夜间能见度
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夜间能见度系统研究
2016年4月1日
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理论基础 系统设计 PWM（脉冲宽度调制）和光强无限 存在问题 硬件设计
理论基础
设发光体发光为B0，经过距离d之后，测到的光强度为B，这样，两者关系可 以表达为：B=B0e-σd；式中，σ为消光系数。 我们假定，间隔距离D，安装了一套发光和接受的测试系统，发光端发出光
在上一个段落中，如果在发光端将光强增加10倍，则测试端测到的1%实 际上就是1/1000，提高100倍，测试精度实际上就是1/10000，而目前我们 的PWM的设计是1/1000，就是说系统的总体精度实际上是十万分之一， 这种精度的衰减是由浓雾完成的，测试端的数据精度还是1%。把这组数据 代入到上节的公式中去，则得到：d=8.68米。和21.7米相比，数据水平提 高多了。不过1000倍的数据精度提高，才换来1倍多的指标提高，多少还 是有点遗憾。这也是负指数函数的数据特点。 本段说明，高能见度和低能见度的装备不太可能完全兼顾，通过PWM 技术和选择合适的发光光学系统可以最大范围的兼顾实际使用要求。但真 正需要宽指标时，还是需要分成两个系统。按照上节的公式，距离短10倍， 向下测试的能力就提高10倍。
存在问题
一个理论上没有解决的问题是色温误差。能见度的标定要求采用规定 的色温光源。而采用LED和规定色温不符，这中间产生的误差目前还不 得而知。在浓雾条件下，红光透过率比较强，估计会有色偏。只能在了 解清楚影响后通过软件进兴修正。
硬件设计
a）黑体原理： 阳光照到发光体上，会产生干扰，影响测试。根据黑体原理，将发光体从一 个深深的“洞穴”中发出，测试端采用成像技术，取样只取发光窗口，这样可 以最大限度减少阳光干扰。这种效果就像观测对面楼栋的窗口，里面总是黑的 效果一样。 b）单片机技术： 控制和测试采用ARM系列单片机，采用彩色LCD进行设定显示，从而有很 好的人机界面。系统的访问采用MODBUD协议，通过网络从远端直接读出当前 能见度。
|LN0.99|=0.01； |LN0.999|=0.001； |LN0.9999|=0.0001。 就是说，如果系统的测试精度提高10倍，可以报出的能见度良好条件下的距 离也将增加10倍，提高100倍增加100倍。但如我们前面表述，稳定性和抗污染 能力会明显降低，从实际出发，系统精度不易选择过高，这些数据可能只有理论 意义。 还需要研究另外一种情况，在非常浓雾条件下B1/B0=1%；这也符合系统设 计1%的精度条件。|LN0.01|=4.60，同样在25米的安装条件下， d=25*4/4.60=21.7（米）； 就是说，安装距离25米，系统精度1%的条件下，最小可以报出22米的能见 度，这明显是不够的，好在还有对策可以在一定范围内解决这个问题。解决方法 在下一段落中描述。
PWM（脉冲宽度调制）和光强无限原理
安装距离提高之后，能见度良好状态的测试能力提高了，浓雾下的 测试能力却有所损失。这可以通过PWM技术和光强无限原理来加以弥补。
光强无限原理：首先，发光体的能力是一定的，而光学系统可以通过设 计不同的视角改变成像大小，成像越小，光密度越高，不断增大发光体 面积，不断增加视场角（减小成像光斑），就不断增加了光强，这样就 是光强无限。 PWM:采用这种技术来线性的控制光强，所谓脉冲宽度调制，就是在一 个规定时长内，控制打开和关断时间，如果采用LED作为发光体，则它 的响应是很快的，基本可以不要考虑时延，这样，打开的时间越长，亮 度越亮，打开时间长一倍，则亮度亮一倍。
系统设计
不难看出，测试就是测发光和接受的比值。可以从设备设计的角度出发，考
虑系统要求的精度。就电子系统而言，提高一点数据精度还是容易办到的。然而， 设备用于野外，如果1/10000精度，可能吹点风，下点雨，光学系统的污染就足 以使高精度努力归零，如果1/1000精度，可能不出数日数周，系统也需要重新标 定和清洗。总而言之，野外系统，精度越高，实际上越不耐用，抗污染能力越差。 据此，我们考虑系统精度不超过1/100。 如果暂定安装距离为25米，测试标准为气象，这时： d=D*[-LN(B/B0)/LN(B1/B0)]=25*4/LN(B0/B1)； 我们假定了测试精度为1%，在能见度比较好的条件下，就是说B1/B0=99%。 按照数值解，|LN0.99|=0.01；得： d=25*4/0.01=10000（米）； 这表明1%的系统测试精度，25米的安装距离，可以比较好的的报出10KM的能 见度。在这一数据段：
