[发明专利]基于四通道全天空偏振成像的云像探测系统及其探测方法

说明书

本发明提供一种基于四通道全天空偏振成像的云像探测系统及其探测方法，包括安装支架，安装支架上为安装腔体，安装腔体设有防尘防雨罩，防尘防雨罩内自上到下依次设有180度全景鱼眼镜头、滤光轮、CMOS偏振传感器，滤光轮通过支架安装在XY位移装置上，滤光轮上设有太阳像元阻挡片；防尘防雨罩内还设有温控装置；安装支架上还设有GPS模块；CMOS偏振传感器、180度全景鱼眼镜头、温控装置、XY位移装置、GPS模块分别与控制和数据采集模块、计算机连接。本发明获取天空亮度图像，同时获得全天空偏振辐射信息；可以区分云和晴空像元，而且对天气现象进行识别和判断，如云、雾、霾、沙尘、晴空的天气现象分类。

技术领域

本发明属于大气监测技术领域，具体涉及一种基于四通道全天空偏振成像的云像探测系统及其探测方法。

背景技术

大气状态和现象(如晴、霾、云等现象)观测早期天气预报模型和环境评估的数据源，同时也是其他工业、农业、航空航天作业活动的保障依据。早期天气状况(如云量、晴空、霾污染等)主要依靠人工观测记录获得，对人员技术水平要求很高且具有强的个人主观性，导致不同人员获得结果差异也较大，数据标准不统一。同时，人工观测也只能间歇性观测(如每小时一次)，无法实现连续的观测。随着技术水平的进步，人工观测逐步被自动化仪器观测(器测)取代。如全天空云像仪，可以自动获取全天空可见光图像，经分析获得天空云量分布状态。现有全天空云像仪主要依赖于图像颜色对比进行分类。目前市面有的全天空云像仪有两种，一种是外部有档杆，用于遮挡太阳，提高图像的对比度，但结构复杂，需要较大安装空间。另外，现有看的全天空成像仪除不具备偏振探测功能外，其探测器采用了很宽的覆盖范围(350～1000nm)但在500～1000nm存在水汽、氧气、臭氧和二氧化碳的吸收(如图所示)。因此，大气不同成分的含量影响了其色彩和亮度，导致误判。

另外一种全天空成像仪(如EKO全天空云像仪)采用无遮挡设计，可以同时对太阳和天空成像，优点是简单、小巧，方便且易于安装。但由于太阳和周围天空的亮度相差4～6个数量级，因此，当天空有太阳出现时，太阳周围图像会出现较大的散斑或晕，严重影响图像质量。

以上两类全天空云像仪通过图像颜色和亮度区分云、晴天像元，当天空有沙尘、雾霾、或天空中出现薄云时，该种技术很难准确识别和区分云，判别误差较大，无法满足现有大气探测需要或其他行业高精度天象识别应用。

发明内容

本发明针对现有全天空云像仪的不足，提出一种基于四通道全天空偏振成像的云像探测系统及其探测方法，该系统不仅采集天空亮度和色彩图像，还通过三通道成像技术，有效避开大气或天空水汽等成分吸收对成像质量的影响，提高云、沙尘、霾、晴空的识别精度。另外，本发明还获取三个通道的全天空偏振信息，利用偏振辐射对粒子大小(大气分子、霾、沙尘、云滴的粒子大小不同)的敏感性，进一步提高天空状态识别精度和准确度。该系统可以在有沙尘和薄云时也能准确识别和区分，将云、晴天、霾、沙尘的状态准确提取出来。另外，本发明设计的采用腔内太阳像元的阻挡装置，设计小巧，无外露，整体设计对应用环境和安装空间要求较低。

本发明涉及的基于四通道全天空偏振成像的云识别和天象探测系统及方法，为大气探测、天气气候、太阳能利用、航空航天气象保障等提供一种较高时空分辨率的天空状态和现象提供一种实时监测和方法。

具体的技术方案为：

基于四通道全天空偏振成像的云像探测系统，包括安装支架，安装支架上为安装腔体，安装腔体设有防尘防雨罩，防尘防雨罩内自上到下依次设有180度全景鱼眼镜头、滤光轮、CMOS偏振传感器，滤光轮通过支架安装在XY位移装置上，滤光轮上设有太阳像元阻挡片；防尘防雨罩内还设有温控装置；安装支架上还设有GPS模块；CMOS偏振传感器、180度全景鱼眼镜头、温控装置、XY位移装置、GPS模块分别与控制和数据采集模块、计算机连接。

安装腔体和防尘防雨罩之间有透气孔，防尘防雨罩内外镀有增透膜。