一种全天候的可见光气象观测成像装置的制作方法

本实用新型属于气象观测领域，涉及一种利用外置传感器辨别太阳方位并通过带动机构运转来使遮光球实时为云图采集装置遮光的全天候可见光气象观测成像装置。

背景技术：

云是反映当时大气状况的重要证据，从云图可以得到大气的动力特性及热力特性，从而可以推断此时的水循环状况。另外，云在地面辐射和大气辐射方面也发挥着重要作用，对当时的气候模式和气候推测方面影响巨大。云在大气辐射和地面辐射方面起着重要作用，从而影响着自然界的水循环和热循环。水循环和大气循环受云场信息如云的形状、特性、分布以及组成等方面的影响，可以形成各种天气。云场信息是云重要的宏观参数，若能正确分析云图，得到正确的云场信息，便可以推测出准确的大气动态特性，如自然界水循环特性、大气的稳定性及大气含水量的动态变化特性等，进而可以获得未来的大气变化走向，推测出正确的天气预报。正确的气象预报在人民的日常生活和出行、社会的正常运行以及国家的安全维护等方面具有重要的意义。

我国地面气象观测总体上朝着遥感遥测、自动化、高精度、高时空分辨率方向发展，气象观测技术发展迅速，观测手段向观测自动化发展。云观测的主要内容是对云高、云量、云形等的观测，这是分析大气变化时的重要资料。近几年，世界各国对地面气象仪的重视使地面气象仪快速发展，得到了优秀的气象观测仪。虽然近几年国内也大力发展对云图采集设备的研究，但总体水平仍旧处于初级阶段，我国对大气变化分析处理的资料仍旧主要来源于气象卫星。现有的地面云图采集设备是通过云台直接拍摄天空，气象观测设备的自动化程度较低，云图采集技术不成熟，且不能在相机采集云图时对阳光直射进行有效的遮挡，导致阳光直射相机，从而使拍摄到的云图成像质量较差，在阳光的照射下云图出现光晕，图片整体亮度分布不均匀，并出现光环，这些都严重影响了对云量的分析，同时也严重影响了相机的寿命。

目前，我国的绝多数气象观测站利用云台采用直接拍摄天空得到全天空气象图，利用单反相机上的鱼眼镜头直接对准天空拍摄，得到的照片进行裁剪和一系列的图像处理，这种气象仪结构简单，成本较低，为保护镜头，一般在不使用镜头时，使用遮光板覆盖镜头，但拍摄时镜头仍旧会被阳光直射，镜头仍旧会受到损害，并且所拍摄云图仍旧存在光晕问题，云图质量并没有得到提高；TSI-440全天空成像仪主要由照相机、遮光带、半球镜面、电子设备及支撑架组成，该气象仪最重要的部分是电子设备，电子设备在半球镜面内，是一台小型计算机，该种气象观测成像仪通过照相机拍摄半球镜面中反射的云图来进行图像采集，虽然成像质量好，但是硬件成本和相应的镜面维护成本高出很多。LAGEO实验室的全天空成像仪分为两部分组成：控制装置和遮阳装置，控制装置主要控制气象仪对天空云图的获取、数据的分析处理以及遮阳部分的运动，遮阳装置主要受控制部分发出指令，为镜头遮挡阳光，防止阳光直接照射镜头，起到保护镜头和图像处理器的作用，由于各方面要求较高，得到的图像分辨率也高，费用相应也较高，并且气象仪采集到的数据是彩色图像，波段相对较宽，这种数据无法直接应用于有关辐射的大气研究中，需要进行后期图像处理，工作量大。这些方式均实现了全天候的可见光的云图采集过程，也各存在技术优劣。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种利用外置传感器辨别太阳方位并通过带动机构运转来使遮光球实时为云图采集装置遮光的全天候可见光气象观测成像装置。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：

本实用新型包括遮挡装置、俯仰轴传动装置、竖直轴传动装置、加速度传感器、电子罗盘传感装置、云图成像控制装置、成像仪壳体和基座。所述的成像仪壳体包括壳体、侧板和底板；底板和侧板均与壳体可拆卸连接；所述的遮挡装置包括遮光球和半圆弧遮光杆；半圆弧遮光杆的圆弧中部通过一根伸出杆固定遮光球；加速度传感器固定在半圆弧遮光杆底端。

