CN113566810A - 时序天空偏振模式信息采集设备、采集系统及采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种时序天空偏振模式信息采集设备、采集系统及采集方法，包括：偏振相机，偏振相机用于拍摄天空偏振模式信息图像；支撑平台，偏振相机安装在支撑平台上；遮光装置，遮光装置安装在支撑平台上，遮光装置用于遮挡照射偏振相机的太阳光；调节装置，调节装置用于调整遮光装置的位置，以使遮光装置始终对准太阳所在位置。如此设置，通过偏振相机可获取天空偏振模式信息图像，随着太阳所在位置的改变，通过调节装置可及时调整遮光装置的位置，使得阳光无法照射到偏振相机的镜头上，有效起到对偏振相机的遮光作用，防止太阳光线过强导致偏振图像出现过曝光点，提高了成像质量。

Description

时序天空偏振模式信息采集设备、采集系统及采集方法

技术领域

本发明涉及天空偏振模式信息采集技术领域，尤其涉及一种时序天空偏振模式信息采集设备、采集系统及采集方法。

背景技术

太阳光在大气层传输过程中受大气层中气溶胶等粒子作用发生散射，无偏的太阳光发生偏振产生偏振光，在天空中形成特定的偏振态分布，即天空偏振模式信息。天空偏振模式信息可通过偏振度、偏振角信息表示。研究表明，天空偏振模式信息分布在天空中有规律地变化，在某地理位置坐标下的一天中的某一时刻，若周围天空环境不变则天空偏振模式稳定。但随地理位置、时间、周围天空环境的变化，天空偏振模式随之变化。探索变化之中的变化情况，研究天空偏振模式信息的变化规律，为利用天空偏振模式的偏振导航方法提供了理论支撑。

为了获取天空中分布的偏振模式信息，研究天空偏振模式变化规律，各种偏振信息测量设备被设计。目前是在相机前安装偏振片，来拍摄天空偏振模式信息图像。当天空中有太阳时，太阳光照射相机镜头会使天空偏振模式信息图像过曝光，影响成像质量，因此需要在镜头前固定一个遮挡阳光的装置。但是，由于太阳东升西落，一天中太阳所在的位置会有所变化，该装置并不能很好地消除过曝光对天空偏振模式信息图像的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种时序天空偏振模式信息采集设备、采集系统及采集方法，用以解决现有技术中在采集图像信息时太阳光照射相机镜头使得天空偏振模式信息图像过曝光的缺陷，保证成像质量。

