CN102183237B - 一种地基双波段云高测量的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属大气探测领域，具体涉及一种地基双波段云高的测量装置及方法，该装置包括：一数据处理器，分别与该处理器连接的两用于获取测量区域天空云图像的可见光图像传感器、一用于获取该区域天空亮温的红外传感器及一用于获取地面自动气象站地面气象数据的地面气象数据接收模块；该处理器根据所述图像形成的像对计算双成像云底高度，并结合天空亮温及地面气象数据计算该区域云下垂直温度递减梯度系数形成系数数组，选用该系数数组中的众数计算该区域云高。本发明通过不断获得测量区域天空云下垂直温度递减梯度系数形成垂直温度递减梯度系数数组，选用该系数数组中的众数计算所测区域天空的云高，大大提高了红外传感器测量云高的准确性。

Description

一种地基双波段云高测量的装置和方法

技术领域

本发明大气探测领域，具体涉及一种地基双波段云高的测量装置和方法。

背景技术

云高是指云底到地面的垂直距离，云高测量对于航天航空领域具有重要的意义。云高的测量装置有激光测云仪、红外测云仪等，红外测云装置较为先进，其中有：中科院大气物理研究所研发的单元式地基全天空热红外云像仪。该热红外云像仪通过伺服电机控制每15分钟对全天空进行一次扫描，利用红外单点探头获得天空中每点的红外辐射亮温，然后拼成全天空的红外辐射图像。再结合辐射传输模式和地面气象资料，对云的宏观参数进行地基遥感反演研究。首先利用辐射传输方程进行一系列数值模拟研究，系统研究地基观测天空热红外辐射对于近地气溶胶层和不同云底高度的敏感性，以及不同强度和不同类型气溶胶情况下，晴空和各种云的红外辐射亮温随天顶角的变化。在此基础上自主研发了用于地基观测的扫描式全天空热红外云像仪(SIRS)及相应软件，并进行全天候连续观测。该仪器测量天空任意方位角8～12um波段的热红外亮温，测得的数据可用于判断该观测方向天空是否有云以及初步判定中低云云底的高度。为了提高云底高度测量的准确性，该仪器并不能得出很精确的云高信息，它把云高划分为几个等级范围，只能出一个大致的云高范围数据。

另外，解放军理工大学的孙学金等开展了利用非制冷红外焦平面阵列与宽视场红外镜头的地基测云方面的研究，研制了红外测云传感器(WSIRCMS)。针对红外测云传感器辐射定量测量的要求，开展了实验室定标实验研究，弄清了非制冷红外焦平面阵列的温度效应特点，对原有的辐射定标模型进行了改进，提出了包含温度效应的辐射定标模型，并对定标的不确定性进行了评定，在此基础上设计了基于内定标黑体的现场定标方法，为利用非制冷红外焦平面阵列进行大气向下红外辐射实时定量测量提供了理论基础和方法。

另外还开展了非均匀性校正实验，确定了非均匀性校正系数矩阵，实现非均匀性校正，为准确获得天空云红外辐射分布提供了基础。利用辐射传输模式，分析研究了天顶角、水汽含量、能见度、气溶胶、云底高度、光学厚度等因子对8～14um波段大气向下红外辐射的影响规律，以及利用气候统计水汽标高和实时近地面气温、湿度对降水量进行估计的可行性，该系统采用阈值与纹理相结合的方式进行云识别，分析了利用灰度共生矩阵、局部二值模型谱等纹理方法进行全天空云分类。提出了描述云块结构特征的参数及其抽取方法，实现了对波状云、层状云、积状云、卷云和晴空等天空类型的分类识别。

该系统由光学测量单元、环境参数测量单元、控制单元、电源、支撑结构、数据处理终端和通信电缆组成。在伺服机构控制下，每十五分钟按照顺序分别得到天顶及天边8个方位的红外辐射值信息，经过拼图、水汽修正和天顶角修正得到全天空红外辐射分布，从而进一步反演云族、云量和云分布信息。

上述系统采用气候统计资料，建立模型或参数，对于不同的地方都需要重新建立模型或参数，没有现场云底高度自动定标能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种地基双波段云高的测量装置及方法，旨在解决现有云高的测量技术所测得的云高不太精确，同时受环境影响较大，保护措施要求高，且对于不同的地方都要重新建立模型或参数的问题。

