雙光路能見度測量方法和試驗

杜傳耀馬舒慶楊 玲張春波

1）（北京市觀象臺，北京100176）2）（中國氣象局氣象探測中心，北京100081）3）（成都信息工程學院電子工程學院，成都610225）

雙光路能見度測量方法和試驗

杜傳耀1）*馬舒慶2）楊 玲3）張春波1）

1）（北京市觀象臺，北京100176）2）（中國氣象局氣象探測中心，北京100081）3）（成都信息工程學院電子工程學院，成都610225）

雙光路能見度測量系統(tǒng)是一種基于CCD（Charge-Coupled Device）數(shù)字攝像和光在大氣中衰減理論的能見度測量系統(tǒng)，首先設置遠、近兩個固定距離的特性相同的目標光源和背景裝置，然后通過CCD拍攝所設置的目標光源和背景，拍攝的圖像由1394數(shù)據線和圖像采集卡傳輸?shù)接嬎銠C，通過數(shù)字圖像處理獲取目標光源和背景的灰度信息，最終利用相應的算法計算能見度。試驗表明：雙光路能見度測量系統(tǒng)和透射式能見度儀對比偏差隨能見度的升高而升高，而與前向散射式能見度儀對比偏差隨能見度的升高有小幅降低，通過白天和夜晚數(shù)據對比可知，白天太陽光的影響已基本消除。

數(shù)字攝像；雙光路；數(shù)字圖像處理；能見度；對比試驗

引 言

氣象能見度觀測在氣象預報、交通、環(huán)境等領域有十分重要的作用［1］，與國民經濟建設和人民生命財產安全緊密相關。目前我國的2414個國家氣象臺站能見度仍然采用人工觀測方式，有很大的主觀性，資料更新周期長，難以滿足氣象預報和服務的需求。目前，國內已在業(yè)務上應用的能見度自動觀測儀主要有前向散射式和透射式［2］兩大類，激光雷達由于成本高，操作復雜，一般用于科研領域。其中散射式能見度儀僅測量大氣的散射部分，忽略了大氣的吸收，在測量散射時也并不是測量大氣的總散射系數(shù)，只是測量某一角度上的散射系數(shù)，利用角散射系數(shù)代表總散射系數(shù)，這就要求在測量范圍內的大氣是均勻的，這樣角散射系數(shù)與總散射系數(shù)之間才有確定的比例關系，角散射系數(shù)按比例縮放后作為總散射系數(shù)，從而獲得能見度［3］。散射式能見度儀的優(yōu)點是結構緊湊，占地面積小，安裝維護簡便，鏡頭污染對測量結果影響?。坏泊嬖谝韵氯秉c：①取樣體積小，資料代表性差，在大氣水平能見度不均勻的情況下，局部測得的能見度并不能代表全程能見度；②在出現(xiàn)雨雪、冰雹等大顆粒時，由于在一定角度方向上的散射系數(shù)，對這些大粒子不太敏感，測量結果會引起較大誤差［4］。因此前向散射式能見度儀，適合無人站和維護安裝要求低的臺站使用。透射式能見度儀又稱透射計（透射表），其優(yōu)點是采樣空間為基線長度，觀測資料代表性較好，光吸收不會影響測量準確度，在由霧滴、霾引起的中、低能見度條件下測量較為準確，是目前唯一被航空領域認可的能見度測量儀器；其缺點是發(fā)射端和接收端必須分別安裝，現(xiàn)場調校比較困難，且在工作過程中，發(fā)射端和接收端一旦發(fā)生偏移，光軸不處于一條直線上，會使測量結果出現(xiàn)很大偏差［5］?；谝陨夏芤姸葴y量儀器現(xiàn)存的各種弊端，改進現(xiàn)有的能見度測量儀器，尋求新的能見度測量方法，對實現(xiàn)能見度的自動化觀測具有重要的實踐意義。