本发明提供一种时序天空偏振模式信息采集设备，包括：

偏振相机，所述偏振相机用于拍摄天空偏振模式信息图像；

支撑平台，所述偏振相机安装在所述支撑平台上；

遮光装置，所述遮光装置安装在所述支撑平台上，所述遮光装置用于遮挡照射所述偏振相机的太阳光；

调节装置，所述调节装置用于调整所述遮光装置的位置，以使所述遮光装置始终对准太阳所在位置。

根据本发明提供的时序天空偏振模式信息采集设备，所述调节装置包括：

第一驱动，所述第一驱动用于驱动所述支撑平台转动，以改变所述遮光装置的位置；

第一传动组件，所述第一传动组件分别与所述第一驱动、所述支撑平台相连接。

根据本发明提供的时序天空偏振模式信息采集设备，所述遮光装置包括：

第一伸缩组件，所述第一伸缩组件与所述支撑平台相连接；

固定支架，所述固定支架与所述第一伸缩组件相连接，所述第一伸缩组件用于带动所述固定支架升高或降低；

遮光板，所述遮光板安装在所述固定支架上。

根据本发明提供的时序天空偏振模式信息采集设备，所述固定支架与所述第一伸缩组件可转动连接，所述调节装置还包括：

第二驱动，所述第二驱动用于驱动所述固定支架转动，以改变所述遮光板的倾斜角度使所述遮光板与太阳光入射方向垂直；

第二传动组件，所述第二传动组件分别与所述第二驱动、所述固定支架相连接。

根据本发明提供的时序天空偏振模式信息采集设备，还包括升降装置，所述升降装置包括：

底座和外管件，所述外管件安装在所述底座上；

内管件，所述内管件可活动地插设于在所述外管件内，所述支撑平台与所述内管件相连接；

第二伸缩组件，所述第二伸缩组件用于带动所述支撑平台升高或降低，所述第二伸缩组件设置在所述内管件内且与所述支撑平台可转动连接。

根据本发明提供的时序天空偏振模式信息采集设备，还包括防护装置，所述防护装置包括：

第一半罩和第二半罩，所述第一半罩和所述第二半罩可转动地设置在所述升降装置的两侧且能够形成闭合罩体；

第三驱动，所述第三驱动用于驱动所述第一半罩和所述第二半罩转动；

密封条，所述密封条设置在所述第一半罩与所述第二半罩的接触面上；

相机防护罩，所述相机防护罩遮挡在所述偏振相机上。

根据本发明提供的时序天空偏振模式信息采集设备，还包括备用滤光装置，所述备用滤光装置包括：

安装支架，所述安装支架可翻转地设置在所述偏振相机的边侧位置；

转动拨盘，所述转动拨盘与所述安装支架可转动连接；

至少两个滤光片，所述滤光片用于选择不同波段的光，所述滤光片安装在所述转动拨盘上。

根据本发明提供的时序天空偏振模式信息采集设备，所述偏振相机包括全画幅镜头和偏振传感器，所述偏振传感器设有至少三个方向不同的偏振膜。

本发明还提供一种时序天空偏振模式信息采集系统，包括：

如上述任一项所述的时序天空偏振模式信息采集设备；

控制装置，所述控制装置用于控制所述时序天空偏振模式信息采集设备进行图像采集，且所述控制装置与所述时序天空偏振模式信息采集设备通信连接；

数据传送模块，所述数据传送模块用于传送所述时序天空偏振模式信息采集设备采集的图像数据；

数据管理模块，所述数据管理模块与所述数据传送模块通信连接，所述数据管理模块用于对所述数据传送模块传送的图像数据进行管理并供用户获取图像数据；

云存储器，所述云存储器与所述数据管理模块通信连接，所述云存储器用于对上传至所述数据管理模块的图像数据进行存储备份。

本发明还提供一种时序天空偏振模式信息采集方法，基于如上所述的时序天空偏振模式信息采集系统，包括以下步骤：

时序天空偏振模式信息采集设备上电后，控制装置控制所述时序天空偏振模式信息采集设备进行天空偏振模式信息图像采集；

通过数据传送模块将采集的图像数据上传到数据管理模块；

通过云存储器对上传至所述数据管理模块的图像数据进行存储备份；

通过所述数据管理模块获取天空偏振模式信息图像。

本发明提供的时序天空偏振模式信息采集设备，包括：偏振相机，偏振相机用于拍摄天空偏振模式信息图像；支撑平台，偏振相机安装在支撑平台上；遮光装置，遮光装置安装在支撑平台上，遮光装置用于遮挡照射偏振相机的太阳光；调节装置，调节装置用于调整遮光装置的位置，以使遮光装置始终对准太阳所在位置。如此设置，通过偏振相机可获取天空偏振模式信息图像，随着太阳所在位置的改变，通过调节装置可及时调整遮光装置的位置，使得太阳光无法照射到偏振相机的镜头上，有效起到对偏振相机的遮光作用，防止太阳光线过强导致偏振图像出现过曝光点，提高了成像质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的时序天空偏振模式信息采集设备的结构示意图；