本发明是这样实现的，一种地基双波段云高的测量装置，包括：一数据处理器，分别与所述数据处理器连接的两用于获取测量区域天空云图像的图像传感器，一用于获取所述区域天空亮温的红外传感器以及一用于获取地面自动气象站的大气温度、地面相对湿度及能见度的地面气象数据接收模块。

所述处理器用于根据所述图像形成的像对计算双成像云底高度，根据该云底高度及天空亮温、大气温度、地面相对湿度、能见度计算该区域云下垂直温度递减梯度系数形成垂直温度递减梯度系数数组，选用该系数数组中的众数计算该区域云高。

所述可见光图像传感器之间水平有一定距离，所述红外传感器位于两可见光图像传感器之间，水平竖直向上设置，或安装于一旋转平台上。

一种地基双波段云高的测量方法，包括以下步骤：根据所述图像传感器获取的测量区域的天空云的图像所形成的像对，计算所述区域双成像云底高度h。

根据所述双成像云底高度h，所述红外传感器获取的测量区域的天空亮温T_b，以及地面自动气象站的大气温度t、湿度及能见度，计算并保存所述区域云下垂直温度递减梯度系数K形成垂直温度递减梯度系数数组，该系数K的计算公式如下：

根据所述垂直温度递减梯度系数数组中的众数利用红外反演云高公式计算测量区域的云高H，该红外反演云高公式如下：其中A、B分别为由能见度和地面相对湿度的影响对红外亮温T_b的修正函数值，A＝0.03*hum+0.0002*H[0]，hum为地面相对湿度，

B＝0.5*(0.00101*V-5.25)，V为能见度。

本发明实施例通过将两可见光图像传感器及红外传感器采集的数据通过数据处理器进行数据处理不断获得某一区域天空云下的垂直温度递减梯度系数，形成垂直温度递减梯度系数数组，并用最新的垂直温度递减梯度系数数组中的众数计算测量区域的云高，大大提高了红外传感器测量云高的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的双波段云高的测量装置的硬件结构示意图。

图2为本发明实施例提供的双波段云高的测量装置的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的双波段云高的测量方法的流程图。

图4为本发明实施例双波段云高的测量装置的工作流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例通过将两可见光图像传感器及一红外传感器采集的数据通过数据处理器进行数据处理不断获得测量区域天空云下的垂直温度递减梯度系数形成垂直温度递减梯度系数数组，选用最新的垂直温度递减梯度系数数组中的众数计算测量区域的云高。

本发明是这样实现的，一种地基双波段云高的测量装置，包括：一数据处理器，分别与所述数据处理器连接的两用于获取测量区域天空云图像的可见光图像传感器，一用于获取所述区域天空亮温的红外传感器以及一用于获取地面自动气象站的大气温度、地面相对湿度及能见度的地面气象数据接收模块。

所述数据处理器用于根据所述图像形成的像对计算双成像云底高度，根据该云底高度及天空亮温、大气温度、地面相对湿度、能见度计算该区域云下垂直温度递减梯度系数形成垂直温度递减梯度系数数组，选用垂直温度递减梯度系数数组中的众数计算该区域云高。

一种地基双波段云高的测量方法，包括以下步骤：根据所述可见光图像传感器获取测量区域天空云的图像所形成的像对，计算所述区域双成像云底高度h。

根据所述双成像云底高度h，所述红外传感器获取的取测量区域的天空亮温T_b以及地面自动气象站的大气温度t、地面相对湿度及能见度，计算并保存所述区域云下垂直温度递减梯度系数K形成垂直温度递减梯度系数数组；该系数K的计算公式如下：

$K=\frac{T_b-t+A+B}{h}.$

根据所述垂直温度递减梯度系数数组中的众数

利用红外反演公式计算取测量区域的云高H，云高H的计算公式如下：

其中A、B分别为由能见度和地面相对湿度的影响对红外亮温T_b的修正函数值，A＝0.03*hum+0.0002*H[0]，hum为地面相对湿度，

B＝0.5*(0.00101*V-5.25)，V为能见度。

图1示出了本发明实施例提供的一种双波段云高的测量装置的硬件系统结构，为了便于说明，仅示出了与本发明有关的部分。

该系统包括二可见光图像传感器、一红外传感以及一与该图像传感器和该红外传感进行数据通讯的计算机。

所述可见光图像传感器之间水平有一定距离，所述红外传感器位于两可见光图像传感器之间，水平竖直向上设置，便于采集所需要的数据资料；所述红外传感器还可安装于一旋转平台上。

