一种采用成像手段确定高空风速的方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种采用成像手段确定高空风速的方法及系统，通过定焦相机对云层底部按照预设采样频率进行拍摄，将每个云层底部图像均划分为多个判读窗口，对相邻两个采样时刻的云层底部图像的对应位置的判读窗口进行互相关运算，结合成像比例值和预设采样频率获得每个云层底部图像的移速矢量矩阵，对移速矢量矩阵中的所有移动速度矢量进行加权平均，获得每个云层底部图像的底层云层的移动速度矢量，结合定焦相机与所述云层底部的垂直距离，获得每个采样时刻的定焦相机与云层底部之间任意高度处的风速矢量。本发明专利技术利用定焦相机拍摄云层底部图像，识别云层底部图像获得高空风速，在保证计算风速准确性的同时降低了风速观测的成本。

【技术实现步骤摘要】
一种采用成像手段确定高空风速的方法及系统
本专利技术涉及风速测量
，特别是涉及一种采用成像手段确定高空风速的方法及系统。
技术介绍
高空风速是气象学以及风工程等领域所关注的重要气象要素之一。目前捕获高空风速的方法有两类，分别是接触式方法和非接触式方法。其中，接触式风速测量设备包括：1)测风塔，测风塔的高度从几十米到几百米不等；2)下投式探空仪，这种方式一般依靠飞行器在高空投放测风设备获取风速数据；3)探空气球，即从地面释放携带测风设备的升空装置实测风速测量。非接触式风速测量设备包括：1)声雷达，基于多普勒原理以声波作为媒介测算高空风速；2)激光雷达或电磁波雷达，同样基于多普勒雷达，但媒介为激光或电磁波。接触式的测量方法由于需要将测风设备依附于建筑物或塔体上，建筑对风的扰流效应会干扰观测结果。而对于非接触式的多普勒雷达，由于其一般需要从地面向高空投射声波、激光或电磁波，所测得的风速分量一般是垂直风速，对所关心的水平风速的观测误差较大。此外，不管是接触式的测量方法还是非接触式的测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用成像手段确定高空风速的方法，其特征在于，所述方法包括：/n通过定焦相机对云层底部按照预设采样频率进行拍摄，获得云层底部图像序列；/n确定所述定焦相机与所述云层底部的垂直距离；/n根据所述垂直距离，获得所述定焦相机拍摄的参考物的成像长度与所述参考物的实际长度的成像比例值；/n将所述云层底部图像序列中的每个云层底部图像均划分为多个判读窗口；/n根据所述成像比例值和所述预设采样频率，对所述云层底部图像序列中相邻两个采样时刻的云层底部图像的对应位置的判读窗口进行互相关运算，获得每个云层底部图像的每个对应位置的判读窗口中云层微团的移动速度矢量，并将每个云层底部图像的所有判读窗口中云层微团的移...

【技术特征摘要】
1.一种采用成像手段确定高空风速的方法，其特征在于，所述方法包括：
通过定焦相机对云层底部按照预设采样频率进行拍摄，获得云层底部图像序列；
确定所述定焦相机与所述云层底部的垂直距离；
根据所述垂直距离，获得所述定焦相机拍摄的参考物的成像长度与所述参考物的实际长度的成像比例值；
将所述云层底部图像序列中的每个云层底部图像均划分为多个判读窗口；
根据所述成像比例值和所述预设采样频率，对所述云层底部图像序列中相邻两个采样时刻的云层底部图像的对应位置的判读窗口进行互相关运算，获得每个云层底部图像的每个对应位置的判读窗口中云层微团的移动速度矢量，并将每个云层底部图像的所有判读窗口中云层微团的移动速度矢量构成移速矢量矩阵，获得每个云层底部图像的移速矢量矩阵；
分别对每个云层底部图像的移速矢量矩阵中的所有移动速度矢量进行加权平均，获得每个云层底部图像的底层云层的移动速度矢量；
根据每个云层底部图像的底层云层的移动速度矢量和所述垂直距离，利用指数风剖面经验公式或对数风剖面经验公式，获得每个采样时刻的定焦相机与云层底部之间任意高度处的风速矢量。