图2是本发明提供的遮光装置的运动轨迹示意图；

图3是本发明提供的第一驱动与支撑平台的传动结构示意图；

图4是本发明提供的偏振相机的结构示意图；

图5是本发明提供的遮光装置的结构示意图；

图6是本发明提供的第二驱动与固定支架的传动结构示意图；

图7是本发明提供的升降装置的结构示意图；

图8是本发明提供的第二伸缩组件的侧视图；

图9是本发明提供的防护装置的结构示意图；

图10是本发明提供的偏振相机与备用滤光装置的安装结构示意图；

图11是本发明提供的备用滤光装置的侧视图；

图12是本发明提供的安装支架翻转结构的局部示意图；

图13是本发明提供的控制装置的结构示意图；

图14是本发明提供的控制装置的侧视图；

图15是本发明提供的控制装置的电路图；

图16是本发明提供的0°偏振化方向的天空偏振模式信息图像；

图17是本发明提供的45°偏振化方向的天空偏振模式信息图像；

图18是本发明提供的90°偏振化方向的天空偏振模式信息图像；

图19是本发明提供的135°偏振化方向的天空偏振模式信息图像；

图20是本发明提供的S₀矢量图像；

图21是本发明提供的S₁矢量图像；

图22是本发明提供的S₂矢量图像；

图23是本发明提供的偏振度DLop图像；

图24是本发明提供的偏振角ALop图像；

附图标记：

1：偏振相机； 2：支撑平台； 3：全画幅镜头；

4：偏振传感器； 5：第一驱动； 6：太阳；

7：主动齿轮； 8：从动齿轮； 9：第一伸缩组件；

10：固定支架； 11：遮光板； 12：第二驱动；

13：底座； 14：外管件； 15：内管件；

16：第二伸缩组件； 17：第一半罩； 18：第二半罩；

19：第三驱动； 20：密封条； 21：相机防护罩；

22：支撑架； 23：安装支架； 24：转动拨盘；

25：滤光片； 26：活动调节部件； 27：PLC控制器；

28：触摸屏； 29：伺服驱动器； 30：步进驱动器；

31：电源； 32：接线盒； 33：数据传送模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1至图24描述本发明实施例的时序天空偏振模式信息采集设备。

如图1所示，本发明实施例提供一种时序天空偏振模式信息采集设备，包括：偏振相机1，偏振相机1用于拍摄天空偏振模式信息图像；支撑平台2，起支撑固定的作用，将偏振相机1安装在支撑平台2上；遮光装置，遮光装置用于遮挡照射偏振相机1的太阳光，将遮光装置安装在支撑平台2上，并相对于偏振相机1进行合理布局；调节装置，调节装置用于调整遮光装置的位置，以使遮光装置始终对准太阳所在位置。如此设置，通过偏振相机可获取天空偏振模式信息图像，而随着太阳在天空中位置的改变，通过调节装置可及时调整遮光装置的位置，保持遮光装置始终正对太阳，使得阳光无法直射到偏振相机的镜头上，有效起到对偏振相机的遮光作用，防止因太阳光线过强而导致偏振图像出现过曝光点，提高了成像质量。

如图4所示，偏振相机1包括全画幅镜头3和偏振传感器4。全画幅镜头3的视野范围可达到175°至185°，能够在同一时间同一视场下同时采集同一天空偏振图像，克服了现有技术中采用多镜头和多相机成像，因采集视场不同而产生的空间域误差。偏振传感器4设有至少三个方向不同的偏振膜。具体地，偏振传感器4采用0°、45°、90°、135°四个方向上的镀膜光栅过滤天空偏振光，有利于精确成像和提高成像质量，能够同时获取同一视场下不同偏振方向的天空偏振图像，克服了现有技术中采用单镜头和单相机成像，因多次旋转偏振片产生的时间误差，以及偏振片旋转角度不精确产生的系统误差。

偏振相机1的全画幅镜头3接收天空中太阳的散射偏振光光束，光束进入偏振传感器4后，偏振传感器4上0°、45°、90°、135°四个方向的偏振膜过滤天空偏振光后，分别传递至偏振传感器4的电荷耦合器件靶面，偏振传感器4芯片接收到偏振光并迅速进行光电信息转换，输出四幅不同偏振化方向的天空偏振模式信息图像。图16至图19所示分别为一个实施例中0°、45°、90°、135°四个不同偏振化方向的天空偏振模式信息图像。

进一步地，偏振相机1采集的四个偏振方向的偏振图像I₀、I₄₅、I₉₀、I₁₃₅分别代入Stokes分量表达式：

S₁＝I₀-I₉₀ (2)

S₂＝I₄₅-I₁₃₅ (3)

利用S₀、S₁、S₂分量计算天空偏振模式信息的偏振度DLop和偏振角ALop信息：

根据天空偏振模式信息采集数据的分布规律和分布特点，得到偏振角信息沿着太阳子午线中心反对称且呈“8”字形分布，其表达式为：

由式(1)至(8)可计算得到S₀、S₁、S₂、DLop、ALop共五幅图像，再对偏振度和偏振角图像调色后分组保存，以供用户即时获取和使用。图20至图22所示分别为一个实施例中S₀、S₁、S₂的矢量图像。图23至图24所示分别为一个实施例中偏振度DLop图像、偏振角ALop图像。