该可见光图像传感器用于获取天空中某一测量区域云的图像，形成像对并传输到计算机，由计算机通过内部数据处理器通过预置程序完成所述测量区域天空的双成像云底高度的测量。该红外传感器用于获取所述同一测量区域的天空亮温。

该计算机还通过相应装置获取同一测量区域的地面自动气象站的大气温度、地面相对湿度、能见度资料，并传输至内置于所述计算机的数据处理器，由该数据处理器根据所接收的前述数据及双成像云底高度，通过预置程序进行处理，计算所述测量区域的云高。

参见图2，本发明实施例提供的地基双波段云高的测量装置的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明有关的部分。该装置包括：两可见光图像传感器，用于采集某一测量区域的天空云的图像，形成像对。

一红外传感器，用于采集同一测量区域的天空亮温；地面气象数据接收模块，用于获取同一测量区域的地面自动气象站的大气温度、地面相对湿度及能见度数据。

数据处理器，分别与所述可见光图像传感器、一红外传感器以及地面气象数据接收模块连接，用于根据所述图像形成的像对计算双成像云底高度，根据该云底高度及天空亮温、大气温度、湿度、能见度计算该区域云下垂直温度递减梯度系数形成垂直温度递减梯度系数数组，选用垂直温度递减梯度系数数组中众数计算该区域云高。

所述可见光图像传感器之间水平有一定距离，所述红外传感器位于两可见光图像传感器之间，水平竖直向上设置，便于采集所需要的数据资料；所述红外传感器还可安装于一旋转平台上；较优地，所述可见光图像传感器之间水平距离为50米。

所述地面气象数据接收模块通过软件集成于所述计算机中。

所述数据处理器包含于所述计算机中，其包括：处理单元一，与所述两图像传感器连接，用于根据所述像对完成测量区域的天空的双成像云底高度的测量；以及处理单元二，与所述处理单元一、红外传感器以及地面气象数据接收模块连接，用于根据所述处理单元一计算的双成像云底高度、所述红外传感器测量的天空亮温以及地面气象数据接收模块获取的地面自动气象站的大气温度、地面相对湿度及能见度计算所测量区域天空云下垂直温度递减梯度系数形成垂直温度递减梯度系数数组，选用垂直温度递减梯度系数数组中的众数计算所测量区域天空的云高。

双成像云底高度的测量此处不再叙述，具体可参见中国发明专利CN101445772B《云高自动观测方法及其装置》，利用该发明所述装置即可实现自动完成所测量区域天空的双成像云底高度。

参见图3，本发明实施例提供的地基双波段云高的测量方法的具体实现步骤如下：301：依据图像传感器采集的测量区域的云的图像所形成的像对，完成该区域天空双成像云底高度的测量，获得该区域天空的双成像云底高度h。

双成像云底高度的测量方法此处不再叙述，具体可参见中国发明专利CN101445772B《云高自动观测方法及其装置》，利用该方法即可实现完成所测量区域天空的双成像云底高度。

302：依据所述双成像云底高度h，所述红外传感器获取的测量区域的天空亮温T_b以及地面气象数据接收模块获取测量区域的地面自动气象站的大气温度、地面相对湿度、能见度资料，计算该测量区域天空云下的垂直温度递减梯度系数K，形成垂直温度递减梯度系数数组；该垂直温度递减梯度系数的计算公式如下：

其中，A、B分别为由能见度和地面相对湿度的影响对红外亮温T_b的修正函数值，A＝0.03*hum+0.0002*H[0]，hum为地面相对湿度，

B＝0.5*(0.00101*V-5.25)，V为能见度。

由于双成像云底高度测量的准确性比较高，但可见光双成像云底高度测量只能在云的纹理清楚和白天才能进行双成像云底高度测量，所以双成像云底高度测量得到云底高度h，用于计算云下的垂直温度递减梯度系数K。

303：根据所述垂直温度递减梯度系数数组中的众数

利用红外反演云高公式，计算测量区域天空的云高H。

所述红外反演云高公式为：

本发明实施例只能在云的纹理清楚和白天才能进行双成像云底高度的测量，当不具备上述天气条件不能完成双成像云底高度测量时，则选用最新的垂直温度递减梯度系数数组中的众数

根据所述红外传感器采集的当前天空亮温T_b以及获取的地面自动气象站的当前大气温度、地面相对湿度、能见度资料，利用所述红外反演云高公式计算所测量区域天空的云高H。

参见图4，本发明实施例的详细工作流程如下：401：通过两可见光图像传感器不断采集测量区域天空云的红外和可见光图像。

402：判断能否建立该区域云的可见光图像的像对，如果是，则转向步骤403，如果否，则转向步骤406。

403：计算测量区域天空的双成像云底高度h。

404：根据所述双成像云底高度h，计算测量区域云下的垂直温度递减梯度系数K形成垂直温度递减梯度系数数组。

405：利用所述垂直温度递减梯度系数数组中K的众数和红外传感器测量的当前天空亮温T_b以及获取的地面自动气象站的当前大气温度t、地面相对湿度及能见度，利用红外反演云高公式计算云高H。

