用于成像探测的模拟复杂天气环境的实验系统及实验方法

1.本发明属于实验仪器领域，更具体地，涉及用于成像探测的模拟复杂天气环境的实验系统及实验方法。


背景技术：

2.目前，随着成像探测技术的发展，获得准确的图像信息和多模多维的光学信息是一个非常重要的研究方向。在现实自然环境中，存在着各种影响成像质量和光学信息获取的因素，其中天气因素对成像探测的影响十分普遍，包括雾，雨，雪等自然天气条件。为了探究成像探测中的天气因素对成像质量的好坏有多大程度的影响，所以对于成像探测系统的功能性和可靠性测试需要在不同的天气环境下完成，但天气的变化在短时间内往往是相对稳定，一般会不会在短时间内发生数次天气的剧烈转换。故成像探测研究的实验条件往往会受到天气的影响，不能够在短时间内完成测试的目标。所以模拟天气环境的实验系统显得尤其重要。
3.在现有实验设备以及技术条件下，往往是单一模拟雨、雾、风等天气条件，并且不能很好的控制所模拟的天气条件，达不到成像探测的实验需要。即使有将这些因素集合在一起的模拟系统，其在雨量和气流量增大后，大雨的雨滴也会对雾滴造成拖拽作用，使得悬浮的雾滴快速沉降，雾会快速消散，气流形成的大风会也将雾吹散，再结合模拟仓内的高温环境，雾会大量的蒸发，形成大量热的蒸汽，失去雾的效果。因此，现有的一些模拟系统在大雨、大风和高温环境无法产生所需要的雾环境，不能形成雾环境。而雾是影响成像探测的主要因素，模拟高温、大风或者大雨环境下的雾环境，探究在极端恶劣环境下以及各自高温、大风以及大雨与雾条件叠加对成像探测产生的影响，更加贴近真实环境或者说考虑到各种各样的复杂环境对成像探测的影响。现在一般都是在常规实验条件下形成雨、雾、气流来进行实验，而没有在大雨、大风和高温实验条件下进行成像探测。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了用于成像探测的模拟复杂天气环境的实验系统及实验方法，通过模拟控制雨，雾，气流等天气环境的变化，同时为可见光和红外波段的成像探测提供了相应的实验条件，使得成像探测不在受到自然环境天气的影响，可以进行复杂天气环境的调控，在实验室条件下就可以完成相关的测试研究。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了用于成像探测的模拟复杂天气环境的实验系统，其特征在于，包括模拟仓、雨发生系统、雾发生系统和气流调控系统，其中：
6.所述模拟仓相对的两个侧壁上分别安装有透红外玻璃，所述模拟仓在对应于各透红外玻璃的位置安装有雨刮器，所述模拟仓的顶部设置有降雨孔，所述模拟仓的侧壁设置有出水口；
7.所述雨发生系统包括雨发生主机、出水管和进水管，所述出水管和进水管分别与
所述雨发生主机连接，并且所述出水管上设置有喷头，所述喷头设置在所述模拟仓顶部的降雨孔处，以用于使水滴进入所述模拟仓，所述进水管与所述模拟仓上的出水口连接，以让水在所述模拟仓和所述雨发生主机之间循环；
8.所述雾发生系统包括水箱和超声波雾化发生器，所述超声波雾化发生器的入口与该水箱连接，所述超声波雾化发生器的出口通过导雾管与该模拟仓连接，以用于将雾导入该模拟仓内；
9.所述气流调控系统包括外壳、气管和阀门，所述气管安装在所述外壳上，该气管的进气口连接气源而出气口连接该模拟仓，以用于将气流导入该模拟仓内，所述阀门安装在所述气管上。
10.优选地，所述雾发生系统还包括设置在所述机箱内的风扇，以用于将产生的雾吹向所述导雾管。
11.优选地，所述气流调控系统还包括气体温度控制模块，以用于控制气管的出气口的气体温度。
12.优选地，所述气流调控系统还包括气体流量控制模块，所述气体流量控制模块安装在所述气管上，并且所述阀门位于气体流量控制模块和气管的进气口之间。