此外，偏振相机1获取天空偏振模式信息图像的触发采集方式，可根据采集数据的需求进行设置，便于控制时序采集的时间周期，为用户对天空偏振模式信息的数据分析提供了便利。

本发明实施例中，如图1所示，调节装置包括第一驱动5和第一传动组件。第一驱动5用于驱动支撑平台2转动，以改变遮光装置的位置。第一驱动5可为伺服电机，能够控制支撑平台2的转动角度，以保持遮光装置始终正对太阳。根据太阳方位角，从太阳升起到太阳降落的角度范围可得到太阳运动轨迹与赤道垂直面的夹角，即太阳从东升到正南再到西落的过程中，太阳运动轨迹相对于赤道垂直面某起始位置和终止位置的夹角。如图2所示，在太阳6东升至高度角30°位置到太阳6西落至高度角150°位置的运动过程中，伺服电机能够驱动支撑平台2转动，从而带动遮光装置以一定时间间隔转动，确保太阳6、遮光装置、偏振相机1在同一直线上，使遮光装置始终对准太阳所在位置，实现对偏振相机1的遮光。

伺服电机通过第一传动组件与支撑平台2相连接，从而带动支撑平台2转动。具体地，支撑平台2可设置有中空结构，第一传动组件可安装在该中空结构内，以起到一定的防护作用。如图3所示，第一传动组件采用齿轮传动机构，伺服电机通过联轴器与主动齿轮7连接，主动齿轮7通过中间齿轮与从动齿轮8连接，从动齿轮8与支撑平台2连接且同步转动，从而实现伺服电机驱动支撑平台2转动。

本发明实施例中，遮光装置包括第一伸缩组件9、固定支架10和遮光板11。如图5所示，第一伸缩组件9与支撑平台2相连接，固定支架10与第一伸缩组件9相连接，遮光板11安装在固定支架10上，固定支架10可采用固定三角架结构。第一伸缩组件9可采用现有的伸缩杆结构，用于带动固定支架10升高或降低，可以根据地理位置等因素来调节遮光装置的高度，从而调整遮光装置与偏振相机1的相对高度位置，以便能更好地对偏振相机1进行遮光。而且在设备空闲时，还可以收回遮光装置，减小占用空间，方便搬运收纳。

进一步地，固定支架10与第一伸缩组件9可转动连接，以便根据太阳高度调整遮光板11的角度。如图6所示，调节装置还包括第二驱动12和第二传动组件。第二驱动12用于驱动固定支架10转动，以改变遮光板11的倾斜角度，使遮光板11与太阳光入射方向垂直，确保照射在遮光板11上的太阳光均被反射，以避免在采集过程中太阳光照射镜头并聚光到传感器使得天空偏振模式信息图像过曝光甚至损坏传感器的问题。第二驱动12可为步进电机，步进电机通过第二传动组件与固定支架10相连接。第二传动组件可采用行星齿轮系传动机构，从而实现步进电机驱动固定支架10转动。

本发明实施例中，可通过太阳光强追踪模式和太阳方向追踪模式来调节遮光板11的角度。其中，太阳光强追踪模式下，在遮光板11表面设置光敏元件，用于检测太阳辐射光强能量最大值。根据遮光板11表面的光敏元件接收的太阳辐射光强能量最大值计算出太阳的高度角，从而得出遮光板11应转动的角度。步进电机驱动固定支架10转动，以调整遮光板11的角度，使遮光板11与太阳辐射光强最大值的入射方向垂直。

太阳方向追踪模式下，根据该装置所放置位置的地理坐标、时间和海拔高度，自动计算出太阳的高度角和方位角。根据太阳高度角，可以算出遮光板11与太阳光线的水平夹角。步进电机驱动固定支架10转动，以调整遮光板11的角度，使遮光板11与太阳光线入射方向垂直，确保太阳光入射至遮光板11上的光线均被反射。

这样，遮光装置根据太阳的方位角和高度角在两个方向上自动调节，有效实现对偏振相机1的遮光作用。遮光装置可避免相机受到太阳光直射而导致传感器损坏，也可防止太阳光线过强导致偏振图像出现过曝光点而影响成像质量。

本发明实施例中，时序天空偏振模式信息采集设备还包括升降装置，升降装置包括底座13、外管件14、内管件15和第二伸缩组件16，第二伸缩组件16用于带动支撑平台2升高或降低。如图7所示，外管件14安装在底座13上，内管件15可活动地插设于在外管件14内，支撑平台2与内管件15相连接。第二伸缩组件16设置在内管件15内，并可通过轴承与支撑平台2转动连接。这样内管件15可随支撑平台2转动，并在第二伸缩组件16的作用下沿竖直方向在外管件14中上下运动。如图8所示，第二伸缩组件16可采用现有的电动推杆，电动推杆由驱动电机、传动机构、推杆等构件组成。驱动电机通过传动机构驱动推杆作直线运动，以推动内管件15到达设定位置后保持自锁。图像采集任务结束后，升降装置可自动收缩至初始位置。