夜间能见度研究目的及意义1 国内外相关领域研究的现状2 3 国外能见度度研究状况1.2.2国内能见度度研究状况 本论文结构安排5 大气能见度理论综述 引言6 能见度测试理论原理6 Koschmieder理论7 9 针孔摄像机取像原理摄像机成像过程 10双灯理论研究11 图像处理基础理论1213图像预处理2特征提取 本章小结13 摄像机技术要求分析 摄像机工作原理 测试系统摄像机的影响因素14 图像提取中的sobel算子分析 算子的宏观定义多种算子分析16 Sobel算子分析17 19 数字摄像机测夜间能见度系统设计 引言 夜间能见度测量方法 一般点光源法20改进后的点光源设计22 硬件设计平台选择与分析节点模块的选择与分析23光学器件选择与分析24 PWM(脉冲宽度调制)和光强无限光强无限原理 25 PWM技术分析 26 夜间能见度系统软件设计 理论基础与系统设计 理论基础系统设计27 基于ARM的主程序GUI界面 28主程序模块28硬件模块29文件主函数30主界面函数32摄像机初始化模块 .3 实验误差分析33 本章小结34
强B0，在测试端，测到的光强为B1，这时B1=B0e-σD 由此得到消光系数：σ=-1/D*LN(B1/ B0) 再假定在任意距离d位置测得光强为B，假定d足够远，正好达到能见度的距 离，这时：B= B0*EXP[-d/D*LN(B1/ B0)] 由此得到：B/B0= EXP[-d/D*LN(B1/ B0)] 按照民航规定，B/B0=2%时的距离为能见度距离；按照气象有关规定， B/B0=5%时的距离为能见度距离。我们以气象为例，LN0.02=-4。这样，d=D*[LN(B/B0)/LN(B1/B0)]=D*4/LN(B0/B1) 根据本式，在设备安装距离D条件下，对于一个已知发光强度B0，测得给定 距离D处光强B1，根据有关标准，很容易计算出能见度距离d。
2016年4月1日
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Fra Baidu bibliotek
理论基础 系统设计 PWM（脉冲宽度调制）和光强无限 存在问题 硬件设计
理论基础
设发光体发光为B0，经过距离d之后，测到的光强度为B，这样，两者关系可 以表达为：B=B0e-σd；式中，σ为消光系数。 我们假定，间隔距离D，安装了一套发光和接受的测试系统，发光端发出光
在上一个段落中，如果在发光端将光强增加10倍，则测试端测到的1%实 际上就是1/1000，提高100倍，测试精度实际上就是1/10000，而目前我们 的PWM的设计是1/1000，就是说系统的总体精度实际上是十万分之一， 这种精度的衰减是由浓雾完成的，测试端的数据精度还是1%。把这组数据 代入到上节的公式中去，则得到：d=8.68米。和21.7米相比，数据水平提 高多了。不过1000倍的数据精度提高，才换来1倍多的指标提高，多少还 是有点遗憾。这也是负指数函数的数据特点。 本段说明，高能见度和低能见度的装备不太可能完全兼顾，通过PWM 技术和选择合适的发光光学系统可以最大范围的兼顾实际使用要求。但真 正需要宽指标时，还是需要分成两个系统。按照上节的公式，距离短10倍， 向下测试的能力就提高10倍。
存在问题
一个理论上没有解决的问题是色温误差。能见度的标定要求采用规定 的色温光源。而采用LED和规定色温不符，这中间产生的误差目前还不 得而知。在浓雾条件下，红光透过率比较强，估计会有色偏。只能在了 解清楚影响后通过软件进兴修正。
硬件设计
a）黑体原理： 阳光照到发光体上，会产生干扰，影响测试。根据黑体原理，将发光体从一 个深深的“洞穴”中发出，测试端采用成像技术，取样只取发光窗口，这样可 以最大限度减少阳光干扰。这种效果就像观测对面楼栋的窗口，里面总是黑的 效果一样。 b）单片机技术： 控制和测试采用ARM系列单片机，采用彩色LCD进行设定显示，从而有很 好的人机界面。系统的访问采用MODBUD协议，通过网络从远端直接读出当前 能见度。