國內外在數(shù)字攝像法測量能見度儀方面開展了大量研究，20世紀40年代，國外就開始研究利用攝像法來測能見度［6］，1949年 Steffens［7］提出利用攝像法測量能見度，但受當時科技水平的限制，他們采用的并非數(shù)碼相機而是膠片相機，首先對目標物進行拍攝，然后經過工序復雜的手工沖洗過程獲取圖片，最后從圖片中提取出目標物和背景的亮度對比，獲取能見度。這種方法操作復雜且難以定量化，并未得到應用，但它提供了測量能見度的一種全新方法，為以后的數(shù)字攝像法測量能見度研究奠定了基礎。1998年美國明尼蘇達大學Taek開始用數(shù)字攝像法來測量能見度，由于在利用單目標物時存在固有亮度對比C0，該量隨時間變化，難以實時測量，只能通過估算或在目標物接近黑體時近似認為C0為－1，為了避免這種近似計算帶來的誤差，Taek采用雙目標物法［8］，并對該方法進行理論推導，同時簡單對比能見度在1000 m內的試驗數(shù)據與Vaisala等設備的測量數(shù)據，但未對其他范圍的能見度進行對比分析。在國內也有相應的研究，如數(shù)字攝像法自動測量能見度系統(tǒng)［9］、數(shù)字攝像法測量能見度［10］、利用數(shù)字圖像分析技術監(jiān)測大氣能見度［11］、普通數(shù)碼相機測量大氣能見度［12］等。

1 雙光路能見度測量系統(tǒng)原理和改進

1.1 試驗平臺

雙光路能見度測量系統(tǒng)試驗平臺如圖1所示，主要包括CCD、光源、工業(yè)計算機、目標物光源（包括遠、近兩個）、1394傳輸線。類似于雙目標物法（Dual Target Approach）和數(shù)字攝像法自動測能見度系統(tǒng)（DPVS）的雙亮度差法［13-14］，雙光路能見度測量系統(tǒng)也設立了遠、近兩個目標物，工作時，首先由光源發(fā)出光信號，經過大氣衰減后，分別被兩個目標物裝置反射，反射的光信號又經過一次大氣衰減按原路返回，CCD接收后被轉換為圖像信號存儲到計算機，通過光斑分割算法［15-16］對存儲圖像信號進行處理，最終獲取反演所需的信息，計算得到能見度。

圖1 雙光路能見度測量系統(tǒng)試驗平臺Fig.1 Dual optical path visibility system experimental platform

1.2 原 理

由于雙光路能見度測量系統(tǒng)和其他數(shù)字攝像法能見度系統(tǒng)一樣，并不能直接獲取光斑的亮度值，只能通過CCD攝像機獲取圖像的灰度值，不同CCD亮度和灰度的線性關系不一樣，所以在試驗之前需要對所用CCD進行驗證試驗，在這里通過可調光強的積分球作為光源來驗證所選相機的線性度，試驗標定過程與文獻［17］中的工業(yè)相機的線性標定過程一致，這里不再累述。

雙光路能見度反演模型如圖2所示，設CCD和遠、近目標物的距離分別為R2，R1，遠、近目標光源視亮度為Et2，Et1，遠、近黑體暗箱視亮度為Eg2，Eg1，目標光源和黑體暗箱相應的灰度為Gt2，Gt1和Gg2，Gg1。遠、近目標光源和黑體暗箱的初始亮度值分別設為Et20，Et10和Eg20，Eg10，則由上面積分球試驗的灰度與亮度關系得到目標光源與其對應的視線背景方向的黑體暗箱灰度之差為

式（1）中，A為修正系數(shù)。根據文獻［18］提出的從已知強度點光源發(fā)出的光的衰減定律，可得

圖2 雙光路能見度反演模型Fig.2 Dual optical path visibility inversion model

式（2）中，σ為消光系數(shù)。由式（1）、式（2）可得到雙光路能見度測量系統(tǒng)的能見度計算公式為

這里考慮到光源的不均勻性，設遠、近目標光源的初始亮度關系為Et20＝AEt10，且遠、近目標光源的視線背景方向采用黑體暗箱［19-21］，本身不發(fā)光，可以認為初始亮度Eg10＝Eg20＝0，從而有

