CN104483717A - 高空风自动测量仪 - Google Patents

Abstract

一种高空风自动测量仪，包括镜头、回转平台、操控系统和基座，其特征是回转平台的内转套垂直安装在基座的纵轴套中；方位角控制电机固装在内转套内；方位角控制电机的输出轴固接在基座上；方位传感器的一端固装在纵轴套上，方位传感器的另一端固装在回转平台的壳体内；成像系统的前端设置镜头，镜头的后端固定组装在安装平板上，图像传感器组装在安装平板上；成像系统通过两横轴水平转动连接在回转平台上，一侧横轴与高低角控制电机的输出轴连接，另一侧横轴与高低传感器的输入轴固定连接。本发明增加了方位角度调整的伺服驱动，实现了小球测风的自动追踪与测量。能对测量目标进行数字成像、识别锁定；具有性能稳定、便携易用等特点。

Description

高空风自动测量仪

技术领域

本发明属于一种高空风测量仪器，特别是一种小球测风用自动追踪探空气球的风向风速测量设备。本发明能够完成对探空气球的自动追踪、数据采集，实现一键式空中风探测。

背景技术

在部队、野外训练中，小球测风是高空风测量的一种常用的技术手段。测量人员通过架设在地面的测量仪器对探空气球进行追踪观测，确定其运动轨迹。探空气球的运动轨迹可反应出测量区域的高空风的实时状态，由此实现了高空风的测量。由于高空风的测量覆盖范围较大，空中风复杂多变，往往需要用测量仪器对探空气球进行长时间连续不间断的人工追踪观测，才能获得准确的高空风数据。而在实际测量操作中，观测效果会受到气候条件变化、人员业务水平及工作状态波动等因素的直接影响。如何解决既要降低观测对人员和气候条件需求的高度依赖，又不影响观测结果，一直是我国小球测风仪器研制和使用中的难题。

探空气球运动初始角度变化大；运动中期角度变化不规律，运行时间长；运动末期，目标影像小，易受干扰而丢失。目前的测量技术大多是通过光学系统采用人工观测的方式捕捉目标，捕捉到目标后再手动调整仪器追踪目标。目前，国内尚无小球测风目标自动追踪、采集处理的测量设备。研制与开发能够通过图像显示并识别探空气球，通过伺服驱动对探空气球进行自动追踪的便携测量仪器，是解决上述问题的有效途径。高空风自动测量仪不仅能为小球测风提供有效手段，而且为降低气象观测对人员业务水平和状态的高度依赖程度，降低操作人员的工作强度提供一种新手段，具有重要应用价值和显著的经济效益。

发明内容

本发明的目的是提供一种小球测风用自动追踪探空气球的风向风速测量设备，采用光学望远、数字成像与图像处理，实现影像目标识别锁定；利用伺服电机的步进随动特性，采用伺服电机控制光学系统精确回转定向的方法，实现对观测目标的自动追踪；利用角度传感器的工作特性，实时采集角度数据，实现目标方位角的连续自动测量。

本发明提供的技术方案是：包括镜头、回转平台、操控系统和基座，其特征是：在基座上固定连接纵轴套，回转平台嵌装的内转套垂直安装在纵轴套中；方位角控制电机输出轴向下设置，方位角控制电机固定组装在回转平台的内转套内；方位角控制电机的输出轴固定连接在基座上；回转平台的内转套上连接调整限位螺母；方位传感器的一端固定组装在纵轴套的法兰上端面上，方位传感器的另一端固定组装在回转平台的壳体内部；在方位角控制电机驱动下，回转平台能做范围360度的水平转动；

成像系统的前端设置镜头，镜头的后端固定组装在安装平板上，CCD图像传感器组装在安装平板上；成像系统通过两侧横轴水平转动连接在回转平台上的轴孔中，一侧横轴与高低角控制电机的输出轴连接，另一侧横轴与高低传感器的输入轴固定连接，高低传感器固定连接在回转平台上；以横轴为转轴，在高低角控制电机驱动下，成像系统能做范围190度的俯仰转动。

本发明的积极效果：通过图像电子识别、显示系统，增加了方位角度调整的伺服驱动，实现了小球测风的自动追踪与测量。弥补了目前测风观测时需人工通过目镜对测量目标进行目测搜索识别，需人工通过双手不断转动调整手轮实现跟踪测量目标等不足，改善了观测人员工作强度大、对业务水平要求高等情况。能对测量目标进行数字成像、识别锁定；具有性能稳定、便携易用，使用成本低等特点。方便在部队、野外训练时使用，适宜长期观测，且有利于批量生产。