所述的竖直轴传动装置包括方位角减速电机、大齿轮、竖直轴、法兰底座和竖直轴固定块；方位角减速电机固定在底板上；法兰底座通过螺钉与竖轴固定块固定，竖直轴固定块固定在基座上；所述的竖直轴穿过法兰底座并与竖直轴固定块过盈配合；大齿轮与竖直轴通过竖直轴键连接，并与固定在方位角减速电机输出轴上的小齿轮啮合；第一推力球轴承的两端圆柱面分别与大齿轮端面开设的轴承安装槽和底板底面开设的轴承安装槽过盈配合；第二推力球轴承的底端圆柱面与底板顶面开设的轴承安装槽过盈配合，第二推力球轴承的顶端与竖直轴通过垫圈和螺母连接。

所述的俯仰轴传动装置包括高度角减速电机、从动齿轮、深沟球轴承和俯仰轴；俯仰轴的两端通过深沟球轴承分别支承在侧板和壳体上；从动齿轮与俯仰轴通过俯仰轴键连接，并与固定在高度角减速电机上的主动齿轮啮合；半圆弧遮光杆两端与俯仰轴两端分别固定。

所述的云图成像控制装置包括支撑台、支撑架和云图采集控制箱；支撑台固定在支撑架上；支撑架两侧分别固定在壳体和侧板上；云图采集控制箱固定在支撑台上。所述的电子罗盘传感装置包括支撑杆和电子罗盘传感器；支撑杆固定在支撑台上；支撑杆的中轴线与竖直轴的中轴线平行；电子罗盘传感器水平固定在支撑杆上；所述的电子罗盘传感器、加速度传感器、方位角减速电机和高度角减速电机均与云图采集控制箱信号连接。

所述的基座通过铸铝角接件与基座水平固定板连接，基座水平固定板通过地脚螺栓与地基连接。

所述的深沟球轴承通过轴承端盖和第一弹簧卡圈进行轴向定位；轴承端盖固定在侧板或壳体上。

所述的从动齿轮通过第二弹簧卡圈进行轴向定位。

所述的高度角减速电机通过螺钉固定在侧板上。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型通过俯仰轴来带动半圆弧遮光杆进行运动，遮光机构简单，而且能使遮光球为云图采集装置进行有效遮光，同时保证采集到的云图被遮挡区域大面积减少，使得云量更加准确；

2、本实用新型采用减速步进电机智能控制，不需要手动调整，通过电子罗盘和加速度传感器分别控制装置对太阳的高度角和方位角进行追踪，而且能够根据太阳的运动轨迹发出跟踪信号对装置进行自动控制。

3、本实用新型采用了平面齿轮传动，具有结构简单、紧凑和传动效率高等优点；

4、本实用新型采用高度角-方位角式太阳追踪方式来保证云图采集装置实时位于遮光球阴影下，而且该种跟踪方式不受天气、环境杂散光的干扰，可靠性较高。

5、本实用新型可以抵御外界相对复杂的环境，可以全天候的实现云图采集，对气象观测起到重要作用。

附图说明

图1是本实用新型的总体结构主视图。

图2是本实用新型的总体结构侧视图。

图3是本实用新型中俯仰轴传动装置的结构示意图。

图4是本实用新型中竖直轴传动装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1、2和3所示，一种全天候的可见光气象观测成像装置，包括遮挡装置、俯仰轴传动装置、竖直轴传动装置、加速度传感器13、电子罗盘传感装置、云图成像控制装置、成像仪壳体、基座8和基座固定板14。成像仪壳体包括铸铝角接件3、壳体4、侧板5和底板7；底板7与壳体4可拆卸连接，壳体4两侧通过铸铝角接件3与侧板5构成可拆卸连接。遮挡装置包括遮光球1和半圆弧遮光杆2；半圆弧遮光杆2的圆弧中部通过一根伸出杆6固定遮光球1；加速度传感器13固定在半圆弧遮光杆2底端。

