CN101545772A - 云高自动观测方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

一种云高自动观测方法及其装置，该装置包括图像采集器：两个图像采集器为一组构成一采集单元；采样控制器：分别发出云图像采样命令到两个图像采集器；图像传输装置：分别与两个图像采集器连接，用于传输图像采集器采集的云图到图像处理和采样控制器，并将图像处理和采样控制器的命令传输到云图像采集单元；图像处理器：与图像传输装置连接，用于处理图像，并自动完成测定云的高度和水平位置。该装置具有结构简单，所需成本较低的优点，云高测量可自动完成，可应用于航空、航天、气象等领域。

Description

云高自动观测方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种云高的测量方法，以及云高测量装置。
背景技术
云高是指云底到地面的垂直距离。云高的测量对于航空航天领域具有重要意义，是航天器升空的重要参考数据。传统的云高测量装置有云幕灯、红外测云仪、激光测云仪等。其中云幕灯只能应用于夜间层状云层云高的测量，局限性较大。激光测云仪的优点是准确度高，使用快速便捷，缺点是成本较高，只能进行天空单点云高测量。利用红外测量云高的方法是采用红外测量装置对大气红外辐射进行测量，其测量方法较为复杂，且准确度难于把握，红外线测量装置的成本同样较高。
发明内容
本发明提供一种云高自动观测方法及其装置，要解决以较低的成本、更简单的方法测量云高的技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
这种云高自动观测方法，其特征在于有如下步骤：
步骤1：将两图像采集器相隔一定距离设置，使图像采集器一和图像采集器二能拍摄到云同一区域的距离，并得到基线BC，B为图像采集器一焦点，C为图像采集器二焦点，两图像采集器镜头垂直对天，图像采集器成像平面长轴或短轴与基线平行；
步骤2：图像采集器一和图像采集器二同时拍摄云的同一个区域，分别得到照片P1和照片P2；
步骤3参见图2所示：假设在图像采集器一和图像采集器二共同拍摄区的云底有一A点，在照片P1和照片P2中分别找到A点在图像采集器一和图像采集器二所在焦平面的垂直投影点D，分别测量D点和B点连线与基线BC的夹角∠DBC，以及D点和C点连线与基线BC的夹角∠DCB；
步骤4：A与图像采集器1焦点B和图像采集器2焦点C构成了三角形ABC，A的垂直投影点D与B点和C点之间构成了三角形DBC，测得两图像采集器之间的距离BC，并从图像采集器1和图像采集器2的照片上测出∠DBC和∠DCB，通过几何公式计算出BD和CD；
步骤5：以直角三角形ABD为基准平面，找到A点在照片P1上的投影点D’，在图像采集器1光轴上取E点，使AE平行BD，E点的像点E’到B点的距离，即焦距E’B已知，再从图像采集器1的相片上测得D’E’，三角形ABD和三角形B D’E’为相似三角形，得到云高AD＝BD×E’B/D’E’。
这种云高自动观测装置，包括图像采集器，其特征在于该装置由以下几部分构成：
图像采集器：两个图像采集器为一组构成一采集单元；
采样控制器：分别与两个图像采集器连接，用于接收图像处理器的命令，控制图像采集器采集云图像和从云图像采集器中下载云图像，并向外传送图像，其中采样控制器一连接于图像采集器一与图像处理器之间，采样控制器二连接于图像采集器二与图像传输装置之间；
图像传输装置：连接于采样控制器二和图像处理器之间，用于传输采样控制器二采集的云图到图像处理器，并将图像处理器的命令传输到图像采集器二。
图像处理器：与采样控制器一和图像传输装置连接，用于处理图像，并自动完成测定云的高度和水平位置。
上述图像采集器可为一至两组。
上述图像采集器可以是可见光图像采集器或是红外成像装置。
上述图像传输装置可以是半双无线传输模块。
上述图像传输装置可有两个，相互之间采用天线联接。
上述采样控制器可由单板机和专用控制软件构成。
上述图像处理器可以为微型计算机。
本发明的有益效果如下：