附图说明

图1是本发明的外部整体示意图。

图2是图1的左视图。

图3是成像系统示意图。

图4是图3的左视图。

图5是成像系统通过横轴连接在回转平台上的结构示意图。

图6是纵轴套、基座与回转平台的连接结构示意图。

图7是操控系统、电池与回转平台连接结构示意图。

图8是基座内部连接结构示意图。

图9是本发明的电路控制连接示意图。

具体实施方式

见图1-8，本发明的具体结构如下：在三角底座9上设置调平的基座7，基座7上设置现有结构的气泡22和水平调整螺8。在基座7上固定连接纵轴套15，回转平台5嵌装的内转套17垂直安装在纵轴套15中；方位角控制电机13输出轴向下设置，方位角控制电机13用螺钉固定组装在回转平台5的内转套17内；方位角控制电机13的输出轴用螺钉固定连接在基座7上；回转平台的内转套17上连接调整限位螺母16。

见图6，方位传感器12的一端（固定端）用螺钉固定组装在纵轴套15的法兰上端面上，方位传感器12的另一端（移动端）用螺钉固定组装在回转平台5的壳体内部。

见图6-8，在回转平台5的正面设置前面板4，前面板4上组装键盘20和显示屏19，主控计算机板21固定组装在前面板的背面；在回转平台5的背面组装电池6、设置输出接口14。以纵轴套15为回转中心，在方位角控制电机13驱动下，回转平台5可做范围360度的水平转动。

见图1-5，成像系统2包括有一个两侧固接横轴2-2的安装平板2-1，成像系统2的前端设置镜头2-4，镜头2-4的后端用螺钉固定组装在安装平板2-1上，CCD图像传感器2-3同样用螺钉固定组装在安装平板2-1上；成像系统通过两侧横轴水平转动连接在回转平台上的轴孔中，一侧横轴与高低角控制电机10的输出轴连接，另一侧横轴与高低传感器11的输入轴固定连接，高低传感器11固定连接在回转平台5上；在回转平台5上按现有技术固定设置磁针1。CCD图像传感器2-3的角度分辨率＜0.1″，水平分辨率850TVL；镜头2-4的焦距10-300mm，测量目标直径1m—1.5m，测量距离＜7000m。

以横轴2-2为转轴，在高低角控制电机10驱动下，成像系统2能做范围190度的俯仰转动。

见图9，本仪器的控制电路连接结构如下：采用市场提供的主控计算机板21，板内嵌入CPU芯片和现有技术图像处理DSP板，其中高低角控制信号数据端口J1与高低角控制电机10相连；方位角控制信号数据端口J2与方位角控制电机13相连；键盘控制信号数据端口J6与键盘20的端口相连；显示屏控制信号数据端口J5与显示屏19的相应端口相连；方位传感信号的数据端口J9与方位传感器12的端口相连；高低传感信号的数据端口J10与高低传感器11的端口相连；镜头信号的数据端口J3与镜头2-4的端口相连；CCD图像传感信号的数据端口J4与CCD图像传感器2-3的端口相连；电源数据端口J7与电池6输出口相连；数据端口J8与输出接口14相连。

工作原理

高空风自动测量仪调平归零后，由CCD图像传感器2-3通过对镜头2-4收集目标影像信息进行扫描，形成数字影像视频信号，影像信号由主控计算机板21的图像处理DSP芯片处理，得到比较清晰的图像。经主控计算机板计算确定目标在图像中的位置以及移动方向、速度，得到追踪目标所需的俯仰位置偏移和水平位置偏移调整信号量。调整信号量传送给控制电机，高低角控制电机10负责接收俯仰位置偏差调整信号量，并根据调整信号量控制起停及正反转，驱动横轴2-2进行俯仰角度调整；方位角控制电机13负责接收水平位置偏差调整信号量，并根据调整信号量控制起停及正反转，驱动回转平台5带着成像系统2进行水平角度转动调整。使目标影像位居在显示图像十字分划位置，实现伺服跟踪。由方位传感器12、高低传感器11完成转动角度值的实时测量。

显示屏19、键盘20，用于人员对系统的操作、设置及交互功能，用于完成目标图像的电子可视功能，最终实现一键式空中风探测，完成自动跟踪探空气球、数据采集、数据显示及通报的生成等操作。

Claims (1)

1.一种高空风自动测量仪，包括镜头、回转平台、操控系统和基座，其特征是：在基座上固定连接纵轴套，回转平台嵌装的内转套垂直安装在纵轴套中；方位角控制电机输出轴向下设置，方位角控制电机固定组装在回转平台的内转套内；方位角控制电机的输出轴固定连接在基座上；回转平台的内转套上连接调整限位螺母；方位传感器的一端固定组装在纵轴套的法兰上端面上，方位传感器的另一端固定组装在回转平台的壳体内部；在方位角控制电机驱动下，回转平台能做范围360度的水平转动；

成像系统的前端设置镜头，镜头的后端固定组装在安装平板上，CCD图像传感器组装在安装平板上；成像系统通过两侧横轴水平转动连接在回转平台上的轴孔中，一侧横轴与高低角控制电机的输出轴连接，另一侧横轴与高低传感器的输入轴固定连接，高低传感器固定连接在回转平台上；以横轴为转轴，在高低角控制电机驱动下，成像系统能做范围190度的俯仰转动。