|LN0.99|=0.01； |LN0.999|=0.001； |LN0.9999|=0.0001。 就是说，如果系统的测试精度提高10倍，可以报出的能见度良好条件下的距 离也将增加10倍，提高100倍增加100倍。但如我们前面表述，稳定性和抗污染 能力会明显降低，从实际出发，系统精度不易选择过高，这些数据可能只有理论 意义。 还需要研究另外一种情况，在非常浓雾条件下B1/B0=1%；这也符合系统设 计1%的精度条件。|LN0.01|=4.60，同样在25米的安装条件下， d=25*4/4.60=21.7（米）； 就是说，安装距离25米，系统精度1%的条件下，最小可以报出22米的能见 度，这明显是不够的，好在还有对策可以在一定范围内解决这个问题。解决方法 在下一段落中描述。
PWM（脉冲宽度调制）和光强无限原理
安装距离提高之后，能见度良好状态的测试能力提高了，浓雾下的 测试能力却有所损失。这可以通过PWM技术和光强无限原理来加以弥补。
光强无限原理：首先，发光体的能力是一定的，而光学系统可以通过设 计不同的视角改变成像大小，成像越小，光密度越高，不断增大发光体 面积，不断增加视场角（减小成像光斑），就不断增加了光强，这样就 是光强无限。 PWM:采用这种技术来线性的控制光强，所谓脉冲宽度调制，就是在一 个规定时长内，控制打开和关断时间，如果采用LED作为发光体，则它 的响应是很快的，基本可以不要考虑时延，这样，打开的时间越长，亮 度越亮，打开时间长一倍，则亮度亮一倍。
系统设计
不难看出，测试就是测发光和接受的比值。可以从设备设计的角度出发，考
虑系统要求的精度。就电子系统而言，提高一点数据精度还是容易办到的。然而， 设备用于野外，如果1/10000精度，可能吹点风，下点雨，光学系统的污染就足 以使高精度努力归零，如果1/1000精度，可能不出数日数周，系统也需要重新标 定和清洗。总而言之，野外系统，精度越高，实际上越不耐用，抗污染能力越差。 据此，我们考虑系统精度不超过1/100。 如果暂定安装距离为25米，测试标准为气象，这时： d=D*[-LN(B/B0)/LN(B1/B0)]=25*4/LN(B0/B1)； 我们假定了测试精度为1%，在能见度比较好的条件下，就是说B1/B0=99%。 按照数值解，|LN0.99|=0.01；得： d=25*4/0.01=10000（米）； 这表明1%的系统测试精度，25米的安装距离，可以比较好的的报出10KM的能 见度。在这一数据段：
夜间能见度研究目的及意义1 国内外相关领域研究的现状2 3 国外能见度度研究状况1.2.2国内能见度度研究状况 本论文结构安排5 大气能见度理论综述 引言6 能见度测试理论原理6 Koschmieder理论7 9 针孔摄像机取像原理摄像机成像过程 10双灯理论研究11 图像处理基础理论1213图像预处理2特征提取 本章小结13 摄像机技术要求分析 摄像机工作原理 测试系统摄像机的影响因素14 图像提取中的sobel算子分析 算子的宏观定义多种算子分析16 Sobel算子分析17 19 数字摄像机测夜间能见度系统设计 引言 夜间能见度测量方法 一般点光源法20改进后的点光源设计22 硬件设计平台选择与分析节点模块的选择与分析23光学器件选择与分析24 PWM(脉冲宽度调制)和光强无限光强无限原理 25 PWM技术分析 26 夜间能见度系统软件设计 理论基础与系统设计 理论基础系统设计27 基于ARM的主程序GUI界面 28主程序模块28硬件模块29文件主函数30主界面函数32摄像机初始化模块 .3 实验误差分析33 本章小结34
强B0，在测试端，测到的光强为B1，这时B1=B0e-σD 由此得到消光系数：σ=-1/D*LN(B1/ B0) 再假定在任意距离d位置测得光强为B，假定d足够远，正好达到能见度的距 离，这时：B= B0*EXP[-d/D*LN(B1/ B0)] 由此得到：B/B0= EXP[-d/D*LN(B1/ B0)] 按照民航规定，B/B0=2%时的距离为能见度距离；按照气象有关规定， B/B0=5%时的距离为能见度距离。我们以气象为例，LN0.02=-4。这样，d=D*[LN(B/B0)/LN(B1/B0)]=D*4/LN(B0/B1) 根据本式，在设备安装距离D条件下，对于一个已知发光强度B0，测得给定 距离D处光强B1，根据有关标准，很容易计算出能见度距离d。