CN104777103A - 一种视距能见度仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种视距能见度仪及其测量方法，能够真实模拟人正常视力的感光度，直接、真实地获得大气能见距离。涉及高速公路团雾的实时监测和大气能见度测量领域。本发明包括靶体和依次连接的光学放大器、近红外面阵CCD传感器、嵌入式信号处理单元，以及设置于靶体与光学放大器之间的雾能量激发器。相比于传统的数字摄像能见度测量方法，本发明无需场景参照物，不受大气环境中光照、温度等环境因素的影响，不分白天和昼夜模式，具有全天候，测量精度高，稳定性好，结构简单，体积小，成本低等优点，适合于能见度的实时测量和需要密集布点的高速公路团雾监测。

Description

一种视距能见度仪及其测量方法

技术领域

本发明提出一种新的视距能见度仪及测量方法，涉及高速公路团雾的实时监测和大气能见度测量领域。

背景技术

大气能见度是目标物体的可见距离，是气象观测的常规项目。能见度在天气预报、环境监测、交通运输安全、目标侦察和武器制导等领域有着重要的应用。

已有研究表明，能见度低于200m的低能见度雾天对高速公路交通安全所造成的影响较大，其中突发团雾产生的危害最大，且最难以预报。团雾，气象学上称之为辐射雾，受局部地区微气候环境的影响，雾气更浓，能见度更低。高速公路上团雾区域性很强，无雾处视线良好，在团雾区域能见度迅速降低。团雾大多属于突然出现、难以预报，会严重影响驾驶人准确及时地获取路况信息，从而引发驾驶人心理紧张而诱发交通事故，造成严重人员伤亡和财产损失。因此，能否实时准确地对恶劣天气的大气能见度进行监测，并及时发出预警信息具有重大社会经济意义。

传统的能见度探测方法是人工目测，利用人眼从最远背景中辨认出目标物，然后进行定量估计的过程。实际目测中，由于影响大气能见度的因素很多，例如目标物与背景的物理特性、大气特性等，因此目测法不可避免地存在主观性和时空环境限制，误差通常较大，特别是夜间大气能见度的目测结果误差会更大。

目前，常用的仪器测能见度仪有透射式和散射式两种。透射式能见度仪利用光在不同特征的大气中传输时会发生透射率变化来确定能见度值。虽然透射式能见度仪在低能见度时性能相当好，但其体积较庞大，探测精度取决于基线长度，安装复杂，价格昂贵，较适用于机场等领域，而难以应用于需要密集布点的高速公路团雾实时监测与测量场景。散射式能见度仪通过适当的角度测量大气的散射光强，计算出大气消光系统，从而得到能见度值。散射式能见度仪成本较低，安装方便，然而当能见度低时，大气中的气溶胶较多，对光的吸引作用较大，散射光强并不完全正比于散射系数，造成能见度测量值偏高，难满足高速公路能见度监测（QX/T 76-200）标准所关注的 （高速公路需封闭）。

近年来，基于数字摄像的能见度探测分析法，利用CCD摄像机的图像直接获取能见度信息，具有结构简单、体积小、成本低、客观性好、自动化程度高和适应性好等优点获得了学术界和工业界的广泛关注。而传统的数字摄像法存在着白天、夜间两种不同的测量模式，需要远处场景参照物，例如人工放置远景参照物或采用检测路段路面车道线为远景参照物，这样给实际使用带来一定的局限性。因此，如何实现全天候、实时准确、不受参照物影响且易于组网的视距能见度仪，解决高速公路团雾实时监测的技术难题，具有非常重要的现实意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于解决传统的数字摄像法存在白天、夜间模式，不能全天候监测，同时克服传统的散射式能见度仪在低能见度时测量精度差的问题。

一种视距能见度仪，其特征在于包括靶体和依次连接的光学放大器、近红外面阵CCD传感器、嵌入式信号处理单元，以及设置于靶体与光学放大器之间的雾能量激发器；

所述近红外面阵CCD传感器用于感知前述靶体，获取靶体的视亮度信息；

所述光学放大器用于在有雾的状态下，通过与其匹配的雾能量激发器作用，放大被测靶体的视亮度信息，增强感光度；

所述嵌入式信号处理单元用于通过对前述近红外面阵CCD传感器感知的靶体视亮度信息进行分析计算得出能见度数值；

所述近红外面阵CCD传感器与靶体的间距为0.3~0.6m。

本发明所述的视距能见度仪，所述雾能量激发器对波长为850~980nm的激光进行1~5K的频率调制，满足近红外CCD面阵传感器感应波长，同时能对雾形态给予激发，形成一个均衡光场，大大减小外界光的干扰。

