CN114894312A - 基于四通道全天空偏振成像的云像探测系统及其探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于四通道全天空偏振成像的云像探测系统及其探测方法，包括安装支架，安装支架上为安装腔体，安装腔体设有防尘防雨罩，防尘防雨罩内自上到下依次设有180度全景鱼眼镜头、滤光轮、CMOS偏振传感器，滤光轮通过支架安装在XY位移装置上，滤光轮上设有太阳像元阻挡片；防尘防雨罩内还设有温控装置；安装支架上还设有GPS模块；CMOS偏振传感器、180度全景鱼眼镜头、温控装置、XY位移装置、GPS模块分别与控制和数据采集模块、计算机连接。本发明获取天空亮度图像，同时获得全天空偏振辐射信息；可以区分云和晴空像元，而且对天气现象进行识别和判断，如云、雾、霾、沙尘、晴空的天气现象分类。
Description
技术领域
本发明属于大气监测技术领域，具体涉及一种基于四通道全天空偏振成像的云像探测系统及其探测方法。
背景技术
大气状态和现象(如晴、霾、云等现象)观测早期天气预报模型和环境评估的数据源，同时也是其他工业、农业、航空航天作业活动的保障依据。早期天气状况(如云量、晴空、霾污染等)主要依靠人工观测记录获得，对人员技术水平要求很高且具有强的个人主观性，导致不同人员获得结果差异也较大，数据标准不统一。同时，人工观测也只能间歇性观测(如每小时一次)，无法实现连续的观测。随着技术水平的进步，人工观测逐步被自动化仪器观测(器测)取代。如全天空云像仪，可以自动获取全天空可见光图像，经分析获得天空云量分布状态。现有全天空云像仪主要依赖于图像颜色对比进行分类。目前市面有的全天空云像仪有两种，一种是外部有档杆，用于遮挡太阳，提高图像的对比度，但结构复杂，需要较大安装空间。另外，现有看的全天空成像仪除不具备偏振探测功能外，其探测器采用了很宽的覆盖范围(350～1000nm)但在500～1000nm存在水汽、氧气、臭氧和二氧化碳的吸收(如图所示)。因此，大气不同成分的含量影响了其色彩和亮度，导致误判。
另外一种全天空成像仪(如EKO全天空云像仪)采用无遮挡设计，可以同时对太阳和天空成像，优点是简单、小巧，方便且易于安装。但由于太阳和周围天空的亮度相差4～6个数量级，因此，当天空有太阳出现时，太阳周围图像会出现较大的散斑或晕，严重影响图像质量。
以上两类全天空云像仪通过图像颜色和亮度区分云、晴天像元，当天空有沙尘、雾霾、或天空中出现薄云时，该种技术很难准确识别和区分云，判别误差较大，无法满足现有大气探测需要或其他行业高精度天象识别应用。
发明内容
本发明针对现有全天空云像仪的不足，提出一种基于四通道全天空偏振成像的云像探测系统及其探测方法，该系统不仅采集天空亮度和色彩图像，还通过三通道成像技术，有效避开大气或天空水汽等成分吸收对成像质量的影响，提高云、沙尘、霾、晴空的识别精度。另外，本发明还获取三个通道的全天空偏振信息，利用偏振辐射对粒子大小(大气分子、霾、沙尘、云滴的粒子大小不同)的敏感性，进一步提高天空状态识别精度和准确度。该系统可以在有沙尘和薄云时也能准确识别和区分，将云、晴天、霾、沙尘的状态准确提取出来。另外，本发明设计的采用腔内太阳像元的阻挡装置，设计小巧，无外露，整体设计对应用环境和安装空间要求较低。
本发明涉及的基于四通道全天空偏振成像的云识别和天象探测系统及方法，为大气探测、天气气候、太阳能利用、航空航天气象保障等提供一种较高时空分辨率的天空状态和现象提供一种实时监测和方法。
具体的技术方案为：
基于四通道全天空偏振成像的云像探测系统，包括安装支架，安装支架上为安装腔体，安装腔体设有防尘防雨罩，防尘防雨罩内自上到下依次设有180度全景鱼眼镜头、滤光轮、CMOS偏振传感器，滤光轮通过支架安装在XY位移装置上，滤光轮上设有太阳像元阻挡片；防尘防雨罩内还设有温控装置；安装支架上还设有GPS模块；CMOS偏振传感器、180度全景鱼眼镜头、温控装置、XY位移装置、GPS模块分别与控制和数据采集模块、计算机连接。
安装腔体和防尘防雨罩之间有透气孔，防尘防雨罩内外镀有增透膜。
滤光轮上安装有4片滤光片，分别为410nm-430nm，500nm-520nm，660nm-680nm，860nm-880nm。
