一种云量自动观测仪器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种云量自动观测仪器，包括：传感器系统，含可见光和红外两种传感器模块，用于采集全天空图像。采集控制系统，由一台工业级计算机构成，对云量自动观测仪进行控制，并对采集的图像进行运算、处理、存储和输出。遮挡机构，设于所述两种传感器系统上方，由扇叶和步进电机等组成，受采集控制系统控制进行打开和闭合，用于对传感器模块进行防护。电源系统，采用交流供电方式，通过开关电源转换成两路输出，为仪器各个部件供电。外围组件，包括机箱、隔热板等部件，用于对以上几个系统进行整体防护。该云量自动观测仪器用于自动测量全天空的云量，对天气预报、气候变化分析和气象为社会公众服务都有重要意义。
【专利说明】—种云量自动观测仪器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及气象领域地面观测中对于全天空云量的观测，可取代目前采用的人工估测方式，实现全天空的云量分布的自动测量，适用于地面自动气象站的云量观测。
【背景技术】
[0002]云量的观测是地面气象观测中最基本的项目之一，云量对天气预报、气候变化分析和气象为社会公众服务都有重要意义。现有的观云方法中，只有对云高的观测实现了器测，但对云量、云状的观测却依然是人工估测。人工估测云量的观测方式已经不能满足天气预报与气象服务的需求，寻找一种能够代替人眼来自动识别云的仪器变得十分迫切。
[0003]从国际发展趋势看，采用全天空成像辐射仪进行云和晴天辐射参数遥感是一个必然的方向。全天空成像观测技术的研究有近百年的历史，当前较有代表性的是被美国ARM计划中选用的WSI和TSI系统。另外新西兰(HSI)和日本(ASIS)研究人员亦开发了自己的全天空成像系统用于气象观测和研究。
[0004]国内，中国科学院大气物理研究所、解放军理工等几家单位也已经开始研究基于地面云量观测的自动云量仪，截止目前仍没有形成成熟的产品。
[0005]随着现代传感器技术、微电子技术、计算机技术和信息处理技术的迅猛发展并广泛地应用于气象观测领域，实现云量地面自动观测技术上已经变得可行。
实用新型内容
[0006]本实用新型的目的是提供一种云量自动观测仪器，该仪器可根据需求定时测量全天空的云量，对天气预报、气候变化分析和气象为社会公众服务都有重要意义。
[0007]为了实现上述目的，本实用新型提供一种云量自动观测仪器，包括传感器系统、采集控制系统、遮挡机构，电源系统及外围组件。其特征在于，还包括:用于采集全天空云图的可见光传感器(视场角> 120° )和红外传感器(视场角>45° )，密封在外防护壳体中，位于仪器上端；用于对仪器进行控制，并对采集的数据进行运算、处理并输出的采集控制系统，设于所述外围组件的主机箱中；用于保护传感器模块的遮挡机构，由扇叶和步进电机等组成，受采集控制系统控制进行打开和闭合，用于对传感器模块进行防护，设于所述传感器系统上方，固定在外防护系统的机箱上；仪器的电源系统，采用交流供电方式，通过开关电源转换成两路输出，为各个部件供电，设于所述外围组件的主机箱中；外围组件，包括机箱、隔热板等部件，用于对以上几个系统进行整体防护。所述传感器系统、采集控制系统、遮挡机构及电源系统之间通过线缆连接。
[0008]优选地，所述传感器系统包含可见光传感器和红外传感器，其中可见光传感器采用鱼眼镜头，有效视场角>120°，红外传感器有效视场角>45°。可见光传感器和红外传感器分别被固定于可见光外防护装置及红外外防护装置中，并通过线缆同采集控制系统及电源系统相连。
[0009]优选地，所述可见光传感器外防护装置，其特征在于，所述可见光防护装置包括底盖、O型密封圈、外壳、可见光相机、螺栓、平垫圈、弹簧垫圈、锁母、亚克力球罩、遮光罩、O型密封圈、螺栓、平垫圈、弹簧垫圈共14部分组成，其中底盖上有RJ-45接口及电源接口。
[0010]优选地，所述红外传感器外防护装置，其特征在于，所述红外防护装置包括底盖、O型密封圈、外壳、红外相机、螺栓、平垫圈、弹簧垫圈、锗视窗组件、锁母、O型密封圈、螺栓、平垫圈、弹簧垫圈、弯角、螺栓、平垫圈、弹簧垫圈共17部分组成，其中地盖上有串口及电源接□。
[0011]优选地，所述采集控制系统由一台工业计算机组成，通过线缆同其它部分连接，对仪器进行控制，并对采集的数据进行运算、处理并输出的采集控制系统，固定于所述外围组件的主机箱中。
[0012]优选地，所述遮挡机构包括步进电机组件、内六角平端紧定螺钉、内六角圆柱端紧定螺钉、轴用弹性挡圈、螺栓、平垫圈、弹簧垫圈、O型密封圈、机座、轴座、轴、O型密封圈、上轴承、防尘盖、螺栓、下轴承、下轴承垫圈、限位开关档铁、内六角平端紧定螺钉、扇叶等共21部分组成，通过信号线同电机控制器连接。
