一种极光活动监测系统技术方案

本发明专利技术涉及一种极光活动监测系统。包括：用于极光全天空成像的鱼眼镜头、用于将极光全天空成像生成极光模拟视频信号的低照度工业相机、用于控制低照度工业相机的相机控制器、及用于将极光模拟视频信号转换为数字化视频并通过与网络连接为外界提供在线视频流功能的视频编码器，鱼眼镜头安装在低照度工业相机的前端，低照度工业相机通过BNC线缆与视频编码器连接，相机控制器与低照度工业相机电连接。本发明专利技术实现了极弱光照条件下的极光良好成像，并且能够提供在线视频流功能，实现了完全无人值守的自动化观测，具有安装及操作方便、成本低、成像质量较好、在线视频流输出和定时图像采集等优点，能够满足极光活动实时监控的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种极光活动监测系统
本专利技术涉及环境数据
，尤其涉及一种极光活动监测系统。
技术介绍
极光是太阳活动产生的太阳风等离子体与地球大气相互作用产生的极区大气发光现象，是影响人造卫星、空间站运行以及人类航天活动安全的灾害性空间天气活动的重要指示器，是世界各国极地考察研究的重要目标对象。人类赖以生存的日地系统，伴随着太阳的活动，通过专用仪器设备能够在地球空间监测地磁场变化、电离层扰动等空间环境的变化，而极光作为唯一能够被肉眼看到的高空大气物理现象，在空间环境研究及空间天气预报等领域早就受到重视，近几十年来在南北极科学考察站得到了持续的监测，并发展了较为系统的成像观测设备。由于地磁场的特殊位形，极光经常出现在离地磁极25°～30°的范围极光椭圆(或称为极光卵)内，即在南极洲和环北极国家的部分高纬地区才能亲眼看到那绚丽多彩而又美轮美奂的极光。国际上一些研究机构根据太阳活动等实时观测数据，构建了极光活动的预报模型，给出何时在何地可能会看到极光供旅游者和极光摄影爱好者参考，但预报的准确性程度还不是很高，加上当地的气象条件的不确定性很难保证每次的出行都令人满意。在极光成像观测上，早期采用的是低照度下高灵敏度的极光电视摄像系统，随着CCD相机技术的发展特别是EMCCD相机的出现，采用滤光片的单色极光成像成为主流观测设备。分别说明如下：技术1：图1是低照度下高灵敏度的极光电视摄像系统。低照度下高灵敏度的极光电视摄像系统【杨惠根,刘瑞源,黄德宏,菊池雅行,佐藤夏雄,小野高幸,港屋浩一,田玮；“极光全天空视频图像分析系统”，地球物理学报；1997年05期】的工作流程图如图1所示，利用高灵敏度的SK-5型摄像机经过控制器调整增益、叠加帧数和灵敏度来实现低照度下的极光视频的摄像。时基校正器对经过控制器后的视频图像和经过手动调整后的来自时钟发生器的日期和时间信息进行迭加处理，最终合成可被激光视盘读写器(每20秒记录一帧，用于快速检索)和三台Hi8型录像机(用于数据共享和备份)记录。切换开关可以实现Hi8型录像机和激光视盘读写器的图像监视和图像打印。中山站在1995年安装了该型号的摄像系统，直到2011年由于设备老化的原因退役，为中国极地考察累积了超过一个太阳周期(11年)的连续观测资料，作为早期的极光监测设备，低照度下高灵敏度电视极光摄像系统为空间环境监测做出了巨大贡献。技术2：图2是单色极光成像系统，是最新的较为流行的南北极台站使用的商用单色极光成像系统。其主要部件及描述如下：鱼眼镜头1可以收集全视野即视野范围FOV为180゜的极光活动情况，光路经准直透镜2后再由安装在滤光轮3上的滤光片后，由中继透镜5和后端的光路调整为合适的成像面积和成像角度最终成像在EMCCD相机6上。滤光轮3上还可以安装多个滤光片，通过智能马达4定时对滤光片进行旋转和定位，可以实现不同极光特征谱线的观测。目前我国南极中山站、北极KHO观测站和中冰极光观测台都安装了同类极光成像设备。