所述CMOS偏振传感器上每2x2像元一组镀有4个方向上的偏振镀膜，4个方向分别为0°、45°、90°、135°，获取4个方向的偏振信息。
基于四通道全天空偏振成像的云像探测系统的探测方法，包括以下步骤：
S1、利用气象和GPS模块获取本系统安装地理位置、时间信息传递给计算机，计算机根据经纬度和时间信息，计算太阳位置，并转换为CMOS偏振传感器像元位置；
S2、XY位移装置控制滤光轮在水平方向位置，遮挡太阳像元；
S3、在此基础上，计算机通过控制和数据采集模块使CMOS偏振传感器曝光成像，获取全天空图像；
S4、图像通过控制和数据采集模块，图像数据下传到计算机，并将图像分为4个偏振方向的偏振图像；
S5、全天空亮度图像为：
每2x2像元一组，其平均偏振信息可用斯托克斯参数(I、Q、U、V)分量标识，V不予考虑；其中四个通道的平均辐射亮度Ij可以计算为：
Ij＝(Ij,0+Ij,45+Ij,90+Ij,135)/2；
其中下标分别代表0°、45°、90°、135°像元观测数据，j＝1，2，3，4代表410nm-430nm，500nm-520nm，660nm-680nm，860nm-880nm四个通道；
斯托克斯参数Q和U分别表示为：
Qj＝Ij,0-Ij,90；
Uj＝Ij,45-Ij,135
偏振辐射亮度为：
S6、首先基于多幅图像的Ij和Ij，pol，计算其方差，根据方差阈值进行图像像元是否有云污染进行初始判别，即根据图像动态变化进行初始判别；
S7、根据气象模块采集的气压，和观测时间所处的季节和时间，选择大气模式，进行辐射传输仿真模拟，计算4个通道纯分子大气的天空Rayleigh散射光强及其偏振；
S8、利用图像分解的方式分别处理Ij和Ij，pol图像，并与步骤7辐射传输模式得到的纯分子大气的光强和偏振信息计算结果进行比较，同时参考4个通道的波长比将全天空图像分类，从而实现全天空天气现象的自动识别和分类。
本发明为4通道全天空偏振云像识别系统，不仅仅获取天空亮度图像，而且可以同时获得全天空偏振辐射信息；不仅可以区分云和晴空像元，而且对天气现象进行识别和判断，如云、雾、霾、沙尘、晴空的天气现象分类。采用内置太阳像元遮挡机构的独特设计可避免太阳直射光对CMOS偏振传感器的破坏，这种无需采用外部转台，设计简单、小巧，对安装空间要求低。同时利用4个不同波段的天空亮度图像信息、偏振图像信息对天空现象进行识别和分类，更有利于云图和天气现象的识别，识别精度高。
本发明具有的技术效果：
1、本发明提供的基于四通道全天空偏振信息的云像识别系统简单小巧，易于安装，所提供的内置太阳像元遮挡机构的独特设计可避免太阳直射光对CMOS偏振传感器的破坏，提高所采集图像数据的有效动态范围，图像数据质量高。同时由于内置，整体外观简洁。
2、本发明提供的基于四通道全天空偏振信息的云像识别系统，不仅能够提供传统成像系统的图像数据(亮度和色彩)，同时提供偏振信息，且根据大气光学特性，分波段对光强和偏振信息成像。通过四个波段的光强和偏振信息，不仅能够有效降低云的识别误差，而且能够提高全天空大气状态和类型的辨识度，对于天空中的沙尘、雾霾、薄云也能够有效识别，这是传统成像技术无法达到的。
3、本发明提供的基于四通道全天空偏振信息的云像识别系统可用于大气探测、环境遥感，为天气预报、太阳能利用等提供质量更高的数据，对于航空航天气象保障等也具有重要应用价值。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的滤光轮上四通道选择依据的波段；
图3a为CMOS偏振传感器偏振镀膜示意图之一；
图3b为CMOS偏振传感器偏振镀膜示意图之二。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体技术方案。
基于四通道全天空偏振成像的云像探测系统，如图1，包括安装支架11，安装支架11上为安装腔体10，安装腔体10设有防尘防雨罩1，防尘防雨罩1内自上到下依次设有180度全景鱼眼镜头2、滤光轮4、CMOS偏振传感器7，滤光轮4通过支架6安装在XY位移装置8上，滤光轮4上设有太阳像元阻挡片5；防尘防雨罩1内还设有温控装置3；安装支架11上还设有GPS模块9；CMOS偏振传感器7、180度全景鱼眼镜头2、温控装置3、XY位移装置8、GPS模块9分别与控制和数据采集模块12、计算机13连接。