13.优选地，所述气流调控系统还包括气体温度控制模块和气体流量控制模块，所述气体温度控制模块用于控制气管的出气口的气体温度，所述阀门位于气体流量控制模块和气管的进气口之间，所述气流调控系统还包括气体输出分析模块，以用于获得当前输出的气体的流量和温度并反馈给控制系统，从而让控制系统再通过气体温度控制模块和气体流量控制模块来控制气体温度和流量，从而实现闭环控制。
14.优选地，所述雨发生主机具有雨流量调节旋钮，以用于调节所述喷头的出水流量；所述超声波雾化发生器具有雾量调节旋钮，以用于调节雾流量。
15.优选地，所述模拟仓具有透气空隙，以连通模拟仓内外。
16.按照本发明的另一个方向，还提供了所述的模拟复杂天气的环境实验系统的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
17.1)所述模拟仓的仓内体积为100l～150l；
18.将不可自发光的目标物放置在模拟仓内对应于透红外玻璃的位置，然后在模拟仓外对应于目标物的位置分别布置光源和成像探测器，并且光源和成像探测器位于所述模拟仓的同一侧，光源发光照射到目标物上，使目标物反射光线后让成像探测器对目标物进行成像探测；
19.或者，将可自发光的目标物放置在模拟仓内对应于透红外玻璃的位置，然后在模拟仓外对应于目标物的位置布置成像探测器，以让成像探测器104对目标物进行成像探测；
20.或者，在对应于模拟仓的透红外玻璃的位置分别布置光源和光束质量分析仪，并且模拟仓在所述光源和所述光束质量分析仪之间，光源发出的光线穿过透红外玻璃后进入光束质量分析仪中，从而通过光束质量分析仪观察不同天气环境对于光束质量的影响；
21.2)初始时，模拟仓内的温度t＝室温～100℃，并且：
22.通过气流调控系统向模拟仓内导入气体来形成气流，且模拟仓内的气流的流量g＝0.01m3/min～0.05m3/min；
23.通过雨发生系统的喷头向模拟仓内喷入水滴来模拟降雨，且模拟仓内的雨的流量
r＝0.5l/min～2l/min，；
24.通过雾发生系统向模拟仓内导入雾，且模拟仓内的雾的流量f＝0.1l/h～0.3l/h；
25.3)当g＞0.05m3/min，t＞100℃，2l/min＜r＜6l/min，且喷头喷出的水滴的直径d＝1mm～2mm时，雾发生系统控制进入模拟仓的雾的流量f’＝1.2f～1.4f；
26.4)当g＞0.05m3/min，t＞100℃，r＝6l/min时，且喷头喷出的水滴的直径d＝4mm时，雾发生系统控制进入模拟仓的雾量f”＝1.6f～2f，以抵消雨滴拖拽作用带来的雾的消散。
27.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
28.1)本发明的雾发生系统、气流调控系统和雨发生系统可在模拟仓内模拟产生雾、风和雨的情况，在一个实验设备主体中可以同时模拟多种天气环境的变化，而不仅仅是单一的一种如雾或者雨等，减少了所需的实验设备，单一实验完成了多种功能的集成。
29.2)成像探测实验不受自然天气环境的限制，在实验室条件下就可以完成多种天气环境下的实验需求，节省了实验所需的时间。
30.3)雾，雨和气流的复杂天气条件模拟，可以连续进行调控，响应速度快，控制精度高。
31.4)适用范围大以及覆盖波段广。成像探测均可使用本发明系统进行定性或定量实验测试与评估，包括静态或动态模拟复杂气动光学环境或条件下的波前成像、偏振成像、光场成像、波谱成像、复眼成像、合成孔径成像以及复合成像等。同时从可见光波段至远红外波段均可以进行成像探测实验，透红外玻璃透射率高，至11μm波长处仍可达到90％的透射率，覆盖波段广。
