標(biāo)有如前圖1所示簡單的形狀，由黑/白區(qū)域像素值平均計算得到的歸一化固有對比度為1。假定靶標(biāo)安放的距離由近到遠(yuǎn)移動，并線性增加距離，在不同能見度條件下測量這靶標(biāo)的歸一化對比度，將如何變化？我們首先利用(14)式導(dǎo)出的下面公式計算出不同能見度條件下對應(yīng)的衰減系數(shù)γ來γ=1n(ρW-ϵρW+ϵβ)-1n(ϵβ)VR---(15)]]>若選取ρW≈0.8，ρB≈0.03，b≈0.2，p＝0.17，β＝0.95p/b≈0.81，ε＝0.05則；γ≈2.98/VR(16)我們?nèi)暨x取下列能見度值VR＝(50，100，200，300，400，500，700，1000)m，則分別對應(yīng)的衰減系數(shù)γ[km-1]約為(59.6，29.8，14.8，9.95，7.46，5.96，4.26，2.98)。此(16)式不僅考慮了因吸收和散射引起目標(biāo)亮度的衰減，而且也考慮了因散射(入光路)引起的增加。將γ值代入(13)式，就可算出歸一化對比度隨距離的變化關(guān)系，如圖3中的曲線。
水平軸表示靶標(biāo)的距離。歸一化對比度為ε的水平線與某曲線的交點(diǎn)所對應(yīng)的距離就等于該曲線的能見度值。任何靶標(biāo)的對比度降到閾值以下，便被認(rèn)為是看不見的。從圖3可見，當(dāng)能見度低時，對比度隨距離的增加下降很快。很明顯，距離大于能見度的靶標(biāo)，在測量能見度時將不會有貢獻(xiàn)。例如，如果能見度是100m，則所有位置遠(yuǎn)于100m的靶標(biāo)將不能用于計算能見度。
3.3不同距離下靶標(biāo)的光亮度歸一化對比度隨能見度的變化假如靶標(biāo)被放置在(25，50，75，100，125，150，175，200，250，300，400，500)m的距離下，我們要問“不同距離下靶標(biāo)的歸一化對比度隨能見度如何變化？”。這意味著，(13)式中的變量l對每個靶標(biāo)固定，能見度VR從而衰減系數(shù)γ(≈2.98/VR)變化。對每個靶標(biāo)，我們在(0-1000)m范圍內(nèi)改變能見度，其計算結(jié)果如圖4。歸一化對比度為ε的水平線與某曲線的交點(diǎn)所對應(yīng)的能見度值就等于該曲線對應(yīng)靶標(biāo)的距離。注意，如果能見度小于靶標(biāo)距離，那么該靶標(biāo)便被認(rèn)為看不見了。例如，如果能見度比300m低，在l＝300m處的靶標(biāo)因?qū)Ρ榷刃∮陂撝?，將是看不見的。如果能見度比靶?biāo)距離大很多，該靶標(biāo)的對比度將迅速變大趨于飽和，這意味著，該靶標(biāo)不能提供可供測量的，足夠大的對比度的差值。例如，如果能見度比100m更大，那么在25m處的靶標(biāo)將不能提供可測量的足夠大的對比度差值。由圖3和圖4的曲線，在使用固定數(shù)目的靶標(biāo)時，我們可得到關(guān)于能見度測量的一些重要的限制性結(jié)論假如我們只允許使用一個靶標(biāo)測量(25-500)m的能見度，靶標(biāo)必須安置在25m處。因當(dāng)能見度為25m時，任何遠(yuǎn)于25m的靶標(biāo)將是看不見的。圖3中，在25m處劃一垂直線就可證實，它將越過所有的能見度線。另一方面，這個靶標(biāo)(25m)對比度的變化顯示，在高能見度條件下，使用近距離靶標(biāo)，準(zhǔn)確度將會是非常低的。舉例來說，當(dāng)能見度從400變到500m時，這個靶標(biāo)的對比度變化很小。
由上面的分析可知，本發(fā)明所述的自校準(zhǔn)大氣能見度測量的方法，考慮了因散射引起的附加亮度和黑、白目標(biāo)固有的光亮度差異。為了在寬的范圍內(nèi)測量能見度，就要在寬的距離范圍內(nèi)安置固有對比度相同的靶標(biāo)，在不同距離下安置更多的靶標(biāo)將會增加測量能見度的范圍和準(zhǔn)確度。使用單靶標(biāo)將會嚴(yán)重地限制測量準(zhǔn)確度和測量范圍。
