自校准大气能见度测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种自校准大气能见度测量方法和系统。本发明专利技术拍下现场所有靶标的图像，用接近人眼视觉特性的方式对图像进行处理，自动计算出靶标光亮度的归一化对比度及能见度数值，并将数据用ＧＰＲＳ无线方式传送到监控中心和高速路进、出口的ＬＥＤ大屏幕显示。本发明专利技术考虑了因散射引起的附加亮度和黑、白目标的固有光亮度差异，提高了能见度测量结果的准确度，所述的大气能见度测量系统具有自校准特性，可实现任何气候条件下（雾、雨、雪、扬沙）大气能见度的实时在线测量，适用于公路、机场等需要测量和报告大气能见度的场所。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种大气能见度测量方法和系统，特别是涉及一种自校准大气能见度测量方法和系统。
技术介绍
随着我国国民经济的迅速发展，道路交通特别是高速公路交通得到了飞速发展，机动车数量也在高速猛增，地区间的往来更加频繁，随之而来的交通安全问题日益突出并引起了社会的广泛关注。能见度是直接影响高速公路交通安全的重要因素，低劣的能见度气候条件，时常导致大规模的连环车祸，造成重大人员伤亡和财产损失。因此，快速、准确地测量和报道能见度，对广大司、乘人员和交通管理部门都是十分重要的。早在50多年前，国际上就开始了对能见度测量技术研究和仪器的研究和开发。过去绝大多数能见度测量仪器是基于测量大气的光透射比或衰减系数或散射系数而设计的，在纯雾或大气均匀的条件下，这类仪器的测量结果还比较准确，但在下雨、下雪和扬尘天气条件下，它们的准确度就大大下降了。此外在大气不均匀，空间变化较大的情况下，由于被测散射光的空间范围(体积)很小，再加上所用测量波长又非可见波长，仪器测量的能见度值常常与人眼观察得到的相差很大。1990年以后，由于视频相机的出现，使得人们能够用非常接近于人类视觉特性的方法来获得和处理图像，实现能见度更准确的测量。比如，1998-2004年，美国明尼苏达大学的智能运输系统研究所，利用一个视频相机和多个靶标，在高速公路上实现了日间能见度的测量，获得了能见度值与靶标对比度值之间的非线性曲线。但是，他们所用的计算公式都没有考虑因散射引起的对靶标光亮度的增加，也没考虑黑、白目标固有的光亮度差异。同时，散射式能见度测量装置，使用前必需进行预校准(定标)，这是非常麻烦和费时的事情，对校准场地和季节也有一定的要求，且对雾天的校准又不适用于雨、雪、扬尘天气。因此，能见度测量装置的校准问题困扰着这类测量仪器的实际应用。目前国内关于公路能见度的研究主要集中在各种气候条件对能见度的影响、环境污染对能见度的影响等方面，未见有关成熟实用的，基于世界气象组织(WMO)正式定义的，直接按人类视觉特性评定的大气能见度实时检测系统报道，更未见有关成熟实用的带自校准的大气能见度实时检测系统方面的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种自校准大气能见度测量方法和系统，该方法考虑了因散射引起光亮度的增加及黑、白目标固有光亮度差异对大气能见度测量的影响，使大气能见度的计算方法更科学、更实用，提出了能见度测量系统自校准的概念，设计了不用预校准的、可自动校准的适用于任何天气条件的大气能见度测量仪器，免除了预校准的麻烦，解决了预校准不适用于雨、雪、扬尘天气变化的难题。本专利技术的专利技术目的是通过以下技术方案实现的一种自校准大气能见度测量的方法，其测量步骤包括(1)在现场沿靶标图像采集装置的可视方向交错设置5～10个大气能见度测量专用靶标；其靶标的工程安装参数由专用软件根据基本参数(包括使用的靶标总数、使用场地(高速路或机场)、安装的距离范围、所用相机的CCD尺寸、总像素，相机的最大焦距、相机安装的光中心高度等)计算得到；(2)用靶标图像采集装置一次性拍下包括所有靶标在内的图像；(3)用图像分析处理装置对靶标图像进行处理，计算每个靶标的光亮度归一化对比度；(4)归一化对比度等于阈值0.05的那个靶标的距离，就是现场的能见度值，在最近靶标到最远靶标距离范围以外的能见度值则通过测量曲线拟合计算得到。