一种数字摄像法探测大气能见度的误差分析方法

摘要

本发明公开了一种数字摄像法探测大气能见度的误差分析方法，根据相机的亮度准确性以及系统动态范围得到亮度增益误差和亮度零点误差，根据目标板表面的吸收性能得到固有视亮度比误差，设定相机与目标板之间的距离、天空背景亮度和能见度理论值，代入能见度测量模型计算得到目标亮度理论值，通过相机的亮度增益误差、亮度零点误差和目标板固有视亮度比误差分别计算得到目标亮度增益误差引起的能见度相对误差、目标亮度零点误差引起的能见度相对误差、天空背景亮度增益误差引起的能见度相对误差、天空背景亮度零点误差引起的能见度相对误差和目标板固有视亮度比误差引起的能见度相对误差，最后合成大气能见度总的相对误差。

说明书

技术领域

本发明涉及气象和电子技术领域，特别是一种数字摄像法探测大气能见度的误差分析方法。

背景技术

大气能见度是重要的天气气象观测要素，严重制约着航空、航海、路上交通以及军事活动。目前，常用的大气能见度测量仪器主要是基于散射和透射技术体制的探测仪。散射式能见度测量的是几十厘米范围内的空气体积对光的散射情况，基于该方法研制的能见度仪分为前向散射仪、后向散射仪和总散射仪，其中前向散射仪由于占地面积小、安装简单、成本低等特点，是目前市场应用最多的能见度探测仪器。其最大的缺陷是对不同尺度、不同性质散射粒子难以修正，以及采样空间较小引起的水平能见度代表性较差。透射式能见度探测法是通过在接收端测量从发射端发射来的长达几十米空气柱的透射率从而直接获得能见度值。尤其在中低能见度情况下,其测量精度相对高,这也是将其作为其它类型能见度仪检定标准的原因。但缺点是成本高、占地面积大、安装也较为复杂、维护比较繁琐。

随着成像和数据处理等技术的快速发展，数字摄像法由于成本低、操作简单、对场地要求低等优点，也被应用于能见度的监测研究中。图像能见度探测法是用数码相机替换人眼以捕获图像，并通过对数字图像的亮度、对比度和功率谱等特征进行分析处理，从而获得能见度值。该方法是完全基于人眼观测能见度原理进行能见度的测量，从而避免了人的主观性造成的观测误差，尤其是可以进行连续的无人监督操作，从而实现对日间能见度的全天候、全时候观测。但实际应用中，来自摄像系统的性能、目标物的选取和背景杂散光影响了能见度值的准确测量。当使用基于亮度对比度的图像方法进行能见度的测量时，目标物的表面结构、颜色对目标物的固有视亮度比有直接影响，目标物的选取显得尤其关键，理想的目标物为黑体，但实际无法找到黑体目标物，现有一些基于数字摄像法的能见度探测方法中，大多采用颜色较深的建筑物、山坡等自然景物或是人工刷有黑漆的平板作为目标物，但这些目标物并非理想的纯黑体，因此在能见度计算公式中不能简单的认为目标物的固有视亮度比C

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种数字摄像法探测大气能见度的误差分析方法，提高大气能见度测量的精度。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种数字摄像法探测大气能见度的误差分析方法，包括以下步骤：

步骤1、间隔设定相机与目标板之间的基线长度d，设定归一化天空背景亮度L

步骤2、将步骤1中设定的d、L

步骤3、选取数码相机，查看相机的系统亮度准确性以及系统动态范围f，得到亮度增益误差σ，计算零点漂移误差

步骤4、根据σ和能见度计算公式，计算目标亮度增益误差引起的能见度相对误差

步骤5、根据τ和能见度计算公式，计算目标亮度零点误差引起的能见度相对误差

步骤6、根据σ和能见度计算公式，计算天空背景亮度增益误差引起的能见度相对误差

步骤7、根据τ和能见度计算公式，计算天空背景亮度零点误差引起的能见度相对误差

步骤8、计算目标板固有视亮度比C

步骤9、根据步骤4、步骤5、步骤6、步骤7和步骤8得到的

步骤10、改变基线长度d，根据步骤2-9得到的所有能见度相对误差E，绘制不同基线长度d下的所有能见度相对误差E随MOR理论值变化的曲线。

作为本发明所述的一种数字摄像法探测大气能见度的误差分析方法进一步优化方案，步骤4，计算目标亮度增益误差引起的能见度相对误差，具体步骤包括：

步骤401、令L'

步骤402、将L'

步骤403、分别计算

作为本发明所述的一种数字摄像法探测大气能见度的误差分析方法进一步优化方案，步骤5，计算目标亮度零点误差引起的能见度相对误差，具体步骤包括：

步骤501、令L'

