CN105911060B - 一种透射式视程能见度仪窗镜污染的可视化检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透射式视程能见度仪窗镜污染的可视化检测方法和装置，属于光学测量技术领域。所述装置包括基准背景光源、成像窗、反射镜、滤光镜、透镜、CCD图像传感器和微处理器，所述的方法包括采集清洁窗镜图像和实际窗镜图像，将窗镜图像的灰度值转换为光学强度和计算消光系数，以及窗镜污染的可视化与数显双模式监控。本发明对非均匀分布的污染引起的消光情况可以取得更接近真实的结果，从而提高了对气象能见度(MOR)和跑道视程能见度(RVR)测量值的精度和对污染物的判别；无需光学测量法中的光调制和锁相解调等硬件控制电路，简化了测量电路和提高了仪器长期运行的可靠性；提高了对窗镜污染情况的监测能力。

Description

一种透射式视程能见度仪窗镜污染的可视化检测方法和装置

技术领域

本发明属于光学测量技术领域。涉及气象及跑道视程能见度的光学测量，更具体地说，是指一种用于但不限于透射式视程能见度仪的窗镜污染的可视化光学检测方法。

背景技术

气象视程能见度(MOR)和跑道视程能见度(RVR)的测量和预警对于在多变气象条件下的机场、高速公路和铁路交通安全具有至关重要的作用，是目前机场气象观测预警系统不可或缺的组成部分。透射式MOR和RVR能见度测量仪由于广泛适用于各种气象条件，测量方法简单准确，不需要附加的测量基准标定，即具有自标定功能，因此在国内外机场和气象环境监测领域已获得广泛应用。

由于透射式视程能见度仪在MOR/RVR的测量中，发射的光信号需要穿过大气介质和仪器的窗镜到达探测器，因此探测器接收到的光信号衰减不仅来自于大气环境，也包括了仪器的窗镜污染，即上述两个因素的共同影响。为了分离和排除窗镜污染引起的大气能见度测量误差，以精确地获取MOR/RVR值，对窗镜污染进行独立的检测并将结果用于修正MOR/RVR值是非常必要的。同时，也需要以此制定有效的仪器窗镜清洁计划。

目前，透射式视程能见度仪的窗镜污染检测方法均采用主动式光测法，其基本原理是：利用一束调制光信号照射仪器窗镜，探测器接收穿过窗镜的光束以获得窗镜的消光系数，或是探测器检测窗镜上微粒的散射信号以获得消光系数。主动光测法直接简单，但主要的缺点在于：(1)测量光束虽可以增宽，但受限于仪器空间一般仍然较细，只能对窗镜上非常有限的区域面积进行照射测量而无法覆盖整个窗镜孔径，以此作为对整个窗镜的污染评价必然导致与实际情况产生出入，造成测量误差；(2)对窗镜污染情况的监测只能是数字显示和预警，信息较为单一。由于不可视化，因此对窗镜上出现的异物所致的报警情况无法作出详细的判别。特别是如果通过测量附着在窗镜上的尘粒散射获取光衰减信息，则不仅测量结果与尘粒特性具有强相关性，而且如果窗镜表面上附有液滴或其它较大污染物，则会造成大的测量误差；(3)由于这种方法需要对检测光束进行调制和解调以抑制外部光噪声，因此增加了硬件测量电路和系统的复杂性，从而增大仪器长期运行的可靠性风险。

发明内容

为解决上述主动式光测法在窗镜污染检测上存在的问题，提高透射式视程能见度仪对能见度的测量精度和对窗镜污染情况的综合监测能力，本发明提出了一种用于透射式视程能见度仪，但不限于该类测量仪器的窗镜污染可视化检测方法及其检测装置。

所述的可视化检测方法的原理为：

1.在透射式视程能见度仪内设置一个高分辨率成像组件，包括成像光学器件和一个CCD图像传感器。透射式视程能见度仪每完成一次能见度测量后，成像组件对整个窗镜表面进行成像。由于窗镜污染导致的透光率变化反映了附着在窗镜上面的污染物多少和程度，因此可以通过成像组件记录的窗镜图像上污染物的灰度值变化和分布反映出窗镜污染所致的透光强度变化。