[0013]优选地，所述的供电系统，其特征在于，由断路保护器和电源组成，采用交流供电方式，通过开关电源转换成两路输出，为各个部件供电，设于所述外围组件的主机箱中。
[0014]优选地，所述的外围组件，其特征在于，由机箱、隔热板等部件，用于对以上几个系统进行整体防护。
[0015]本实用新型提供的各主要部件，包括传感器系统、采集控制系统、遮挡机构及电源系统之间通过线缆连接，并固定于外围组件的机箱内或者机箱上。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本实用新型所提供的云量自动观测仪整体结构示意图。
[0017]图2为本仪器部件可见光传感器外防护装置结构示意图。
[0018]图3为本仪器部件红外传感器外防护装置结构示意图。
[0019]图4为本仪器部件遮挡机构装置结构示意图。
[0020]图5为本实用新型所提供云量自动观测仪的工作流程总图。
[0021]图1 中:
[0022]可见光传感器I ’红外传感器2 ’遮挡机构3 ’采集控制系统4 ’ ;供电系统5 f 外围组件V 。
[0023]图2 中:
[0024]1.底盖、2.0型密封圈、3.外壳、4.可见光相机、5.螺栓、6.平垫圈、7.弹簧垫圈、8.锁母、9.亚克力球罩、10.遮光罩、11.0型密封圈、12.螺栓、13.平垫圈、14.弹簧垫圈。
[0025]图3 中:
[0026]1.底盖、2.0型密封圈、3.外壳、4.红外相机、5.螺栓、6.平垫、
[0027]7.弹簧垫圈、8.锗视窗组件、9.锁母、10.0型密封圈、11.螺栓、12.平垫圈、13.弹簧垫圈、14.弯角、15.螺栓、16.平垫圈、17.弹簧垫圈。
[0028]图4 中:
[0029]1.步进电机组件、2.内六角平端紧定螺钉、3.内六角圆柱端紧定螺钉、4.轴用弹性挡圈、5.螺栓、6.平垫圈、7.弹簧垫圈、8.0型密封圈、9.机座、10.轴座、11.轴、12.0型密封圈、13.上轴承、14.防尘盖、15.螺栓、16.下轴承、17.下轴承垫圈、18.限位开关档铁、19.内六角平端紧定螺钉、20.扇叶。
【具体实施方式】
[0030]为了使本【技术领域】的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步的详细说明。
[0031]请参考图1，图1为本实用新型所提供云量自动观测仪的一种【具体实施方式】的结构示意图。
[0032]在一种【具体实施方式】中，本实用新型所提供的云量自动观测仪，包括可见光传感器P 红外传感器2 '遮挡机构3 '采集控制系统4 '供电系统5 '外围组件6 '。
[0033]请参考图2，图2可见光传感器外防护装置结构图，该结构采用基于航空标准设计的密封件，采用阳极表面化处理的铝材料制作，并做三防处理，有效防护等级可达到ΙΡ65级。
[0034]请参考图3，图3红外传感器外防护装置结构图，该结构采用基于航空标准设计的密封件，采用阳极表面化处理的铝材料制作，并做三防处理，有效防护等级可达到ΙΡ65级。
[0035]请参考图4，图4为遮挡机构结构示意图，该遮挡机构由步进电机、轴承、定位装置及扇叶等组成。该结构由采集控制系统通过电机控制器进行控制，在传感器系统进行数据采集时，遮挡机构打开，采集完成后，遮挡机构闭合。通过这种方式，将可见光及红外传感器暴露在太阳光下的时间降到最低，能有效防止太阳光的长时间照射对传感器的损害。
[0036]其工作原理如下:
[0037]由上所述，本实用新型所提供的云量自动观测仪，主要是通过可见光及红外传感器采集云图，通过采集控制系统内置的算法，计算出天空中的云占全天空百分比一即云量，将计算的结果存储在本地设备上，并通过网络输出到数据中心，实现云量的自动观测。当前国际云识别算法主要为阈值判别法，即以两波段(蓝/红)的灰度比(或辐射亮度比)作为判断云与晴空的依据。其物理依据是大气分子散射与波长成正比(天空为蓝色).而在可见光波段云的散射相对波长关系不明显(云为白色)。高能见度条件下阈值方法识别云十分有效，但在低能见度条件下由于气溶胶的增加造成天空色度的蓝色成分削弱，有气溶胶的天空将变得灰白，从而易造成将气溶胶大气误判为云的情况。本仪器将阈值法与SVM算法有效的结合起来，取长补短，通过SVM算法对大量历史数据的学习，并结合图像分割、图像纹理以及通过时间上下文关系等方式来综合判断，整体上大幅提高了测量的准确性和精确性。
[0038]云量自动观测仪具有如下功能:
[0039]1.全天空图像的自动采集；