对于低照度下高灵敏度的极光电视摄像系统，虽然能够实现低照度下高灵敏度的极光摄像，但系统构成复杂，主要的不足体现在以下几个方面：1、摄像机自身体积庞大，需要安装在室外或专用的透明罩下，几乎不具备移动性；2、对控制器的增益、灵敏度和叠加帧数的调整需要人工手动完成，而且每次观测前所有上述参数均从最小值开始，逐步调整到合适的成像质量，观测结束后恢复各参数到最小值，调整过程耗时长。每次观测过程中，参数的相对固定后，对于极光活动期间强大的动态范围，无法同时实现弱极光和强极光的理想观测；3、无法做到光控关机和定时关机，观测过程必需有人值守，以避免日出后的强光对相机的致命性损伤；4、视频数字化难度高，虽然可以引入时基校正器后的视频信号给安装有视频采集卡的计算机定时采集数字化图像，但时钟发生器上的时间和计算机上的时间很难实现同步，造成图像上的时间和文件生成时间存在差异；5、视频图像分辨率不高，视频数字化输出的最大分辨率仅为320×240像素；6、无法实现网络在线实时视频流功能。对于单色极光成像系统，虽然可以实现高质量的极光成像，采用一般的CCD相机可以实现512×512像素，时间分辨率为10秒的极光全天空图像采集；如果采用EMCCD相机可以最高实现2048×2048像素，时间分辨率为4秒的极光全天空图像采集。高质量的成像是以费用高昂的光学部件(如高端的鱼眼镜头、低通高透光率的滤光片)和成像部件(如EMCCD相机，一般售价40-50万元)作为代价，而且系统构成也同样复杂，需要专门对操作人员进行培训后才能开始该设备的安装、调试和观测。该技术主要的不足之处体现在以下几个方面：1、单色极光成像的目标是实现极光特征谱线上的绝对测量，对于现场安装的此类设备需要定期在光学实验室进行强度的标定，对于系统结构如此复杂，体积庞大，重量重的设备要运回国内实验室进行标定难度大且运输成本高；2、系统造价和维护成本高，该技术成品成像系统一般售价为100～200万元，主要的差异是是否采用EMCCD相机和转轮系统。对于极地科考站观测，如果要充分保障设备观测的延续性，备用一台CCD相机是比较实际的做法，但造价不菲的EMCCD相机对于一个观测项目来说，维护成本还是比较高的；3、观测环境要求高，单色极光成像系统之所以能够有很高的成像质量关键在于其成像部件CCD相机能够对CCD成像芯片制冷到-60℃条件下工作，可以很好的抑制相机的噪声，提高信噪比。但CCD相机制冷的范围有限，这就要求该成像仪必需安装在特定的观测小屋并且要维持一个0-5℃的室温环境，除此之外还必需保障镜头上方的透明罩在极地特殊环境下不能结霜，以保障开阔的观测视野条件。这样的室温条件不适合采集电脑的存放，一般情况是将采集电脑放置在另外的工作间，CCD相机和计算机采集卡间通过线缆相连。带来的问题是线缆可能要穿墙或走室外，对于一定长度的线缆，对极光成像仪和采集计算机的合理布局需要事先计划好，一般需要专门设计观测小屋后才能实现整套系统的安装；4、无法实现网络在线实时视频流功能，该技术所生成的极光图像文件大小一般在1～4MB，时间分辨率为2～10秒，对于现有的南北极台站的网络带宽条件下，无法实现所有图像文件的实时传输至国内数据处理中心，更无法实现网络实时视频流功能。对于迫切需要极光实时图像或视频的研究及监测机构或科普教育机构是一种缺憾。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种极光活动监测系统，具有成本低、成像质量较好、安装及操作方便、在线视频流输出等优点，能够满足极光活动实时监控的需求，为空间天气预报和极光科普教育等领域提供高质量的在线极光视频资料。