一種自校準(zhǔn)大氣能見度測量系統(tǒng)，它由大氣能見度測量裝置、監(jiān)控中心和能見度顯示裝置組成。
大氣能見度測量裝置包括5～10個能見度測量專用靶標(biāo)、靶標(biāo)圖像采集裝置、氣象參數(shù)測量儀器、圖像分析處理裝置和測量現(xiàn)場GPRS設(shè)備；專用靶標(biāo)置于測量現(xiàn)場，靶標(biāo)圖像采集裝置對準(zhǔn)靶標(biāo)拍攝圖像，圖像分析處理裝置將拍得的圖像識別、定位處理得到各靶標(biāo)的歸一化對比度，連同測得的現(xiàn)場氣象參數(shù)，由現(xiàn)場GPRS設(shè)備，經(jīng)移動通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)發(fā)回到監(jiān)控中心。
監(jiān)控中心包括監(jiān)控計算機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器；監(jiān)控計算機(jī)從互聯(lián)網(wǎng)上接收測量現(xiàn)場GPRS設(shè)備發(fā)回的數(shù)據(jù)，由多個靶標(biāo)的歸一化對比度計算出能見度值，然后連同現(xiàn)場氣象參數(shù)，再經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)發(fā)回到顯示現(xiàn)場的GPRS設(shè)備。
能見度顯示裝置包括一個顯示現(xiàn)場GPRS設(shè)備、一個大屏幕LED顯示器，GPRS設(shè)備直接通過接口數(shù)據(jù)傳輸線與大屏幕LED顯示器連接。
本發(fā)明所述的能見度測量專用靶標(biāo)包括靶桿、底板，底板固定在靶桿的頂端，靶桿固定在地面基礎(chǔ)支撐物上，底板被等分成四個區(qū)塊，其中對角的兩個區(qū)塊為黑色漫射反光面，另外兩個對角區(qū)塊為白色漫射反光面。
底板的形狀為正方形或圓形，四個區(qū)塊為大小均等的正方形或扇形，同色區(qū)塊呈對角線分布。
散射式能見度測量系統(tǒng)，使用前必需進(jìn)行預(yù)校準(zhǔn)(定標(biāo))，這是非常麻煩和費(fèi)時的事情，對校準(zhǔn)場地和季節(jié)也有一定的要求，而且對霧天的校準(zhǔn)又不適用于雨雪和揚(yáng)塵天氣。
為解決這個問題，本發(fā)明所述的自校準(zhǔn)能見度測量系統(tǒng)是通過如下技術(shù)環(huán)節(jié)的相互配合和專門設(shè)計來實現(xiàn)的適當(dāng)?shù)卦O(shè)計靶標(biāo)數(shù)目、靶標(biāo)距離、靶標(biāo)大小及安放的空間位置，使一次拍攝就能同時拍得各靶標(biāo)的圖像，測得多個靶標(biāo)的歸一化對比度，使不同距離下的靶標(biāo)就構(gòu)成了能見度“永不離崗”的計量標(biāo)尺，“剛好”能辨認(rèn)那個距離下的靶標(biāo)，能見度值就等于那個距離，在最近靶標(biāo)到最遠(yuǎn)靶標(biāo)距離范圍以外的能見度值則通過測量曲線擬合計算得到，靶標(biāo)間的距離即為能見度測量的長度標(biāo)尺，實現(xiàn)了“測量即校準(zhǔn)”，從而實現(xiàn)了測量系統(tǒng)在任何氣候條件下(霧、雨、雪、揚(yáng)沙)實時在線的自校準(zhǔn)。免除了散射式能見度測量系統(tǒng)校準(zhǔn)時的麻煩。
所謂“剛好”能辨認(rèn)，是指歸一化對比度下降到等于一個公認(rèn)的閾值ε＝0.05。
