CCD曝光变化在能见度反演过程中的作用研究

摘要：气象能见度一直与我们的生活密切相关。目前在气象领域，能见度主要还是以人工观测为主，由于影响能见度的因子较多，人工观测不可避免存在主观性误差，所以随着天气现象自动观测技术的发展，能见度自动观测技术（能见度器测技术）的重要性越来越大。本文的研究平台是一种新型透射式能见度仪，又称为双反射透射式能见度仪，该能见度仪使用CCD（charge coupled device）作为图像采集部件，采集光源在空气中传播后的光斑图像，从而算出空气消光系数，最终反演出气象能见度。本文研究CCD曝光变化在能见度反演过程中的作用，主要研究工业相机快门与图像灰度间的关系。通过实验验证快门与灰度之间的线性关系，从而确定在双反射透射式能见度仪在使用过程中的快门调节并不影响能见度的反演结果。通过室内CCD曝光实验以及室外的新型能见度仪与前散能见度仪的对比实验，验证了该新型能见度仪能见度反演算法的有效性。

关键词：新型能见度仪 能见度反演 CCD曝光 灰度 亮度

中图分类号：X513 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）10-0073-03

1 引言

气象能见度即目标物的能见距离，是指观测目标物时，能从背景上分辨出目标物轮廓的最大距离[1]。目前，能见度、空气质量是人们关注的焦点，空气质量是直接影响能见度的一个重要因素。大气能见度和我们的生活密切相关，由于环境污染等问题，由于超低能见度而影响人们的生活的实例在近几个月内屡见不鲜，所以气象能见度测量的重要性与准确性不言而喻。目前在气象领域，云、能、天还是主要以人工观测为主，这里“能”指的就是能见度，由于影响能见度的因素较多，而人工观测不可避免存在主观性误差。随着天气现象自动观测技术的发展，能见度自动观测技术（能见度器测技术）也在迅速发展。测量能见度的仪器主要有：透射能见度仪和散射能见度仪[2]。

2 能见度仪国内外现状

为了实现能见度的自动观测，国内外做了大量的工作[4][5]，开发了多种能见度观测仪器[1][6]。我国能见度测量仪器研发工作是从上世纪八十年代开始的，相继有不少的相关部门进行过各种类型能见度测量仪器的研制。总体上讲起步比较晚，国内的凯迈（洛阳）测控有限公司研制的散射式能见度仪在全国多个气象观测场以及公路等投入使用。民航机场等对能见度测量精度较高的行业主要依赖进口设备（如芬兰的维萨拉公司的透射式能见度仪），军用机场现只能依靠人工观测来进行气象保障。

美国、德国、芬兰和日本在制造测量水平能见度的能见度测量仪技术方面比较成熟，在这一领域一直处于领先地位。这些国家的能见度测量仪生产公司都同时生产透射仪和散射仪产品，测量范围从10km到50km，测量精度大部分在之内。

本文中CCD曝光实验基于的平台是一种新型的透射式能见度仪，又称为双反射透射式能见度仪，该能见度仪与传统的透射式能见度相比，具有基线长、性价比高的特点，解决了传统透射仪的发射器和接收器对准难的问题，光学系统遭受大气污染等问题，目前该新型能见度仪的测试实验已经完成，系统稳定，测量精度较高。

3 新型能见度仪测量原理

根据Bouguer-Lambert定律[2]：

为距离光源处的光照度，为大气消光系数，为无大气衰减条件下光源的光照度。由此得消光系数：

由此根据Koschmider定律，取时可得气象能见度为：

在这个过程中要求光源是严格恒定不变的，否则会影响的值，进而影响能见度，尤其是高能见度的结果将非常不可靠。采用双反射的方法可以避免这个问题。分别测得不同距离的处的光照度：

则，进而可以得到气象能见度。

本文中的新型能见度仪的原理示意图如图1，两个远近接收端如图2

由于照度与亮度成线性关系，而亮度与灰度也是线性关系，那么在能见度反演公式里面，我们用CCD获取同一个光源均分出来的两个子光束打到两个接收端的光斑图像，处理光斑图像获得远近两个光斑的灰度值，通过消光系数计算公式得到消光系数，最终通过能见度计算公式反演得到能见度。

