一种基于黑色目标物的新能见度测量系统及能见度对比试验外文翻译资料

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一种基于黑色目标物的新能见度测量系统及能见度对比试验

摘要

根据柯西米德定律，有关于单一黑色物体和天空背景的对比度数学模型成立。基于这个模型，我们建立了一个黑色目标能见度测量系统，使用工业照相机拍摄黑色物体的照片，系统结构相对简单，采用自动化操作。在这项研究中，用三台商业化能见度仪器—一台前向散射仪（CJB-3A）和两台大气透射仪（LT31，VM100）—与黑色目标能见度测量系统进行比较。我们的结果表明，在10公里的可见范围内：1）所有仪器在能见度低的情况下表现良好，在超过5公里的能见度上表现不佳; 2）前向散射仪器在低能见度下具有高偏差，因为不包括粒子吸收; 3）在长达10公里的可视范围内，结果最接近黑色目标测量系统的是使用简单的透射仪，而不是前向散射仪或混合透射仪。

1. 介绍

能见度是气象观测的关键要素，是区分空气污染的重要参数; 它也可以指示大气光学的情况。准确的能见度测量在天气预报，气候监测，交通环境和其他领域中起着重要的作用。

随着技术进步，能见度测量逐渐从人工观测向使用能见度测量仪自动观测转变。目前，用于测量能见度的仪器可以分为两种类型：前向散射仪和大气透射仪（曾恩，1999）。前向散射仪主要测量小体积气体的散射光，而大气透射仪测量光的散射和吸收。由于数码相机技术的飞速发展，一种以照片技术为基础的方法已经在许多能见度测量领域取代了人类观察。Steffens（1949）尝试通过使用聚焦黑色目标的手动相机来捕获黑色目标亮度和背景之间的对比度来计算能见度。但由于手动操作的限制，这些实验失败了；结果不能再现使用相机计算能见度。相反，Bellver（1989）通过拍摄黑色目标来计算能见度，发现在能见度和质量浓度之间呈现良好的线性关系。考虑到黑色目标不是理想的黑色，同时考虑其他方面，Horvath（1989）纠正了贝尔弗方程。Thomas等人（1994）计算能见度只是使用相机，没有说明测量的可靠性或理论的适用条件。Kwon 和Fleege (1998) 使用数码相机和双光源测量能见度；他们发现随着距离的增加，定位光边缘的信息数值呈指数下降。他们因此提出了基于线的统计模型分析并将其测量结果与其他能见度仪器进行比较。Xie等人（1999）提出了一个自动化数字摄影能见度系统（DPVS），它使用了CCD图像传感器（CCD），通过亮度对比方法来计算能见度。Wang等人（2011年，2013年，2014年）发明了一个新的自动化数字摄影能见度系统来获得不同目标的图像和天空背景，通过亮度对比计算能见度。Lu（2003）继续理论分析；通过计算长方体黑色目标的结构，他们发现了黑色半球反射率和目标在近轴方向及其相关特征参数之间的关系。Baumer等（2008）研究了灰色和边缘处理的全景照片，不包括低太阳高度角的数据。他通过检测图片中不同目标的距离和统计比较来自气象站测量的平均能见度数据来确定能见度。最近，一个被称为DOM-Vis（Du等，2013）的数字光学方法被开发出来测量大气能见度。DOM-Vis方法涉及到在相同直线上的两个不同位置拍摄相同目标的两个数字图像，并通过目标和天空背景之间的光学对比度测量能见度。

在这项工作中，我们提出了一个新的能见度测量系统，它使用CCD相机，工业个人电脑和黑色目标物。系统可以自动运行，具有实时观测，测量稳定和操作简单的优点。基于CCD摄像机拍摄的黑色目标和天空背景的图像，我们使用基于柯西米德定律（Koschmieder，1924,1925）的数学模型来计算黑色目标与天空背景之间的对比度，从而估计能见度。