2.根据权利要求1所述的采用成像手段确定高空风速的方法，其特征在于，所述确定所述定焦相机与所述云层底部的垂直距离，具体包括：
利用公式H＝a·(Ts-Td)，确定所述定焦相机与所述云层底部的垂直距离；
其中，H为定焦相机和云层底部的垂直距离；a为经验系数；Ts为地面温度，单位为℃；Td为地面温度为Ts时空气的露点温度，单位为℃。


3.根据权利要求1所述的采用成像手段确定高空风速的方法，其特征在于，所述根据所述垂直距离，获得所述定焦相机拍摄的参考物的成像长度与所述参考物的实际长度的成像比例值，具体包括：
利用所述定焦相机拍摄所述参考物，获得所述参考物的成像长度；
根据所述垂直距离和所述定焦相机的成像视角，利用公式获得所述定焦相机拍摄的参考物的实际长度；
确定所述定焦相机拍摄的参考物的成像长度与所述参考物的实际长度的成像比例值；
其中，H为定焦相机和云层底部的垂直距离，DR为参考长度，α为定焦相机的成像视角。


4.根据权利要求1所述的采用成像手段确定高空风速的方法，其特征在于，所述根据所述成像比例值和所述预设采样频率，对所述云层底部图像序列中相邻两个采样时刻的云层底部图像的对应位置的判读窗口进行互相关运算，获得每个云层底部图像的每个对应位置的判读窗口中云层微团的移动速度矢量，具体包括：
对所述云层底部图像序列中相邻两个采样时刻的云层底部图像的对应位置的判读窗口进行互相关运算，利用公式获得相邻两个采样时刻的云层底部图像的对应位置的判读窗口的互相关函数值；
确定最大的互相关函数值对应的相邻两个采样时刻的云层底部图像的对应位置的两个判读窗口，并根据两个判读窗口的距离确定后一个采样时刻的云层底部图像相对于前一个采样时刻的云层底部图像的云层微团的成像位移；
将所述成像位移与所述成像比例值的比值作为后一个采样时刻的云层底部图像相对于前一个采样时刻的云层底部图像的云层微团的实际位移大小；
根据云层微团的实际位移大小和所述预设采样频率，确定后一个采样时刻的云层底部图像相对于前一个采样时刻的云层底部图像的云层微团的移动速度大小；
根据云层底部图像的标定方向，确定后一个采样时刻的云层底部图像相对于前一个采样时刻的云层底部图像的云层微团的移动速度方向；
后一个采样时刻的云层底部图像相对于前一个采样时刻的云层底部图像的云层微团的移动速度大小和后一个采样时刻的云层底部图像相对于前一个采样时刻的云层底部图像的云层微团的移动速度方向构成后一个采样时刻的云层底部图像相对于前一个采样时刻的云层底部图像的云层微团的移动速度矢量；
其中，f(k,l)为前一个采样时刻的云层底部图像的判读窗口在位置(k,l)处的灰度函数值，g(k+m,l+n)为后一个采样时刻的云层底部图像的判读窗口在位置(k+m,l+n)处的灰度函数值，m和n分别为进行互相关运算时两个判读窗口中的图像灰度函数的范围的绝对错动值，-M≤m≤M，-N≤n≤N，M和N分别为判读窗口的宽和高，R(m,n)为相邻两个采样时刻的云层底部图像的对应判读窗口的互相关函数值，为前一个采样时刻的云层底部图像的判读窗口的灰度函数的均值，为后一个采样时刻的云层底部图像的判读窗口的灰度函数的均值。


5.根据权利要求1所述的采用成像手段确定高空风速的方法，其特征在于，所述根据每个云层底部图像的底层云层的移动速度矢量和所述垂直距离，利用指数风剖面经验公式或对数风剖面经验公式，获得每个采样时刻的定焦相机与云层底部之间任意高度处的风速矢量，具体包括：
根据每个云层底部图像的底层云层的移动速度矢量和所述垂直距离，利用指数风剖面经验公式或对数风剖面经验公式获得每个采样时刻定焦相机至云层底部之间任意高度处的风速；
根据每个云层底部图像的底层云层的移动速度矢量和云层底部图像中标定的方向，确定每个采样时刻定焦相机至云层底部之间任意高度处的风向；
其中，Uh为定焦相机至云层底部之间高度h处的风速，UH为云层底部的移动速度大小，H为定焦相机和云层底部的垂直距离，α和h0均为经验系数。


6.一种采用成像手段确定高空风速的系统，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨绪南，
申请(专利权)人：同济大学建筑设计研究院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31