32.5)使用方便。本发明将各个系统组件进行封装，使用方便，方便拆装维护。将各个发生系统和控制系统接通电源后，根据按键的提示进行操作，没有学习成本，操作简便。
附图说明
33.图1是本发明在其中一个视角下的结构示意图；
34.图2是本发明在另一视角下的结构示意图；
35.图3是本发明中模拟仓的示意图；
36.图4是本发明中雨发生系统的示意图；
37.图5是本发明中雾发生系统的示意图；
38.图6是本发明中气流调控流程示意图；
39.图7是本发明中气流调控系统的示意图。
40.图8是本发明实验方法光束评估示意图。
41.图9是本发明实验方法透射式成像模式示意图。
42.图10是本发明实验方法反射式成像模式示意图。
具体实施方式
43.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
44.如图1～图7所示，用于成像探测的模拟复杂天气环境的实验系统，模拟仓1、雨发生系统2、雾发生系统3和气流调控系统4，其中：
45.所述模拟仓1相对的两个侧壁上分别安装有透红外玻璃6，以保证可见光和红外光的透过，如图3所示，所述模拟仓1的前面与后面均设有透红外玻璃6，从可见光波段至远红外波段(11μm处)均可以达到90％以上的透射率。在透红外玻璃6内侧设有雨刮器7，保证模拟降雨和起雾天气环境下，透红外玻璃6上不会有水珠残留。所述模拟仓1在对应于各透红外玻璃6的位置安装有雨刮器7，所述模拟仓1的顶部设置有降雨孔8，所述模拟仓1的侧壁设置有出水口9。
46.所述雨发生系统2包括雨发生主机、出水管19和进水管18，所述出水管19和进水管18分别与所述雨发生主机连接，并且所述出水管19上设置有喷头20，所述喷头20设置在所述模拟仓1顶部的降雨孔8处，以用于使喷出的水滴进入所述模拟仓1内模拟雨滴，在模拟仓1内，喷头20喷出的水滴形成“雨滴”，喷头20的出水流量可调，从而可调整进入模拟仓1内的水滴直径。所述进水管18可与所述模拟仓1上的出水口9连接，以让水在所述模拟仓1和所述雨发生主机之间循环，节约水资源；此外，进水管18也可连接其它的水源。
47.所述雾发生系统3包括水箱和超声波雾化发生器，所述超声波雾化发生器的入口与该水箱连接，所述超声波雾化发生器的出口通过导雾管24与该模拟仓1连接，以用于将雾导入该模拟仓1内。
48.所述气流调控系统4包括外壳、气管和阀门35，所述气管安装在所述外壳上，该气管的进气口连接气源而出气口连接该模拟仓1，以用于将气流导入该模拟仓1内，所述阀门35安装在所述气管上。
49.进一步，所述雾发生系统3还包括设置在所述机箱内的风扇，以用于将产生的雾吹向所述导雾管24。
50.进一步，所述气管包括设置在外壳31内的内管和设置在外壳31外的外管38，所述外管38连接所述模拟仓1，所述阀门35设置在所述内管上，所述内管与所述外管38通过设置在所述外壳31侧壁上的出气接口33连接。
51.进一步，所述内管包括多根支管和一根汇气主管，每根所述支管的进气口分别连接一个气源，各气源内储存的气体不同，各所述支管的出气口分别与所述汇气主管连接，所述汇气主管的出气口与所述外管38连接，每根所述支管上均设置阀门35和气体流量控制模块36。
52.进一步，所述气流调控系统4还包括气体温度控制模块，以用于控制气管的出气口的气体温度。
53.进一步，所述气流调控系统4还包括气体流量控制模块36，所述气体流量控制模块36安装在所述气管上，并且所述阀门35位于气体流量控制模块36和气管的进气口之间。
