CN104267002B - 提高测量准确度的透射式能见度仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及透射式能见度仪。本发明针对现有技术中，透射式能见度仪在高能见度的情况下测量精度不高的问题，提供一种提高测量准确度的透射式能见度仪，包括透射式能见度仪本体，所述透射式能见度仪本体包括接收端及发射端，还包括光功率测量模块，拍摄模块、图片处理模块及数据处理模块。通过拍摄模块拍摄能见度待测场地内的景象图片，对图片进行处理得出能见度值，并将其作为高能见度下的测量参考标准，解决了透射式能见度的高能见度下测量易出现的测量漂移问题；同时，作为标准参考值使用。适用于提高测量准确度的透射式能见度仪。

Description

提高测量准确度的透射式能见度仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及透射式能见度仪，特别涉及提高测量准确度的透射式能见度仪。

背景技术

透射式能见度仪最符合能见度定义，因而是一种最理想的能见度测量装置。但是由于极其灵敏，极微弱的噪声，温度漂移或者机械位移都影响测试结果。低能见度时这些影响较低，高能见度时影响较大。这限制了透射式能见度仪的测量范围，透射式能见度仪表现为低能见度时测量数据准确，高能见度时测量数据发生加大飘移

对这个问题的解决方法首先是降低噪声，提高信噪比。但是信噪比有极限，实际测试发现，需要将信噪比提高到极限附近，才能勉强解决高能见度测量精度问题。信噪比提高，会导致成本的急剧上升。其次是增加测量的基线(指透射式能见度仪发射机和接收机之间的距离)长度。当基线长度增加时，测量的样品变大，相应的测量方位扩大。但是基线也有限制，比如不能超过标准气象观测场地长度等。综上，透射式能见度仪自身难以解决高能见度数据漂移和精度问题。

这个问题可以通过定期对能见度仪校准来解决。但这需要有能见度标准，并且需要人工参与，增加了使用和维护成本。

芬兰的Vaisala公司采用了在透射式能见度仪上集成一个散射式能见度仪，二者配合使用：在低能见度(3千米以下)使用透射式能见度仪的测试数据，在能见度高于三千米时，使用散射式能见度仪的数据。这种方法结合了透射式和散射式两种测试方法，可以发挥二者的优点，但是同时有两个不足：1)成本显著增加2)在环境污染比较严重的国家和地区，散射式测量数据准确性差。中国科学院遥感应用研究所提出的透射式和散射式结合的能见度测试方法，是在前向散射式能见度仪的基础上，用透射式测量值作为参考，对散射式测试值进行修正。

近些年来，国内外出现了照相式(摄像式)能见度测量仪。其机理是通过一台照相机或者工控机拍摄一幅图像，选取图像中两个距离较远的景物，读取其灰度值，结合实际两个景物之间的距离，就可以计算出能见度来。这种方法简单快捷，具有一定的优点。比如两个选取点之间的距离可以很远，这样测试的准确性就可以较高，而且选取的目标很灵活，容易快速实现等。但是照相式能见度测量不能全天工作，比如白天光照较好时数据准确，而夜间就不能工作了。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供提高测量准确度的透射式能见度仪及其测量方法，以达到解决高能见度测量精度问题的效果。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，提高测量准确度的透射式能见度仪，包括透射式能见度仪本体，所述透射式能见度仪本体包括接收端及发射端，还包括光功率测量模块，拍摄模块、图片处理模块及数据处理模块，所述拍摄模块与图片处理模块连接，图片处理模块与数据处理模块连接，数据处理模块与光功率测量模块连接，光功率测量模块分别与接收端及发射端连接；

所述拍摄模块，用于在高能见度的情况下拍摄能见度待测场地内的景象图片，并将图片传输给图片处理模块；

所述图片处理模块，用于对景象图片进行处理，计算出景象图片中的能见度，作为能见度标准值，并将其传输给数据处理模块；

所述光功率测量模块，用于分别测量接收端及发射端的光功率值，并将其传输给数据处理模块；

所述数据处理模块，用于根据接收端及发射端的光功率值及能见度标准值计算出能见度值。

具体的，所述图片处理模块通过双亮度对比方法对景象图片进行处理，计算出景象图片中的能见度。

进一步的，所述图片处理模块通过双亮度对比方法对景象图片进行处理，计算出景象图片中的能见度包括：

在图片中选取两个固定目标物，通过图像处理，得出目标在图片上的灰度值，及背景灰度值；测量出两个固定目标的实际距离之间的差值；

通过以下公式计算出能见度，作为能见度标准值：

$V_d=\frac{3.912(R_2-R_1)}{ln\[(G_{t1}-G_{g1})/(G_{t2}-G_{g2})\]};$

其中，V_d为能见度标准值，G_t1为目标一在图片上的灰度值，G_g1为为目标一的图片背景灰度值，G_t2为目标二在图片上的灰度值，G_g2为为目标二的图片背景灰度值，R₂-R₁为两个固定目标的实际距离之间的差值，其中R₂>R₁。

