阅读说明：本技术 一种地基双波段云量自动观测系统和方法 (Automatic observation system and method for cloud amount of foundation dual-waveband ) 是由 夏营威 王依人 张龙 高震宇 吴佳玲 邓国庆 刘勇 于 2020-06-16 设计创作，主要内容包括：一种地基双波段云量自动观测系统和方法,该系统包括成像单元,所述成像单元包括可见光成像模块和红外成像模块,所述可见光成像模块和红外成像模块平行向上设置；数据处理单元,接收成像单元采集的天空图像后,分析云量信息；数据传输单元,将云图原始数据、经数据处理单元分析处理后得到的云量数据传输至客户端；内层壳体和外层壳体。该发明能够同时刻获取可见光(450～650nm)波段和红外(8～14um)波段的全天空图像和云量信息,实现云量昼夜连续观测,两个波段成像可以相互验证和补充,获得更加准确的云量信息。内层壳体可以为数据处理单元和数据传输单元中的电路和元器件提供相对稳定的内部环境,提高系统的鲁棒性。(A ground-based dual-band cloud automatic observation system and a method thereof are provided, the system comprises an imaging unit, the imaging unit comprises a visible light imaging module and an infrared imaging module, and the visible light imaging module and the infrared imaging module are arranged upwards in parallel; the data processing unit is used for analyzing the cloud cover information after receiving the sky image collected by the imaging unit; the data transmission unit is used for transmitting the cloud picture original data and the cloud amount data obtained after the cloud picture original data are analyzed and processed by the data processing unit to the client; an inner shell and an outer shell. The method can acquire all-sky images and cloud cover information of visible light (450-650 nm) wave bands and infrared (8-14 um) wave bands at the same time, realize day and night continuous observation of cloud cover, and realize mutual verification and supplement of imaging of the two wave bands to acquire more accurate cloud cover information. The inner shell can provide a relatively stable internal environment for circuits and components in the data processing unit and the data transmission unit, and the robustness of the system is improved.)

一种地基双波段云量自动观测系统和方法

技术领域

本发明涉及气象观测的技术领域，尤其涉及一种地基双波段云量自动观测系统和方法。

背景技术

云的形成与演变和天气变化有着十分密切的关系，对气候模式判断和天气预报有着重要影响。同时，云量数据的持续观测和分析结果，可用于太阳能产能预报和光伏发电性能评估。目前云量自动化观测设备云量自动观测仪，广泛应用在各气象观测站，在气象科学、遥测、太阳能资源研究，航空/舰船气象等高要求的精密气象观测领域也有应用。

现有的全天空成像产品，例如美国ARM公司的WSI(Whole Sky Imager)、TSI(TotalSky Imager)全天空成像系统、中国气象科学研究院的地基全天空成像仪TCI(Total-skyCloud Imager)等，在可见光波段，已具有自动化连续观测的功能。另外基于大气向下红外(8～14um)辐射信息反演天空云量技术研制的红外云量观测设备,如孙学金团队研制的扫描式红外测云系统WSIRCMS(Whole Sky Infrared Cloud Measuring system)，江苏无线电科学研究所研制的SIRIS等也可实现对全天空云量的连续观测，此类红外波段云观测设备单次观测天空视场较小，因此需要通过多次扫描获取全天空红外图像再进行云量分析。

发明内容

为了实现云量昼夜连续观测，为此，本发明提供一种地基双波段云量自动观测系统和方法。本发明采用以下技术方案：

一种地基双波段云量自动观测系统，包括

成像单元，所述成像单元包括可见光成像模块和红外成像模块，所述可见光成像模块和红外成像模块平行向上设置；

数据处理单元，接收成像单元采集的天空图像后，分析云量信息；

数据传输单元，将云图原始数据、经数据处理单元分析处理后得到的云量数据传输至客户端；

内层壳体，为所述成像单元、数据处理单元和数据传输单元中内部电路和元器件提供内部环境；

外层壳体，与内层壳体之间形成空气腔体。

优化的，还包括环境调节单元，用于调节内层壳体内环境温湿度，所述环境调节单元与数据传输单元连接。

优化的，还包括除尘单元，所述除尘单元包括送风机构，安装于系统仪器底部，形成由下往上的风道。

优化的，所述可见光成像模块的视场为180°，所述红外成像模块的视场为160°。

优化的，所述数据传输单元包括4G无线网络和本地以太网。

使用上述的一种地基双波段云量自动观测系统的方法，包括以下步骤：

S1、数据处理单元获取系统所在位置的经纬度数据，计算该位置日出日落时间，确定成像单元中可见光成像模块的工作时间段；调节内层壳体内的温湿度；设定数据处理单元控制成像单元采集天空可见光和红外图像的采集周期；

