一种近红外成像光学能见度测量系统和方法

1.本发明涉及气象能见度测量技术领域，更具体地，涉及一种近红外成像光学能见度测量系统和方法。


背景技术：

2.气象能见度是保障人们生产生活的重要气象观测要素。在云、烟、雾、霾等低能见度场景下，人眼与光电系统对环境的探测感知能力会受到不利影响，从而影响航海、航空、陆路交通及军事活动的正确决策。目前用于气象能见度测量的设备主要分为透射式能见度仪与散射式能见度仪两大类。
3.透射式能见度仪是对向布置光源与光功率检测仪在较长测量链路无遮挡的两端。透射式能见度仪是根据光辐射在大气样本中传输的透射率来反演能见度。当透射率越低时对应气象能见度越低。透射式能见度仪的光源为色温为2700k的白炽灯发出的平行光束。透射式能见度仪能够精准地测量长链路大气样本的能见度。测量链路穿过的大气都是大气样本取样区域。但是透射式能见度仪的光源与光功率检测仪在安装完成后都是固定的，测量的距离与方向都无法进行调整。透射式能见度仪在光路中存在遮挡时无法进行能见度测量，在光源或光功率检测仪的对准偏离时也无法进行能见度测量。所以，透射式能见度仪多用于机场、铁路、实验室等空旷且少干扰的环境，在环境复杂的场景下往往不适用。在极低能见度下，衰减强度大，且易受环境光干扰，光功率检测仪较难探测到正确信号，故透射式能见度仪在极低能见度条件下也不适用。
4.散射式能见度仪是光源与接收器的集成设备。散射式能见度仪是通过测量光通过大气样本时的散射光强反演能见度。光源的发射角与接收器的接收角在空间中存在交叠区域。交叠区域是大气样本取样区域。散射式能见度仪体积小巧，是单端设备，不需要透射式能见度仪的长无干扰链路。当能见度越低时，大气样本中的散射效应就越强烈，接收器就能探测到更强的散射光。散射式能见度仪取样区域小，设备紧凑，抗干扰能力强，但是只能测量某个位置的能见度，不能表征大区域能见度。通常使用多个散射式能见度仪在多个位置分别测量能见度以求得测量链路等效能见度。然而，在极低能见度下，散射颗粒容易结团，大气介质往往并不均匀，单点测量反推链路能见度误差很大。按照光源与接收器的布置方位的不同，散射式能见度仪可以分为前散射式与后散射式。前散射式中，光源与接收器布置于不同侧；后散射式中，光源与接收器布置于同侧。
5.但无论是透射式能见度仪还是散射式能见度仪，都不能可靠地在极低能见度条件下准确地测量长链路的气象能见度的同时实现大视场中的多链路气象能见度的测量，因此目前该问题亟需解决。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种近红外成像光学能见度测量系统和方法，能够可靠地实现在极低能见度下对长链路有效测量、且同时能实
现对大视场中的多链路进行能见度测量，以提高对气象能见度测量的准确性。
7.本发明的技术方案如下：
8.一种近红外成像光学能见度测量系统，包括近红外靶标、暗通道靶标、近红外成像模块和信息处理模块；
9.一个所述近红外靶标与一个所述暗通道靶标成对并列放置以形成一个靶标单元，多个所述靶标单元放置于所述近红外成像模块的视场内的不同位置，且每个所述靶标单元均指向所述近红外成像模块，以相对所述近红外成像模块形成多条气象能见度测量链路，所述近红外成像模块的输出端与所述信息处理模块的输入端电性连接；
10.所述近红外成像模块用于采集所述靶标单元的近红外波段的图像并输出图像信号给所述信息处理模块，所述信息处理模块将图像信号进行像素值提取，并加载气象能见度计算算法，得到各测量链路的气象能见度。
11.进一步，所述近红外靶标包括光源阵列，所述光源阵列包括多个发射波长在750～1800nm范围内光波的光源，所述光源包括发光二极管。
12.进一步，所述暗通道靶标包括消光材料，所述消光材料对750～1800nm范围内光波的反射率小于0.1％，所述消光材料包括消光绒布。
13.进一步，所述近红外成像模块包括：近红外相机、滤光片、镜头、镜头控制器与底座；
14.所述近红外相机与所述镜头控制器连接，所述镜头控制器与所述镜头连接；所述滤光片插入所述镜头控制器与所述镜头之间的内部空隙，所述近红外相机置于所述底座上。
15.进一步，所述滤光片的中心波长与所述近红外靶标的波长一致，所述滤光片采用带宽10nm的光学带通滤光片。
16.进一步，所述镜头控制器可以调节镜头的对焦与光圈。
17.进一步，所述信息处理模块控制近红外成像模块拍摄视场范围内的所有测量链路的波段图像，以形成一个图像信号，并对该图像信号提取每个测量链路中的近红外靶标像素点与暗通道靶标像素点的对应像素值。
