CN110672215A - 瞬时光脉冲三维速度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种瞬时光脉冲三维速度测量方法，包括如下步骤：(10)相机成像像素距离标定，(20)光学通道拍摄，(30)发展时间计算，(40)发展高度计算，(50)第一竖直平面内水平距离计算，(60)第二竖直平面内水平距离计算，(70)三维发展距离计算，(80)三维速度计算。本发明的瞬时光脉冲三维速度测量方法，能有效测量雷电等瞬时光脉冲的三维发展速度。

Description

瞬时光脉冲三维速度测量方法

技术领域

本发明属于雷电观测技术领域，特别是一种能有效测量雷电等瞬时光脉冲的三维发展速度的瞬时光脉冲三维速度测量方法。

背景技术

雷电的发展速度在雷电防护研究中是一个非常重要的参数，它决定了由下行先导引起的地面电场的变化率，并对接地结构连接先导的起始具有重要影响。此外，一旦上行先导在下行梯级先导的影响下从接地结构起始，上、下行先导是否连接也与二者的相对速度有关。因此，在雷电防护研究中，为了评估在何种条件下上行先导从接地结构上起始对其发展速度的观测分析至关重要。

通过多站甚高频联合定位方法等观测方法，可以观测雷电下行先导发展速度，但其空间分辨率较低，且定位结果的精度仍有较大的发展空间，更重要的是，由于高频的衰减特性，多站甚高频联合定位方法对近地面的回击发展速度观测无能为力，而近地面的发展过程对雷电防护而言，却更加重要。相比电学手段，光学观测可以清晰直观地呈现雷电的通道形状、步进速度以及雷暴强度等细节特性，但由于持续时间短，对其进行高时空分辨率的光学观测并非易事。

当前主要利用高速摄像机或雷电发展特征自动观测系统对雷电的发展过程进行观测，但对前者而言，其观测结果仅为雷电的二维平面发展结果，后者则主要用于计算雷电的一维发展速度。

因此，现有技术存在的问题是：缺少观测雷电等瞬时光脉冲三维发展速度的有效方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种瞬时光脉冲三维速度测量方法，能有效测量雷电等瞬时光脉冲的三维发展速度。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种瞬时光脉冲三维速度测量方法，包括如下步骤：

(10)相机成像像素距离标定：高速摄像机A和普通相机B在拍照高度和拍照距离，分别对已知高度和宽度的标定物进行拍照；根据标定物实际尺寸和在成像照片上所占像素个数，分别标定高速摄像机A和普通相机B成像像素代表的实际尺寸；

(20)光学通道拍摄：高速摄像机A和普通相机B分别置于拍照高度，距离光学通道中线拍照距离的两点，对光学通道两个相互垂直的竖直平面分别进行连续拍摄，所述高速摄像机A和普通相机B所在位置与光学通道中线的连线呈90度角；

(30)发展时间计算：根据高速摄像机A连续拍摄的第一竖直平面图片，计算拍摄完整光学通道所需的帧数K，基于所获K帧图片中光学通道的高度差异，将光学通道划分为K段，则高速摄像机A帧率的倒数即为每段光学通道发展时间；

(40)发展高度计算：根据高速摄像机A拍摄的第一竖直平面图片，利用高速摄像机A成像像素代表的实际尺寸，计算所述每段光学通道的实际高度，即为每段光学通道发展时间内的发展高度；

(50)第一竖直平面内水平距离计算：根据高速摄像机A拍摄的第一竖直平面图片，获得每段光学通道所占的水平像素数，并利用高速摄像机A成像像素代表的实际尺寸，计算每段光学通道在第一竖直平面内水平距离；

(60)第二竖直平面内水平距离计算：根据普通相机B拍摄的第二竖直平面图片，获得每段光学通道的高度，以此高度和利用普通相机B成像像素代表的实际尺寸，将普通相机B拍摄的第二竖直平面图片中的光学通道划分为K段，计算第二竖直平面图片中每段光学通道所占的水平像素数，并利用普通相机成像像素代表的实际尺寸，计算每段光学通道在第二竖直平面内水平距离；

(70)三维发展距离计算：根据所述每段光学通道发展高度、每段光学通道在第一竖直平面内水平距离和每段光学通道在第二竖直平面内水平距离，利用空间向量三维合成，得到每段光学通道三维发展距离；

(80)三维速度计算：将所述每段光学通道三维发展距离除以每段光学通道的发展时间，得到每段光学通道三维发展速度。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