1.3 改 進

雙光路能見度測量系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)能見度儀，系統(tǒng)測量的是所經光路的大氣衰減，這包括大氣的散射和吸收，克服了散射式能見度儀只測量散射的缺點，由于是同一光源發(fā)出的光信號到達兩個目標物，光源受污染后，兩個目標物光強的變化同步，解決了透射式能見度儀鏡頭受污染測量偏差變大的缺點，同時該系統(tǒng)安裝簡單，不需要類似傳統(tǒng)透射式能見度儀安裝時的復雜調校過程。相對于目前的數(shù)字攝像法，該系統(tǒng)克服了雙目標物法因采用兩個不同光源而產生的光學特性差異和強度不同步變化的缺點，同時也克服了雙亮度差法利用黑體作為目標物只能測量白天能見度的缺陷。在該系統(tǒng)中目標物為一反射裝置，采用發(fā)射—反射—接收的方式，使基線增加了一倍，同時利用反射裝置只反射平行光的特性，其他雜光就不會進入CCD接收系統(tǒng)中，減少了環(huán)境雜光的影響，在反射裝置外設置長度相對較長且內壁涂有消光漆的防護罩，也減少了太陽光以及周圍雜光的進入，保證了兩個目標物周圍環(huán)境的一致性，通過在CCD鏡頭前加中灰密度鏡，提高了信噪比。除此之外，該方法在暗電流和背景雜光的去除上，在設置目標物的地方同時設置視線背景方向的黑體暗箱裝置，黑體暗箱裝置除了沒有反射體外其他部分和目標光源一樣，這樣最后的信息獲得是通過同一張圖像上目標物部分減掉黑體暗箱部分，這樣不僅可以實時去除掉暗電流，也去除了部分太陽光和周圍環(huán)境雜光。

2 雙光路能見度測量系統(tǒng)的試驗對比

試驗中遠、近目標物與CCD的距離分別為50 m，15 m，CCD采用 MV-VS142FM／C工業(yè)數(shù)字攝像機，最高分辨率為1392×1040，12位輸出，最高采集速度達15 fps，這里設置每分鐘采集10幀，試驗儀器南北方向安裝（CCD在南，目標物裝置在北），對比儀器安裝類似，對比儀器采用1臺前向散射式能見度儀和1臺Vaisala透射式能見度儀，試驗儀器和對比儀器均為1 min輸出1個能見度數(shù)據，試驗儀器每分鐘的數(shù)據是對該分鐘采集的10張圖片信息平均的結果，通過5個參數(shù)來衡量比對結果：均方根偏差Rsd、均方根相對偏差Rsrd、平均偏差Asd、相對平均偏差Asrd和相關系數(shù)r，均方根偏差和均方根相對偏差描述的均為與對比數(shù)據的離散程度，均方根偏差以及均方根相對偏差表達式如下：

其中，N為樣本量，Vexpi為試驗值，Vstdi為對比值，均方根相對偏差越小，說明試驗儀器與對比儀器測量結果越接近。相關系數(shù)為

式（7）中，Vexpi和Vstdi與上面相同，相關系數(shù)用來衡量試驗數(shù)據與對比數(shù)據之間的線性相關程度，｜r｜≤1，｜r｜越接近于1，說明數(shù)據線性相關程度越高。

下面給出試驗對比觀測的一些結果，結果從低（50～2500 m）、中 （2500～5000 m）、高 （5000～10000 m）3個不同能見度范圍進行討論，圖3為分別選取低、中、高能見度時，雙光路能見度測量系統(tǒng)和透射式能見度儀以及前向散射式能見度儀的對比結果（圖中時間均為北京時）。由圖3可以看出，不論在低、中能見度還是高能見度，雙光路能見度測量系統(tǒng)測得的能見度均與透射式能見度儀接近，這在低和高能見度時特別明顯，在低能見度時，前向散射式能見度儀要明顯高于雙光路能見度測量系統(tǒng)和透射式能見度儀，在高能見度時，雖然有些地方雙光路能見度測量系統(tǒng)出現(xiàn)了一些小的波動，與透射式能見度儀不太吻合，但在出現(xiàn)峰值處與透射式能見度儀變化一致，比前向散射式能見度儀敏感，起伏要大一些，這與雙光路能見度測量系統(tǒng)的工作原理有關，雙光路能見度測量系統(tǒng)與透射式能見度儀均測量整個光路的大氣衰減，而前向散射式能見度儀只測量大氣散射，忽略了大氣的吸收作用，出現(xiàn)小的波動主要與光源的波動有關。在能見度測量的穩(wěn)定度上，由圖3c可知，高能見度時，雙光路能見度測量系統(tǒng)結果的整條曲線比較平滑，波動較透射式能見度儀和前向散射式能見度儀結果偏小，這說明本文采用的圖像方法比傳統(tǒng)測量方法連續(xù)性好，除此之外，由圖3b白天的數(shù)據也可以看出，太陽光對雙光路能見度測量系統(tǒng)的影響基本消除，這歸功于裝置本身目標物的設置以及采取的一些避光措施。