2.由于成像组件中的CCD图像传感器由光电探测像素阵列构成，每个光电探测像素单元接收到的光强信号与输出的光电流或图像灰度值在物理上存在一定的数学关系，因此可以通过扫描像素和建立如下的像素灰度分析模型求出窗镜整体表面污染所致的消光系数σ变化。

式中的T是窗镜透光率，I_i,j和I_0i,j分别为CCD图像传感器上每个像素单元记录的窗镜实测灰度强度和无污染基准灰度强度，系数a和系数b与CCD图像传感器的光电转换线性度相关，其值通过对CCD图像传感器进行严格的测量标定获得，系数A和系数B是分别与窗镜上的污染物散射特性和天空背景光变化相关的修正系数，其值可以通过与标准的光学测量比对进行标定确定。M和N是CCD图像传感器的水平和垂直的像素数。

3.CCD图像传感器记录的窗镜图像被送入微处理器中，所述的微处理器中设置有图像灰度-光强统计分析模型，用于进行窗镜消光系数的计算，消光系数值和窗镜图像一起被传至外部的上位机，实现对窗镜的可视化与测量数据双模式监控，对MOR/RVR测量值做到准确修正和预警。

4.为实现可视化测量中的窗镜污染程度对比分析，取清洁窗镜图像作为计算分析和监控的基准灰度图像，并与实际窗镜图像共同显示在上位机终端，以作直观的对比判定之用。

所述的透射式视程能见度仪窗镜污染可视化检测方法，包括如下步骤：

第一步，清洁窗镜图像的采集。在透射式视程能见度仪的能见度测量开始之前，保持窗镜清洁，打开成像窗和启动成像组件工作，采集清洁窗镜图像并上传给微处理器，然后关闭成像窗和成像组件。

第二步，实际窗镜图像采集。在视程能见度仪完成能见度测量之后，打开成像窗和启动成像组件，获取实际窗镜图像并上传给微处理器，然后关闭成像窗和成像组件。实际窗镜的图像采集在能见度测量结束后开始，以避免能见度测量的光信号对图像灰度的分析造成干扰。

第三步，窗镜消光系数的计算。微处理器对窗镜图像(包括清洁窗镜图像和实际窗镜图像)的所有像素灰度值进行扫描并依据公式(1)将图像灰度转换为光强度，求得消光系数值。

第四步，窗镜污染的可视化与数显双模式监控。微处理器将每次采集的实际窗镜图像、清洁窗镜图像和消光系数值存储并传输到上位机进行在屏显示，实现可视化与数显的双模式监控。

本发明的透射式视程能见度仪窗镜污染可视化检测方法的优点在于：

(1)由于对窗镜的成像可覆盖窗镜的大部分通光孔径，即窗镜上的大部分污染区域，因此对非均匀分布的污染引起的消光情况可以取得更接近真实的结果，从而提高了对MOR和RVR测量值的精度；

(2)使用高分辨率图像传感器对窗镜进行成像检测，技术和硬件成熟。在消除天空杂散光的影响方面，可以结合能见度仪自有的背景光测量功能，利用图像灰度分析实现完全数字化的处理，对窗镜污染情况可做出较为精确的诊断和修正，使这种检测方法成为可行。特别是无需光测法中的光调制和锁相解调等硬件控制电路，简化了测量电路和提高了仪器长期运行的可靠性；

(3)对窗镜污染情况的监测不仅可以数字显示和预警，而且可以通过图像直观对窗镜污染情况进行观察和做出判断，特别是对污染物的判别，从而制定更为有效的窗镜清洁计划。这种信息的多元化模式提高了对窗镜污染情况的监测能力。