通過上面的敘述可以看出本發(fā)明充分考慮了因散射引起的附加亮度和黑、白目標(biāo)固有的光亮度差異，改進(jìn)了計算方法和公式，提高了能見度測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，同時有效解決了自校準(zhǔn)問題，所述的能見度測量系統(tǒng)適用于任何氣候條件下(霧、雨、雪、揚(yáng)沙)實時在線的自校準(zhǔn)測量，免除了散射式能見度測量裝置必須預(yù)校準(zhǔn)的麻煩，適用于公路、機(jī)場等場所的大氣能見度的測量與顯示。


圖1拍攝靶標(biāo)的光路示意圖。
圖2靶標(biāo)光亮度LW(1)，LB(1)和對比度C(1)隨距離的變化曲線。
圖3在幾種選定的能見度條件下，靶標(biāo)歸一化對比度隨距離的變化曲線。
圖4不同距離下靶標(biāo)的歸一化對比度隨能見度的變化曲線。
圖5自校準(zhǔn)大氣能見度測量系統(tǒng)組成框圖。
圖6a方形大氣能見度測量專用靶標(biāo)。
圖6b圓形大氣能見度測量專用靶標(biāo)。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明的技術(shù)方案。
實施例1(1)現(xiàn)場氣候中霧(2)靶標(biāo)及參數(shù)如圖6a，本實施例采用的能見度測量專用靶標(biāo)包括靶桿1、底板2，底板2固定在靶桿1的頂端，靶桿1固定在地面基礎(chǔ)支撐物上，底板2被等分成四個區(qū)塊，其中對角的兩個區(qū)塊為黑色漫射反光面3，另外兩個對角區(qū)塊為白色漫射反光面4。底板2的形狀為正方形，四個區(qū)塊為大小均等的正方形，同色區(qū)塊呈對角線分布。
靶標(biāo)的工程安裝參數(shù)可根據(jù)基本參數(shù)(即靶標(biāo)總數(shù)、使用場地(高速路或機(jī)場)、安裝的距離范圍、所用相機(jī)的CCD尺寸、總像素、相機(jī)的最大焦距、相機(jī)安裝的光中心高度等)計算得到，現(xiàn)用參數(shù)如下現(xiàn)靶標(biāo)數(shù)目＝8每個靶標(biāo)的距離＝(25，50，75，100，125，150，175，200)m每個靶標(biāo)的邊長＝(0.40，0.65，0.86，1.06，1.23，1.40，1.56，1.72)m每個靶桿投影在水平面內(nèi)距中心軸線的偏角＝(2.42，2.42，1.47，1.47，0.70，0.70，0.0，0.0)°每個靶桿投影在水平面內(nèi)距中心軸線的偏距＝(1.06，2.11，1.92，2.57，1.53，1.83，0.0，0.0)m每個靶桿的高度＝(4.59，4.90，3.77，4.55，2.95，4.15，2.13，3.71)m該組靶桿高度值是對地面基礎(chǔ)為水平或等傾條件計算的。
(3)測量系統(tǒng)自校準(zhǔn)大氣能見度測量系統(tǒng)，它由大氣能見度測量裝置、監(jiān)控中心和能見度顯示裝置組成。
大氣能見度測量裝置包括8個能見度測量專用靶標(biāo)、靶標(biāo)圖像采集裝置、氣象參數(shù)測量儀器、圖像分析處理裝置和測量現(xiàn)場GPRS設(shè)備；專用靶標(biāo)置于測量現(xiàn)場，靶標(biāo)圖像采集裝置對準(zhǔn)靶標(biāo)拍攝圖像，圖像分析處理裝置將拍得的圖像識別、定位處理得到各靶標(biāo)的歸一化對比度，連同測得的現(xiàn)場氣象參數(shù)，由現(xiàn)場GPRS設(shè)備，經(jīng)移動通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)發(fā)回到監(jiān)控中心。