具体的，所述数据处理模块根据接收端及发射端的光功率值及能见度标准值计算出能见度值包括以下步骤：

步骤a、数据处理模块根据接收端及发射端的光功率值及能见度标准值计算出提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值；

步骤b、数据处理模块根据接收端及发射端的光功率值、能见度标准值及提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值计算出能见度值。

进一步的，数据处理模块根据接收端及发射端的光功率值及能见度标准值计算出提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值的公式如下：

$K=\frac{P_r}{P_t}*e^{-\frac{L*\ln \left(0.05\right)}{V_d}};$

其中，K为提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值、V_d为能见度标准值、L是提高测量准确度的透射式能见度仪的基线长度、P_r是接收端光功率、P_t是发射端光功率；

数据处理模块根据接收端及发射端的光功率值及提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值计算出能见度值的公式如下：

$V=\frac{L*ln\left(0.05\right)}{ln\left(\frac{P_r}{P_t*K}\right)};$

其中，V为能见度值，K为提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值，P_r是接收端光功率，P_t是发射端光功率，L是提高测量准确度的透射式能见度仪的基线长度。

提高透射式能见度仪测量准确度的方法，包括以下几个步骤：

步骤1、系统拍摄高能见度的情况下的能见度待测场地内的景象图片，并对景象图片进行处理，计算出待测场地内的能见度标准值；

步骤2、系统测量出接收端光功率及发射端光功率，并根据提高测量准确度的透射式能见度仪的基线长度及能见度标准值计算出提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值；

步骤3、根据提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值及能见度标准值计算出提高测量准确度的透射式能见度仪的能见度值。

具体的，所述步骤1中，系统通过双亮度对比方法对景象图片进行处理，计算出景象图片中的能见度。

进一步的，所述步骤1中，系统通过双亮度对比方法对景象图片进行处理，计算出景象图片中的能见度的方法包括：

在图片中选取两个固定目标物，通过图像处理，得出目标在图片上的灰度值，及背景灰度值；测量出两个固定目标的实际距离之间的差值；

通过以下公式计算出能见度，作为能见度标准值：

$V_d=\frac{3.912(R_2-R_1)}{ln\[(G_{t1}-G_{g1})/(G_{t2}-G_{g2})\]};$

其中，V_d为能见度标准值，G_t1为目标一在图片上的灰度值，G_g1为为目标一的图片背景灰度值，G_t2为目标二在图片上的灰度值，G_g2为为目标二的图片背景灰度值，R₂-R₁为两个固定目标的实际距离之间的差值。

具体的，所述步骤2中，系统测量出接收端光功率及发射端光功率，并根据提高测量准确度的透射式能见度仪的基线长度及能见度标准值计算出提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值的计算公式如下：

$K=\frac{P_r}{P_t}*e^{-\frac{L*\ln \left(0.05\right)}{V_d}};$

其中，K为提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值，V_d为能见度标准值，L是提高测量准确度的透射式能见度仪的基线长度，P_r是接收端光功率，P_t是发射端光功率。

具体的，所述步骤3中，根据提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值与接收端及发射端的光功率值，计算出提高测量准确度的透射式能见度仪的能见度值的公式如下：

$V=\frac{L*ln\left(0.05\right)}{ln\left(\frac{P_r}{P_t*K}\right)};$

其中，V为能见度值，K为提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值，P_r是接收端光功率，P_t是发射端光功率，L是提高测量准确度的透射式能见度仪的基线长度。

本发明的有益效果是，通过拍摄模块拍摄能见度待测场地内的景象图片，对图片进行处理得出能见度值，并将其作为高能见度下的测量参考标准，解决了透射式能见度的高能见度下测量易出现的测量漂移问题；

同时，作为标准参考值使用，拍摄模块不需要一直保持工作。

附图说明

图1为本发明提高测量准确度的透射式能见度仪及其测量方法实施例中系统通过双亮度对比方法对景象图片进行处理，计算出景象图片中的能见度的方法的结构图；

图2为本发明提高测量准确度的透射式能见度仪及其测量方法实施例中计算能见度值得系统结构流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详细描述本发明的技术方案：