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：一种极光活动监测系统，包括：用于极光全天空成像的鱼眼镜头、用于将极光全天空成像生成极光模拟视频信号的低照度工业相机、用于控制低照度工业相机的相机控制器、及用于将极光模拟视频信号转换为数字化视频并通过与网络连接为外界提供在线视频流功能的视频编码器，所述鱼眼镜头安装在低照度工业相机的前端，所述低照度工业相机通过BNC线缆与视频编码器连接，所述相机控制器与低照度工业相机电连接。其中，还包括用于控制电源供电的第一光控开关、电源适配器、靠近鱼眼镜头设置用于监测鱼眼镜头光照条件的第一光敏探头、及用于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种极光活动监测系统，其特征在于，包括：用于极光全天空成像的鱼眼镜头(1)、用于将极光全天空成像生成极光模拟视频信号的低照度工业相机(7)、用于控制低照度工业相机(7)的相机控制器(8)、及用于将极光模拟视频信号转换为数字化视频并通过与网络连接为外界提供在线视频流功能的视频编码器(9)，所述鱼眼镜头(1)安装在低照度工业相机(7)的前端，所述低照度工业相机(7)通过BNC线缆与视频编码器(9)连接，所述相机控制器(8)与低照度工业相机(7)电连接。

【技术特征摘要】
1.一种极光活动监测系统，其特征在于，包括：用于极光全天空成像的鱼眼镜头(1)、用于将极光全天空成像生成极光模拟视频信号的低照度工业相机(7)、用于控制低照度工业相机(7)的相机控制器(8)、及用于将极光模拟视频信号转换为数字化视频并通过与网络连接为外界提供在线视频流功能的视频编码器(9)，所述鱼眼镜头(1)安装在低照度工业相机(7)的前端，所述低照度工业相机(7)通过BNC线缆与视频编码器(9)连接，所述相机控制器(8)与低照度工业相机(7)电连接；还包括用于控制电源供电的第一光控开关(10)、电源适配器(11)、靠近鱼眼镜头(1)设置用于监测鱼眼镜头(1)光照条件的第一光敏探头(13)、及用于提供网络连接的网线(12)，所述第一光敏探头(13)与第一光控开关(10)连接，所述第一光控开关(10)的输入端设置有连接市电的电源接口，所述第一光控开关(10)的输出端通过电源适配器(11)分别连接视频编码器(9)的电源接口和低照度工业相机(7)的电源接口，所述网线(12)连接视频编码器(9)的网络接口。2.根据权利要求1所述的一种极光活动监测系统，其特征在于，还包括相机机架(17)，所述低照度工业相机(7)设置在相机机架(17)上。3.根据权利要求1所述的一种极光活动监测系统，其特征在于，所述鱼眼镜头(1)内置有T360ND滤光片，所述鱼眼镜头(1)自动光圈的驱动方式为直流驱动，所述鱼眼镜头(1)的最大光圈为f/1.4，焦距为1.4mm。4.根据权利要求1所述的一种极光活动监测系统，其特征在于，所述低照度工业相机(7)的最低光照度为0.00002勒克斯，所述低照度工业相机(7)可设置快门速度和帧积分参数，所述相机控制器(8)具有参数设置记忆功能。5.根据权利要求1所述的一种极光活动监测系统，其特征在于，所述视频编码器(9)支持多个H.264与MotionJPEG码流，可同时支持3个可单独配置的30/25fps帧速下最大分辨率码流，限制帧速/分辨率时可支持更多码流，可控帧速与宽带，H.264支持VBR/CBR；所述视频编码器(9)支持的图像分辨率为176×120至720×576，所述视频编码器(9)还具有图像设置功能，所述图像设置功能包括压缩、色彩、亮度、对比度、饱和度、旋转角度90°/180°/270°、屏幕高宽比修正的调节、图像监控、文字与图像重叠、隐私区域遮蔽，所述视频编码器(9)支持特定端口的配置和后期软件开发。6.一种极光活动监测系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄德宏，胡红桥，胡泽骏，
申请(专利权)人：中国极地研究中心，
类型：发明
国别省市：上海;31