数字摄像能见度仪控制系统设计及对比数据分析

聂凯,王京丽,雷鸣,刘金城,阮顺贤

(1.北京市气象探测中心;2.北京市气象信息中心;3.中国气象局北京城市气象研究所,北京 100089)

数字摄像能见度仪控制系统设计及对比数据分析

聂凯1,王京丽3,雷鸣2,刘金城1,阮顺贤3

(1.北京市气象探测中心;2.北京市气象信息中心;3.中国气象局北京城市气象研究所,北京 100089)

数字摄像能见度自动监测仪(Digital Photographic Visibility System ,简称DPVS)采用仿照人工目测能见度的方法测量能见度,比人工目测和其他器测更具经济性和客观性.文章以DPVS工作原理为引,对DPVS的系统搭建、控制系统集成、通讯系统集成等方面做了详细介绍.文中将DPVS、散射仪、透射仪三种观测设备在降雨天及雾霾天观测数据进行了比对分析,并对实验中遇到的一些问题进行了分析研究,并提出了相应的解决办法.

数字摄像能见度自动监测仪(DPVS);控制系统 ;通讯系统 ;数据对比分析

能见度是反映大气透明度的一个重要指标,对航空、航海、陆上交通以及军事活动等有重要影响,与天气情况密切相关.本文介绍的数字摄像能见度自动监测仪(DPVS),即数字能见度仪,采用先进的数字摄像技术,完全仿照人眼观测能见度的原理,根据能见度的定义研制,通过数字摄像机直接摄取选定目标物的图像,然后送入计算机进行分析处理,自动获取能见度值.

经过近20年的研究和实验,数字摄像法探测大气能见度技术已经取得了突破性的研究成果,但还存在需要进一步完善和改进的地方,尤其是系统集成设计与仪器产品定型.基于数字摄像法的能见度测量,设计并实现一种新型的、较为经济和客观的能见度探测系统,已经成为能见度测量研究的发展趋势与迫切需求.

1 DPVS工作原理及系统组成

1.1 DPVS工作原理

数字摄像能见度自动观测仪的工作原理是:通过数字摄像机(CCD-Camera)直接摄取选定目标物及其背景的图像,并传到计算机,计算机通过对所获取的图像进行分析处理,自动获取能见度的数值.

具体做法是:选定若干较明显的、在一般天气条件下CCD能够分辨出来的目标物作为探测目标,同时对这些选定目标的距离、亮度等进行标定.CCD直接摄取这些选定的目标物图像,通过图像采集卡将图像传至计算机.计算机再对这些目标物的图像信息分别进行分析处理,然后带入相关公式进行计算,最后得到一个综合的能见度值.

DPVS从研发到投入测试已经10多年了,仪器的性能指标也在不断提高,现在DPVS在其探测范围内对能见度的探测能力已经基本达到国际标准,可以投入使用.随着仪器产品的定型,系统的工控集成设计也将日趋完善.

1.2 DPVS的系统组成

DPVS的系统按功能单元划分主要由数字摄像单元、图像处理单元、能见度计算单元、网络控制单元、目标物单元等组成,按地理空间划分主要由室外控制系统和室内控制系统组成.

目标物单元主要由目标黑体和目标光源组成,每个选定的目标黑体为白天观测的工作目标,目标光源则为夜间观测目标.数字摄像单元主要由数字摄相机(CCD)、镜头系统、相机罩、万向节、电源控制、防雷系统等组成.网络控制单元主要由串口服务器、千兆交换机、网络电源控制器等组成.图像处理单元和能见度计算单元组成了DPVS的软件系统.

2 DPVS控制系统集成设计

DPVS控制系统主要有室内控制系统和室外控制系统组成.室内控制系统主要通过网络控制单元和后台服务器实现图像采集、能见度计算、指令控制等.室外控制系统则通过目标物控制单元、数字摄像单元、网络控制单元完成目标观测、镜头调整和数据传输等工作,它的正常工作直接影响到能见度的观测结果.室外控制系统的设计,需要充分考虑自然环境因素和不可抗拒因素的影响.为了使室外控制系统能适应多地不同季节的自然变化,需要在设计之初,充分考虑到温湿度、供电环境和网络通讯对其的影响.