防尘防雨罩1、180度全景鱼眼镜头2、温控装置3、滤光轮4、支架6、CMOS偏振传感器7、XY位移装置8放置在安装腔体10内，安装腔体10和防尘防雨罩1之间有透气孔，用于去除防尘防雨罩1的水汽，防止防尘防雨罩1内层表面水汽凝结，影响全天空成像效果。另外，防尘防雨罩1内外镀有增透膜。
为了区分云、雾、沙尘、晴空天气现象，滤光轮4上安装有4片滤光片，分别为410nm-430nm，500nm-520nm，660nm-680nm，860nm-880nm，四通道选择依据为大气非吸收波段或吸收较弱波段，如图2，通过分时控制滤光轮4可以采集全天空的四个波段的光强及其偏振信息。
上述的基于四通道全天空偏振成像的云像探测系统中，所述CMOS偏振传感器7上每2x2像元一组镀有4个方向上(0°、45°、90°、135°)的偏振镀膜，如图3a和图3b，可以获取4个方向的偏振信息。所述XY位移装置8能够在水平面X方向和Y方向进行移动，可以控制滤光轮4上的太阳像元阻挡片5移动。所述控制和数据采集模块12接收GPS模块9获得的经纬度和时间信息，传递给计算机13，计算经纬度和时间计算太阳位置(方位和仰角)，并经控制和数据采集模块12，驱动XY位移装置8，使滤光轮4上的太阳像元阻挡片5遮盖太阳像元；太阳遮挡成功后，所述控制和数据采集模块12向CMOS偏振传感器7发出开始拍摄指令，开始拍摄并采集全天空图像，并将图像数据下传给计算机13，计算机13进行图像数据处理，获得全天空亮度、色彩和偏振信息。
上述全天空偏振成像探测系统的工作步骤：
S1、利用气象和GPS模块9获取本系统安装地理位置(经纬度)、时间信息传递给计算机13，计算机13根据经纬度和时间信息，计算太阳位置，并转换为CMOS偏振传感器7像元位置。
S2、XY位移装置8控制滤光轮4在水平方向(X和Y方向)位置，遮挡太阳像元。
S3、在此基础上，计算机13通过控制和数据采集模块12使CMOS偏振传感器7曝光成像，获取全天空图像。
S4、图像通过控制和数据采集模块12，图像数据下传到计算机13，并将图像分为4个偏振方向的偏振图像。
S5、全天空亮度图像为：
每2x2像元一组，其平均偏振信息可用斯托克斯参数(I、Q、U、V)分量标识，V一般不予考虑。其中四个通道的平均辐射亮度Ij可以计算为(参考图2)：
Ij＝(Ij,0+Ij,45+Ij,90+Ij,135)/2；
其中下标分别代表0°、45°、90°、135°像元观测数据，j＝1，2，3，4代表410nm-430nm，500nm-520nm，660nm-680nm，860nm-880nm四个通道(下同)。
斯托克斯参数Q和U可以分别表示为：
Qj＝Ij,0-Ij,90；
Uj＝Ij,45-Ij,135
偏振辐射亮度为：
S6、首先基于多幅图像的Ij和Ij，pol，计算其方差，根据方差阈值进行图像像元是否有云污染进行初始判别，即根据图像动态变化进行初始判别。
S7、根据气象模块采集的气压，和观测时间所处的季节和时间，选择大气模式，进行辐射传输仿真模拟，计算4个通道纯分子大气(天空无云、无气溶胶)的天空Rayleigh散射光强及其偏振。
S8、利用图像分解的方式分别处理Ij和Ij，pol图像，并与步骤7辐射传输模式得到的纯分子大气的光强和偏振信息计算结果进行比较，同时参考4个通道的波长比将全天空图像分类为云像元、晴空像元、灰霾像元等。从而实现全天空天气现象的自动识别和分类。
将本发明的安装于气象场内，计算机放置在观测屋内，接通电源，设置每天开始观测、停止观测以及观测时间步长，如每天日常开始观测，日落停止观测、每隔5分钟采集全天空偏振图像，图像存储于计算机内，并由计算机分析图像数据，可以获得每次观测的云量、天气为沙尘、雾霾等天气现象数据。
或者，将本发明的跟踪装置固定安装在太阳能电池板附近无遮挡位置，计算机放置在防水箱内或屋内，设置自动观测时间间隔(如每5分钟采集一幅图像)，计算机根据当地GPS经纬度信息计算太阳升起和降落时间，以此为根据自动确定开机和停止观测时间。太阳升起时自动启动观测，每5分钟采集一次全天空偏振图像，图像自动存储在计算机内。计算机分析图像数据，可以获得每次观测的云量、天气状况。辅以太阳短波辐射能观测数据，确定可利用的最大太阳能和可转换发电量。并以此为依据决策太阳能电站控制和入网。