圖3 不同方法測量能見度結果對比（a）2013年6月8日低能見度對比，（b）2013年6月13日白天中能見度對比，（c）2013年6月13日夜晚高能見度對比Fig.3 Visibility comparison by different measuring methods（a）low visibility comparison diagram on 8 June 2013，（b）medium daytime visibility comparison diagram on 13 June 2013，（c）high visibility comparison diagram on 13 June 2013

續(xù)圖3

表1是對2013年5—7月數(shù)據進行統(tǒng)計得出。由表1可以看出，雙光路能見度測量系統(tǒng)結果與透射式能見度儀均方根偏差和均方根相對偏差以及平均偏差和相對平均偏差從低能見度到高能見度逐漸變大，而與前向散射式能見度儀的對比中有小幅度變小。這說明雙光路能見度測量系統(tǒng)結果和透射式能見度儀對比數(shù)據隨能見度的升高偏差越來越大，數(shù)據吻合度依次下降，而與前向散射式能見度儀逐漸接近，雙光路能見度測量系統(tǒng)和透射式能見度儀對比出現(xiàn)這種情況的主要原因是雙光路能見度測量系統(tǒng)和透射式能見度儀的工作原理一樣，但隨能見度的升高，雙光路能見度測量系統(tǒng)光源的波動對能見度測量的影響越來越大。為分析其原因，給出表2，表2中第1列是光學視程（即試驗中測量的能見度），第2列是在對應第1列光學視程下的消光系數(shù)，第3列是對應第2列消光系數(shù)下的固定基線的光強（表2中取原始光強為1，基線取0.050 km，在一定光學視程所對應的消光系數(shù)下的光的衰減量。由表2可以看出，當光學視程由0.1 km變?yōu)?.2 km時，光強變化為0.235，當光學視程由1 km變?yōu)? km時，光強變化為0.0845，當能見度再升高，達到4 km以上時，光學視程每增加1 km，光強的變化僅有千分之幾，這種變化隨著光學視程變大會變得越來越小，在低能見度時，大氣衰減造成的光強的變化相對較大，光源亮度的波動，遠小于因為大氣衰減造成的光強的變化，所以此時對能見度的測量影響不大，但高能見度時不同，大氣衰減造成的光強的變化相對較小，僅為千分之幾，光源的波動不再遠遠小于大氣衰減造成的光強變化，此時光源的波動對能見度的測量影響較大，因此同一光源在相同亮度波動的情況下，在低能見度時可能導致幾十米甚至上百米的能見度變化，而在高能見度時可能導致幾百米甚至上千米的變化，即低能見度時影響較小而在高能見度時影響較大。雙光路能見度測量系統(tǒng)與前向散射式能見度儀隨能見度升高對比的偏差小幅變小，這與上面分析的隨著能見度的升高受光源波動影響變大不一致，原因是在低能見度時，大氣中的氣溶膠顆粒物的吸收作用比較嚴重，不可忽略，而前向散射式能見度儀不能測量粒子對光線的吸收［21］，雙光路能見度測量系統(tǒng)測量整個光路上的衰減，包含了粒子的散射和吸收，所以導致在低能見度時雙光路能見度測量系統(tǒng)與前向散射式能見度儀對比的偏差較大，隨著能見度慢慢升高到中能見度，光源的波動影響隨之增大，雙光路能見度測量系統(tǒng)與前向散射式能見度儀的偏差應增大，但由于隨著能見度的升高，大氣中的顆粒物也在逐漸減少，這種吸收影響也隨之減小，使得雙光路能見度測量系統(tǒng)與前向散射式能見度儀測量值的偏差逐漸縮小，這種縮小的幅度抵消了光源隨能見度增大波動的影響，所以此時出現(xiàn)了隨著能見度的升高而偏差小幅減小。由平均偏差和相對平均偏差可以看出，雙光路能見度測量系統(tǒng)與前向散射式能見度儀的偏差為負值，與透射式能見度儀的偏差為正值，說明前向散射式能見度儀測得的值比雙光路高，透射式能見度儀測得的值比雙光路低，而且是穩(wěn)定地保持這種符號特征，說明雙光路能見度測量系統(tǒng)工作較為穩(wěn)定。表1除列舉了低、中、高能見度時不同測量方法對比參數(shù)外，還列舉了白天和夜晚能見度測量的對比情況，由這些數(shù)據考察雙光路能見度測量系統(tǒng)的改進對白天測量能見度受太陽光的影響如何，如果受太陽光的影響，白天的數(shù)據就會比夜晚的數(shù)據波動大，與對比數(shù)據的吻合度會比夜晚差。從表1中各個參數(shù)可以看出，夜晚和白天的數(shù)據對比結果相差不大，說明太陽光的影響已基本消除。

