CN102520463A - 一种全天空可见光云成像系统 - Google Patents

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本发明公开了一种全天空可见光云成像系统。包括可见光成像仪、二维太阳跟踪机构、太阳遮挡机构、控制器、控制与数据采集处理器和载物台；所述可见光成像仪上设有鱼眼镜头；所述二维太阳跟踪结构包括驱动所述载物台做方位移动的方位跟踪机构和驱动所述太阳遮挡机构围绕所述可见光成像仪做俯仰转动的俯仰转动机构；所述可见光成像仪与所述控制与数据采集处理器相连接；所述方位跟踪机构和俯仰转动机构均依次与所述控制器和控制与数据采集处理器相连接。本发明的全天空可见光云成像系统可避免太阳直射光对可见光成像仪的破坏，长期安全地采集日间高时空分辨率的天空云数据信息，另外夜间在辅助光源的条件下(如路灯照明)亦能实现观测。

Description

一种全天空可见光云成像系统
技术领域
本发明涉及一种全天空可见光云成像系统，可作为气象大气探测和太阳能发电应用中天空云状和云量测量的实用系统。
背景技术
早期的地面云观测主要依靠人眼定时观测，由于人的个体差异，主观性较强且工作强度也较大；近期有红外云天仪，它是通过测量天空的红外亮温并结合二维扫描平台获得全天空红外辐射亮温分布图，进而通过云与大气的不同亮温分布获得天空云场特征。红外云天仪的优点是无论白天夜间均可观测，但是由于其通过点扫描来获得全天空的亮温信息，因此观测分辨率与观测时长之间彼此相互制约，若要求观测分辨率高则需要扫描时间加长，而要缩短观测时间则需要降低扫描分辨率。因此，不利于特殊天气条件及短期临近预报中的加强加密观测。
发明内容
本发明的目的是提供一种全天空可见光云成像系统，其可作为气象大气探测和太阳能应用中的具有较高的时间分辨率和空间分辨率的天空云状和云量分析测量系统。
本发明提供的一种全天空可见光云成像系统，包括可见光成像仪、二维太阳跟踪机构、太阳遮挡机构、控制器、控制与数据采集处理器和载物台；所述可见光成像仪、二维太阳跟踪机构和太阳遮挡机构均架设于所述载物台上；所述可见光成像仪上设有鱼眼镜头；所述二维太阳跟踪结构包括驱动所述载物台做方位移动的方位跟踪机构和驱动所述太阳遮挡机构围绕所述可见光成像仪做俯仰转动的俯仰转动机构；所述可见光成像仪与所述控制与数据采集处理器相连接；所述方位跟踪机构和俯仰转动机构均依次与所述控制器和控制与数据采集处理器相连接。
上述的全天空可见光云成像系统中，所述方位跟踪机构和俯仰转动机构均可固设于所述载物台的腔体内；所述可见光成像仪可通过固定轴设于所述载物台的上部。
上述的全天空可见光云成像系统中，所述方位跟踪机构和俯仰转动机构均可包括电机组和减速机；所述方位跟踪机构中的电机组的输出轴驱动与其相连的减速机，从而带动所述载物台做方位移动，同时设于所述载物台上的俯仰转动机构和太阳遮挡机构也随其进行方位移动；所述俯仰转动机构中的电机组的输出轴驱动与其相连的减速机，从而带动太阳遮挡机构做俯仰转动。
上述的全天空可见光云成像系统中，所述太阳遮挡机构可包括遮挡杆和固设于该遮挡杆上的遮挡片，所述遮挡杆可由钢材质制成，所述遮挡片可为黑色不透光硬质塑料或金属薄片。
上述的全天空可见光云成像系统中，所述遮挡杆为圆弧形细杆，有利于精确控制遮挡片的方位和仰角位置；遮挡杆的截面直径为8毫米，由杆所造成的画面遮挡较小；所述遮挡片为圆形，直径为6厘米，该遮挡片在准确遮挡太阳直射光的同时尽可能减少了对全天空图像的遮挡面积。
上述的全天空可见光云成像系统中，所述遮挡杆的两个自由端均可与设于所述载物台边缘处的支柱上的转动轴固定连接，所述转动轴与所述俯仰转动机构相连接，从而所述转动轴转动时可带动所述遮挡杆围绕所述可见光成像仪做俯仰转动。
上述的全天空可见光云成像系统中，所述遮挡杆的两个自由端均可与设于所述载物台边缘处的支柱上的从动轴固定连接，所述遮挡杆的其中一个自由端还通过四连杆机构与设于所述载物台上的主动轴固定连接，所述主动轴与所述俯仰转动机构相连接，从而所述主动轴转动时可带动所述遮挡杆围绕所述可见光成像仪做俯仰转动，所述四连杆机构可增强该系统的稳定性。
上述的全天空可见光云成像系统中，所述可见光成像仪可为CMOS数字图像传感器，所述鱼眼镜头为180°鱼眼镜头，所述CMOS数字图像传感器将180°视场内的光信号转换为电信号，并形成图像数据直接传送到所述控制与数据采集处理器中；所述CMOS数字图像传感器为尺寸相对较大的图像传感器，采集到的图像分辨率高，此外，其为瞬间成像，传感器响应所需时间非常短，因此观测时间分辨率可以达到很高(最高可实现每1秒获得一幅图像)。
上述的全天空可见光云成像系统中，所述可见光成像仪外套设有温控箱，可根据箱外温度调节箱内温度在0℃～40℃之间，所述温控箱一方面可以保护所述可见光成像仪及鱼眼镜头免受环境腐蚀，另外提高了该成像系统的野外观测能力，可适应-30℃～60℃的环境温度；所述温控箱的顶部上与所述鱼眼镜头的位置相应处为石英玻璃罩，其透过率高且强度硬。