以较低成本测量雷电等瞬时光脉冲信号的三维发展速度。其原因在于：

本发明利用高速摄像机获得雷电等瞬时光脉冲在二维平面内的垂直和水平发展距离，并利用普通相机获得与前述二维平面垂直的平面内光信号的水平发展距离；基于空间向量合成，计算光信号三维发展距离；利用高速摄像机获得光脉冲发展时间差，并利用所得光信号三维发展距离及时间差计算光信号三维发展速度，可为先导、回击模型的精确仿真提供输入参数，继而为建构筑物的雷电防护系统设计等提供重要支撑。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明瞬时光脉冲三维速度测量方法的主流程图；

图2为像素距离标定及计算区间划分示意图

图3为相机布置示意图

图4为光脉冲三维发展距离计算原理示意图。

图5为图1中三维发展距离计算步骤的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明瞬时光脉冲三维速度测量方法，包括如下步骤：

(10)相机成像像素距离标定：高速摄像机A和普通相机B在拍照高度和拍照距离，分别对已知高度和宽度的标定物进行拍照；根据标定物实际尺寸和在成像照片上所占像素个数，分别标定高速摄像机A和普通相机B成像像素代表的实际尺寸；

像素距离标定及计算区间划分示意如图2所示，以实验室长间隙放电实验为例。将高速摄像机A和普通相机B分别置于高H、与标定物距离为L的位置，对已知高度h和宽度w的标定物进行拍照。根据成像照片分别得到标定物高度和宽度所占的像素个数n_hA、n_wA和n_hB、n_wB，则高度和宽度方向上的像素代表的实际尺寸分别为Δh_A＝h/n_hA、Δw_A＝w/n_wA和Δh_B＝h/n_hB、Δw_B＝w/n_wB。

(20)光学通道拍摄：高速摄像机A和普通相机B分别置于拍照高度，距离光学通道中线拍照距离的两点，对光学通道两个相互垂直的竖直平面分别进行连续拍摄，所述高速摄像机A和普通相机B所在位置与光学通道中线的连线呈90度角；

相机布置如图3所示，高速摄像机A和普通相机B呈90度角放置，二者高度均为H，与光学通道中线距离为L，分别拍摄yoz(如图4所示，其实质是用于测量oP_y和oP_z)和xoz(如图4所示，其实质是用于测量oP_x和oP_z)平面。

(30)发展时间计算：根据高速摄像机A连续拍摄的第一竖直平面图片，计算拍摄完整光学通道所需的帧数K，基于所获K帧图片中光学通道的高度差异，将光学通道划分为K段，则高速摄像机A帧率的倒数即为每段光学通道发展时间；

如图3所示，假定高速摄像机A拍摄以避雷针尖端为起点的完整光学通道共9帧，则整个光学通道共分为9段(C1-C9段)，各段光学通道的发展时间均决定于高速摄像机帧率f，Δt_i＝1/f(i＝1,2,…,9)。

(40)发展高度计算：根据高速摄像机A拍摄的第一竖直平面图片，利用高速摄像机A成像像素代表的实际尺寸，计算所述每段光学通道的实际高度，即为每段光学通道发展时间内的发展高度；

根据高速摄像机A拍摄的第一竖直平面图片，除以高速摄像机A成像像素实际尺寸，可以获得光学通道段C1-C9段中垂直方向像素数n_VA ⁱ，n_VA ⁱ×Δh_A即可得到第i段光学通道的实际高度Δh_V ⁱ。

(50)第一竖直平面内水平距离计算：根据高速摄像机A拍摄的第一竖直平面图片，获得每段光学通道所占的水平像素数，并利用高速摄像机A成像像素代表的实际尺寸，计算每段光学通道在第一竖直平面内水平距离；

如图2中光学通道段C3对应的水平区间HA3所示，提取高速摄像机A所拍图像平面上C1-C9段光学通道的水平像素区间HA1-HA9，得到第i水平像素区间内水平方向像素数n_HA ⁱ，n_HA ⁱ×Δw_A即可得到第i段光学通道的水平距离。

(60)第二竖直平面内水平距离计算：根据普通相机B拍摄的第二竖直平面图片，获得每段光学通道的高度，以此高度和利用普通相机B成像像素代表的实际尺寸，将普通相机B拍摄的第二竖直平面图片中的光学通道划分为K段，计算第二竖直平面图片中每段光学通道所占的水平像素数，并利用普通相机成像像素代表的实际尺寸，计算每段光学通道在第二竖直平面内水平距离；

如图2中光学通道段S5对应的水平区间HB5所示，提取普通相机B所拍图像平面上S1-S9光学通道段的水平像素区间HB1-HB9，得到第i水平像素区间内水平方向像素数n_HB ⁱ，n_HB ⁱ×Δw_B即可得到第i段光学通道的水平距离。

