一种基于图像变视场的卷云探测仪的制作方法

本发明属于大气测量仪器设备领域，具体地讲涉及一种基于图像变视场的卷云探测仪。

背景技术：

气溶胶粒子和云对大气辐射传输、光电工程应用、天气和气候变化具有重要的影响。尤其是卷云还是一种背景辐射强干扰源，具有很强的前向散射且反射太阳光，对空间目标识别探测和卫星对地遥感观测起到重要的作用。卷云层较高，较薄且透光性良好，探测较为困难，卷云也会干扰地基仪器测量气溶胶粒子的性质，且卷云的微物理和光学特性也一直是国际上研究的热点问题。

目前，用于卷云探测的仪器设备光路设计复杂、成本高，且探测时间较长；同时，由于采取了复杂的光路设计，误差容易叠加，探测精度也较一般。

技术实现要素：

根据现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于图像变视场的卷云探测仪，其光路设计简单、探测时间短，同时提高了卷云的探测精度。

本发明采用以下技术方案：

一种基于图像变视场的卷云探测仪，包括上位工控机、下位机控制系统、电机驱动系统、温控系统、ccd成像采集系统；所述上位工控机与下位机控制系统双向通信连接，下位机控制系统与温控系统双向通信连接，下位机控制系统的输出端连接电机驱动系统的输入端，电机驱动系统用于带动ccd成像采集系统转动，所述温控系统用于为ccd成像采集系统提供设定的温度环境。

优选的，所述电机驱动系统包括水平俯仰步进电机和滤光片转盘电机，所述下位机控制系统的输出端分别连接水平俯仰步进电机和滤光片转盘电机的控制输入端；所述水平俯仰步进电机用于带动ccd成像采集系统转动。

进一步优选的，所述ccd成像采集系统包括ccd成像光学系统和图像采集系统，且图像采集系统包括高精度图像采集卡和ccd图像传感器；所述水平俯仰步进电机用于带动ccd成像光学系统和ccd图像传感器转动，所述温控系统用于为ccd图像传感器提供设定的温度环境，所述ccd图像传感器的输出端连接高精度图像采集卡的输入端。

更进一步优选的，所述ccd成像光学系统包括沿着光照方向依次设置的镜筒前端光学系统和后端聚焦透镜组；所述镜筒前端光学系统包括沿着光照方向依次设置的四个不同孔径的光阑、聚焦透镜、转盘、视场光阑；所述光阑、聚焦透镜、转盘、视场光阑、后端聚焦透镜组均同轴设置；所述滤光片转盘电机用于驱动转盘转动。

更进一步优选的，四个所述光阑的孔径沿着光照方向依次减小设置；所述视场光阑位于聚焦透镜的焦平面上；所述ccd图像传感器位于后端聚焦透镜组的焦平面上。

更进一步优选的，所述转盘相对于光照方向垂直设置，且转盘沿其圆周方向上均匀设置一个中心波段为530nm的滤光片、一个中心波段为675nm的滤光片、一个中心波段为870nm的滤光片和一个黑色片。

更进一步优选的，所述滤光片转盘电机采用步进式，每步转动90°，滤光片转盘电机驱动转盘所处的四个位置，分别对应使得太阳光贯穿中心波段为530nm的滤光片、中心波段为675nm的滤光片、中心波段为870nm的滤光片和黑色片的位置。

更进一步优选的，所述温控系统包括温控盒，所述ccd图像传感器位于温控盒内。

更进一步优选的，所述上位工控机下发探测命令，水平俯仰步进电机驱动探测仪水平旋转到镜筒前端光学系统正对正南方向的水平初始位置，上位工控机根据天文跟踪算法计算出转动探测仪使得镜筒前端光学系统到当前太阳方位时水平俯仰步进电机的转动步数，上位工控机实时发给命令给下位机控制系统，下位机控制系统控制水平俯仰步进电机驱动探测仪转动，使得镜筒前端光学系统位于正对当前太阳方位的位置上，此时太阳影像出现在ccd图像传感器的视场范围内，采用图像精跟踪方式，太阳光经过四个光阑、聚焦透镜、转盘、视场光阑、后端聚焦透镜组成像在ccd图像传感器的靶面上；上位工控机对高精度图像采集卡采集到的太阳图像进行灰度处理，通过图像算法确定太阳光斑的中心，与ccd图像传感器的中心的像素差是否在设定误差范围内，判断跟准太阳后，上位工控机发送命令给下位机控制系统控制滤光片转盘电机转动从而带动转盘顺时针转动，每转完一次上位工控机在采集到的太阳图像视场内，以太阳光斑中心为圆心以对应视场范围大小为半径划圆，限制太阳图像视场的成像范围，对划圆的图像进行采集并保存到上位工控机中；最后，采用二值法对采集的太阳图像进行灰度处理，结合圆弧法划出以太阳为中心的完整圆，对应得到完整圆内的太阳图像灰度信息，并通过探测仪输出电压信息。

