一种视距能见度仪及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明提出一种新的视距能见度仪及测量方法，涉及高速公路团雾的实时监测和 大气能见度测量领域。
【背景技术】
[0002] 大气能见度是目标物体的可见距离，是气象观测的常规项目。能见度在天气预报、 环境监测、交通运输安全、目标侦察和武器制导等领域有着重要的应用。
[0003] 已有研宄表明，能见度低于200m的低能见度雾天对高速公路交通安全所造成的 影响较大，其中突发团雾产生的危害最大，且最难以预报。团雾，气象学上称之为辐射雾，受 局部地区微气候环境的影响，雾气更浓，能见度更低。高速公路上团雾区域性很强，无雾处 视线良好，在团雾区域能见度迅速降低。团雾大多属于突然出现、难以预报，会严重影响驾 驶人准确及时地获取路况信息，从而引发驾驶人心理紧张而诱发交通事故，造成严重人员 伤亡和财产损失。因此，能否实时准确地对恶劣天气的大气能见度进行监测，并及时发出预 警信息具有重大社会经济意义。
[0004] 传统的能见度探测方法是人工目测，利用人眼从最远背景中辨认出目标物，然后 进行定量估计的过程。实际目测中，由于影响大气能见度的因素很多，例如目标物与背景 的物理特性、大气特性等，因此目测法不可避免地存在主观性和时空环境限制，误差通常较 大，特别是夜间大气能见度的目测结果误差会更大。
[0005] 目前，常用的仪器测能见度仪有透射式和散射式两种。透射式能见度仪利用光在 不同特征的大气中传输时会发生透射率变化来确定能见度值。虽然透射式能见度仪在低能 见度时性能相当好，但其体积较庞大，探测精度取决于基线长度，安装复杂，价格昂贵，较适 用于机场等领域，而难以应用于需要密集布点的高速公路团雾实时监测与测量场景。散射 式能见度仪通过适当的角度测量大气的散射光强，计算出大气消光系统，从而得到能见度 值。散射式能见度仪成本较低，安装方便，然而当能见度低时，大气中的气溶胶较多，对光的 吸引作用较大，散射光强并不完全正比于散射系数，造成能见度测量值偏高，难满足高速公 路能见度监测（QX/T 76-200)标准所关注的（高速公路需封闭)。
[0006] 近年来，基于数字摄像的能见度探测分析法，利用CCD摄像机的图像直接获取能 见度信息，具有结构简单、体积小、成本低、客观性好、自动化程度高和适应性好等优点获得 了学术界和工业界的广泛关注。而传统的数字摄像法存在着白天、夜间两种不同的测量模 式，需要远处场景参照物，例如人工放置远景参照物或采用检测路段路面车道线为远景参 照物，这样给实际使用带来一定的局限性。因此，如何实现全天候、实时准确、不受参照物影 响且易于组网的视距能见度仪，解决高速公路团雾实时监测的技术难题，具有非常重要的 现实意义和应用价值。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于解决传统的数字摄像法存在白天、夜间模式，不能全天候监测， 同时克服传统的散射式能见度仪在低能见度时测量精度差的问题。
[0008] -种视距能见度仪，其特征在于包括靶体和依次连接的光学放大器、近红外面阵 CCD传感器、嵌入式信号处理单元，以及设置于靶体与光学放大器之间的雾能量激发器； 所述近红外面阵CCD传感器用于感知前述靶体，获取靶体的视亮度信息； 所述光学放大器用于在有雾的状态下，通过与其匹配的雾能量激发器作用，放大被测 靶体的视亮度信息，增强感光度； 所述嵌入式信号处理单元用于通过对前述近红外面阵CCD传感器感知的靶体视亮度 信息进行分析计算得出能见度数值； 所述近红外面阵C⑶传感器与靶体的间距为0. 3~0. 6m。
[0009] 本发明所述的视距能见度仪，所述雾能量激发器对波长为850~980nm的激光进行 1~5K的频率调制，满足近红外CXD面阵传感器感应波长，同时能对雾形态给予激发，形成一 个均衡光场，大大减小外界光的干扰。