1. 仪器和数据

本研究使用单个黑色目标视力计系统（图1）。该装置安装在中国北京大兴气象站（39°48′N，116°28′E），海拔31.3米。基线长度为300米。该系统包括工业相机（CCD），黑色目标和工业个人电脑。工业数码相机的型号是MV-VS142FM / C（Microvision，
西安，中国），像素1392 x1040（图1a），12位，最高采集速度为15帧/秒。然而，
在这项研究中，我们每分钟收集10帧。黑色目标是100 x 60 x 60厘米的长方体，它有一个直径为30厘米（图1b）圆形窗口。我们用暗淡的颜料涂满长方体内部，以保证当灯光通过窗口时，相机仍然可以捕捉到从窗口发出的弱光，即使光经过了散射和吸收。工业相机由工业个人电脑控制，并向东南方向拍摄黑色目标和天空背景。

图1.单一能见度测量系统：（a）CCD摄像头; 和（b）黑色目标。

2.1黑色目标特征

理论上，黑体是零亮度的理想化对象。实践中，人为的黑色目标无法达到这个标准。因此，我们将黑色目标的黑度定义为出射光与入射光之比。使用的表达方式如下：

s= （1）

其中Lo表示出射光量，Li表示入射光量。

我们参考了中国国家计量学会的黑色度。首先，将可见光谱中扩散反射比大于0.99的白板置于黑体前面。使用PR71亮度计在水平距离2米处测量白板上的各种亮度点。这些测量用于表示入射光的量Li。 接下来，去除白板，并在黑体上直接测量各种亮度点。这些用于表示出射光的量Lo。最后，我们使用Li和Lo的测量值计算黑度。亮度计与地面垂直放置，高度为210厘米，测试视角为1/2°。黑度值如表1所示。“中心”表示黑体中心，如表1所示，其他四个点位于直径为15cm的同心圆上。

表1 黑体不同位置的黑度。

测量结果表明入射光的不同角度导致不同的黑度。在这个系统中，我们将中心黑体和CCD相机镜头保持在一条直线上。为了确保数据的一致性，我们在计算中使用了黑体中心的黑度。

2.2．工业相机的特点

我们在安徽光学研究所和中国科学院的精密机械所测试了CCD摄像机的不均匀性和线性度。积分球是直径为2米，有1米圆形开口的密封球。内有16个LED灯，氧化硅均匀分散在球体的内部，产生均匀反射光的表面。积分球的关键参数如表2所示。

表2积分球的性能指标.

2.2.1．CCD的不均匀性

CCD摄像机固定在积分球前面的支架上，并且光轴保持垂直于光出口。 摄影机距离积分球的光出口30厘米处。为了计算不均匀性，我们首先计算了50个采样结果的平均值; 接下来，我们应用以下等式：

u =x100% （2）

其中u是不均匀性，Vi是有效点的电压值（这一点代表光源中的单个位置，不包括出现明显波动的地区和靠近边缘的地区），V是每个有效点的电压值的平均值，SVi是有效点电压值的标准偏差。根据图上中心区域的四分之一，我们计算 CCD的不均匀度为0.24％。

• • 1. CCD摄像机的线性度

我们只能使用CCD相机拍摄灰度图像，由于相机不能直接获得黑色目标和天空的亮度。因此有必要验证CCD摄像机的线性度。首先我们固定了CCD摄像机光圈，快门速度为25 us。然后我们按顺序减少积分球的光源数，从24个灯到16个灯，8个灯，最后到4个灯。积分球的光谱波长为633nm。在每次调整光源后拍摄五十张照片，我们在每个图片组图像中心使用了一半区域来计算平均灰度。表3显示了辐射水平与灰度之间的关系。用CCD相机拍摄的图像在灰度和辐射之间显示线性关系，如下所述：

G =2995.5r-39.94 （3）

其中G表示灰度级，r表示辐射度。

1. 理论

图像的灰度值被转换为亮度值根据CCD相机拍摄的黑色目标和天空背景的照片，当大气支柱在相机和黑色目标之间均匀分布，我们设置天空背景和黑色目标的内在亮度分别为

Binfin;和B0。表观亮度和内在的天空背景的亮度无限接近天空的亮度。天空背景的表观亮度和与摄像机距离L的黑色目标的关系计算如下：

= （4）

= （5）

其中s是大气消光系数，DL是距离L处的大气柱亮度。涉及方程式 （4）和（5）：

表3不同数量活动灯的积分球的辐射和灰度

表4 CJB-3A和黑色目标能见度测量系统的统计比较结果

表5 LT31和黑色目标能见度测量系统的统计比较结果

表6 VM100和黑色目标能见度测量系统的统计比较结果.

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