更进一步优选的，所述上位工控机在采集到的太阳图像视场内以太阳光斑中心为圆心划的四个不同半径大小的圆，分别对应探测仪的0.6°、1.2°、2°和5.0°四个视场。

本发明的优点和有益效果在于：

1)本发明的探测仪包括上位工控机、下位机控制系统、电机驱动系统、温控系统、ccd成像采集系统；所述上位工控机与下位机控制系统双向通信连接，下位机控制系统与温控系统双向通信连接，下位机控制系统的输出端连接电机驱动系统的输入端，电机驱动系统和温控系统的输出端均连接ccd成像采集系统的输入端；同时，所述ccd成像光学系统包括沿着光照方向依次设置的镜筒前端光学系统和后端聚焦透镜组；所述镜筒前端光学系统包括沿着光照方向依次设置的四个不同孔径的光阑、聚焦透镜、转盘、视场光阑；所述光阑、聚焦透镜、转盘、视场光阑、后端聚焦透镜组均同轴设置；所述滤光片转盘电机用于驱动转盘转动。本发明的探测仪光路设计相对于传统卷云探测仪进行了简化，将跟踪与探测一体化，探测时间短，并且实现了在有云天气下实时提取到不同视场的辐射强度，提高了卷云的探测精度。

附图说明

图1为本发明的探测仪的组成框架图。

图2为本发明的探测仪的局部结构示意图。

图3为本发明的ccd成像光学系统的组成示意图。

附图标记：

1-上位工控机，2-下位机控制系统，3-电机驱动系统，4-温控系统，5-ccd成像采集系统，31-水平俯仰步进电机，32-滤光片转盘电机，51-ccd成像光学系统，52-图像采集系统，521-高精度图像采集卡，522-ccd图像传感器，511-镜筒前端光学系统，512-后端聚焦透镜组，501-光阑，502-聚焦透镜，503-转盘，504-视场光阑。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示，一种基于图像变视场的卷云探测仪，包括上位工控机1、下位机控制系统2、电机驱动系统3、温控系统4、ccd成像采集系统5；所述上位工控机1与下位机控制系统2双向通信连接，下位机控制系统2与温控系统4双向通信连接，下位机控制系统2的输出端连接电机驱动系统3的输入端，电机驱动系统3用于带动ccd成像采集系统5转动，所述温控系统4用于为ccd成像采集系统5提供设定的温度环境。

所述电机驱动系统3包括水平俯仰步进电机31和滤光片转盘电机32，所述下位机控制系统2的输出端分别连接水平俯仰步进电机31和滤光片转盘电机32的控制输入端；所述水平俯仰步进电机31用于带动ccd成像采集系统5转动。

所述ccd成像采集系统5包括ccd成像光学系统51和图像采集系统52，且图像采集系统52包括高精度图像采集卡521和ccd图像传感器522；所述水平俯仰步进电机31用于带动ccd成像光学系统51和ccd图像传感器522转动，所述温控系统4用于为ccd图像传感器522提供设定的温度环境，所述ccd图像传感器522的输出端连接高精度图像采集卡521的输入端。

如图3所示，所述ccd成像光学系统51包括沿着光照方向依次设置的镜筒前端光学系统511和后端聚焦透镜组512；所述镜筒前端光学系统511包括沿着光照方向依次设置的四个不同孔径的光阑501、聚焦透镜502、转盘503、视场光阑504；所述光阑501、聚焦透镜502、转盘503、视场光阑504、后端聚焦透镜组512均同轴设置；所述滤光片转盘电机32用于驱动转盘503转动。