54.进一步，所述气流调控系统4还包括气体温度控制模块和气体流量控制模块36，所述气体温度控制模块用于控制气管的出气口的气体温度，所述阀门35位于气体流量控制模块36和气管的进气口之间，所述气流调控系统4还包括气流输出分析模块39，以用于获得当前输出的气体的流量和温度并反馈给控制系统，从而让控制系统再通过气体温度控制模块
和气体流量控制模块36来控制气体温度和流量，从而实现闭环控制。
55.进一步，所述模拟仓1具有透气空隙，以连通模拟仓1内外。
56.参照图3，所述模拟仓1的左侧面开有用于连接气流调控系统4的气流接口5，右侧面开有用于连接雨发生系统的出水口9和用于连接雾发生系统的雾接口10，所述雾发生系统通过导雾管24与雾接口10连接，雨发生系统通过进水管18与模拟仓1的出水口9连接，同时通过出水管19上的喷头20与所述模拟仓1的降雨孔8连接，气流调控系统4通过外管38与模拟仓1的气流接口5相连。
57.参照图4，雨发生主机具有出水接口11、进水接口12、显示屏13、雨流量调节旋钮14、电源按键15、启动按钮16和停止按钮17。使用时，接通雨发生系统的电源，按下电源按键15，然后按下启动按钮16，调节雨流量调节旋钮14，可以调节所述喷头20的出水流量，对下雨的大小进行模拟，同时显示屏13显示出当前的流量大小。开启雨发生系统2前，将出水接口11与出水管19相连接，进水接口12与进水管18相连接，应当将模拟仓1装入一定量的水，水的深度应当高于主体出水口9的高度，保证雨发生系统2可以正常进行工作。雨发生系统的正常工作流程如下：模拟仓1中的水通过出水管18进入雨发生系统2，通过调节流量调节旋钮14调节水的流量，从而实现对雨量的一个连续调控。然后水经过雨发生系统2，通过进水管19与喷头20接入水箱顶部的降雨孔8，从模拟仓1的顶部落下，完成雨的模拟，另外通过改变喷头20的孔径，可以改变雨滴的大小，模拟不同大小的雨滴。同时在此过程中，水从模拟仓1底部的出水口9进入雨发生系统2，然后从顶部落下，重新回到底部，不会有水的损失浪费，从而保证水的循环使用，为实验带来了便利。
58.参照图5，所述雾发生系统3还具有导雾接口21和水箱盖板25，超声波雾化发生器具有雾流量调节旋钮22和电源按钮23，雾发生系统3的正常工作流程如下：在启动之前，打开水箱盖板25向水箱内加入适量的水，盖上水箱盖板，接通电源，按下电源按钮23，开启雾发生系统3后，内置在水箱中的水被超声波雾化发生器的雾化片的高频振荡打散为直径5μm左右的水雾微粒，与自然水雾的粒径基本相符，通过内部的风扇，将水雾通过导雾管24吹入模拟仓1中，完成雾的模拟。同时通过调节雾流量调节旋钮22，可以调节单位时间内输出雾量的大小，进而调控模拟仓1中雾的浓度。
59.参照图6，为气流调控系统4工作的流程图，内管的支管有四路，从四路气体输入，选择输出气体种类，输出气体的流量和温度控制，明确指出了进行气流调控的一个整体过程。
60.参照图7，所述气流调控系统4还具有支撑脚32、出气接口33和进气接口34等。支撑脚32设置在外壳31的底部，该气体调控系统4在使用时，将内管一端的进气接口34与气源上的气体管路或者作为气源的压缩气瓶相连接，出气接口33与外管38相连接。因为该气流调控系统4可以对四路气体进行选择输出，故连接时，注意每个管道所连接的气体种类，做好标记，并考虑气体混合可能出现的其他情况。气路连接好后，开启气流调控系统4的电源，选择其中一路阀门35进行开启，调节阀门35的开度和气体流量控制模块36调节输出气体的流量，输出气体的压力为0.1mpa～0.5mpa。通过气体温度控制模块37，调节出气口的气体的温度，当前输出气体的流量和温度会显示在显示屏上。同时气流输出分析模块39可以分析当前实际输出的气体流量和温度，达到一个反馈控制的目的，提高调控的精度。通过输出不同气体的温度和流量，达到模拟大风和高温的天气环境以及探究不同气体，不同温度对成像