[0010] 本发明所述的视距能见度仪，所述近红外面阵CCD传感器探测波长范围为 850~1100nm ;分辨率为1628Χ 1236像素，可用12位模式扫描，每个像素的亮度为一个强度 值，取值范围为〇~4095,其中0表示黑色，4095表示纯白色。
[0011] 本发明所述的视距能见度仪，所述靶体为圆形，其直径为〇. 3~0. 5m。
[0012] 利用本发明所述的视距能见度仪进行能见度的测量方法，包括如下步骤： 步骤1 :每隔1~15秒采集近红外面阵CCD传感器输出的像素信息； 步骤2 :通过像素点明暗值的变化对输出的像素信息进行计算，获得相对视亮度的对 比值，由相对视亮度对比值获得实际视亮度的对比值Ci由式（1)定义：
【主权项】
1. 一种视距能见度仪，其特征在于包括靶体和依次连接的光学放大器、近红外面阵 CCD传感器、嵌入式信号处理单元，以及设置于靶体与光学放大器之间的雾能量激发器； 所述近红外面阵CCD传感器用于感知前述靶体，获取靶体的视亮度信息； 所述光学放大器用于在有雾的状态下，通过与其匹配的雾能量激发器作用，放大被测 靶体的视亮度信息，增强感光度； 所述嵌入式信号处理单元用于通过对前述近红外面阵CCD传感器感知的靶体视亮度 信息进行分析计算得出能见度数值； 所述近红外面阵C⑶传感器与靶体的间距为0. 3~0. 6m。
2. 如权利要求1所述的视距能见度仪，其特征在于所述雾能量激发器的输出波长为 850~980nm。
3. 如权利要求1或2所述的视距能见度仪，其特征在于所述近红外面阵CCD传感器探 测波长范围为850~1100nm;分辨率为1628X1236像素，可用12位模式扫描，每个像素的亮 度为一个强度值，取值范围为〇~4095,其中0表示黑色，4095表示纯白色。
4. 如权利要求3所述的视距能见度仪，其特征在于所述靶体为圆形，其直径为 0? 3 ~0? 5m〇
5. -种利用如权利要求1所述的视距能见度仪进行能见度的测量方法，其特征在于包 括如下步骤： 步骤1 :每隔1~15秒采集近红外面阵CCD传感器输出的像素信息； 步骤2 :通过像素点明暗值的变化对输出的像素信息进行计算，获得相对视亮度的对 比值，由相对视亮度对比值获得实际视亮度的对比值C由式（1)定义：
其中为近红外面阵C⑶传感器感知到的白色视亮度，4为近红外面阵C⑶传感器感 知到的黑色视亮度； 步骤3 :由Beer-Lambert-Boguer定律，可得大气水平能见度r为：
其中，r为近红外面阵C⑶传感器与靶体的间距；CQ为无雾状态下相对视亮度的对比 值； 步骤4 :虽然近红外面阵CCD传感器模拟人正常视力的感光度，但由于不同波长的光对 大气穿透性不同，因此对大气水平能见度F进行修正，可得最终的视距能见度匕为：
其中，常量550表示波长为550nm的绿光；1为雾能量激发器输出波长为波长修 正因子，取决于水平能见度F，
；当
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【专利摘要】一种视距能见度仪及其测量方法，能够真实模拟人正常视力的感光度，直接、真实地获得大气能见距离。涉及高速公路团雾的实时监测和大气能见度测量领域。本发明包括靶体和依次连接的光学放大器、近红外面阵CCD传感器、嵌入式信号处理单元，以及设置于靶体与光学放大器之间的雾能量激发器。相比于传统的数字摄像能见度测量方法，本发明无需场景参照物，不受大气环境中光照、温度等环境因素的影响，不分白天和昼夜模式，具有全天候，测量精度高，稳定性好，结构简单，体积小，成本低等优点，适合于能见度的实时测量和需要密集布点的高速公路团雾监测。
【IPC分类】G01N21-17
【公开号】CN104777103
【申请号】CN201510177157
【发明人】李冬梅, 桑杰, 黄凡
【申请人】西安灏通节能工程设备有限公司
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月15日