本发明针对现有技术中，透射式能见度仪在高能见度的情况下测量精度不高的问题，提供一种提高测量准确度的透射式能见度仪，包括透射式能见度仪本体，所述透射式能见度仪本体包括接收端及发射端，还包括光功率测量模块，拍摄模块、图片处理模块及数据处理模块，所述拍摄模块与图片处理模块连接，图片处理模块与数据处理模块连接，数据处理模块与光功率测量模块连接，光功率测量模块分别与接收端及发射端连接；所述拍摄模块，用于在高能见度的情况下拍摄能见度待测场地内的景象图片，并将图片传输给图片处理模块；所述图片处理模块，用于对景象图片进行处理，计算出景象图片中的能见度，作为能见度标准值，并将其传输给数据处理模块；所述光功率测量模块，用于分别测量接收端及发射端的光功率值，并将其传输给数据处理模块；所述数据处理模块，用于根据接收端及发射端的光功率值及能见度标准值计算出能见度值。提高透射式能见度仪测量准确度的方法，首先，系统拍摄高能见度的情况下的能见度待测场地内的景象图片，并对景象图片进行处理，计算出待测场地内的能见度标准值；其次，系统测量出接收端光功率及发射端光功率，并根据提高测量准确度的透射式能见度仪的基线长度及能见度标准值计算出提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值；最后，根据提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值及能见度标准值计算出提高测量准确度的透射式能见度仪的能见度值。通过拍摄模块拍摄能见度待测场地内的景象图片，对图片进行处理得出能见度值，并将其作为高能见度下的测量参考标准，解决了透射式能见度的高能见度下测量易出现的测量漂移问题；同时，作为标准参考值使用，拍摄模块不需要一直保持工作。

实施例

本例的提高测量准确度的透射式能见度仪，包括透射式能见度仪本体，所述透射式能见度仪本体包括接收端及发射端，还包括光功率测量模块，拍摄模块、图片处理模块及数据处理模块，所述拍摄模块与图片处理模块连接，图片处理模块与数据处理模块连接，数据处理模块与光功率测量模块连接，光功率测量模块分别与接收端及发射端连接。

其中，拍摄模块，用于在高能见度的情况下拍摄能见度待测场地内的景象图片，并将图片传输给图片处理模块；具体的，对于能见度高低的判断标准，由用户自行根据需求进行选择，并不设定能见度高低的判断标准。

图片处理模块，用于对景象图片进行处理，计算出景象图片中的能见度，作为能见度标准值，并将其传输给数据处理模块。

光功率测量模块，用于分别测量接收端及发射端的光功率值，并将其传输给数据处理模块；光轴偏移是由于地基沉降或者热胀冷缩使得光路部件位置微弱位移，光轴发生位移，接收机接收到的光功率就会下降，实时对接收端及发射端的光功率值进行测量，可以保证光功率值得准确性，从而保证能见度测量的准确性。

所述数据处理模块，用于根据接收端及发射端的光功率值及能见度标准值计算出能见度值。以上数据处理，都是智能运行，并不需要仍维护，提高了数据的准确性，不需要增加维护成本。

具体的，所述图片处理模块通过双亮度对比方法对景象图片进行处理，计算出景象图片中的能见度。

如图1所示，在图片中选取两个固定目标物，通过图像处理，得出目标在图片上的灰度值，及背景灰度值；测量出两个固定目标的实际距离之间的差值；在CCD面阵光电响应特性均匀的条件下，不难得到目标和其背景的亮度差为：

G_ti-G_gi＝K₁(B_ti-B_gi)＝K₁(B_ti-0-B_gi-0)exp(-σR_i)

其中，i＝1,2，B_ti是目标物自身的亮度，B_gi是背景自身的亮度，G_ti是目标物在CCD(相机)上的灰度，G_gi是背景固有灰度，K₁是CCD数字摄像系统的亮度灰度转换系数，σ是消光系数。

通过以下公式计算出能见度，作为能见度标准值：

$V_d=\frac{3.912(R_2-R_1)}{ln\[(G_{t1}-G_{g1})/(G_{t2}-G_{g2})\]};$

其中，V_d为能见度标准值，G_t1为目标一在图片上的灰度值，G_g1为为目标一的图片背景灰度值，，G_t2为目标二在图片上的灰度值，G_g2为为目标二的图片背景灰度值，R₂-R₁为两个固定目标的实际距离之间的差值。

其中，数据处理模块根据接收端及发射端的光功率值及能见度标准值计算出能见度值包括以下步骤：

步骤a、数据处理模块根据接收端及发射端的光功率值及能见度标准值计算出提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值，公式如下：