18.进一步，所述近红外成像模块的横向与纵向视场角都大于4.6
°
，以保证近红外成像模块的视场覆盖范围足够大，可实现对多个靶标单元布置范围的全覆盖，以实现多个测量链路的气象能见度进行测量。具体的角度可根据实际需要进行测量的靶标单元的布置范围进行确定，此处不作限定。
19.进一步，所述气象能见度测量链路为从所述近红外成像模块到每个所述靶标单元的直线所穿过的无遮挡空间。
20.本发明还提供一种近红外光学成像气象能见度测量方法，包括上述的近红外光学成像气象能见度测量系统，步骤如下：
21.s1、系统搭建：架设好所述近红外成像模块，并在所述近红外成像模块的视场内的500～5000m的测量链路范围下分别架设多个所述靶标单元于不同位置，且每个所述靶标单元均指向所述近红外成像模块，以相对所述近红外成像模块形成多条气象能见度测量链路；
22.s2、对准调节：调节所述近红外成像模块的底座，使所述近红外成像模块的镜头对
准多个所述靶标单元同时成像；
23.s3、对焦调节：使用所述镜头控制器调节所述镜头进行对焦，使得成像清晰；
24.s4、曝光调节：同步控制所述近红外相机的曝光时间与所述镜头的光圈，使得成像中的所有像素点处于未过曝；
25.s5、图像获取：所述近红外成像模块获取多个测量链路所对应的近红外波段的图像，并将多个近红外波段的图像组成的图像信号发送给所述信息处理模块，所述信息处理模块得到每个测量链路所对应的近红外靶标像素点与暗通道靶标像素点，及两种像素点所对应的像素值；
26.s51、初始像素值标定：在各测量链路能见度大于等于9999m时，所述信息处理模块将近红外靶标像素点与暗通道靶标像素点所对应的像素值分别设定为近红外靶标与暗通道靶标的初始像素值；
27.s52、测试像素值标定：在各测量链路处于极低能见度时，所述信息处理模块将近红外靶标像素点与暗通道靶标像素点所对应的像素值分别设定为近红外靶标与暗通道靶标的测试像素值；
28.s6、能见度计算：所述信息处理模块根据各个测量链路对应的初始像素值、测试像素值和长度，通过气象能见度计算算法输出得到各个测量链路的气象能见度。
29.进一步，步骤s6中，通过气象能见度计算算法输出得到气象能见度的过程如下：
30.s61、先进行近红外透射率计算：
31.近红外透射率指的是测量链路的光源波长所对应的大气透射率，公式如下：
[0032][0033]
s62、气象能见度计算：
[0034]
将得到的测量链路的近红外透射率输入波长透射能见度折算公式中，输出得到测量链路的气象能见度。
[0035]
进一步，步骤s52中，所述极低能见度指的是：当气象能见度小于测量链路的长度时，此时的气象能见度即为极低能见度。
[0036]
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0037]
1、本发明使用的近红外光靶标发出的近红外波段在雾中的透过率高、衰减小，极大提升了在极低能见度时对长测量链路气象能见度的测量能力。
[0038]
2、本发明的近红外成像模块的视场角范围远大于近红外靶标的布置范围，需要的对准精度低；避免了当发生不可抗扰动时，容易失去气象能见度测量能力的问题。
[0039]
3、本发明使用了暗通道靶标与近红外靶标成对组成靶标单元，校正了环境干扰光在近红外波段对近红外靶标的影响，使得近红外靶标的光源波长对应的大气透射率测量精度高，进而提高续对链路的气象能见度的测量精度。
[0040]
4、本发明在若干位置布置若干个由近红外靶标与暗通道靶标组成的靶标单元，可相对近红外成像模块形成若干测量链路，能实现同时测量大视场中的多链路的气象能见度，有效提高测量范围。
附图说明
[0041]
图1为本发明的近红外成像光学能见度测量系统的示意图；
[0042]
图2为近红外波段的图像示意图；
[0043]
图3为本发明的近红外成像光学能见度测量方法的流程图。
[0044]
图中：近红外靶标1、暗通道靶标2、近红外成像模块3、近红外相机31、滤光片32、镜头33、镜头控制器34、底座35、信息处理模块4。
具体实施方式
[0045]
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
[0046]
实施例1：
[0047]
如图1-图2所示，本实施例提供一种近红外成像光学能见度测量系统，包括近红外靶标1、暗通道靶标2、近红外成像模块3和信息处理模块4；