S2、数据处理单元将采集的天空原始可见光和红外图像分别进行处理，得到可见光云量数据和红外云量数据；

S3、数据处理单元结合同一时刻红外云量数据和可见光云量数据，计算得到该时刻的综合云量；

S4、数据传输单元将采集的原始图像、云量数据、综合云量发送至客户端。

具体地说，步骤S1中，可见光成像模块工作时间从日出到日落，所述红外成像模块全天候工作。

具体地说，步骤S2中，数据处理单元将采集的天空原始可见光图像进行处理的步骤依次为：图像白平衡校正、图像增强、掩膜处理、云点像素识别、图像分割。

具体地说，步骤S2中，数据处理单元将采集的天空原始红外图像进行处理的步骤依次为：红外图像灰度增强、大气背景辐射矫正、掩膜处理、云分割阈值计算、云图分割、云量计算，伪彩色结果图生成。

具体地说，步骤S3中，综合云量的计算公式为：

其中C_com表示综合云量，C_vis表示可见光云量，C_ir表示红外云量。

本发明的优点在于：

(1)本发明提出一种地基双波段云量自动观测系统，该系统与其它全天空成像系统相比，能够同时刻获取可见光(450～650nm)波段和红外(8～14um)波段的全天空图像和云量信息，实现云量昼夜连续观测，两个波段成像可以相互验证和补充，获得更加准确的云量信息。内层壳体可以为数据处理单元和数据传输单元中的电路和元器件提供相对稳定的内部环境，提高系统的鲁棒性，外层壳体与内层壳体间密封形成的空气腔体可以起到对内层壳体内部保温隔热的作用。

(2)环境调节单元用于检测内层壳体内部的温湿度环境，外部的控制器通过数据传输单元根据环境调节单元反馈的环境数据，控制环境调节单元工作状态，并控制环境调节单元来控制内层壳体内的温湿度在限定范围内。

(3)除尘单元的设置可以延长人工维护周期，实现仪器长时间无人值守工作的要求。

(4)本发明提出的云量观测系统通过白天可见光加红外波段观测，夜间红外波段观测，实现全天候24小时观测。

(5)红外成像单元由定制的广角红外镜头和大靶面红外感光芯片组成无需进行扫描拼接，一次成像可获得分辨率较高的视场不低于160°的天空红外图像，降低了仪器的研制成本，同时减小了红外图像后期处理难度。

(6)该系统设置内外两层壳体，并经密封处理，配置环境调节单元，防护等级达IP65等级，环境适应性较强，满足长期户外工作需求。

附图说明

图1为显示为地基双波段云量观测系统结构图。

图2为显示为地基双波段云量观测系统外形结构图。

图3为可见光成像模块的结构图。

图4为斩光板的结构图。

图5为显示为地基双波段云量自动观测方法示意图。

图6为显示为采集的可见光波段天空图像。

图7为显示为采集的红外波段天空图像。

图中标注符号的含义如下：

1-成像单元 11-可见光成像模块 111-防护罩 112-镜头

113-光遮挡组件 1131-斩光板 1132-驱动部 114-可见光相机

12-红外成像模块

2-环境调节单元 3-数据处理单元 4-数据传输单元

5-除尘单元 61-内层壳体 62-外层壳体

具体实施方式

实施例1

如图1-2所示，一种地基双波段云量自动观测系统，包括

成像单元1，所述成像单元1包括可见光成像模块11和红外成像模块12，所述可见光成像模块11和红外成像模块12平行向上设置；所述可见光成像模块11的视场为180°，所述红外成像模块12的视场为160°。