上述的全天空可见光云成像系统中，所述控制器包括步进电机驱动器和单片机；所述控制器接收所述控制与数据采集处理器发出的指令并开始运行观测程序，所述单片机将输出的方位和俯仰驱动脉冲及方向信号输入至所述二维太阳跟踪结构和太阳遮挡机构，以进行太阳位置跟踪和直射光遮挡；同时向所述控制与数据采集处理器输出到达制定方位和仰角的信号；太阳跟踪到位及遮挡成功后，所述控制与数据采集器向所述可见光成像仪发出开始拍摄指令，则所述可见光成像仪开始拍摄，采集并获得该时刻的全天空视场范围的云图像。
本发明提供的全天空可见光云成像系统具有的有益效果是：该可见光全天空云成像系统可避免太阳直射光对可见光成像仪的破坏，长期安全地采集日间高时空分辨率的天空云数据信息，另外夜间在辅助光源的条件下(如路灯照明)亦能实现观测；所获得的高时空分辨率云场(云型和云量)资料，对特殊条件下的天气预报，对太阳能的利用中太阳能电厂发电量的预报亦很有价值。
附图说明
图1为本发明的全天空可见光云成像系统的结构示意图。
图中各标记如下：1CMOS数字图像传感器、2方位跟踪机构、3俯仰转动机构、4控制器、5控制与数据采集处理器、6载物台、7鱼眼镜头、8温控箱、9遮挡杆、10遮挡片、11从动轴、12四连杆机构、13主动轴、14石英玻璃罩。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
本发明提供的全天空可见光云成像系统包括CMOS数字图像传感器1、方位跟踪机构2、俯仰转动机构3、太阳遮挡机构、控制器4、控制与数据采集处理器5和载物台6；CMOS数字图像传感器1通过一固定轴(图中未示出)设于载物台6的上部；CMOS数字图像传感器1与控制与数据采集处理器5相连接(图中未示出)；CMOS数字图像传感器1上设有180°鱼眼镜头7，从而可将180°视场内的光信号转换为电信号，CMOS数字图像传感器1为尺寸相对较大的图像传感器，采集到的图像分辨率高，此外，其为瞬间成像，传感器响应所需时间非常短，因此观测时间分辨率最高可实现每1秒获得一幅图像；CMOS数字图像传感器1外套设有温控箱8，鱼眼镜头7也置于该控温箱8内，可根据箱外温度调节箱内温度在0℃～40℃之间，温控箱8一方面可以保护CMOS图像传感器1及鱼眼镜头7免受环境腐蚀，另外提高了该成像系统的野外观测能力，可适应-30℃～60℃的环境温度，以防止其受环境的腐蚀；温控箱8的顶部上与鱼眼镜头7的位置相应处设有石英玻璃罩14，其透过率高且具有较高的机械强度；方位跟踪机构2和俯仰转动机构3均设于载物台6的腔体内，方位跟踪机构2包括方位电机组和方位减速机(图中未示出)，方位电机组的输出轴驱动与其相连的方位减速机，从而带动载物台6在水平面内做方位移动，同时设于载物台6上的俯仰转动机构3和太阳遮挡机构也随其进行方位转动，此过程中，CMOS数字图像传感器1和固定轴保持相对静止；俯仰转动机构3包括俯仰电机组和俯仰减速机(图中未示出)，俯仰电机组的输出轴驱动与其相连的俯仰减速机，从而带动太阳遮挡机构做俯仰转动；方位跟踪机构2和俯仰转动机构3均依次与控制器4和控制与数据采集处理器5相连接；太阳遮挡机构包括半圆弧形钢材质细杆状的遮挡杆9和固定于其中部上的圆形的遮挡片10，直径为6厘米，该遮挡片10在准确遮挡太阳直射光的同时尽可能减少了对全天空图像的遮挡面积；遮挡杆9的两个自由端均与设于载物台6的边缘处的支柱上的从动轴11相连接，遮挡杆9的其中一个自由端还通过四连杆机构12与设于载物台6上的主动轴13固定连接，主动轴13与俯仰转动机构3相连接，从而主动轴3转动时可带动遮挡杆9围绕CMOS数字图像传感器1做俯仰转动，四连杆机构12可增强该系统的稳定性；控制器4包括步进电机驱动器和单片机(图中未示出)，接收控制与数据采集处理器5发出的指令并开始运行观测程序，单片机将输出的方位和俯仰驱动脉冲及方向信号输入至方位跟踪机构2、俯仰转动机构3和太阳遮挡机构，以进行太阳位置跟踪和直射光遮挡；同时向控制与数据采集处理器5输出到达制定方位和仰角的信号；太阳跟踪到位及遮挡成功后，控制与数据采集器5向控制器4发出开始拍摄指令，则CMOS数字图像传感器1开始拍摄，即可采集并获得该时刻的全天空视场范围的云图像。
上述的全天空可见光云成像系统中，可见光成像仪还可选择为其它类型的数字图像传感器；遮挡杆9的材质还可选择其它类型的硬质材料。
使用上述全天空可见光云成像系统时，控制与数据采集处理器5首先结合观测地经纬度和观测时间计算太阳所处方位和仰角，向控制器4发出开始跟踪置位指令，控制器4根据计算到的方位仰角信息控制方位跟踪机构2到指定的方位，然后控制俯仰转动机构3将遮挡杆9和遮挡片10转动至指定的仰角处，之后控制器4将成功置位到位的信息返回给控制与数据采集处理器5中；控制与数据采集处理器5接收到该信息后向CMOS数字图像传感器1发送拍摄指令，CMOS数字图像传感器1完成拍摄并存储图像文件，然后发送至控制与数据采集处理器5中，即获得该时刻的全天空180°视场范围的云图像。