[0048]
一个近红外靶标1与一个暗通道靶标2成对并列放置以形成一个靶标单元，多个靶标单元放置于近红外成像模块3的视场内的不同位置，且每个靶标单元均指向近红外成像模块3，以相对近红外成像模块3形成多条气象能见度测量链路，近红外成像模块3的输出端与信息处理模块4的输入端电性连接；
[0049]
近红外成像模块3用于采集靶标单元的近红外波段的图像并输出图像信号给信息处理模块4，信息处理模块4将图像信号进行像素值提取，并加载气象能见度计算算法，得到各测量链路的气象能见度。
[0050]
在本实施例中，近红外靶标1包括光源阵列，光源阵列包括多个发射波长在750～1800nm范围内光波的光源，光源包括发光二极管。
[0051]
在本实施例中，暗通道靶标2包括消光材料，消光材料对750～1800nm范围内光波的反射率小于0.1％，消光材料包括消光绒布。
[0052]
在本实施例中，近红外成像模块3包括：近红外相机31、滤光片32、镜头33、镜头控制器34与底座35；
[0053]
近红外相机31与镜头控制器34连接，镜头控制器34与镜头33连接；滤光片32插入镜头控制器34与镜头33之间的内部空隙，近红外相机31置于底座35上。
[0054]
其中，滤光片32的中心波长与近红外靶标1的波长一致，滤光片32采用带宽10nm的光学带通滤光片；镜头控制器34可以调节镜头33的对焦与光圈；底座35可以调整近红外相机31的指向与位置。
[0055]
在本实施例中，信息处理模块4控制近红外成像模块3拍摄视场范围内的所有测量链路的波段图像，以形成一个图像信号，并对该图像信号提取每个测量链路中的近红外靶标像素点与暗通道靶标像素点，及两种像素点对应的像素值。
[0056]
在本实施例中，信息处理模块4可采用处理器或微型计算机，并且可通过显示屏输出计算结果进行展示。
[0057]
在本实施例中，近红外成像模块3的横向与纵向视场角都大于4.6
°
，以保证近红外
成像模块3的视场覆盖范围足够大，可实现对多个靶标单元布置范围的全覆盖，以实现多个测量链路的气象能见度进行测量。具体的角度可根据实际需要进行测量的靶标单元的布置范围进行确定，此处不作限定。
[0058]
在本实施例中，气象能见度测量链路为从近红外成像模块3到每个靶标单元的直线所穿过的无遮挡空间。
[0059]
实施例2：
[0060]
本实施例还提供一种近红外光学成像气象能见度测量方法，包括上述实施例1的近红外光学成像气象能见度测量系统，步骤如下：
[0061]
s1、系统搭建：架设好近红外成像模块3，并在近红外成像模块3的视场内的500～5000m的测量链路范围下分别架设多个靶标单元于不同位置，且每个靶标单元均指向近红外成像模块3，以相对近红外成像模块3形成多条气象能见度测量链路；
[0062]
s2、对准调节：调节近红外成像模块3的底座35，使近红外成像模块3的镜头33对准多个靶标单元同时成像；
[0063]
s3、对焦调节：使用镜头控制器34调节镜头33进行对焦，使得成像清晰；
[0064]
s4、曝光调节：同步控制近红外相机31的曝光时间与镜头33的光圈，使得成像中的所有像素点处于未过曝；
[0065]
s5、图像获取：近红外成像模块3获取多个测量链路所对应的近红外波段的图像，并将多个近红外波段的图像组成的图像信号发送给信息处理模块4，信息处理模块4得到每个测量链路所对应的近红外靶标像素点与暗通道靶标像素点，及两种像素点所对应的像素值；
[0066]
s51、初始像素值标定：在各测量链路能见度大于等于9999m时，信息处理模块4将近红外靶标像素点与暗通道靶标像素点所对应的像素值分别设定为近红外靶标1与暗通道靶标2的初始像素值；
[0067]
s52、测试像素值标定：在各测量链路处于极低能见度时，信息处理模块4将近红外靶标像素点与暗通道靶标像素点所对应的像素值分别设定为近红外靶标1与暗通道靶标2的测试像素值；
[0068]
s6、能见度计算：信息处理模块4根据各个测量链路对应的初始像素值、测试像素值和长度，通过气象能见度计算算法输出得到各个测量链路的气象能见度。
[0069]
在本实施例的步骤s6中，通过气象能见度计算算法输出得到气象能见度的过程如下：
[0070]
s61、先进行近红外透射率计算：
[0071]
近红外透射率指的是测量链路的光源波长所对应的大气透射率，公式如下：
[0072][0073]
s62、气象能见度计算：
[0074]