如图3和图4所示，所述可见光模块11包括防护罩111、可见光镜头112、可见光相机114、光遮挡组件113，防护罩111安装在可见光镜头112上方，可见光镜头112朝上安装，斩光板1131安装于相机和可见光镜头112之间，相机与数据处理单元3连接，数据处理单元3控制相机、斩光板1131的工作状态，周期性采集天空可见光图像。其中，可见光镜头112选用视场角不小于180°的鱼眼可见光镜头112，相机适配鱼眼可见光镜头112，成像像素由相机确定。所述斩光板1131和驱动部1132，所述斩光板1131的活动端与驱动部1132的驱动端连接，所述斩光板1131包括两个工位，一个工位是斩光板1131在可见光相机114上的投影盖住可见光相机114，另一个工位是斩光板1131的投影位于可见光相机114的外侧。所述斩光板1131为塑料薄板。可见光成像模块11只在白天时段采集天空图像，夜间则停止工作。

所述红外成像模块12包括定制的红外广角镜头、8～14um红外感光芯片、光遮挡组件，红外广角镜头朝上安装，光遮挡组件安装在红外广角镜头和红外感光芯片之间，光遮挡组件和红外热敏感光元件与数据处理单元3连接，数据处理单元3控制光遮挡组件和红外感光芯片工作状态，所述数据处理单元3控制光遮挡组件113周期性开启，所述红外热敏感光元件的感光时间可调，使得红外成像模块12周期性采集天空红外图像。其中，定制红外广角镜头，视场角不低于160°，红外成像模块12采集的图像像素不低于640*512。红外成像模块12，全天候24小时工作，无需扫描拼接，一次拍摄可获得不低于160°视场的红外天空图像。

数据处理单元3，接收成像单元1采集的天空图像后，分析云量信息；为轻量化运算平台，其系统基于Linux，是一款基于ARM的微型电脑主板。

数据传输单元4，将云图原始数据、经数据处理单元3分析处理后得到的云量数据传输至客户端；具体地说，所述数据传输单元4包括4G无线网络和本地以太网。提供有线和无线两种方式传输云图原始数据、云量数据以及仪器监测数据。云量自动观测系统安装在户外观测场，用户可根据场地实际情况选择数据传输方式，满足仪器多样的应用场景数据传输需求。

内层壳体61，为所述成像单元1、数据处理单元3和数据传输单元4中内部电路和元器件提供内部环境；

外层壳体62，与内层壳体61之间形成空气腔体，起到保温隔热作用。

环境调节单元2，用于调节内层壳体61内环境温湿度，所述环境调节单元2与数据处理单元3连接。具体地说，环境调节单元2包括温湿度传感器、风扇、加热组件和逻辑电路。温湿度传感器采集内层壳体61的温湿度环境的数据，并传输到数据处理单元3，经数据处理单元3分析判断系统内部环境是否满足系统正常工作需要，如不满足，通过逻辑电路控制风扇或加热组件工作。

除尘单元5，用于清除成像单元1中红外广角镜头和可见光镜头112部件上的灰尘和杂物。具体地说，所述除尘单元5包括送风机构，安装于系统仪器底部，形成由下往上的风道，可以出除去成像单元1中红外广角镜头和可见光镜头112上的灰尘及障碍物，避免红外广角镜头和可见光镜头112受污染影响天空成像。

实施例2

如图5所示，使用实施例1所述的一种地基双波段云量自动观测系统的方法，包括以下步骤：

S1、数据处理单元3获取系统所在位置的经纬度数据，计算该位置日出日落时间，确定成像单元1中可见光成像模块11的工作时间段；调节内层壳体61内的温湿度；设定数据处理单元3控制成像单元1采集天空可见光和红外图像的采集周期；具体地说，可见光成像模块11工作时间从日出到日落，所述红外成像模块12全天候工作。

S2、数据处理单元3将采集的天空原始可见光和红外图像分别进行处理，得到可见光云量数据和红外云量数据；具体地说，数据处理单元3将采集的天空原始可见光图像进行处理的步骤依次为：图像白平衡校正、图像增强、掩膜处理、云点像素识别、图像分割。数据处理单元3将采集的天空原始红外图像进行处理的步骤依次为：红外图像灰度增强、大气背景辐射矫正、掩膜处理、云分割阈值计算、云图分割、云量计算，伪彩色结果图生成。

S3、数据处理单元3结合同一时刻红外云量数据和可见光云量数据，计算得到该时刻的综合云量；综合云量的计算公式为：其中C_com表示综合云量，C_vis表示可见光云量，C_ir表示红外云量。

S4、数据传输单元4将采集的原始图像、云量数据、综合云量发送至客户端。

根据以上系统和方法可获得图6和图7的天空图像。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。