$K=\frac{P_r}{P_t}*e^{-\frac{L*\ln \left(0.05\right)}{V_d}};$

其中，K为提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值、V_d为能见度标准值、L是提高测

量准确度的透射式能见度仪的基线长度、P_r是接收端光功率、P_t是发射端光功率。

透射式能见度仪的优点是测量精度高，这是由于它需要测量出大气的微弱变化，因而其灵敏度极高，但是这反过来造成了其对测量条件的要求苛刻，微弱的变化都对导致其测量数据出现系统误差。例如：窗口玻璃污染：窗口玻璃污染效果可以和空气不透明度上升等效，因而可等效为能见度下降；光轴偏移：光轴偏移是由于地基沉降或者热胀冷缩使得光路部件位置微弱位移，光轴发生位移，接收机接收到的光功率下降。也可以等效为能见度下降，这些因素和仪器的其他特性一起，都由K值来表示；当重新标校后，上面的这些因素都被K值重新标定了。上述因素造成的系统误差，在低能见度表现不显著，在高能见度下表现显著。标定可以消除系统误差，因而可以改进高能见度下的数据稳定度。

步骤b、数据处理模块根据接收端及发射端的光功率值、能见度标准值及提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值计算出能见度值，公式如下：

$V=\frac{L*ln\left(0.05\right)}{ln\left(\frac{P_r}{P_t*K}\right)};$

其中，V为能见度值，K为提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值，P_r是接收端光功率，P_t是发射端光功率，L是提高测量准确度的透射式能见度仪的基线长度；

具体的，提高透射式能见度仪测量准确度的方法，如图2所示，包括以下几个步骤：

步骤1、系统拍摄高能见度的情况下的能见度待测场地内的景象图片，并对景象图片进行处理，计算出待测场地内的能见度标准值；其中，系统通过双亮度对比方法对景象图片进行处理，计算出景象图片中的能见度。如图1所示，在图片中选取两个固定目标物，通过图像处理，得出目标在图片上的灰度值，及背景灰度值；测量出两个固定目标的实际距离之间的差值；在CCD面阵光电响应特性均匀的条件下，不难得到目标和其背景的亮度差为：

G_ti-G_gi＝K₁(B_ti-B_gi)＝K₁(B_ti-0-B_gi-0)exp(-σR_i)；

其中，i＝1,2，B_ti是目标物自身的亮度，B_gi是背景自身的亮度，G_ti是目标物在CCD(相机)上的灰度，G_gi是背景固有灰度，K₁是CCD数字摄像系统的亮度灰度转换系数，σ是消光系数。

通过以下公式计算出能见度，作为能见度标准值：

$V_d=\frac{3.912(R_2-R_1)}{ln\[(G_{t1}-G_{g1})/(G_{t2}-G_{g2})\]};$

其中，V_d为能见度标准值，G_t1为目标一在图片上的灰度值，G_g1为为目标一的图片背景灰度值，G_t2为目标二在图片上的灰度值，G_g2为为目标二的图片背景灰度值，R₂-R₁为两个固定目标的实际距离之间的差值。

步骤2、系统测量出接收端光功率及发射端光功率，并根据提高测量准确度的透射式能见度仪的基线长度及能见度标准值计算出提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值，计算公式如下：

$K=\frac{P_r}{P_t}*e^{-\frac{L*\ln \left(0.05\right)}{V_d}};$

其中，K为提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值、V_d为能见度标准值、L是提高测量准确度的透射式能见度仪的基线长度、P_r是接收端光功率、P_t是发射端光功率。

步骤3、根据提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值及能见度标准值计算出提高测量准确度的透射式能见度仪的能见度值，计算公式如下：

$V=\frac{L*ln\left(0.05\right)}{ln\left(\frac{P_r}{P_t*K}\right)};$

其中，V为能见度值，K为提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值，P_r是接收端光功率，P_t是发射端光功率，L是提高测量准确度的透射式能见度仪的基线长度。

Claims (10)

1.提高测量准确度的透射式能见度仪，包括透射式能见度仪本体，所述透射式能见度仪本体包括接收端及发射端，其特征在于，还包括光功率测量模块，拍摄模块、图片处理模块及数据处理模块，所述拍摄模块与图片处理模块连接，图片处理模块与数据处理模块连接，数据处理模块与光功率测量模块连接，光功率测量模块分别与接收端及发射端连接；