将得到的测量链路的近红外透射率输入波长透射能见度折算公式中，输出得到测量链路的气象能见度。
[0075]
需要说明的是，波长透射能见度折算公式是本领域技术人员所公知用于计算气象能见度的公式，此处不再叙述。
[0076]
在本实施例的步骤s52中，极低能见度指的是：当气象能见度小于测量链路的长度时，此时的气象能见度即为极低能见度。
[0077]
本发明使用的近红外光靶标1发出的近红外波段在雾中的透过率高、衰减小，极大提升了在极低能见度时对长测量链路气象能见度的测量能力。
[0078]
本发明的近红外成像模块3的视场角范围远大于近红外靶标的布置范围，需要的对准精度低；避免了当发生不可抗扰动时，容易失去气象能见度测量能力的问题。
[0079]
本发明使用了暗通道靶标2与近红外靶标1成对组成靶标单元，校正了环境干扰光在近红外波段对近红外靶标1的影响，使得近红外靶标1的光源波长对应的大气透射率测量精度高，进而提高续对链路的气象能见度的测量精度。
[0080]
本发明在若干位置布置若干个由近红外靶标1与暗通道靶标2组成的靶标单元，可相对近红外成像模块3形成若干测量链路，能实现同时测量多链路的气象能见度，有效提高测量范围。
[0081]
实施例3：
[0082]
本实施例以具体例子说明本发明的近红外成像光学能见度测量方法。
[0083]
首先对各部件进行参数的设定：
[0084]
近红外靶标1的光源阵列包括多个发射波长在900nm光波的光源，同时暗通道靶标2采用消光绒布，对900nm光波反射率小于0.1％；
[0085]
近红外相机31的可成像波长范围包括750～1800nm；滤光片32的中心波长为900nm，带宽10nm；近红外相机31的分辨率为2560
×
2160像素，像元大小6.5μm；镜头33焦距为100mm；近红外成像模块3的横向与纵向视场角为9.5
°
与8.0
°
。
[0086]
方法的具体实施步骤如下：
[0087]
s1、系统搭建：架设好近红外成像模块3，并在近红外成像模块3的视场内的500m、1500m、3000m的测量链路距离分别架设3个靶标单元，开启靶标单元中的近红外靶标1的所有光源，且每个靶标单元均指向近红外成像模块3，以相对近红外成像模块3形成3条气象能见度测量链路；
[0088]
s2、对准调节：调节近红外成像模块3的底座35，使近红外成像模块3的镜头33对准多个靶标单元同时成像；
[0089]
s3、对焦调节：使用镜头控制器34调节镜头33进行对焦，使近红外相机31输出的各处近红外靶标1的图像清晰；
[0090]
s4、曝光调节：同步控制近红外相机31的曝光时间与镜头33的光圈，使得成像中的所有像素点处于未过曝；
[0091]
s5、图像获取：近红外成像模块3获取3个测量链路所对应的近红外波段的图像，并将3个近红外波段的图像组成的图像信号发送给信息处理模块4，信息处理模块4得到每个测量链路所对应的近红外靶标像素点与暗通道靶标像素点，及两种像素点所对应的像素值；
[0092]
s51、初始像素值标定：在3个测量链路能见度大于等于9999m时，信息处理模块将4将近红外靶标像素点与暗通道靶标像素点所对应的像素值分别设定为近红外靶标与暗通道靶标的初始像素值；此处，500m、1500m、3000m的测量链路的初始像素值分别为(60538,3)、(42402,4)、(39874,3)；
[0093]
s52、测试像素值标定：在3个测量链路处于极低能见度时，信息处理模块4将近红外靶标像素点与暗通道靶标像素点所对应的像素值分别设定为近红外靶标与暗通道靶标的测试像素值；此处，500m、1500m、3000m的测量链路的测试像素值分别为(650,529)、(1221,468)、(743,597)；
[0094]
s6、能见度计算：信息处理模块4根据各个测量链路对应的初始像素值、测试像素值和长度(即上述的500m、1500m、3000)，通过气象能见度计算算法输出得到各个测量链路的气象能见度；
[0095]
具体为：500m、1500m、3000m的测量链路的气象能见度分别为213m、985m、1577m。
[0096]
可知，本发明的近红外成像光学能见度测量系统和方法能够有效地在极低能见度下对多个长测量链路的气象能见度同时进行准确测量，避免了环境光对测量的干扰，降低了能见度测量的对准精度要求。
[0097]
显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。