附图说明

图1是本发明的可视化检测方法的原理图；

图2是实施例中窗镜污染和清洁情况的模拟对比结果。

图中：

1.窗镜；2.基准背景光源；3.成像窗；4.反射镜；5.滤光镜；6.透镜；7.CCD图像传感器；8.微处理器。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种透射式视程能见度仪窗镜污染的可视化检测方法和装置，所述的可视化检测装置如图1所示，包括基准背景光源2、成像窗3、反射镜4、滤光镜5、透镜6、CCD图像传感器7和微处理器8。所述的基准背景光源2、反射镜4、滤光镜5、透镜6、CCD图像传感器7组成窗镜成像组件，并置于透射式视程能见度仪封闭的内部，用于对窗镜1进行图像采集。所述的窗镜图像包括清洁窗镜图像和实际窗镜图像。

所述的基准背景光源2是一个预知亮度分布的可见光源，设置在透射式能见度仪内部，为窗镜图像的采集提供照明光束，照明光束范围覆盖整个窗镜面积。

所述的成像窗3是一个自动开关窗，启动成像组件时，成像窗自动打开，使成像光束通过，成像组件完成对窗镜的图像采集后成像窗关闭，以保持仪器内部的密闭清洁。

所述的反射镜4，用于转折成像光路。成像光束依次经过滤光镜5和透镜6，到达CCD图像传感器7。

所述的滤光镜5是一个带通滤光器，使成像光束的光谱特性与能见度测量光束的光谱特性保持一致。

所述的透镜6是一个对窗镜成像的透镜，与CCD图像传感器7一起完成对窗镜1的成像和记录。

所述的CCD图像传感器7由至少1024×1024个光电探测像素单元构成，用于对窗镜1表面进行图像记录，得到所需要的窗镜图像。

所述的微处理器8是一个Acorn的嵌入式32位ARM处理器。所述的微处理器8连接视程能见度仪的能见度测量处理器和上位机，用于窗镜图像接收、存储和在位的窗镜消光系数计算，并将所记录的清洁窗镜图像、实际窗镜图像和消光系数值输出至外部的上位机。

基于所述的可视化检测装置，本发明还提供一种透射式视程能见度仪窗镜污染的可视化检测方法，包括如下步骤：

第一步，清洁窗镜图像的采集。在透射式视程能见度仪的能见度测量开始之前，保持被测窗镜1的清洁，打开成像窗3，开启基准背景光源2和CCD图像传感器7。基准背景光源2用来照明窗镜1，窗镜1产生的散射光形成窗镜的成像光束。成像光束依次经过成像窗3、反射镜4、滤光镜5和透镜6，最终到达CCD图像传感器7。CCD图像传感器7采集记录窗镜的图像，即清洁窗镜图像并存入微处理器8，然后系统关闭成像窗3、基准背景光源2和CCD图像传感器7。

第二步，实际窗镜图像的采集。在透射式视程能见度仪完成对能见度的测量之后，打开成像窗3，开启基准背景光源2和CCD图像传感器7，系统执行与第一步相同的操作，得到窗镜有污染状态的实际图像，并将实际图像存入微处理器8。然后关闭成像窗3、基准背景光源2和CCD图像传感器7。

第三步，窗镜消光系数的计算。微处理器8对存入的清洁窗镜图像和实际窗镜图像做像素灰度的扫描，利用公式(1)的模型将图像灰度转换为光学强度并求得窗镜1的消光系数σ值。

式中的T是窗镜透光率，I_i,j和I_0i,j分别为CCD图像传感器上每个像素单元记录的窗镜实测灰度强度和无污染基准灰度强度，系数a和系数b与CCD图像传感器的光电转换线性度相关，其值通过对CCD图像传感器进行严格的测量标定获得，系数A和系数B是分别与窗镜上的污染物散射特性和天空背景光变化相关的修正系数，其值可以通过与标准的光学测量比对进行标定确定。M和N是CCD图像传感器的水平和垂直的像素数。