Claims (5)
1.基于四通道全天空偏振成像的云像探测系统，其特征在于，包括安装支架(11)，安装支架(11)上为安装腔体(10)，安装腔体(10)设有防尘防雨罩(1)，防尘防雨罩(1)内自上到下依次设有180度全景鱼眼镜头(2)、滤光轮(4)、CMOS偏振传感器(7)，滤光轮(4)通过支架(6)安装在XY位移装置(8)上，滤光轮(4)上设有太阳像元阻挡片(5)；防尘防雨罩(1)内还设有温控装置(3)；安装支架(11)上还设有GPS模块(9)；CMOS偏振传感器(7)、180度全景鱼眼镜头(2)、温控装置(3)、XY位移装置(8)、GPS模块(9)分别与控制和数据采集模块(12)、计算机(13)连接。
2.根据权利要求1所述的基于四通道全天空偏振成像的云像探测系统，其特征在于，所述的安装腔体(10)和防尘防雨罩(1)之间有透气孔，防尘防雨罩(1)内外镀有增透膜。
3.根据权利要求1所述的基于四通道全天空偏振成像的云像探测系统，其特征在于，所述的滤光轮(4)上安装有4片滤光片，分别为410nm-430nm，500nm-520nm，660nm-680nm，860nm-880nm。
4.根据权利要求1所述的基于四通道全天空偏振成像的云像探测系统，其特征在于，所述的所述CMOS偏振传感器(7)上每2x2像元一组镀有4个方向上的偏振镀膜，4个方向分别为0°、45°、90°、135°，获取4个方向的偏振信息。
5.根据权利要求1到4任一项所述的基于四通道全天空偏振成像的云像探测系统的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用气象和GPS模块(9)获取本系统安装地理位置、时间信息传递给计算机(13)，计算机(13)根据经纬度和时间信息，计算太阳位置，并转换为CMOS偏振传感器(7)像元位置；
S2、XY位移装置(8)控制滤光轮(4)在水平方向位置，遮挡太阳像元；
S3、在此基础上，计算机(13)通过控制和数据采集模块(12)使CMOS偏振传感器(7)曝光成像，获取全天空图像；
S4、图像通过控制和数据采集模块(12)，图像数据下传到计算机(13)，并将图像分为4个偏振方向的偏振图像；
S5、全天空亮度图像为：
每2x2像元一组，其平均偏振信息可用斯托克斯参数(I、Q、U、V)分量标识，V不予考虑；其中四个通道的平均辐射亮度Ij可以计算为：
Ij＝(Ij,0+Ij,45+Ij,90+Ij,135)/2；
其中下标分别代表0°、45°、90°、135°像元观测数据，j＝1，2，3，4代表410nm-430nm，500nm-520nm，660nm-680nm，860nm-880nm四个通道；
斯托克斯参数Q和U分别表示为：
Qj＝Ij,0-Ij,90；
Uj＝Ij,45-Ij,135
偏振辐射亮度为：
S6、首先基于多幅图像的Ij和Ij，pol，计算其方差，根据方差阈值进行图像像元是否有云污染进行初始判别，即根据图像动态变化进行初始判别；
S7、根据气象模块采集的气压，和观测时间所处的季节和时间，选择大气模式，进行辐射传输仿真模拟，计算4个通道纯分子大气的天空Rayleigh散射光强及其偏振；
S8、利用图像分解的方式分别处理Ij和Ij，pol图像，并与步骤7辐射传输模式得到的纯分子大气的光强和偏振信息计算结果进行比较，同时参考4个通道的波长比将全天空图像分类，从而实现全天空天气现象的自动识别和分类。
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| 关传泷: "基于成像原理的集成化偏振导航传感器设计", CNKI优秀硕士论文全文库·信息科技辑, no. 2, 15 February 2021 (2021-02-15) * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115684025A (zh) * | 2022-09-23 | 2023-02-03 | 长春理工大学 | 一种云态偏振探测装置及探测方法 |
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