四个所述光阑501的孔径沿着光照方向依次减小设置；所述视场光阑504位于聚焦透镜502的焦平面上；所述ccd图像传感器522位于后端聚焦透镜组512的焦平面上。

所述转盘503相对于光照方向垂直设置，且转盘503沿其圆周方向上均匀设置一个中心波段为530nm的滤光片、一个中心波段为675nm的滤光片、一个中心波段为870nm的滤光片和一个黑色片；测量完一次只需要10s。

所述滤光片转盘电机32采用步进式，每步转动90°，滤光片转盘电机32驱动转盘503所处的四个位置，分别对应使得太阳光贯穿中心波段为530nm的滤光片、中心波段为675nm的滤光片、中心波段为870nm的滤光片和黑色片的位置。

所述温控系统4包括温控盒41，所述ccd图像传感器522位于温控盒41内。

具体的，通过控制温控盒41的温度，保持ccd图像传感器522能够在适宜温度下高性能，低噪声的工作。

所述上位工控机1下发探测命令，水平俯仰步进电机31驱动探测仪水平旋转到镜筒前端光学系统511正对正南方向的水平初始位置，上位工控机1根据天文跟踪算法计算出转动探测仪使得镜筒前端光学系统511到当前太阳方位时水平俯仰步进电机31的转动步数，上位工控机1实时发给命令给下位机控制系统2，下位机控制系统2控制水平俯仰步进电机31驱动探测仪转动，使得镜筒前端光学系统511位于正对当前太阳方位的位置上，此时太阳影像出现在ccd图像传感器522的视场范围内，采用图像精跟踪方式，太阳光经过四个光阑501、聚焦透镜502、转盘503、视场光阑504、后端聚焦透镜组512成像在ccd图像传感器522的靶面上；上位工控机1对高精度图像采集卡521采集到的太阳图像进行灰度处理，通过图像算法确定太阳光斑的中心，与ccd图像传感器522的中心的像素差是否在设定误差范围内，判断跟准太阳后，上位工控机1发送命令给下位机控制系统2控制滤光片转盘电机32转动从而带动转盘503顺时针转动，每转完一次上位工控机1在采集到的太阳图像视场内，以太阳光斑中心为圆心以对应视场范围大小为半径划圆，限制太阳图像视场的成像范围，对划圆的图像进行采集并保存到上位工控机1中；最后，采用二值法对采集的太阳图像进行灰度处理，结合圆弧法划出以太阳为中心的完整圆，对应得到完整圆内的太阳图像灰度信息，并通过探测仪输出电压信息。

所述上位工控机1在采集到的太阳图像视场内以太阳光斑中心为圆心划的四个不同半径大小的圆，分别对应探测仪的0.6°、1.2°、2°和5.0°四个视场。

本发明的探测仪在工作时，计算不同视场圆内的图像灰度值，从而迅速得到对应不同视场的辐射强度信息。

基于本发明的探测仪快速探测气溶胶和卷云的光学特性，通过比较不同小角视场下的散射比值，通过ccd图像传感器522采集到对于0.6°、1.2°、2°、5°视场的图像，提取到其不同视场的透射辐射强度，鉴于太阳的视场角大小约为0.532°，利用5°视场的透射辐射能量f5°、2°视场的透射辐射能量f2°、1.2°视场的透射辐射能量f1.2°分别减去前向0.6°小角视场内的透射辐射能量f0.6°后，两者进行比值，得到散射比值r1、r2如下：

得到同一波段的不同视场的散射比值，结合专业的辐射传输软件如disort或者蒙特卡罗软件模拟计算出在不同有效尺度和光学厚度参数下，气溶胶粒子、水云、卷云天气条件下前向不同小角的散射比值，根据查找数据表，来区别出卷云和气溶胶粒子。

在前向5°范围内，气溶胶粒子的前向小角度散射分布与卷云相比来说，变化十分缓慢，而卷云主要由大冰晶粒子组成，其前向小角散射十分强烈，通过不同视场下散射比值信息区分出卷云与气溶胶粒子，研究不同视场下大气介质散射信息，通过散射比值提取大气介质的光学厚度与粒子的尺度信息。气溶胶在不同视场下的散射比值通常大于有薄卷云的情况，在有云天气下，通过采用天文跟踪和ccd图像精跟踪的方法，实时跟踪目标。

综上所述，本发明提供了一种基于图像变视场的卷云探测仪，其光路设计简单、探测时间短，同时提高了卷云的探测精度。