探测实验的影响。
61.本发明的用于成像探测的模拟复杂天气环境试验系统为成像探测实验提供了实验环境，打破了天气和时间条件的限制，模拟多种天气变化，具有集成化，方便调节，使用方便的特点。
62.按照本发明的另一个方向，还提供了所述的模拟复杂天气的环境实验系统的实验方法，包括以下步骤：
63.1)所述模拟仓的仓内体积为100l～150l；
64.将不可自发光的目标物102放置在模拟仓内对应于透红外玻璃的位置，然后在模拟仓1外对应于目标物102的位置分别布置光源101和成像探测器104，并且光源101和成像探测器104位于所述模拟仓的同一侧，光源101发光照射到目标物102上，使目标物102反射光线后让成像探测器104对目标物102进行成像探测；
65.或者，将可自发光的目标物102放置在模拟仓1内对应于透红外玻璃6的位置，然后在模拟仓外对应于目标物102的位置布置成像探测器104，以让成像探测器104对目标物102进行成像探测；
66.或者，在对应于模拟仓1的透红外玻璃6的位置分别布置光源101和光束质量分析仪103，并且模拟仓1在所述光源101和所述光束质量分析仪103之间，光源101发出的光穿过透红外玻璃6后进入光束质量分析仪103。
67.在进行成像探测实验时，包括波前成像、偏振成像、光场成像、波谱成像、复眼成像、合成孔径成像以及复合成像等，选取所需成像的波段，搭建实验环境，开启整个实验系统，可以达到较好的实验效果。参照图8，光束评估也是成像探测实验的一种，在进行光束评估时，不需要目标物102，将光源101、模拟仓的透红外玻璃的中心、光束质量分析仪103基本放置在同一高度，光源101和光束质量分析仪103放置在模拟仓1的前后两侧，观察不同复杂的天气环境下对于光束质量的影响(例如气流湍流、雨雾对于波前的扰动)。
68.或者，根据观察目标物102是否可以自发光和成像探测的光源101不同，选取不同目标物102的位置以及是否需要光源101。参照图9，对于可以自发光的目标物102，可以将目标物102放置在模拟仓1内，保持目标物102的高度基本和透红外玻璃的中心对齐。实验的光路搭建分别包括本发明所述实验系统，目标物102，光源101和成像探测器104组成。成像探测器104放置在模拟仓1前部，目标物102放置在模拟仓1内，光源101保证成像探测器104中有合适的输出，这种方式是对应一种透射式的成像模式。参照图10，对于不可自发光的目标物102，采用外部光源101，形成一种反射式的成像模式，将目标物102放置在模拟仓1内，保持目标物102的高度基本和透红外玻璃的中心对齐。实验的光路搭建分别包括本发明所述实验系统，目标物102，光源101(如果光源101采用激光发射的方式，则光源101包括激光器和扩束器)，成像探测器104组成。根据所需进行成像实验的波段不同，选取相对应波段的光源101(可见光波段，近红外，中红外，远红外波段)或者选用宽谱段的光源101进行实验。宽谱段的光源101覆盖可见光，短波红外，中波红外，长波红外中的一个或几个波段。其中外部光源101还可以包括自然光，例如太阳、地球、月亮以及星光等。成像探测器104放置在模拟仓1前部，目标物102放置在成像探测器104模拟仓1内，光源101与成像探测器104放置在同一侧，如果选用含激光的光源101，扩束器放置在激光器和模拟仓之间，保证激光经过扩束器，光束中心与透红外玻璃中心保持在同一水平线上，保证成像探测器104接收到合适的信
号，有合适的输出响应。