如此设置，在有效行程范围内可根据实验环境设定升降的高度，保证偏振相机在视野范围内包含较大的全天空范围，有利于获取较多的天空偏振模式信息。而且采用升降装置，可减小整体结构的体积，提高了使用便携性，可方便地布置在多场景下的不同地理位置，具有灵活性高、分布便捷的特点，为数据的多样性采集提供了便利。

本发明实施例中，时序天空偏振模式信息采集设备还包括防护装置，防护装置包括第一半罩17和第二半罩18，第三驱动19，密封条20，以及相机防护罩21。如图1所示，第一半罩17和第二半罩18可转动地设置在升降装置的两侧且能够形成闭合罩体，第三驱动19用于驱动第一半罩17和第二半罩18转动开合。第三驱动19包括两个步进电机，通过齿轮传动机构分别驱动第一半罩17和第二半罩18转动。在设备空闲时，可将第一半罩17和第二半罩18闭合，保护设备免受雨雪等恶劣天气的影响。工作时，通过步进电机驱动第一半罩17和第二半罩18向两侧转动开启。这样将防护装置安装于时序天空偏振模式信息采集设备的外侧，用于保护设备免遭雨雪等侵袭，为连续长时间的户外实验提供了有效的保障。

进一步地，第一半罩17和第二半罩18的接触面上还设有密封条20，以起到密封和缓冲作用。此外，偏振相机1顶部还设有相机防护罩21，可保护相机在极端天气下不受到损坏，还可防雨防尘。如图9所示，偏振相机1两侧设有支撑架22，相机防护罩21与支撑架22转动开合。在相机防护罩21的转动端可安装步进电机，通过齿轮传动机构驱动相机防护罩21转动开合。在相机防护罩21的自由端可安装密封条18，搭接在支撑架22上时起到一定的缓冲功能。

本发明实施例中，时序天空偏振模式信息采集设备还包括备用滤光装置，备用滤光装置包括安装支架23，转动拨盘24，以及至少两个滤光片25，滤光片25用于选择不同波段的光。安装支架23可翻转地设置在偏振相机1的边侧位置，如图12所示，可采用如推拉窗常用的三角滑动拉伸结构，通过活动调节部件26来实现安装支架23的翻转。转动拨盘24可通过转轴与安装支架23可转动连接，滤光片25安装在转动拨盘24上。具体地，转动拨盘24均布有红、绿、蓝三种滤光片25。可根据时序天空偏振模式数据采集的需求，选择性开启备用滤光装置。使用时，取下全画幅镜头3，将安装支架23翻转至偏振传感器4上方，拨动转动拨盘24以将所需的滤光片25旋转至偏振传感器4的上端位置，然后将全画幅镜头3安装在安装支架23的上端，可实现对红、绿、蓝三个不同波段光的天空偏振模式信息的获取，为多波段偏振光的偏振特性研究提供了便利。如此设置，根据采集数据的实际需要，控制备用滤光装置中转动拨盘的转动，以选择不同波段的滤光片，便于研究不同波段的天空偏振模式信息变化。

下面对本发明实施例提供的时序天空偏振模式信息采集系统进行描述，下文描述的时序天空偏振模式信息采集系统与上文描述的时序天空偏振模式信息采集设备可相互对应参照。

本发明实施例还提供一种时序天空偏振模式信息采集系统，包括如上述各实施例的时序天空偏振模式信息采集设备，控制装置，数据传送模块33，数据管理模块，以及云存储器。控制装置与时序天空偏振模式信息采集设备通信连接，数据管理模块与数据传送模块33通信连接，云存储器与数据管理模块通信连接。数据传送模块用于传送时序天空偏振模式信息采集设备采集的图像数据。数据管理模块用于对数据传送模块传送的图像数据进行管理，并供用户获取图像数据。云存储器用于对上传至数据管理模块的图像数据进行存储备份。

时序天空偏振模式信息采集设备可设置有多个，分别布置在全球不同的地理位置坐标处，有利于研究各地的天空偏振模式信息。而且各采集设备坐标固定，稳定性好，便于对数月或全年的时序天空偏振模式信息实时采集，有利于对时序天空偏振模式的变换规律进行研究。