所述拍摄模块，用于在高能见度的情况下拍摄能见度待测场地内的景象图片，并将图片传输给图片处理模块；

所述图片处理模块，用于对景象图片进行处理，计算出景象图片中的能见度，作为能见度标准值，并将其传输给数据处理模块；

所述光功率测量模块，用于分别测量接收端及发射端的光功率值，并将其传输给数据处理模块；

所述数据处理模块，用于根据接收端及发射端的光功率值及能见度标准值计算出能见度值。

2.根据权利要求1所述的提高测量准确度的透射式能见度仪，其特征在于，所述图片处理模块通过双亮度对比方法对景象图片进行处理，计算出景象图片中的能见度。

3.根据权利要求2所述的提高测量准确度的透射式能见度仪，其特征在于，所述图片处理模块通过双亮度对比方法对景象图片进行处理，计算出景象图片中的能见度包括：

在图片中选取两个固定目标物，通过图像处理，得出目标在图片上的灰度值，及背景灰度值；测量出两个固定目标的实际距离之间的差值；

通过以下公式计算出能见度，作为能见度标准值：

其中，V_d为能见度标准值，G_t1为目标一在图片上的灰度值，G_g1为目标一的图片背景灰度值，G_t2为目标二在图片上的灰度值，G_g2为目标二的图片背景灰度值，R₂-R₁为两个固定目标的实际距离之间的差值。

4.根据权利要求1所述的提高测量准确度的透射式能见度仪，其特征在于，所述数据处理模块根据接收端及发射端的光功率值及能见度标准值计算出能见度值包括以下步骤：

步骤a、数据处理模块根据接收端及发射端的光功率值及能见度标准值计算出提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值；

步骤b、数据处理模块根据接收端及发射端的光功率值、能见度标准值及提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值计算出能见度值。

5.根据权利要求4所述的提高测量准确度的透射式能见度仪，其特征在于，数据处理模 块根据接收端及发射端的光功率值及能见度标准值计算出提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值的公式如下：

其中，K为提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值，V_d为能见度标准值，L是提高测量准确度的透射式能见度仪的基线长度，P_r是接收端光功率，P_t是发射端光功率；

数据处理模块根据接收端及发射端的光功率值及提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值，计算出能见度值的公式如下：

其中，V为能见度值，K为提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值，P_r是接收端光功率，P_t是发射端光功率，L是提高测量准确度的透射式能见度仪的基线长度。

6.提高透射式能见度仪测量准确度的方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤1、系统拍摄高能见度的情况下的能见度待测场地内的景象图片，并对景象图片进行处理，计算出待测场地内的能见度标准值；

步骤2、系统测量出接收端光功率及发射端光功率，并根据提高测量准确度的透射式能见度仪的基线长度及能见度标准值计算出提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值；

步骤3、根据提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值及接收端及发射端的光功率值计算出提高测量准确度的透射式能见度仪的能见度值。

7.根据权利要求6所述的提高透射式能见度仪测量准确度的方法，其特征在于，所述步骤1中，系统通过双亮度对比方法对景象图片进行处理，计算出景象图片中的能见度。

8.根据权利要求7所述的提高透射式能见度仪测量准确度的方法，其特征在于，所述步骤1中，系统通过双亮度对比方法对景象图片进行处理，计算出景象图片中的能见度的方法包括：

在图片中选取两个固定目标物，通过图像处理，得出目标在图片上的灰度值，及背景灰度值；测量出两个固定目标的实际距离之间的差值；

通过以下公式计算出能见度，作为能见度标准值：

其中，V_d为能见度标准值，G_t1为目标一在图片上的灰度值，G_g1为目标一的图片背景灰 度值，G_t2为目标二在图片上的灰度值，G_g2为目标二的图片背景灰度值，R₂-R₁为两个固定目标的实际距离之间的差值。

9.根据权利要求6所述的提高透射式能见度仪测量准确度的方法，其特征在于，所述步骤2中，系统测量出接收端光功率及发射端光功率，并根据提高测量准确度的透射式能见度仪的基线长度及能见度标准值计算出提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值的计算公式如下：

其中，K为提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值、V_d为能见度标准值、L是提高测量准确度的透射式能见度仪的基线长度、P_r是接收端光功率、P_t是发射端光功率。

10.根据权利要求6所述的提高透射式能见度仪测量准确度的方法，其特征在于，所述步骤3中，根据提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值与接收端及发射端的光功率值计算出提高测量准确度的透射式能见度仪的能见度值的公式如下：

其中，V为能见度值，K为提高测量准确度的透射式能见度仪的标定值，P_r是接收端光功率，P_t是发射端光功率，L是提高测量准确度的透射式能见度仪的基线长度。