406：选用最新的所述垂直温度递减梯度系数数组中

的众数和红外传感器测量的当前天空亮温T_b以及获取的地面自动气象站的当前大气温度t、地面相对湿度及能见度，利用红外反演云高公式计算云高H。

本发明实施例通过将两可见光图像传感器及红外传感器采集的数据通过数据处理器进行处理不断获得某一区域天空云下的垂直温度递减梯度系数形成垂直温度递减梯度系数数组，选用该垂直温度递减梯度系数数组中K的众数结合天空亮温T_b以及地面自动气象站的大气温度t、地面相对湿度及能见度，连续计算云底高度，大大提高了红外传感器测量云高的准确性。

以上公开的仅为本发明的具体实施例，但本发明并非局限于此，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，做出的变形应视为属于本发明保护范围。

Claims (7)

1.一种地基双波段云高的测量装置，其特征在于，所述装置包括：

一数据处理器，分别与所述数据处理器连接的两用于获取测量区域天空云图像的可见光图像传感器，一用于获取所述区域天空亮温的红外传感器以及一用于获取地面自动气象站的大气温度、地面相对湿度及能见度的地面气象数据接收模块；

所述处理器用于根据所述图像形成的像对计算双成像云底高度，根据该云底高度及天空亮温、大气温度、地面相对湿度、能见度计算该区域云下垂直温度递减梯度系数形成垂直温度递减梯度系数数组，选用该系数数组中的众数计算该区域云高。

2.根据权利要求1所述的地基双波段云高的测量装置，其特征在于，所述两可见光图像传感器相距一定距离垂直向上放置，所述红外传感器置于所述两可见光图像传感器中间、水平竖直向上设置，或安装于一旋转平台上。

3.根据权利要求1或2所述的地基双波段云高的测量装置，其特征在于，所述两可见光图像传感器之间的距离为50米。

4.根据权利要求1所述的地基双波段云高的测量装置，其特征在于，所述数据处理器包括：

处理单元一，与所述两可见光图像传感器连接，用于根据所述图像形成的像对完成所测量区域双成像云底高度测量；以及

处理单元二，与所述处理单元一、红外传感器以及地面气象数据接收模块连接，用于根据所述双成像云底高度、天空亮温及大气温度、地面相对湿度及能见度计算所测区域天空云下垂直温度递减梯度系数形成垂直温度递减梯度系数数组，选用该垂直温度递减梯度系数数组中的众数计算测量区域天空的云高。

5.一种地基双波段云高的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据图像传感器获取测量区域的天空云的图像所形成的像对，计算所述区域天空的双成像云底高度h；

根据所述双成像云底高度h，红外传感器获取的测量区域的天空亮温T_b，以及地面自动气象站的大气温度t、地面相对湿度及能见度，计算并保存所述区域云下垂直温度递减梯度系数K形成垂直温度递减梯度系数数组；该系数K的计算公式如下：

根据所述垂直温度递减梯度系数数组中的众数

利用红外反演云高公式计算测量区域的云高H，所述红外反演云高公式如下：其中A、B分别为由能见度和地面相对湿度的影响对红外亮温T_b的修正函数值，A＝0.03*hum+0.0002*H[0]，hum为地面相对湿度，

B＝0.5*(0.00101*V-5.25)，V为能见度。

6.根据权利要求5所述的地基双波段云高的测量方法，其特征在于，获得所述双成像云底高度h的天气条件为白天和云底有纹理。

7.根据权利要求5所述的地基双波段云高的测量方法，其特征在于，在不具备获得所述双成像云底高度h的天气条件时，选用最新的垂直温度递减梯度系数数组中的众数，根据所述红外传感器获取的测量区域的当前天空亮温T_b以及获取的地面自动气象站的当前大气温度t、地面相对湿度及能见度，利用所述红外反演云高公式计算测量区域的云高H。

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