表1 雙光路能見度測量系統(tǒng)與其他方法對比Table 1 Comparison between dual optical path visibility system and the other methods

表2 能見度消光系數(shù)與光強的關系Table 2 Relationship between visibility extinction coefficient and light intensity

3 結 論

1）通過雙光路能見度測量系統(tǒng)和透射式能見度儀以及前向散射式能見度儀對比數(shù)據的相關系數(shù)可知，不同方法獲取的能見度總體變化趨勢一致，低能見度時一致性最好，高能見度時欠佳。從平均偏差和平均相對偏差來看，雙光路能見度測量系統(tǒng)和透射式能見度儀結果更為接近，這是因為兩者工作原理相近。

2）雙光路能見度測量系統(tǒng)和透射式能見度儀測量結果的均方根相對偏差在高能見度時較大，因為兩者都存在同樣的光強誤差所造成的能見度的偏差高能見度時遠大于低能見度時的問題。此外，高能見度時，透射式能見度儀對光軸對準要求高，對鏡頭污染敏感，造成了兩者在高能見度時偏差變大。

3）通過白天和夜晚數(shù)據的對比，各項參數(shù)基本接近，說明雙光路能見度測量系統(tǒng)白天太陽光的影響已基本消除，這與裝置本身目標物的特性只反射平行光有關，同時也與采取的一系列措施有關，如在鏡頭前加中灰密度鏡，壓低背景，提高信噪比，為消除周圍雜光設置消光外罩等。

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Dual Optical Path Visibility System Measuring Method and Experiment

Du Chuanyao1）Ma Shuqing2）Yang Ling3）Zhang Chunbo1）

1）（Beijing Weather Observatory，Beijing100176）
2）（Meteorological Observation Center，CMA，Beijing100081）
3）（Department of Electronic Engineering，Chengdu University of Information Technology，Chengdu610225）

Dual optical path visibility system is a visibility measuring system based on a charge coupled device（CCD）digital camera and a light attenuation theory in atmosphere.Photovoltaic conversion process is realized by using the CCD to measure the light attenuation in the atmosphere.Two target reflection and background devices at different fixed distances are installed in the dual optical path visibility system and have identical characteristics except for distances.During measurement，a light source and the CCD are arranged at the same place，light signal sent by the light source is transmitted to the target reflector and reflected back，two beams of light reflected back are

by the CCD，the CCD converted reflected beams of light to corresponding facula images，and the whole photovoltaic conversion process is completed.Compared with the traditional digital camera method in which the same distance between a CCD and a target device is set，the light path distance of the dual optical path visibility system is doubled because of light reflection.The facula images captured by the CCD are transmitted to a computer and the attenuation information and background grey information of target facula images are acquired by digital image processing.The center of gravity method is used to dynamically extract the attenuation information of the target facula images，random noise is eliminated by averaging a plurality of extracted facula images，and the attenuation information is used for visibility back calculating.A back calculation formula is derived based on the classical optical attenuation theory，the formula is improved by combining an actual experimental platform，and finally，visibility is calculated.Through contrast experiments and correlation coefficients，the basic trend of visibility data of the dual optical path visibility system is consistent with that of the traditional transmission visibility meter and the traditional forward scatter visibility meter，especially when the visibility is low，and with the visibility increasing，the trend consistency declines to some extent.According to the mean deviation and mean relative deviation，visibility data of the dual optical path visibility system are more close to the traditional transmission visibility meter because of a similar working principle，as the dual optical path visibility system and the traditional transmission visibility measure attenuation of a whole light path while the forward scatter visibility meter only measures atmospheric scattering.With the visibility increasing，the visibility data deviation of the dual optical path visibility system and the traditional transmission visibility meter become larger mainly because of more fluctuation.In addition，optical axis alignment of the traditional transmission visibility meter is required and the camera lens of the traditional transmission visibility meter is sensitive to contaminant.Through visibility data comparison of day and night，it is observed that sunlight influences on the visibility data are basically eliminated.

digital photography；dual optical path；digital image processing；visibility；contrast experiment

杜傳耀，馬舒慶，楊玲，等.雙光路能見度測量方法和試驗.應用氣象學報，2014，25（5）：610-617.

2013-11-04收到，2014-05-20收到再改稿。

公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201106047）

*email：duchuanyao＠126.com