本发明所述的视距能见度仪，所述近红外面阵CCD传感器探测波长范围为850~1100nm；分辨率为1628×1236像素，可用12位模式扫描，每个像素的亮度为一个强度值，取值范围为0～4095，其中0表示黑色，4095表示纯白色。

本发明所述的视距能见度仪，所述靶体为圆形，其直径为0.3~0.5m。

利用本发明所述的视距能见度仪进行能见度的测量方法，包括如下步骤：

步骤1：每隔1~15秒采集近红外面阵CCD传感器输出的像素信息；

步骤2：通过像素点明暗值的变化对输出的像素信息进行计算，获得相对视亮度的对比值，由相对视亮度对比值获得实际视亮度的对比值                                                由式（1）定义：

                                    (1)

其中为近红外面阵CCD传感器感知到的白色视亮度，为近红外面阵CCD传感器感知到的黑色视亮度。由于式（1）是2种视亮度强度的比值，因此没必要知道绝对的视亮度值，通过像素点明暗值的变化可得到相对视亮度的对比值；

步骤3：由Beer-Lambert-Boguer定律，可得大气水平能见度为：

                               (2)

其中，为近红外面阵CCD传感器与靶体的间距；为无雾状态下相对视亮度的对比值；人眼通过一段大气去观测目标物，实际看到的是视亮度，因此常量0.02表示视觉阈值；

步骤4：虽然近红外面阵CCD传感器模拟人正常视力的感光度，但由于不同波长的光对大气穿透性不同，因此对大气水平能见度进行修正，可得最终的视距能见度为：

                     (3)

其中，常量表示波长为的绿光（人类的眼睛对波长的光最敏感）；为雾能量激发器输出波长；为波长修正因子，取决于水平能见度，当，；当，；当，；当，；当，。

本发明的优点在于：

（1）本发明采用了比较成熟的近红外面阵CCD传感器、嵌入式信号处理单元，结构简单，成本低，不需要额外的温度控制能够稳定工作于-30～80℃野外环境。

（2）本发明克服了传统的数字摄像法测量方式的不足，不分白天、夜间模式，无需远景参照物，避免了日照、车灯光和不同参照物对测量精度的影响，准确性高，稳定性好，实现了全天候监测。

（3）本发明克服了传统的散射式能见度仪在低能见度时测量精度差的缺点，同时采用高速嵌入式处理芯片，提高了视距能见度信息处理与识别速度，灵敏度高，适应性强，特别适合于能见度的实时测量和需要密集布点的高速公路团雾的实时监测，具有广阔的市场应用价值。

附图说明

图1是本发明所述视距能见度仪的示意框图；

图2是本发明所述视距能见度仪的测量方法流程图。

具体实施方式

本发明所述的一种视距能见度仪，如图1所示，包括靶体和依次连接的光学放大器、近红外面阵CCD传感器、嵌入式信号处理单元，以及设置于靶体与光学放大器之间的雾能量激发器；

所述近红外面阵CCD传感器用于感知前述靶体，获取靶体的视亮度信息；

所述光学放大器用于在有雾的状态下，通过与其匹配的雾能量激发器作用，放大被测靶体的视亮度信息，增强感光度；

所述嵌入式信号处理单元用于通过对前述近红外面阵CCD传感器感知的靶体视亮度信息进行分析计算得出能见度数值；

所述近红外面阵CCD传感器与靶体的间距为0.3~0.6m。

本发明所述的视距能见度仪，所述雾能量激发器对波长为850~980nm的激光进行1~5K的频率调制，满足近红外CCD面阵传感器感应波长，同时能对雾形态给予激发，形成一个均衡光场，大大减小外界光的干扰。

本发明所述的视距能见度仪，所述近红外面阵CCD传感器探测波长范围为850~1100nm；分辨率为1628×1236像素，可用12位模式扫描，每个像素的亮度为一个强度值，取值范围为0～4095，其中0表示黑色，4095表示纯白色。

