数字摄像能见度仪研制关键技术研究

Visibility observation automation is the principal issue to solve in the present meteorological observation field as well as an important part of the meteorological business development plan of China Meteorological Administration. It is extremely urgent to develop an automatic visibility observing meter to replace manual observation. Based on tens years of research on digital photographic visibility system，this project is to study and solve three key problems in science and technology always restrict visibility instrument developed, that is, to study the technology of automatic search and automatic identification for the observed target to realize the function of accurate calibration and automatic calibration of the observed target; to study the design of integrating sphere dual-light observation system, by integrating sphere technology, optical beam splitting technology and light beam collimation technology to effectively eliminate the impact of lightsource luminance attenuation, light pollution, and stray light on night-time visibility observation; to study the atmospheric visibility observation system and software algorithm, it’s suitable for during the day and night observation, with a set of camera video system. Beijing observatory in the southern suburbs of Beijing are chosen to be the place to carry out comparison experiments between digital photographic visibility system and manual observation. At the same time, a comprehensive data analysis is conducted with the data observed by optical visibility meter and related meteorological observation data as a reference, to provide the difference between digital photographic visibility system observation, manual observation and optical visibility meter observation. It will provide reliable technological support for digital photographic visibility system to replace manual observation indeed.

实现能见度观测自动化，是当今气象观测急待解决的首要问题，是中国气象局气象业务发展规划中的重要内容。研制出能够取代人工观测的、符合能见度定义的能见度自动观测仪迫在眉睫。本项目拟在十几年数字摄像能见度仪研究基础上，研究解决十几年来始终制约数字摄像能见度仪研制的三个关键科学技术问题：研究观测目标自动搜索和自动识别技术，实现观测目标准确定标和自动标校功能；研究由一个电源激发光源发光，耦合分束为两束相同强度的积分球双光源观测系统，有效消除光源亮度衰减变化引起的夜间能见度观测误差；研究同时适合白天和夜间观测能见度的软件算法，以一套相机视频系统，同时适用于白天和夜间的能见度观测。选择北京市观象台开展数字能见度仪与人工观测比对实验。同时参考其它光学能见度仪观测数据及相关气象要素进行综合数据分析，给出数字摄像能见度仪与人工观测及其它光学能见度仪的观测差异。为数字摄像能见度仪真正取代人工观测提供可靠技术保障。

针对相机抖动和旋转造成的观测目标物定位不准确的问题，提出了新颖的快速抗旋转匹配算法，该方法利用与运算形成卷积运算的模式，使匹配时间呈指数级下降。大量观测结果表明，利用该算法，数字摄像能见度仪的目标物自动定标准确，单次定标时间平均为24.2毫秒，在相同情况下比原始算法至少快200倍以上，且观测准确度比普通算法提升7倍多，比手动定位观测提升将近5倍。基于该算法目标自动定位能够满足实际观测要求。.以双光源方法观测夜间能见度为研究对象，对基于双光源目标物的夜间能见度观测方法、图像预处理、识别、能见度的反演算法和系统进行了研究。将双光源观测模型与具有一定特征的观测目标物相结合，提出了一种基于双光源目标物的夜间能见度观测方法，该方法能够消除单个光源波动和大气环境光的影响，可以提高夜间能见度的观测范围和观测精度。设计研究由一个电源激发光源发光的双光源夜间能见度观测系统，采用光学分束技术、光束准直技术及积分球原理相结合的方法，获得稳定目标光源，有效抑制光源亮度衰减变化引起的观测误差。从如何利用双光源图像准确反演夜间能见度的关键问题出发，提出了一种基于曲线演化理论的能见度反演算法，对参数设置具有很强的鲁棒性，通过多幅图像进行修正后，能见度的反演结果与真实能见度的具有很好的一致性，可以用于对夜间能见度的准确反演。.为了解决白天观测与夜间观测对相机焦距要求不同的冲突。利用快速图像插值算法，将一台相机的画面进行有针对性的局部插值放大，为了解决由此带来的同步噪声放大问题，利用生态学中的与面光源和黑体结构特征相似的算子进行滤波，从而保留有效图像灰度信息，保证插值前后，定标位置观测灰度信息的一致性。观测结果表明，利用该算法增加耗时在毫秒级，平均为370毫秒。数据分析结果表明：虽然对观测准确率没有明显提升效果，但是却有效解决了白天观测与夜间观测对相机焦距要求不同的冲突，实现仅用一套相机系统，就能同时适用白天和夜间两种不同的观测模式。