(70)三维发展距离计算：根据所述每段光学通道发展高度、每段光学通道在第一竖直平面内水平距离和每段光学通道在第二竖直平面内水平距离，利用空间向量三维合成，得到每段光学通道三维发展距离；

三维发展距离计算原理如图4所示，即一个三维通道可以由三个空间分量组合而成。

如图5所示，所述(70)三维发展距离计算步骤包括：

(71)第一竖直平面内每段光学通道发展高度像素数计算：利用所述每段光学通道的实际高度，除以所述高速摄像机A成像像素代表的实际尺寸，得到第一竖直平面内每段光学通道发展高度像素数n_VA ⁱ(i＝1，2，……，K)；

(72)第一竖直平面内的每段光学通道水平距离像素数计算：灰度化处理所述K段光学通道图片，设置像素灰度阈值，计算每段光学通道内高于所设灰度阈值的水平方向像素数，即为第一竖直平面内每段光学通道的水平距离像素数n_HA ⁱ(i＝1，2，……，K)；

(73)第二竖直平面内每段光学通道的发展高度像素数计算：利用每段光学通道的实际高度，除以普通相机B成像像素代表的实际尺寸，得到所获每段光学通道在第二竖直平面内的发展高度像素数n_VB ⁱ(i＝1，2，……，K)，同时也将第二竖直平面内光学通道划分为了K段；

(74)第二竖直平面内每段光学通道的水平距离像素数计算：灰度化处理所述第二竖直平面内的每段光学通道图片，设置像素灰度阈值，计算每段光学通道内高于所设灰度阈值的水平方向像素数，即为第二竖直平面内每段光学通道的水平距离像素数n_HB ⁱ(i＝1，2，……，K)；

(75)三维发展距离计算：每段(k＝1，2，……，K)光学通道的三维发展距离按下式计算：

或者

式中，j为索引；Δh_A和Δw_A分别为标定的高速摄像机A成像像素代表的垂直方向和水平方向实际尺寸；Δh_B和Δw_B分别为标定的普通相机B成像像素代表的垂直方向和水平方向实际尺寸；

如n_HA ⁱ>n_HB ⁱ>n_VB ⁱ，求和公式上标为n_HA ⁱ-1，当j增大至n_VB ⁱ+1时，Δh_B＝0，j继续增大至n_HB ⁱ+1时，Δw_B＝0；

如n_HA ⁱ>n_VB ⁱ>n_HB ⁱ，求和公式上标为n_HA ⁱ-1，当j继续增大至n_HB ⁱ+1时，Δw_B＝0，j增大至n_VB ⁱ+1时，Δh_B＝0；

如n_HB ⁱ>n_VB ⁱ>n_HA ⁱ，求和公式上标为n_HB ⁱ-1，当j继续增大至n_HA ⁱ+1时，Δw_A＝0，j增大至n_VB ⁱ+1时，Δh_B＝0；

如n_HB ⁱ>n_HA ⁱ>n_VB ⁱ，求和公式上标为n_HB ⁱ-1，当j增大至n_VB ⁱ+1时，Δh_B＝0，j继续增大至n_HA ⁱ+1时，Δw_A＝0；

如n_VB ⁱ>n_HB ⁱ>n_HA ⁱ，求和公式上标为n_VB ⁱ-1，当j增大至n_HA ⁱ+1时，Δw_A＝0，j继续增大至n_HB ⁱ+1时，Δw_B＝0；

如n_VB ⁱ>n_HA ⁱ>n_HB ⁱ，求和公式上标为n_VB ⁱ-1，当j增大至n_HB ⁱ+1时，Δw_B＝0，j继续增大至n_HA ⁱ+1时，Δw_A＝0；

如n_HA ⁱ>n_HB ⁱ>n_VA ⁱ，求和公式上标为n_HA ⁱ-1，当j增大至n_VA ⁱ+1时，Δh_A＝0，j继续增大至n_HB ⁱ+1时，Δw_B＝0；

如n_HA ⁱ>n_VA ⁱ>n_HB ⁱ，求和公式上标为n_HA ⁱ-1，当j继续增大至n_HB ⁱ+1时，Δw_B＝0，j增大至n_VA ⁱ+1时，Δh_A＝0；

如n_HB ⁱ>n_VA ⁱ>n_HA ⁱ，求和公式上标为n_HB ⁱ-1，当j继续增大至n_HA ⁱ+1时，Δw_A＝0，j增大至n_VA ⁱ+1时，Δh_A＝0；