系统的搭建首先要对目标物及其周围的参照物进行标定,通过支架立杆等方式搭建目标物(黑体/光源)与各测量设备,通过网络控制单元将数字摄相机(CCD)观测到的目标物视频图像传送给工控机操作工控机,根据能见度计算公式求出大气能见度达到全天候24小时的能见度测量.图1是DPVS观测系统示意图.

图1 DPVS观测系统示意图

3 雾霾天DPVS与对比仪器观测数据对比分析

判定雾霾天等级的主要有能见度、空气湿度、PM2.5(直径小于等于2.5微米空气细颗粒物)等观测要素,文中我们主要将上述三种观测设备在雾霾天气过程中的观测数据与同时段的空气湿度和颗粒物浓度进行了对比分析,结果显示如图2所示,雾霾天气条件下,视频能见度仪与大气透射仪观测结果比较接近,散射仪观测结果高于前两者.分析原因主要是因为雾霾天时,相对湿度较高,且大气中含有较多颗粒物,颗粒物的吸收消光忽略不计是导致前向散射仪观测能见度值偏高的主要原因.

图2 雾霾天DPVS与对比仪器观测数据对比

4 遇到问题及解决方法

项目在研制和测试中不可避免的遇到了一些技术问题,但是一些不可抗拒因素也使我们的研发团队走了一些弯路,现在举例分析出现问题时的一些应对办法.

(1)在实验时,由于电压不稳,偶尔出现断电情况,如果此时数字摄相机处于观测阶段,容易引起相机死机,所以我们引入不间断电源UPS,UPS可以保证室内控制系统和室外控制系统所有设备的正常供电,遇到停电情况,可以满负荷保证用电设备维持10～15min的正常用电.这样可以在临时断电情况下,有效的保证DPVS系统的持续观测.

(2)在实验时,我们遇到网络通畅,但图像缺失的情况,通过分析发现,数字摄像机在观测期间会产生大量数据包,当数据交换频繁时会引起网络阻塞的现象,研发团队将以前网络控制单元的路由器更换为千兆交换机后,数据传输的问题就解决了.

(3)由于数字摄像机在观测时会产生大量数据包,如果网络通讯环境较差时,会引发交换机的数据包堵塞,这时也会导致DPVS系统无法正常观测,我们引入网络电源控制器可以远程管理电源模块,重启交换机释放数据包,从而使DPVS系统恢复正常.

(4)在实验过程中,我们也遇到断电后,云台重启无法正常回到预置位的情况,由于我们的观测方向固定,所以我们引入镜头控制器和万向节取代数字云台.

5 结语

DPVS控制系统相对简单,容易上手.所涵盖的设备,大多是一些成熟稳定的产品.但是由于其工作环境特殊,对电路设计和网络通讯要求比较高,经过不断的测试和完善,系统的整体性能得到了很大提高,同时我们也积累了一些宝贵经验.

由于DPVS系统的工作原理是仿照人眼观测能见度,这种观测方式与其他器测原理不同,这就使DPVS系统具有很高的使用价值和广阔的应用前景.随着技术的不断发展,我们致力将这种能见度探测仪做成一款低碳环保、高度集成、经济实用的产品,也相信这款产品能得到广泛推广和应用.

DPVS、PWD22、LT31三种仪器对比结果显示,雾霾天气条件下,视频能见度仪与大气透射仪观测结果比较接近,散射仪观测结果高于前两者.

[1]王京丽,刘旭林,雷鸣等.数字数字摄像能监督系统及其比对试验[J].电子学报,2014,42(11):2299-2303.

[2]王京丽,程丛兰,徐晓峰.数字摄像法测量能见度仪器系统比对实验[J].气象科技,2002,30(6):353-357.

TP27

A

1671-0711(2017)11(下)-0150-02

本文受公益性行业科研专项支持:数字摄像能见度白天测量技术及其标校方法研究(GYHY201106047).