云高自动观测装置是采用两个图像采集器相隔一定距离(基线)，两个图像采集器可相隔200米以上设置，由于云底一般都在几百米以上，两相机相隔距离(基线)应尽可能大，大于200米有利于提高测量云底高度的精度。两相机同时拍摄同一云，得到同一时刻两张照片P1和P2，在两张照片上找到云的一个特征点A在两张照片上的像点A1和A2，分别在P1、P2上测量照片中心(图像采集器光轴)到A1和A2的距离以及与基线的夹角，通过立体三角的原理计算A到地面的距离即云高。应用本装置的测量方法较为简单，且测量结果准确。以较低的成本解决了云高的测量问题。
云高自动观测装置的图像处理和采样控制器通过立体几何原理自动完成云高和水平位置的测量。图像处理和采样控制器的命令通过图像传输装置传输到两个云图像采集单元，按照预定的时间间隔，自动进行云图像采样。该装置具有结构简单，所需成本较低的优点，云高测量可自动完成，可应用于航空、航天、气象等领域。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是实施例一步骤1和步骤2的示意图。
图2是实施例一步骤3和步骤4的示意图。
图3是实施例一步骤5的示意图。
图4是云高自动观测装置的原理示意图。
图5是采样控制器中专用控制软件的控制流程图。
附图标记：1—图像采集器一、2—图像采集器二、3—云底、4—成像平面、
A：云底一点、B：图像采集器一的焦点、C：图像采集器二的焦点、D：A点在图像采集器一和图像采集器二所在焦平面的垂直投影点、D’：A点在照片P1上的投影点，E：图像采集器1光轴上一点，使AE平行BD；E’：E点在成像平面上所在点；
图1中：W为：图像采集器一和图像采集器二共同成像范围。
图2中：X、Y、Z为：坐标轴。
具体实施方式
实施例一，采用本发明的云高测量方法有如下步骤：
步骤1参见图1所示：将两图像采集器相隔一定距离设置，使图像采集器1和图像采集器2能拍摄到云同一区域的距离，并得到基线BC，B为图像采集器1焦点，C为图像采集器2焦点，两图像采集器镜头垂直对天，图像采集器成像平面长轴或短轴与基线平行；
步骤2：图像采集器1和图像采集器2同时拍摄云的同一个区域，分别得到照片P1和照片P2；
步骤3参见图2所示：假设在图像采集器1和图像采集器2共同拍摄区的云底有一A点，在照片P1和照片P2中分别找到A点在图像采集器1和图像采集器2所在焦平面的垂直投影点D，分别测量D点和B点连线与基线BC的夹角∠DBC，以及D点和C点连线与基线BC的夹角∠DCB；
步骤4：A与图像采集器1焦点B和图像采集器2焦点C构成了三角形ABC，A的垂直投影点D与B点和C点之间构成了三角形DBC，测得两图像采集器之间的距离BC，并从图像采集器1和图像采集器2的照片上测出∠DBC和∠DCB，通过正弦定理和余弦定理计算出BD和CD；
计算公式可为：BD×COS(DBC)+DC×COS(DCB)＝BC；
BD×sin(DBC)＝DC×sin(DCB)。
参见图3所示，步骤5：以直角三角形ABD为基准平面，找到A点在照片P1上的投影点D’，在图像采集器1光轴上取E点，使AE平行BD，E点的像点E’到B点的距离，即焦距E’B已知，再从图像采集器1的相片上测得D’E，三角形ABD和三角形B D’E’为相似三角形，得到云高AD＝BD×E’B/D’E’。
实现上述方法的云高自动观测装置，由以下部件构成：
图像采集器：两个图像采集器为一组构成一采集单元，图像采集器可以是可见光图像采集器。
采样控制器：分别与两个图像采集器连接，用于接收图像处理器的命令，控制图像采集器采集云图像和从云图像采集器中下载云图像，并向外传送图像，其中采样控制器一连接于图像采集器一与图像处理器之间，采样控制器二连接于图像采集器二与图像传输装置之间；上述采样控制器由单板机和专用控制软件构成，专用控制软件的控制流程图参见图5所示。单板机可采用Arm7。
图像传输装置：连接于采样控制器二和图像处理器之间，可以是传送速率115000波特以上的半双工无线传输模块。用于传输采样控制器二采集的云图到图像处理器，并将图像处理器的命令传输到图像采集器二。图像传输装置有两个，相互之间采用天线联接。
图像处理器：与采样控制器一和图像传输装置连接，用于处理图像，并自动完成测定云的高度和水平位置。上述图像处理器可为微型计算机。
实施例二：与实施例一不同的是，上述两图像采集器镜头光轴还可水平平行设置，图像采集器成像平面长轴或短轴与基线平行。
实施例三：与实施例一不同的是，上述两图像采集器成像平面还可同时垂直一个平面，两镜头光轴成一定交角。