69.2)开启本发明所述的实验系统，调节雨发生系统，雾发生系统和气流调控系统，分别调节三个系统观察，成像探测器104的输出变化，可探究出单一雨，雾，气流与温度变化条件下，对成像探测的影响。因为复杂天气条件并不是单一的一种天气，往往都是耦合在一起的，所以模拟复杂天气条件需要本发明所述调控系统一起工作。故本发明所示系统不仅可以模拟正常天气环境，还可以对极端恶劣或者复杂的环境进行相应的模拟和进一步的展示。(如极端高温，大暴雨，浓雾等或者复杂多种天气环境)。
70.初始时，模拟仓1内的温度t＝室温～100℃，并且：
71.通过气流调控系统4向模拟仓1内导入气体来形成气流，且模拟仓1内的气流的流量g＝0.01m3/min～0.05m3/min；
72.通过雨发生系统2的喷头20向模拟仓1内喷入水滴来模拟降雨，且模拟仓1内的雨的流量r＝0.5l/min～2l/min，；
73.通过雾发生系统3向模拟仓1内导入雾，且模拟仓1内的雾的流量f＝0.1l/h～0.3l/h；
74.当本发明系统开始运行时，模拟仓1尚没有雾，在相同的雾发生系统3的输出下，调控气流调控系统输出气流温度在40℃以下，气体流量在0.01m3/min～0.05m3/min，同时开启雾发生系统和气流调控系统，低温，小流量的气流有助于水雾快速均匀地充满整个箱体，可以相应减少充满整个箱体所需时间的20％～40％。同时维持稳定的雾浓度时，调整气流调控系统4输出较低温度和较小的流量，促使雾在模拟仓1中进行均匀的分布，可以减少雾发生系统3的输出。
75.3)当g＞0.05m3/min，t＞100℃，2l/min＜r＜6l/min，且喷头20喷出的水滴的直径d＝1mm～2mm时，雾发生系统3控制进入模拟仓1的雾的流量f’＝1.2f～1.4f；
76.当g＞0.05m3/min，t＞100℃，r＝6l/min时，且喷头20喷出的水滴的直径d＝4mm时，雾发生系统3控制进入模拟仓1的雾量f”＝1.6f～2f，以抵消雨滴拖拽作用带来的雾的消散。
77.当气流调控系统输出流量大于0.05m3/min，模拟仓1内的气流温度在大于100℃时，会造成雾发生系统的调控剧烈减弱，雨发生系统的调控也会相应的减弱，因为雾会大量的蒸发，形成大量热的蒸汽，失去雾的效果。因为模拟仓1考虑到需要进气和雾，防止出现模拟仓1内压力过大的情况，没有进行密封处理，而是存在透气空隙，可以让气体和雾逸出。当产生热的蒸汽时，有透气空隙进行消散，提高实验环境的可靠性和可用性，减少对实验产生的影响。故本发明可以更加接近自然的雾环境。本发明一边在产生浓雾，一边又有透气空隙让雾缓慢进行消散。影响本发明的模拟仓1中的雾浓度的因素主要有上面所述的高温气体的影响，还有从透气空隙中进行的自然消散，落入模拟仓1中下部水面导致消散。另外由于雨滴也会对雾滴造成拖拽作用，使得悬浮的雾滴快速沉降，使得雾快速消散。为了保证实验中雾的浓度，在雾发生系统原有输出的基础上，雾流量调节旋钮使雾发生系统的输出根据雨量的大小和雨滴粒径的大小，保证雾浓度达到实验的要求。当雨发生系统的输出流量在2l/min＜r＜6l/min时，喷头20喷出的雨滴直径范围(喷头的孔径大小)在1mm～2mm时，雾需要保持原有的浓度，需要在原有的输出基础上，雾流量增加20％～40％的输出，来抵消雨滴拖拽作用带来的雾的消散。雨发生系统输出流量达到最大6l时，喷头20喷出的雨滴直径范
围(喷头的孔径大小)调节到最大4mm时，雾发生系统在原有的输出基础上需要雾流量增加60％～100％的输出，来抵消雨滴拖拽作用带来的雾的消散。
78.在设计时雾发生系统所能够产生雾浓度远在这些影响的范围之上，所以能够满足实验中的调控需要。在实验过程中，需要协调控制相关系统的输出，保证实验的效果。
79.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。