如图1所示，控制装置可安装在外管件14的侧壁上。控制装置控制时序天空偏振模式信息采集设备进行图像采集，从而完成对天空偏振模式信息的自动采集，可连续实时获取天空偏振模式信息，避免了手动采集和离线下载上传的繁琐操作，提高了天空偏振模式信息的采集效率。

如图14和图15所示，控制装置包括PLC控制器27、触摸屏28、伺服驱动器29、步进驱动器30、电源31、接线盒32、系统采集与控制软件。PLC控制器27(Programmable LogicController，可编程逻辑控制器)与触摸屏28之间通过通信线进行通讯连接，对PLC编程并利用编程软件建立触摸屏与PLC的软连接与控制关系。触摸屏采用DC24V电源供电，PLC通过外接220V供电。PLC编程完成后，点击触摸屏即可设置各预设的模式和功能。

具体地，偏振相机1与PLC控制器27连接。控制装置控制偏振相机1单次成像获取四个不同偏振方向的图像，通过Stokes矢量表示方法计算得到时序天空偏振模式信息图像，消除了偏振片材质和旋转偏振片引入的误差。图像采集控制程序设置有两种采集模式，在触摸屏28的界面上可选择手动采集模式和自动采集模式，自动采集模式包括连续采集方式和离散段时间采集方式。当工作处于手动采集模式时，点击开始采集按钮完成图像采集，每采集一次，保存一组图像。当工作处于自动采集模式时，可根据采集数据的实际需求进行选择采集方式。若选择连续采集模式，偏振相机1分别连续保存每组图像。若选择离散段时间采集，可根据采集数据的实际需求输入间隔的时间。设置完成后，点击开始采集按钮，偏振相机1自动根据系统当前时间进行计算，自动采集时间间隔的每个时刻的天空偏振模式信息图像。这样用户可根据采集数据的需求自行选择相应的采集模式，体现了数据采集的选择多样性。

伺服驱动器29、步进驱动器30与PLC控制器27进行通信。由伺服驱动器29驱动第一驱动5以带动支撑平台2运动，调整遮光装置的方位。由步进驱动器30驱动第三驱动19以带动第一半罩17和第二半罩18开闭。由步进驱动器30驱动第二驱动12以带动固定支架10转动，调整遮光板11的角度。其中，步进驱动器30分别与各驱动一一对应设置。如图15所示，伺服驱动器前端装有电磁接触器、电抗器、噪音滤波器，它们的主要作用是保护电路和抗干扰。伺服驱动器与伺服电机连接，伺服驱动器与PLC连接，从而实现PLC控制伺服电机运动。步进驱动器连接DC24V电源，通过控制线与步进电机连接，通过信号线与PLC连接，从而实现PLC控制步进电机动作。端子排与PLC及各路直流电源分别连接，使线路规范化。各电器元件间设有线路暗槽，各线路末端均设有编号，该编号与其对应名称可在控制表、输入表和输出表中查询，便于后期进行维护。

数据传送模块33可集成安装在控制装置上，偏振相机1与数据传送模块33建立通信连接。偏振相机1由直D12V供电，设置有硬触发方式。数据传送模块33和PLC均与上位机建立通讯连接。通过数据传送模块33将采集得到的天空偏振模式信息图像数据上传保存至数据管理模块，再自动上传至云存储器中。当上传数据的任务完成后，用户通过云数据管理端的个人账号进行身份验证登录后，便可进行数据下载。采集的数据根据采集图像的时序、偏振化方向、数据表达内容和地理位置坐标自动命名，并自动上传和更新，便于用户在线即时获取当前的天空偏振模式信息，实时掌握动态的天空偏振模式信息。

进一步地，根据天空偏振模式信息采集的需求和数据特点设计上传数据格式，包括采集数据的基本信息、时间、地理位置坐标信息、天气状况参数、大气环境参数、相机部件(传感器、镜头)以及采集的图片数据明细信息。在上传过程中，需要对所上传数据进行规范化，并设置相应的数据属性，包括实验仪器参数、实验环境参数和数据质量参数。每一组数据包含四张原图、三张Stokes矢量的光强分量图和两张处理后的偏振模式信息图像，并分别放在分组文件夹中。分组文件夹中的图片分别是在不同时刻和特定偏振化方向(如0°、45°、90°和135°)下采集的数据，并按照偏振化方向结合时间及图像表达内容的涵义分别进行命名。当采集的图像上传至数据管理模块后，通过云储存备份的方式将数据上传至云存储器。从而实现对不同时间、地点及环境参数下天空偏振模式观测数据统一化、规范化的存储和管理，便于后续对数据的规范提取，用户可通过在线登录即时获取天空偏振模式信息数据。