本发明所述的视距能见度仪，所述靶体为圆形，其直径为0.3~0.5m。

利用本发明所述的视距能见度仪进行能见度的测量方法，如图2所示，包括如下步骤：

步骤1：每隔1~15秒采集近红外面阵CCD传感器输出的像素信息；

步骤2：对输出的像素信息进行计算，获得相对视亮度的对比值，由相对视亮度对比值获得实际视亮度的对比值由式（1）定义：

                                    (1)

其中为近红外面阵CCD传感器感知到的白色视亮度，为近红外面阵CCD传感器感知到的黑色视亮度。由于式（1）是2种视亮度强度的比值，因此没必要知道绝对的视亮度值，通过像素点明暗值的变化可得到相对视亮度的对比值；

步骤3：由Beer-Lambert-Boguer定律，可得大气水平能见度为：

                               (2)

其中，为近红外面阵CCD传感器与靶体的间距；为无雾状态下相对视亮度的对比值；人眼通过一段大气去观测目标物，实际看到的是视亮度，因此常量0.02表示视觉阈值；

步骤4：虽然近红外面阵CCD传感器模拟人正常视力的感光度，但由于不同波长的光对大气穿透性不同，因此对大气水平能见度进行修正，可得最终的视距能见度为：

                     (3)

其中，常量表示波长为的绿光（人类的眼睛对波长的光最敏感）；为雾能量激发器输出波长；为波长修正因子，取决于水平能见度，当，；当，；当，；当，；当，。

本发明所述的视距能见度仪及其测量方法，能够真实模拟人正常视力的感光度，通过分析近红外面阵CCD传感器所获取的数字感光信息，根据大气能见度的定义和视觉对比感阈值，直接获取大气的综合能见度。本发明利用嵌入式处理单元，提高了视距能见度信息处理和识别速度，测量灵敏度高，稳定性好，结构简单，体积小，成本低，适应性强，适合于能见度的实时测量和需要密集布点的高速公路团雾监测。本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵思想的情况下做类似推广，因此本发明不受上面公开的具体实施方式的限制。

Claims (5)

1.一种视距能见度仪，其特征在于包括靶体和依次连接的光学放大器、近红外面阵CCD传感器、嵌入式信号处理单元，以及设置于靶体与光学放大器之间的雾能量激发器；

所述近红外面阵CCD传感器用于感知前述靶体，获取靶体的视亮度信息；

所述光学放大器用于在有雾的状态下，通过与其匹配的雾能量激发器作用，放大被测靶体的视亮度信息，增强感光度；

所述嵌入式信号处理单元用于通过对前述近红外面阵CCD传感器感知的靶体视亮度信息进行分析计算得出能见度数值；

所述近红外面阵CCD传感器与靶体的间距为0.3~0.6m。

2.如权利要求1所述的视距能见度仪，其特征在于所述雾能量激发器的输出波长为850~980nm。

3.如权利要求1或2所述的视距能见度仪，其特征在于所述近红外面阵CCD传感器探测波长范围为850~1100nm；分辨率为1628×1236像素，可用12位模式扫描，每个像素的亮度为一个强度值，取值范围为0～4095，其中0表示黑色，4095表示纯白色。

4.如权利要求3所述的视距能见度仪，其特征在于所述靶体为圆形，其直径为0.3~0.5m。

5.一种利用如权利要求1所述的视距能见度仪进行能见度的测量方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：每隔1~15秒采集近红外面阵CCD传感器输出的像素信息；

步骤2：通过像素点明暗值的变化对输出的像素信息进行计算，获得相对视亮度的对比值，由相对视亮度对比值获得实际视亮度的对比值                                                由式（1）定义：

                                    (1)

其中为近红外面阵CCD传感器感知到的白色视亮度，为近红外面阵CCD传感器感知到的黑色视亮度；

步骤3：由Beer-Lambert-Boguer定律，可得大气水平能见度为：

                               (2)

其中，为近红外面阵CCD传感器与靶体的间距；为无雾状态下相对视亮度的对比值；

步骤4：虽然近红外面阵CCD传感器模拟人正常视力的感光度，但由于不同波长的光对大气穿透性不同，因此对大气水平能见度进行修正，可得最终的视距能见度为：

                     (3)

其中，常量表示波长为的绿光；为雾能量激发器输出波长；为波长修正因子，取决于水平能见度，当，；当，；当，；当，；当，。