[0040]2.全天空云量的自动计算、储存与输出；
[0041]3.仪器可连接到互联网上，通过网络远程访问、控制与升级。
[0042]综上所述，该云量自动观测仪集先进的计算机技术、传感器技术和通信技术于一体，采用模块化设计，引入了电磁兼容性、可靠性、可维护性的设计理念，能够防晒、防雨、防尘、防冻、防结露、防霉菌、防止灰尘、杂质和腐蚀性气体的污染，能够在高温、低温等复杂环境下保持稳定的状态。
[0043]上述云量自动观测仪仅是一种优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明。
[0044]请参考图5，图5为本实用新型所提供云量自动观测仪的工作方法的流程总图。
[0045]以上对本实用新型所提供的云量自动观测仪结构及其工作原理进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的核心思想。应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。
【权利要求】
1.一种云量自动观测仪器，包括传感器系统、采集控制系统、遮挡机构，电源系统及外围组件，其特征在于，还包括:用于采集全天空云图的可见光传感器，其有效视场角^ 120° ,红外传感器,其有效视场角> 45° ,密封在外防护壳体中,位于仪器上端；用于对仪器进行控制，并对采集的数据进行运算、处理并输出的采集控制系统，设于所述外围组件的主机箱中；用于保护传感器模块的遮挡机构，由扇叶和步进电机等组成，受采集控制系统控制进行打开和闭合，用于对传感器模块进行防护，设于所述传感器系统上方，固定在外防护系统的机箱上；仪器的电源系统，采用交流供电方式，通过开关电源转换成两路输出，为各个部件供电，设于所述外围组件的主机箱中；外围组件，包括机箱、隔热板等部件，用于对以上几个系统进行整体防护，所述传感器系统、采集控制系统、遮挡机构及电源系统之间通过线缆连接。
2.根据权利要求1所述的云量自动观测仪器，其传感器系统，其特征在于，所述传感器系统包含可见光传感器和红外传感器，其中可见光传感器采用鱼眼镜头，有效视场角^ 120° ,红外传感器有效视场角> 45° ;可见光传感器和红外传感器分别被固定于可见光传感器外防护装置及红外传感器外防护装置中，并通过线缆同采集控制系统及电源系统相连。
3.根据权利要求2所述的云量自动观测仪器，其传感器系统中的可见光传感器外防护装置，其特征在于，所述可见光外防护装置包括底盖、O型密封圈、外壳、可见光相机、螺栓、平垫圈、弹簧垫圈、锁母、亚克力球罩、遮光罩、O型密封圈、螺栓、平垫圈、弹簧垫圈共14部分组成，其中底盖上有RJ-45接口及电源接口。
4.根据权利要求2所述的云量自动观测仪器，其传感器系统中的红外传感器外防护装置，其特征在于，所述红外传感器外防护装置包括底盖、O型密封圈、外壳、红外相机、螺栓、平垫圈、弹簧垫圈、锗视窗组件、锁母、O型密封圈、螺栓、平垫圈、弹簧垫圈、弯角、螺栓、平垫圈、弹簧垫圈共17部分组成，其中地盖上有串口及电源接口。
5.根据权利要求1所述的云量自动观测仪器，其采集控制系统，其特征在于，所述采集控制系统由一台工业计算机组成，通过线缆同其它部分连接，对仪器进行控制，并对采集的数据进行运算、处理并输出的采集控制系统，固定于所述外围组件的主机箱中。
6.根据权利要求1所述的云量自动观测仪器，其遮挡机构，其特征在于，所述遮挡机构包括步进电机组件、内六角平端紧定螺钉、内六角圆柱端紧定螺钉、轴用弹性挡圈、螺栓、平垫圈、弹簧垫圈、O型密封圈、机座、轴座、轴、O型密封圈、上轴承、防尘盖、螺栓、下轴承、下轴承垫圈、限位开关档铁、内六角平端紧定螺钉、扇叶等共21部分组成，通过信号线同电机控制器连接。
7.根据权利要求1所述的云量自动观测仪器，其供电系统，其特征在于，由断路保护器和电源组成，采用交流供电方式，通过开关电源转换成两路输出，为各个部件供电，设于所述外围组件的主机箱中。
8.根据权利要求1所述的云量自动观测仪器，其外围组件，其特征在于，由机箱、隔热板等部件，用于对以上几个系统进行整体防护。
9.根据权利要求1至8任一项所述的云量自动观测仪器，其特征在于，所述传感器系统、采集控制系统、遮挡机构及电源系统之间通过线缆连接，并固定于外围组件的机箱内或者机箱上。
【文档编号】G01W1/00GK203811829SQ201420160164
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年4月3日 优先权日:2014年4月3日
【发明者】李建成, 范铜堂, 张少夫 申请人:北京中科宇天科技发展有限公司