監(jiān)控中心包括監(jiān)控計算機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器；監(jiān)控計算機(jī)從互聯(lián)網(wǎng)上接收測量現(xiàn)場GPRS設(shè)備發(fā)回的數(shù)據(jù)，由多個靶標(biāo)的歸一化對比度計算出能見度值，然后連同現(xiàn)場氣象參數(shù)，再經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)發(fā)回到顯示現(xiàn)場的GPRS設(shè)備。
能見度顯示裝置包括一個顯示現(xiàn)場GPRS設(shè)備、一個大屏幕LED顯示器，GPRS設(shè)備直接通過接口數(shù)據(jù)傳輸線與大屏幕LED顯示器連接。
靶標(biāo)圖像采集裝置為數(shù)碼像機(jī)。
(4)測量方法
(i)在現(xiàn)場沿靶標(biāo)圖像采集裝置的可視方向交錯設(shè)置8個大氣能見度測量專用靶標(biāo)；(ii)用靶標(biāo)圖像采集裝置一次性拍下包括所有靶標(biāo)在內(nèi)的圖像；(iii)用圖像分析處理裝置對靶標(biāo)圖像進(jìn)行處理，計算每個靶標(biāo)的光亮度歸一化對比度；(iv)歸一化對比度等于閾值0.05的那個靶標(biāo)的距離，就是現(xiàn)場的能見度值，在最近靶標(biāo)到最遠(yuǎn)靶標(biāo)距離范圍以外的能見度值則通過測量曲線擬合計算得到。
(5)測量結(jié)果(成雅高速25km處2005-11-27日之一例) 上表中，歸一化對比度Cn的值均大于閾值0.05，表示能見度應(yīng)在最遠(yuǎn)靶標(biāo)距離(200m)以外，根據(jù)曲線擬合外推，能見度測量結(jié)果為300m，視力正常人員目測結(jié)果約為310m，與本發(fā)明測量結(jié)果吻合。
實施例2(1)現(xiàn)場氣候大霧(2)靶標(biāo)及參數(shù)同實施例1(3)測量系統(tǒng)和測量方法同實施例1(4)測量結(jié)果(成雅高速25km處2005-11-27日之另一例) 上表中，歸一化對比度Cn的值＝0.05的那個靶標(biāo)距離為150m，亦即能見度測量結(jié)果為150m，視力正常人員目測結(jié)果約為160m，與本發(fā)明測量結(jié)果吻合。
權(quán)利要求
1.一種自校準(zhǔn)大氣能見度測量的方法，其特征在于測量步驟包括(1)在現(xiàn)場沿靶標(biāo)圖像采集裝置的可視方向交錯設(shè)置5～10個大氣能見度測量專用靶標(biāo)；(2)用靶標(biāo)圖像采集裝置一次性拍下包括所有靶標(biāo)在內(nèi)的圖像；(3)用圖像分析處理裝置對靶標(biāo)圖像進(jìn)行處理，計算每個靶標(biāo)的光亮度歸一化對比度；(4)歸一化對比度等于閾值0.05的那個靶標(biāo)的距離，就是現(xiàn)場的能見度值，在最近靶標(biāo)到最遠(yuǎn)靶標(biāo)距離范圍以外的能見度值則通過測量曲線擬合計算得到。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自校準(zhǔn)大氣能見度測量的方法，其特征在于靶標(biāo)的光亮度歸一化對比度計算步驟包括了因散射引起的靶標(biāo)光亮度的減小和增加兩個部分的變化，而且也包括了黑、白目標(biāo)固有光亮度差異的處理。