如n_HB ⁱ>n_HA ⁱ>n_VA ⁱ，求和公式上标为n_HB ⁱ-1，当j增大至n_VA ⁱ+1时，Δh_A＝0，j继续增大至n_HA ⁱ+1时，Δw_A＝0；

如n_VA ⁱ>n_HB ⁱ>n_HA ⁱ，求和公式上标为n_VA ⁱ-1，当j增大至n_HA ⁱ+1时，Δw_A＝0，j继续增大至n_HB ⁱ+1时，Δw_B＝0；

如n_VA ⁱ>n_HA ⁱ>n_HB ⁱ，求和公式上标为n_VA ⁱ-1，当j增大至n_HB ⁱ+1时，Δw_B＝0，j继续增大至n_HA ⁱ+1时，Δw_A＝0。

(80)三维速度计算：将所述每段光学通道三维发展距离除以每段光学通道的发展时间，得到每段光学通道三维发展速度。

利用所述步骤(70)得到每段光学通道的三维距离ΔL_k之后，除以在第i段光学通道内发展所需时间(Δt_i)，即可计算该段光学通道的三维发展速度。

本发明利用高速摄像机获得雷电等瞬时光脉冲在二维平面内的垂直和水平发展距离，并利用普通相机获得与前述二维平面垂直的平面内光学通道的水平发展距离；基于空间向量合成，计算光学通道的三维发展距离；利用高速摄像机获得光学通道发展时间，并利用所得光学通道的三维发展距离及时间计算光学通道的三维发展速度，可为先导、回击模型的精确仿真提供输入参数，继而为建构筑物的雷电防护系统设计等提供重要支撑。

以上所述仅是本发明的一种实施方式，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形(如将高速摄像机替换为其他二维高速光学观测系统)，这些改进和变形也应视为本发明的保护内容。

Claims (2)

1.一种瞬时光脉冲三维速度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(10)相机成像像素距离标定：高速摄像机A和普通相机B在拍照高度和拍照距离，分别对已知高度和宽度的标定物进行拍照；根据标定物实际尺寸和在成像照片上所占像素个数，分别标定高速摄像机A和普通相机B成像像素代表的实际尺寸；

(20)光学通道拍摄：高速摄像机A和普通相机B分别置于拍照高度，距离光学通道中线拍照距离的两点，对光学通道两个相互垂直的竖直平面分别进行连续拍摄，所述高速摄像机A和普通相机B所在位置与光学通道中线的连线呈90度角；

(30)发展时间计算：根据高速摄像机A连续拍摄的第一竖直平面图片，计算拍摄完整光学通道所需的帧数K，基于所获K帧图片中光学通道的高度差异，将光学通道划分为K段，则高速摄像机A帧率的倒数即为每段光学通道发展时间；

(40)发展高度计算：根据高速摄像机A拍摄的第一竖直平面图片，利用高速摄像机A成像像素代表的实际尺寸，计算所述每段光学通道的实际高度，即为每段光学通道发展时间内的发展高度；

(50)第一竖直平面内水平距离计算：根据高速摄像机A拍摄的第一竖直平面图片，获得每段光学通道所占的水平像素数，并利用高速摄像机A成像像素代表的实际尺寸，计算每段光学通道在第一竖直平面内水平距离；

(60)第二竖直平面内水平距离计算：根据普通相机B拍摄的第二竖直平面图片，获得每段光学通道的高度，以此高度和利用普通相机B成像像素代表的实际尺寸，将普通相机B拍摄的第二竖直平面图片中的光学通道划分为K段，计算第二竖直平面图片中每段光学通道所占的水平像素数，并利用普通相机成像像素代表的实际尺寸，计算每段光学通道在第二竖直平面内水平距离；

(70)三维发展距离计算：根据所述每段光学通道发展高度、每段光学通道在第一竖直平面内水平距离和每段光学通道在第二竖直平面内水平距离，利用空间向量三维合成，得到每段光学通道三维发展距离；

(80)三维速度计算：将所述每段光学通道三维发展距离除以每段光学通道的发展时间，得到每段光学通道三维发展速度。

2.根据权利要求1所述的瞬时光脉冲三维速度测量方法，其特征在于，所述(70)三维发展距离计算步骤包括：

(71)第一竖直平面内每段光学通道发展高度像素数计算：利用所述每段光学通道的实际高度，除以所述高速摄像机A成像像素代表的实际尺寸，得到第一竖直平面内每段光学通道发展高度像素数n_VA ⁱ(i＝1，2，……，K)；