在整个能见度反演的过程中，是通过计算光斑图像的灰度值来代替目标物亮度值。由于整个能见度仪24小时运行过程中，需要随着背景光的变化而调节CCD的曝光时间，以免发生CCD饱和的情况导致能见度反演的误差。那么是否可以在能见度仪工作的过程中随意改变工业相机的快门（即改变CCD曝光时间）是需要验证的，也即验证CCD曝光时间与灰度之间的线性关系是必要的。

4 CCD曝光实验

4.1 实验器材

整个实验使用的CCD以及配备镜头应该与新型能见度仪上使用的CCD一致，在新型能见度仪上使用的是维视公司的MV-142FM/C工业相机，配备镜头采用佳能（Canon）公司EFS55-250mm/4-5.6IS，如图3所示。工业相机性能参数如表1所示。

4.2 实验基本设计思想

CCD的曝光量调节通过CCD相机控制软件来调节，如图4所示。考虑到CCD元件的线性范围，所以工业相机快门的调节范围不宜太过于取极限值，本实验工业相机快门取值范围为20-1000ms采集的29张图像通过图像采集卡传输到计算机上，以便后续处理处理。

考虑到室内亮度较为稳定，干扰较小，而日光灯管的闪烁抖动性，所以整个拍摄实验在室内完成。考虑到光线随着时间的变化而变化，所以该实验在15分钟之内完成所有的拍摄，拍摄对象为大恒公司的白色反射屏，力求环境光不变，整个实验共采集29张图片。

5 CCD曝光实验结果分析

5.1 图像处理平台

本实验的图像处理软件使用MathWorks公司开发的MATLAB 6.5软件，他是一种跨平台的用于矩阵数值计算的简单高效的数学软件。它可以用于用于算法开发、数据可视化、图像处理、数据分析以及数值计算等功能，是一款十分强大的数学软件。

5.2 图像处理结果

整个实验用不同的快门控制CCD的曝光量，在不同快门时间之后拍摄的反射屏的灰度值总结如表2，由于拍摄过程中亮度不变，所以灰度与曝光量的关系曲线即为亮度与曝光量之间的关系曲线，如图5可得，该曲线为线性曲线。

6 能见度反演结果及总结

由于在使用文中所述新型能见度仪进行气象能见度测量时，仪器中CCD器件的动态范围是12位，所以当光斑或者背景光亮度较强时，CCD会处于饱和状态，从而导致能见度反演的误差。对于夜晚的光斑拍摄，由于夜间的背景光较弱，我们只需考虑调整快门找到合适的曝光时间，使得光斑的亮度在CCD捕获的范围中间部分（由于中间段的线性较好）；而对于白天的光斑拍摄，由于背景光对光斑的影响较大，所以白天我们需要调小快门，缩小曝光时间，以使得获取的光斑亮度在CCD捕获的范围中间部分。通过CCD曝光实验，我们得出灰度与快门（即曝光时间）的关系曲线为线性曲线，所以在全天24小时的CCD拍摄过程中，快门的调节是不影响能见度的反演结果的，整个系统可以随时进行快门调节。图6给出用新型能见度仪测量的24小时能见度曲线与凯迈CJY-2C型前散能见度仪测量的能见度曲线对比图，可以看出用该新型能见度仪测量的能见度曲线与凯迈前向散射式能见度仪测量曲线走向较为一致。

该新型能见度仪现仍处于对比试验阶段，所以对于能见度反演的数据校正、误差分析方面还有很多工作未开展。本文所完成的CCD曝光与灰度之间的线性关系实验验证了整个系统可以随时进行快门调节，后期我们还将考虑根据背景光的变化实现快门的实时、自动调节，使得CCD始终保持工作在最佳的线性区域，从而提高能见度反演的精度。

参考文献

[1]曾书儿，王改利.能见度的观测及其仪器.应用气象学报，1999年5月，第10卷2期.

[2]大气探测原理与方法.北京：气象出版社，2007.23.

[3]MV1394工业数字相机使用说明书（10版）.陕西维视数字图像技术有限公司.

[4]林云，孙向明，张小丽，黄晓锋，何凌燕，曾立武.深圳市大气能见度与细粒子浓度统计模型.应用气象学报，2009，20（2）：252-256

[5]刘西川，高太长，刘磊，张伟，杨树臣，李涛.降水现象对大气消光系数和能见度的影响.应用气象学报，2010，21（4）：433-441

[6]马舒庆，吴可军，陈冬冬.天气现象自动化观测系统设计.气象，2011，37（9）：1166-1172.

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