第四步，窗镜1的可视化与数字双模式监控。微处理器8将每次记录和处理的窗镜的实际窗镜图像、清洁窗镜图像和消光系数值输出至外部的上位机，在上位机屏幕上直接对比显示窗镜图像和窗镜的消光系数值，并通过设置消光系数变化的阈值，实现可视化与数显的双模式监控和修正因窗镜污染物散射或阻碍导致的能见度测量光束通过窗镜时产生的附加光衰减，即附加的消光系数变化。

图2所示为一个窗镜在污染和清洁状态下图像灰度变化的对比模拟实验结果，虚线表示由程序自动选定的图像计算区域,。将一片有污染的薄玻璃片与清洁窗镜贴在一起，放在同一基准亮背景的照明下进行对比成像，以模拟实际的窗镜污染可视化检测效果。其中，A区显示清洁部分的灰度，B区指示污染部分的灰度。其明显的图像灰度差异说明，采用本发明的可视化窗镜检测具有完全的可行性。

Claims (2)

1.一种透射式视程能见度仪窗镜污染的可视化检测方法，其特征在于：所述可视化检测方法包括如下步骤，

第一步，清洁窗镜图像的采集；

在透射式视程能见度仪的能见度测量开始之前，保持窗镜清洁，打开成像窗和启动成像组件，采集清洁窗镜的图像并上传给微处理器，关闭成像窗和成像组件；

第二步，实际窗镜图像采集；

在透射式视程能见度仪的能见度测量结束后，打开成像窗和启动成像组件，获取实际窗镜图像并上传给微处理器，关闭成像窗和成像组件；

第三步，窗镜消光系数的计算；

微处理器对清洁窗镜图像和实际窗镜图像的所有像素灰度值进行扫描并依据公式(1)将图像灰度转换为光学强度并求得消光系数值；

式中的T是窗镜透光率，I_i,j和I_0i,j分别为CCD图像传感器上每个像素单元记录的窗镜实测灰度强度和无污染基准灰度强度，系数a和系数b与CCD图像传感器的光电转换线性度相关，其值通过对CCD图像传感器进行严格的测量标定获得，系数A和系数B是分别与窗镜上的污染物散射特性和天空背景光变化相关的修正系数，其值通过与标准的光学测量比对进行标定确定，M和N是CCD图像传感器的水平和垂直的像素数；

第四步，窗镜污染的可视化与数显双模式监控；微处理器将每次采集的实际窗镜图像、清洁窗镜图像和消光系数值存储并传输到上位机进行在屏显示，实现可视化与数显的双模式监控。

2.一种透射式视程能见度仪窗镜污染的可视化检测装置，其特征在于：包括基准背景光源、成像窗、反射镜、滤光镜、透镜、CCD图像传感器和微处理器；所述的基准背景光源、反射镜、滤光镜、透镜、CCD图像传感器组成成像组件，并设置在透射式视程能见度仪密闭的内部，用于对窗镜进行图像采集；所述的图像采集包括清洁窗镜图像采集和实际窗镜图像采集；

所述的基准背景光源是一个预知亮度分布的可见光源，设置在能见度仪内部，为窗镜成像提供照明光束，光束照明范围覆盖整个窗镜面积；

所述的成像窗是一个自动开关窗，启动成像组件时，成像窗自动打开，使成像光束通过，成像组件完成对窗镜的图像采集后成像窗关闭，以保持仪器内部的清洁；

所述的反射镜，用于转折成像光路，成像光束依次经过滤光镜和透镜，到达CCD图像传感器；

所述的滤光镜是一个带通滤光器，使成像光束的光谱特性与能见度测量光束的光谱特性保持一致；

所述的透镜是一个对窗镜成像的透镜，与CCD图像传感器一起完成对窗镜的成像和记录；

所述的CCD图像传感器由至少1024×1024个光电探测像素单元构成，用于对窗镜表面进行图像记录，得到所需要的窗镜图像；

所述的微处理器是一个Acorn的嵌入式32位ARM处理器，所述的微处理器连接上位机，用于窗镜的图像接收、存储和在位的窗镜消光系数计算，并将所记录的清洁窗镜图像、实际窗镜图像和消光系数值输出至所述的上位机。