3.一種自校準(zhǔn)大氣能見度測量系統(tǒng)，其特征在于它由大氣能見度測量裝置、監(jiān)控中心和能見度顯示裝置組成；大氣能見度測量裝置包括5～10個能見度測量專用靶標(biāo)、靶標(biāo)圖像采集裝置、氣象參數(shù)測量儀器、圖像分析處理裝置和測量現(xiàn)場GPRS設(shè)備；專用靶標(biāo)置于測量現(xiàn)場，靶標(biāo)圖像采集裝置對準(zhǔn)靶標(biāo)拍攝圖像，圖像分析處理裝置將拍得的圖像識別、定位處理得到各靶標(biāo)的歸一化對比度，連同測得的現(xiàn)場氣象參數(shù)，由現(xiàn)場GPRS設(shè)備，經(jīng)移動通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)發(fā)回到監(jiān)控中心；監(jiān)控中心包括監(jiān)控計算機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器；監(jiān)控計算機(jī)從互聯(lián)網(wǎng)上接收測量現(xiàn)場GPRS設(shè)備發(fā)回的數(shù)據(jù)，由多個靶標(biāo)的歸一化對比度計算出能見度值，然后連同現(xiàn)場氣象參數(shù)，再經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)發(fā)回到顯示現(xiàn)場的GPRS設(shè)備；能見度顯示裝置包括一個顯示現(xiàn)場GPRS設(shè)備、一個大屏幕LED顯示器，GPRS設(shè)備直接通過接口數(shù)據(jù)傳輸線與大屏幕LED顯示器連接；
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種自校準(zhǔn)大氣能見度測量系統(tǒng)，其特征在于所述的能見度測量專用靶標(biāo)包括靶桿(1)、底板(2)，底板(2)固定在靶桿(1)的頂端，靶桿(1)固定在地面基礎(chǔ)支撐物上，底板(2)被等分成四個區(qū)塊，其中對角的兩個區(qū)塊為黑色漫射反光面(3)，另外兩個對角區(qū)塊為白色漫射反光面(4)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種自校準(zhǔn)大氣能見度測量系統(tǒng)，其特征在于所述的大氣能見度測量專用靶標(biāo)的底板(2)的形狀為正方形或圓形，四個區(qū)塊為大小均等的正方形或扇形，同色區(qū)塊呈對角線分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種自校準(zhǔn)大氣能見度測量系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)可根據(jù)不同的氣候條件如雨、雪、揚(yáng)塵天氣自動校準(zhǔn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自校準(zhǔn)大氣能見度測量方法和系統(tǒng)。本發(fā)明拍下現(xiàn)場所有靶標(biāo)的圖像，用接近人眼視覺特性的方式對圖像進(jìn)行處理，自動計算出靶標(biāo)光亮度的歸一化對比度及能見度數(shù)值，并將數(shù)據(jù)用GPRS無線方式傳送到監(jiān)控中心和高速路進(jìn)、出口的LED大屏幕顯示。本發(fā)明考慮了因散射引起的附加亮度和黑、白目標(biāo)的固有光亮度差異，提高了能見度測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，所述的大氣能見度測量系統(tǒng)具有自校準(zhǔn)特性，可實現(xiàn)任何氣候條件下(霧、雨、雪、揚(yáng)沙)大氣能見度的實時在線測量，適用于公路、機(jī)場等需要測量和報告大氣能見度的場所。
文檔編號G01N21/17GK1804588SQ20061002011
公開日2006年7月19日 申請日期2006年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月6日
發(fā)明者謝興堯, 萬海峰, 張速 申請人:成都易航信息科技有限公司