Claims (8)

  1. 【权利要求1】一种云高自动观测方法，其特征在于有如下步骤：
    步骤1：将两图像采集器相隔一定距离设置，使图像采集器一(1)和图像采集器二(2)能拍摄到云同一区域的距离，并得到基线BC，B为图像采集器一焦点，C为图像采集器二焦点，两图像采集器镜头垂直对天，图像采集器成像平面长轴或短轴与基线平行；
    步骤2：图像采集器一和图像采集器二同时拍摄云的同一个区域，分别得到照片P1和照片P2；
    步骤3参见图2所示：假设在图像采集器一和图像采集器二共同拍摄区的云底有一A点，在照片P1和照片P2中分别找到A点在图像采集器一和图像采集器二所在焦平面的垂直投影点D，分别测量D点和B点连线与基线BC的夹角∠DBC，以及D点和C点连线与基线BC的夹角∠DCB；
    步骤4：A与图像采集器1焦点B和图像采集器2焦点C构成了三角形ABC，A的垂直投影点D与B点和C点之间构成了三角形DBC，测得两图像采集器之间的距离BC，并从图像采集器1和图像采集器2的照片上测出∠DBC和∠DCB，通过几何公式计算出BD和CD；
    步骤5：以直角三角形ABD为基准平面，找到A点在照片P1上的投影点D’，在图像采集器1光轴上取E点，使AE平行BD，E点的像点E’到B点的距离，即焦距E’B已知，再从图像采集器1的相片上测得D’E’，三角形ABD和三角形BD’E’为相似三角形，得到云高AD＝BD×E’B/D’E’。
  2. 【权利要求2】一种云高自动观测装置，包括图像采集器，其特征在于该装置由以下几部分构成：
    图像采集器：两个图像采集器为一组构成一采集单元；
    采样控制器：分别与两个图像采集器连接，用于接收图像处理器的命令，控制图像采集器采集云图像和从云图像采集器中下载云图像，并向外传送图像，其中采样控制器一连接于图像采集器一与图像处理器之间，采样控制器二连接于图像采集器二与图像传输装置之间；
    图像传输装置：连接于采样控制器二和图像处理器之间，用于传输采样控制器二采集的云图到图像处理器，并将图像处理器的命令传输到图像采集器二；
    图像处理器：与采样控制器一和图像传输装置连接，用于处理图像，并自动完成测定云的高度和水平位置。
  3. 【权利要求3】根据权利要求2所述的云高自动观测装置，其特征在于：上述图像采集器为一至两组。
  4. 【权利要求4】根据权利要求2所述的云高自动观测装置，其特征在于：上述图像采集器是可见光图像采集器或是红外成像装置。
  5. 【权利要求5】根据权利要求2所述的云高自动观测装置，其特征在于：上述图像传输装置是半双无线传输模块。
  6. 【权利要求6】根据权利要求2所述的云高自动观测装置，其特征在于：上述图像传输装置有两个，相互之间采用天线联接。
  7. 【权利要求7】根据权利要求2所述的云高自动观测装置，其特征在于：上述采样控制器由单板机和专用控制软件构成。
  8. 【权利要求8】根据权利要求2所述的云高自动观测装置，其特征在于：上述图像处理器为微型计算机。
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