本专利技术所述的一种自校准大气能见度测量的方法，在计算靶标的光亮度归一化对比度时，包括了因散射引起的靶标光亮度的减小和增加两个部分的影响，而且也包括了黑、白目标固有光亮度差异的影响。其计算方法如下1.能见度定义按世界气象组织(WMO)，日间气象能见度(Meteorological Visibility)的正式定义如下面对散射的天空背景观察，能够看见和辨认接近地面的适当大小的黑色物体的最大距离。所谓“能够辨认”是指人们观察到的亮度对比度C(contrast)大于约定的阀值对比度，其对比度的计算公式如下C=Lw-LbLw---(1)]]>其中，LW，，LB分别为观察到的白色目标和黑色目标的光亮度。在航空领域，国际民航组织(ICAO)对日间能见度和夜间能见度也有其专门的定义。这些定义原本都基于人眼的独立观察。虽然这些定义不复杂，由于它们本身仍有许多不明确的因素，却给科学测量带来了许多困难。例如白色、黑色物体的光反射比(决定了它们的光亮度)究竟是多少；它面积的大小、形状如何；白色、黑色物体的照明条件又怎样，是仅有天空光照明，还是仅有汽车前大灯照明，或两者兼而有之；在天空光照明的情况下，照明天空及背景天空区域的光亮度分布又如何；观察者的角度和高度等等都没有明确的定义，而它们又明显地影响测量结果，即是说能见度是多个参数复杂的函数。自W.E.K.Middleton提出术语“视见范围(Visual Range，VR)”以后，这些不明确的因素减少了。它被定义为在日间为大气对亮度对比度的衰减的主观视觉评价。在他的VR定义中，能见度的辫认部分被省略了，且还进一步将VR介绍到其它特定的领域，如航空VR、倾斜VR、气象VR等。今天，术语“能见度”和“视见范围”几乎可互换地不区别的使用。本专利技术所述的能见度测量系统主要用于地面交通运输，因此我们对地面能见度VR更感兴趣，而不是大气参数的测量，在这个距离内驾驶员可辨认出车辆和道路边界。2.靶标的光亮度对比度为了测量大气的能见度，专门设计了测量靶标，其白色部分由光反射比很高的漫反射材料构成，黑色部分由光反射比很低的漫反射材料构成，如图1和图6所示。靶标由漫射的天空光和地面的反射光照明，设照明天空的平均等效光亮度为L0，地面反射产生的平均等效光亮度为Lg，若靶标面为漫反射面，其白、黑靶面的光反射比分别为ρW，，ρB，，它们的光亮度在近处(x＝0处)分别为LB0，LW0，按光度学理论，有Lw0=b1ρWL0+b2ρWLg=bρwL0LB0=b1ρBL0+b2ρBLg=bρBL0---(2)]]>式中b1，b2，b为比例因子，在经过光程为l后，其靶标的亮度变为LW(l)=LW0exp(-∫0lγ(x)dx)+LD(l)]]>LB(l)=LB0exp(-∫0lγ(x)dx)+LD(l)---(3)]]>其中，γ(x)为大气衰减系数，右边第一项表示亮度因吸收和散射(出光路)引起的衰减，第二项LD(l)则表示因散射(入光路)引起的增加，其表达式为LD(l)=∫0lLd·σ(x)g(φ)ΔΩ··dx---(4)]]>式中Ld为被天空照明后大气柱截面的光亮度，显然它正比于天空的平均光亮度L0，可表示为Ld＝p1L0，其p1为比例常数；g(φ)为4π方向入射条件下的归一化散射函数g(φ)=∫04πI(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自校准大气能见度测量的方法，其特征在于测量步骤包括：（１）在现场沿靶标图像采集装置的可视方向交错设置５～１０个大气能见度测量专用靶标；（２）用靶标图像采集装置一次性拍下包括所有靶标在内的图像；（３）用图像分析处理 装置对靶标图像进行处理，计算每个靶标的光亮度归一化对比度；（４）归一化对比度等于阈值０．０５的那个靶标的距离，就是现场的能见度值，在最近靶标到最远靶标距离范围以外的能见度值则通过测量曲线拟合计算得到。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谢兴尧，万海峰，张速，
申请(专利权)人：成都易航信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]