需要说明的是，数据管理模块包括用户管理模块、实验数据上传模块、实验数据检索模块，实验数据下载模块。用户管理模块的主要功能是管理用户信息注册，并对用户使用与访问信息进行统一管理维护。实验数据检索模块的主要功能是提供给用户数据库检索的窗口，便于用户获取想要的数据。用户可根据检索查询的关键词及关键信息，获取到想要检索的数据。实验数据上传模块的主要功能是提供给用户各类数据的上传，以便用户存储数据。实验数据下载模块的主要功能是提供给用户各类数据下载及下载的可选项，以满足用户对各类数据下载的需求，便于在本地进行后期的数据处理。数据管理模块提供上述各模块的接口，各模块与云存储器相互协作，完成数据的统一管理和存取任务。

云存储器可自动对上传至数据管理模块的图像数据进行存储备份，通过在线存储的模式把数据存放在构建的多台虚拟服务器上，采用企业私有云存储的方式进行构建。数据中心营运端根据用户的需求，在后端准备存储虚拟化的资源，并将其以存储资源池的方式提供，用户便可自行使用此存储资源池来存放文件或对象。云存储器将储存资源放到云上，对外提供数据存储和数据访问功能，保证数据的安全性，便于定向开放，并节约存储空间，实现数据共享。使用者可以在任何时间、任何地方，通过任何可连网的装置连接到云上，方便地存取天空偏振模式信息数据。

另一方面，本发明还提供一种时序天空偏振模式信息采集方法，基于如上述实施例的时序天空偏振模式信息采集系统，包括以下步骤：

时序天空偏振模式信息采集设备上电后，控制装置控制时序天空偏振模式信息采集设备进行天空偏振模式信息图像采集；

通过数据传送模块将采集的图像数据上传到数据管理模块；

通过云存储器对上传至数据管理模块的图像数据进行存储备份；

通过数据管理模块获取天空偏振模式信息图像。

综合上述各实施例，其具体工作过程如下：

时序天空偏振模式信息采集设备上电后，第一半罩17和第二半罩18由PLC控制步进驱动器30驱动第三驱动19以实现自动开启。

根据设定的升降高度，升降装置的内管件15在第二伸缩组件16的推力作用下匀速上升到达设定高度位置。

开启遮光装置，PLC控制伺服驱动器29驱动第一驱动5以带动支撑平台2转动，调整遮光装置的方向。PLC控制步进驱动器30驱动第二驱动12以带动固定支架10转动，使遮光板11对太阳光进行遮挡，并根据太阳位置实时自动调节。

数据传送模块33分别连接偏振相机1和上位机，将采集得到的天空偏振模式信息图像数据先保存至数据管理模块后，再自动上传至云存储器中。当上传数据的任务完成后，用户通过云数据管理端的个人账号进行身份验证登录后，便可进行数据的下载，获取天空偏振模式信息。

此外，系统可根据上次实验中设置的参数进行自动图像采集。若需要变更采集数据的需求条件，则重新设置参数后，再开始采集。采集获取的九张图像自动保存至数据管理模块的数据库中，然后自动上传至云存储器，供用户及时获取天空偏振模式信息。

本发明实施例提供一种时序天空偏振模式信息采集设备、采集系统及采集方法，摒弃了手动获取天空偏振模式信息的方式，改为基于图像采集智能控制和数据管理模块的方式进行自动采集，提高了实验采集效率，规范了数据管理方式，采集的数据更具客观性和有效性。采用图像采集智能控制的方式，以及数据管理模块与云存储器相结合的方法，提高了系统的自动化采集性能。系统可根据实际需求采用固定分布式和便携分布式布置的方式，同时采集多地理位置坐标下的天空偏振模式信息数据并保存至数据管理模块，最终上传至云存储器进行系统管理，便于研究者及时在线获取多时段、多地理位置下的天空偏振模式信息。也为偏振导航技术、天空偏振模式信息变化规律的研究提供了技术支撑，使天空偏振模式信息数据的获取效率和精度更高，并实现了自动化测量。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种时序天空偏振模式信息采集设备，其特征在于，包括：