Claims (9)

1.一种全天空可见光云成像系统，其特征在于：所述成像系统包括可见光成像仪、二维太阳跟踪机构、太阳遮挡机构、控制器、控制与数据采集处理器和载物台；所述可见光成像仪、二维太阳跟踪机构和太阳遮挡机构均设于所述载物台上；所述可见光成像仪上设有鱼眼镜头；所述二维太阳跟踪结构包括驱动所述载物台做方位移动的方位跟踪机构和驱动所述太阳遮挡机构围绕所述可见光成像仪做俯仰转动的俯仰转动机构；所述可见光成像仪与所述控制与数据采集处理器相连接；所述方位跟踪机构和俯仰转动机构均依次与所述控制器和控制与数据采集处理器相连接。
2.根据权利要求1所述的云成像系统，其特征在于：所述方位跟踪机构和俯仰转动机构均固设于所述载物台的腔体内；所述可见光成像仪通过固定轴设于所述载物台上。
3.根据权利要求1或2所述的云成像系统，其特征在于：所述方位跟踪机构和俯仰转动机构均包括电机组和减速机；所述太阳遮挡机构包括遮挡杆和固设于该遮挡杆上的遮挡片。
4.根据权利要求3所述的云成像系统，其特征在于：所述遮挡杆为圆弧形；所述遮挡片为圆形。
5.根据权利要求3或4所述的云成像系统，其特征在于：所述遮挡杆的两个自由端均与设于所述载物台边缘处的支柱上的转动轴固定连接，所述转动轴与所述俯仰转动机构相连接。
6.根据权利要求3或4所述的云成像系统，其特征在于：所述遮挡杆的两个自由端均与设于所述载物台边缘处的支柱上的从动轴固定连接，所述遮挡杆的其中一个自由端还通过四连杆机构与设于所述载物台上的主动轴固定连接，所述主动轴与所述俯仰转动机构相连接。
7.根据权利要求1-6中任一所述的云成像系统，其特征在于：所述可见光成像仪为CMOS数字图像传感器；所述鱼眼镜头为180°鱼眼镜头。
8.根据权利要求1-7中任一所述的云成像系统，其特征在于：所述可见光成像仪外套设有温控箱；所述温控箱的顶部上与所述鱼眼镜头的位置相应处为石英玻璃罩。
9.根据权利要求1-8中任一所述的云成像系统，其特征在于：所述控制器包括步进电机驱动器和单片机。
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