步骤502、将L'

步骤503、分别计算

作为本发明所述的一种数字摄像法探测大气能见度的误差分析方法进一步优化方案，步骤6，计算天空背景亮度增益误差引起的能见度相对误差，具体步骤包括：

步骤601、令L'

步骤602、将L'

步骤603、分别计算

作为本发明所述的一种数字摄像法探测大气能见度的误差分析方法进一步优化方案，步骤7，计算天空背景亮度零点误差引起的能见度相对误差，具体步骤包括：

步骤701、令L'

步骤702、将L'

步骤703、分别计算

作为本发明所述的一种数字摄像法探测大气能见度的误差分析方法进一步优化方案，步骤8，计算目标板固有视亮度比C

步骤801、令C'

步骤802、将C'

步骤803、计算

作为本发明所述的一种数字摄像法探测大气能见度的误差分析方法进一步优化方案，C

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

通过本发明设计的利用不同相机、不同目标板本身的性能对大气能见度测量精度的影响进行误差分析，可以对利用数字摄像法进行大气能见度探测选用适宜的数码相机和目标板提供参考借鉴，从而实现高精度的能见度探测。

附图说明

图1是本发明的数字摄像法探测大气能见度的误差分析方法流程图；

图2是本发明的相机性能参数图；

图3是本发明的数字摄像法探测大气能见度的目标亮度增益误差分析结果曲线图；

图4是本发明的数字摄像法探测大气能见度的目标亮度零点误差分析结果曲线图；

图5是本发明的数字摄像法探测大气能见度的天空背景亮度增益误差分析结果曲线图；

图6是本发明的数字摄像法探测大气能见度的天空背景亮度零点误差分析结果曲线图；

图7是本发明的数字摄像法探测大气能见度的固有视亮度比误差分析结果曲线图；

图8是本发明的数字摄像法探测大气能见度的合成总相对误差曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供一种数字摄像法探测大气能见度的误差分析方法，其特征在于，根据相机的亮度准确性以及系统动态范围得到亮度增益误差和亮度零点误差，根据目标板表面的吸收性能得到固有视亮度比误差，设定相机与目标板之间的距离、天空背景亮度和能见度理论值，代入能见度测量模型计算得到目标亮度理论值，通过相机的亮度增益误差、亮度零点误差和目标板固有视亮度比误差分别计算得到目标亮度增益误差引起的能见度相对误差、目标亮度零点误差引起的能见度相对误差、天空背景亮度增益误差引起的能见度相对误差、天空背景亮度零点误差引起的能见度相对误差和目标板固有视亮度比误差引起的能见度相对误差，最后合成大气能见度总的相对误差。具体包括以下步骤：

步骤001.如图1所示，间隔设定相机与目标板之间的基线长度d，如d＝10m，设定归一化天空背景亮度L

步骤002.将步骤001中的设定值代入能见度计算公式

步骤003.选取数码相机，查看相机的系统亮度准确性以及系统动态范围，计算亮度增益误差和零点漂移误差。作为一种优先技术方案，如图2所示，所述的相机选取柯尼卡美能达的

步骤004.计算目标亮度增益误差引起的能见度相对误差，具体步骤包括：

步骤00401.令L'

步骤00402.将L'

步骤00403.分别计算

步骤005.计算目标亮度零点误差引起的能见度相对误差，具体步骤包括：

步骤00501.令L'

步骤00502.将L'

步骤00503.分别计算

步骤006.计算天空背景亮度增益误差引起的能见度相对误差，具体步骤包括：

步骤00601.令L'

步骤00602.将L'

步骤00603.分别计算

步骤007.计算天空背景亮度零点误差引起的能见度相对误差，具体步骤包括：

步骤00701.令L'

步骤00702.将L'

步骤00703.分别计算

步骤008.计算目标板固有视亮度比含误差δ引起的能见度相对误差，具体步骤包括：

步骤00801.令C'

步骤00802.将C'

步骤00803.计算

步骤009.如图8所示，根据步骤004、步骤005、步骤006、步骤007和步骤008得到的目标亮度增益误差引起的能见度相对误差、目标亮度零点误差引起的能见度相对误差、天空背景亮度增益误差引起的能见度相对误差和天空背景亮度零点误差引起的能见度相对误差合成能见度总的相对误差

综上，通过建立并实施本发明设计的一种数字摄像法探测大气能见度的误差分析方法，可以对不同相机、不同目标板性能引起的大气能见度误差进行计算分析，为利用数字摄像法进行高精度大气能见度探测选用相机和目标板提供指导，实现数字摄像法能见度测量的业务化应用，进而获得高精度的能见度结果，为航空、航天、陆上交运以及军事作战等都有重要的保障作用，具有广阔的市场应用前景与经济价值。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。