如图1、2和4所示，竖直轴传动装置包括方位角减速电机15、螺钉17、第一推力球轴承22、第二推力球轴承23、垫圈24、螺母25、大齿轮21、竖直轴16、法兰底座18、竖直轴键20和竖直轴固定块19；方位角减速电机15通过螺钉17固定在底板7上；法兰底座18通过螺钉与竖轴固定块19固定，竖直轴固定块19固定在基座8上；基座8通过铸铝角接件与基座水平固定板14连接，基座水平固定板14通过地脚螺栓与地基连接。竖直轴16穿过法兰底座18并与竖直轴固定块过盈配合；大齿轮21与竖直轴16通过竖直轴键20连接，并与固定在方位角减速电机15输出轴上的小齿轮啮合；第一推力球轴承22的两端圆柱面分别与大齿轮21端面开设的轴承安装槽和底板7底面开设的轴承安装槽通过过盈配合固定；第二推力球轴承23的底端圆柱面与底板7顶面开设的轴承安装槽通过过盈配合固定，第二推力球轴承23的顶端与竖直轴16通过垫圈24和螺母25连接压紧。

如图1、2和3所示，俯仰轴传动装置包括高度角减速电机26、从动齿轮27、第一弹簧卡圈31、深沟球轴承32、轴承端盖33、第二弹簧卡圈30、俯仰轴键28和俯仰轴29；俯仰轴29的两端通过深沟球轴承32分别支承在侧板5和壳体4上；深沟球轴承32通过轴承端盖33和第一弹簧卡圈31进行轴向定位；轴承端盖33固定在侧板5或壳体4上；从动齿轮27与俯仰轴29通过俯仰轴键28连接，且从动齿轮27通过第二弹簧卡圈30进行轴向定位；从动齿轮27与固定在高度角减速电机26上的主动齿轮啮合；高度角减速电机通过螺钉固定在侧板5上；半圆弧遮光杆2两端与俯仰轴29两端分别固定。

如图1所示，云图成像控制装置包括支撑台10、支撑架9和云图采集控制箱12；支撑台10通过铸铝角接件和螺钉固定在支撑架9上；支撑架9两侧通过螺栓分别固定在壳体4和侧板5上；云图采集控制箱12通过铸铝角接件和螺钉固定在支撑台10上。

如图1所示，电子罗盘传感装置包括支撑杆和电子罗盘传感器11；支撑杆通过铸铝角接件和螺栓固定在支撑台10上；支撑杆的中轴线与竖直轴的中轴线平行；电子罗盘传感器11水平固定在支撑杆上；电子罗盘传感器11、加速度传感器13、方位角减速电机15和高度角减速电机26均与云图采集控制箱12信号连接。

该一种全天候的可见光气象观测成像装置，工作原理如下：

1、采用高度-方位角跟踪模式。通过云图采集控制箱12内置控制系统根据太阳运行规律计算出一天内某时刻太阳高度角和方位角的理论值，再通过电子罗盘传感器11和加速度传感器13分别检测整体装置的水平方位角和高度角，根据理论值和跟踪检测的误差补偿值驱动方位角减速电机15和高度角减速电机26，带动执行机构工作，从而调整遮光球1的角度，使云图采集控制箱12上的相机时刻位于遮光球1的阴影下。

2、实现太阳的实时追踪，保证遮光球为云图采集装置实时遮光。

当整体机构方位角和高度角与太阳方位角和高度角不一致时，高度角减速电机26转动相应的角度，通过齿轮啮合带动从动齿轮27进行转动，进而通过俯仰轴键28带动俯仰轴29转动，俯仰轴29带动半圆弧遮光杆2进行转动，从而调整遮光球1的高度；同时，方位角减速电机15转动相应的角度，通过方位角减速电机15上的小齿轮与大齿轮21进行啮合，由于竖直轴16已经固定在竖直轴固定块19上，而且大齿轮21通过竖直轴键20与竖直轴16固定，所以方位角减速电机15会带动底板7进行转动，底板7带动遮挡装置、俯仰轴传动装置、加速度传感器13、电子罗盘传感装置、云图成像控制装置、成像仪壳体进行相应的转动，来调整遮光球的方位角，最终使得云图采集控制箱12、遮光球1和太阳时刻保证在一条直线上，从而实现了通过遮光球对云图采集控制箱12上相机的实时遮光功能。