(72)第一竖直平面内的每段光学通道水平距离像素数计算：灰度化处理所述K段光学通道图片，设置像素灰度阈值，计算每段光学通道内高于所设灰度阈值的水平方向像素数，即为第一竖直平面内每段光学通道的水平距离像素数n_HA ⁱ(i＝1，2，……，K)；

(73)第二竖直平面内每段光学通道的发展高度像素数计算：利用每段光学通道的实际高度，除以普通相机B成像像素代表的实际尺寸，得到所获每段光学通道在第二竖直平面内的发展高度像素数n_VB ⁱ(i＝1，2，……，K)，同时也将第二竖直平面内光学通道划分为了K段；

(74)第二竖直平面内每段光学通道的水平距离像素数计算：灰度化处理所述第二竖直平面内的每段光学通道图片，设置像素灰度阈值，计算每段光学通道内高于所设灰度阈值的水平方向像素数，即为第二竖直平面内每段光学通道的水平距离像素数n_HB ⁱ(i＝1，2，……，K)；

(75)三维发展距离计算：每段(k＝1，2，……，K)光学通道的三维发展距离按下式计算：

或者

式中，j为索引；Δh_A和Δw_A分别为标定的高速摄像机A成像像素代表的垂直方向和水平方向实际尺寸；Δh_B和Δw_B分别为标定的普通相机B成像像素代表的垂直方向和水平方向实际尺寸；

如n_HA ⁱ>n_HB ⁱ>n_VB ⁱ，求和公式上标为n_HA ⁱ-1，当j增大至n_VB ⁱ+1时，Δh_B＝0，j继续增大至n_HB ⁱ+1时，Δw_B＝0；

如n_HA ⁱ>n_VB ⁱ>n_HB ⁱ，求和公式上标为n_HA ⁱ-1，当j继续增大至n_HB ⁱ+1时，Δw_B＝0，j增大至n_VB ⁱ+1时，Δh_B＝0；

如n_HB ⁱ>n_VB ⁱ>n_HA ⁱ，求和公式上标为n_HB ⁱ-1，当j继续增大至n_HA ⁱ+1时，Δw_A＝0，j增大至n_VB ⁱ+1时，Δh_B＝0；

如n_HB ⁱ>n_HA ⁱ>n_VB ⁱ，求和公式上标为n_HB ⁱ-1，当j增大至n_VB ⁱ+1时，Δh_B＝0，j继续增大至n_HA ⁱ+1时，Δw_A＝0；

如n_VB ⁱ>n_HB ⁱ>n_HA ⁱ，求和公式上标为n_VB ⁱ-1，当j增大至n_HA ⁱ+1时，Δw_A＝0，j继续增大至n_HB ⁱ+1时，Δw_B＝0；

如n_VB ⁱ>n_HA ⁱ>n_HB ⁱ，求和公式上标为n_VB ⁱ-1，当j增大至n_HB ⁱ+1时，Δw_B＝0，j继续增大至n_HA ⁱ+1时，Δw_A＝0；

如n_HA ⁱ>n_HB ⁱ>n_VA ⁱ，求和公式上标为n_HA ⁱ-1，当j增大至n_VA ⁱ+1时，Δh_A＝0，j继续增大至n_HB ⁱ+1时，Δw_B＝0；

如n_HA ⁱ>n_VA ⁱ>n_HB ⁱ，求和公式上标为n_HA ⁱ-1，当j继续增大至n_HB ⁱ+1时，Δw_B＝0，j增大至n_VA ⁱ+1时，Δh_A＝0；

如n_HB ⁱ>n_VA ⁱ>n_HA ⁱ，求和公式上标为n_HB ⁱ-1，当j继续增大至n_HA ⁱ+1时，Δw_A＝0，j增大至n_VA ⁱ+1时，Δh_A＝0；

如n_HB ⁱ>n_HA ⁱ>n_VA ⁱ，求和公式上标为n_HB ⁱ-1，当j增大至n_VA ⁱ+1时，Δh_A＝0，j继续增大至n_HA ⁱ+1时，Δw_A＝0；

如n_VA ⁱ>n_HB ⁱ>n_HA ⁱ，求和公式上标为n_VA ⁱ-1，当j增大至n_HA ⁱ+1时，Δw_A＝0，j继续增大至n_HB ⁱ+1时，Δw_B＝0；

如n_VA ⁱ>n_HA ⁱ>n_HB ⁱ，求和公式上标为n_VA ⁱ-1，当j增大至n_HB ⁱ+1时，Δw_B＝0，j继续增大至n_HA ⁱ+1时，Δw_A＝0。

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