偏振相机，所述偏振相机用于拍摄天空偏振模式信息图像；

支撑平台，所述偏振相机安装在所述支撑平台上；

遮光装置，所述遮光装置安装在所述支撑平台上，所述遮光装置用于遮挡照射所述偏振相机的太阳光；

调节装置，所述调节装置用于调整所述遮光装置的位置，以使所述遮光装置始终对准太阳所在位置。

2.根据权利要求1所述的时序天空偏振模式信息采集设备，其特征在于，所述调节装置包括：

第一驱动，所述第一驱动用于驱动所述支撑平台转动，以改变所述遮光装置的位置；

第一传动组件，所述第一传动组件分别与所述第一驱动、所述支撑平台相连接。

3.根据权利要求2所述的时序天空偏振模式信息采集设备，其特征在于，所述遮光装置包括：

第一伸缩组件，所述第一伸缩组件与所述支撑平台相连接；

固定支架，所述固定支架与所述第一伸缩组件相连接，所述第一伸缩组件用于带动所述固定支架升高或降低；

遮光板，所述遮光板安装在所述固定支架上。

4.根据权利要求3所述的时序天空偏振模式信息采集设备，其特征在于，所述固定支架与所述第一伸缩组件可转动连接，所述调节装置还包括：

第二驱动，所述第二驱动用于驱动所述固定支架转动，以改变所述遮光板的倾斜角度使所述遮光板与太阳光入射方向垂直；

第二传动组件，所述第二传动组件分别与所述第二驱动、所述固定支架相连接。

5.根据权利要求1所述的时序天空偏振模式信息采集设备，其特征在于，还包括升降装置，所述升降装置包括：

底座和外管件，所述外管件安装在所述底座上；

内管件，所述内管件可活动地插设于在所述外管件内，所述支撑平台与所述内管件相连接；

第二伸缩组件，所述第二伸缩组件用于带动所述支撑平台升高或降低，所述第二伸缩组件设置在所述内管件内且与所述支撑平台可转动连接。

6.根据权利要求5所述的时序天空偏振模式信息采集设备，其特征在于，还包括防护装置，所述防护装置包括：

第一半罩和第二半罩，所述第一半罩和所述第二半罩可转动地设置在所述升降装置的两侧且能够形成闭合罩体；

第三驱动，所述第三驱动用于驱动所述第一半罩和所述第二半罩转动；

密封条，所述密封条设置在所述第一半罩与所述第二半罩的接触面上；

相机防护罩，所述相机防护罩遮挡在所述偏振相机上。

7.根据权利要求1所述的时序天空偏振模式信息采集设备，其特征在于，还包括备用滤光装置，所述备用滤光装置包括：

安装支架，所述安装支架可翻转地设置在所述偏振相机的边侧位置；

转动拨盘，所述转动拨盘与所述安装支架可转动连接；

至少两个滤光片，所述滤光片用于选择不同波段的光，所述滤光片安装在所述转动拨盘上。

8.根据权利要求1所述的时序天空偏振模式信息采集设备，其特征在于，所述偏振相机包括全画幅镜头和偏振传感器，所述偏振传感器设有至少三个方向不同的偏振膜。

9.一种时序天空偏振模式信息采集系统，其特征在于，包括：

如权利要求1-8任一项所述的时序天空偏振模式信息采集设备；

控制装置，所述控制装置用于控制所述时序天空偏振模式信息采集设备进行图像采集，且所述控制装置与所述时序天空偏振模式信息采集设备通信连接；

数据传送模块，所述数据传送模块用于传送所述时序天空偏振模式信息采集设备采集的图像数据；

数据管理模块，所述数据管理模块与所述数据传送模块通信连接，所述数据管理模块用于对所述数据传送模块传送的图像数据进行管理并供用户获取图像数据；

云存储器，所述云存储器与所述数据管理模块通信连接，所述云存储器用于对上传至所述数据管理模块的图像数据进行存储备份。

10.一种时序天空偏振模式信息采集方法，基于如权利要求9所述的时序天空偏振模式信息采集系统，其特征在于，包括以下步骤：

时序天空偏振模式信息采集设备上电后，控制装置控制所述时序天空偏振模式信息采集设备进行天空偏振模式信息图像采集；

通过数据传送模块将采集的图像数据上传到数据管理模块；

通过云存储器对上传至所述数据管理模块的图像数据进行存储备份；

通过所述数据管理模块获取天空偏振模式信息图像。

Images