Journal of Optics Applications December 2013, Volume 2, Issue 4, PP.74-79
Light System Design and its Comparison Experiment of DPVS Jingli Wang 1#, Xulin Liu 2 1. Institute of Urban Meteorology, China Meteorological Administration, Beijing 100089, China 2. Support Center for Atmospheric Observing Technology, Beijing 100089, China #Email: jlwang@ium.cn
Abstract Concerning the fact that there is no available automatic detection system for visibility both at home and abroad so far, a new type of automatic detection system for visibility using digital camera has been developed by means of digital photographic, based on visibility definition and the principle of manual visibility observation. By comparison among digital, optical and manual visibility meter, the performance of digital visibility meter has been investigated; and the result indicated that the system operates well and lives up to the expectation, which provides a feasible solution to haze and automatic visibility observation. Keywords: Digital Photographic Technology; New Visibility Meter; CCD; Singlechip; Wireless Remote Control
DPVS 光源系统设计及其比对实验* 王京丽 1,，刘旭林 2 1. 中国气象局北京城市气象研究所，北京 100089 2. 北京市气象局大气探测技术保障中心，北京 100089 摘 要：针对国内外迄今还没有真正符合能见度定义的能见度自动观测仪问世的严峻局面，采用数字摄像技术，根据人工 观测能见度原理，研究新型的完全符合能见度定义的数字摄像能见度自动探测系统。通过开展数字能见度仪、光学能见 度仪以及人工观测能见度比对实验，分析数字能见度仪的观测性能。比对结果表明：该系统运行稳定可靠，达到预期设 计指标。本研究为国内外雾霾及能见度自动观测提出了一个可行的解决方案。 关键词：数字摄像技术；新型能见度仪；CCD；单片机；无线遥控
引言 能见度是三大基本气象观测要素之一，是一个对航空、航海、陆上交通以及军事活动等都有重要影响 的气象要素[1]。特别是近年来，随着北京向国际化大都市迈进步伐的加快，许多领域已经把雾霾及能见度的 日常观测逐渐提到日程上来 [2]，如高速公路的关闭、车辆的限速、飞机的起降等等 [3-4]。更重要的是今年我 国多个省市雾霾天气频发，持续的低能见度天气造成多起恶性交通事故发生，导致人民生命财产受到重大 损失。对雾霾及能见度的实时观测的需求更加迫切。但能见度的观测现状却与实际观测需求相差甚远，目 前国内外对能见度的探测大都还是以人工观测为主[5]，规范性和客观性较差，实时性难以满足实际需求。其 原因就是迄今国内外尚未有能够取代人工观测能见度的、符合能见度定义的能见度自动观测仪问世。传统 的光学能见度仪包括大气透射仪和前向散射能见度自动测量仪 [6-7]。前者通过光束透过两固定点之间的大气 柱直接测量气柱透射率，以此来评估能见度值，这种方法要求光束通过足够长的大气柱，而在雨、雾等低 能见度天气，又会因水汽吸收等复杂条件造成较大误差。后者则是直接测量来自一个小的采样容积的散射 光强，确定大气能见度[8-9]。此方法是建立在 3 个假设条件的基础上，而这些条件难以成立。因此，改进乃 *基金资助：受城市气象基金（UMRF200906） ，科技部行业专项（GYHY201106047），院所专项（IUMKY201211）支持资助。
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至革新能见度探测技术,尽快研制出一款能够取代人工观测的能见度自动观测仪迫在眉睫 [10]。随着计算机技 术和 CCD 数字摄像技术的飞速发展[11-13]，价格的迅速下降，极大地激发了人们对数字技术应用于气象领域 的研究热情。国内外科学家很自然想到用数字摄像机取代人眼，探测大气能见度。上世纪中后期欧美的一 些研究机构曾尝试用数字摄像技术研制能见度自动观测仪，以取代人眼观测能见度，并开展过相关科学实 验，但最终没有成熟的产品问世。上世纪末开始，在我国由中国气象局北京城市气象研究所与国内多家科 研院所及高校合作联合研制的数字摄像能见度自动观测仪（Digital photography visiometer system ，简称 DPVS），正是采用先进的数字摄像技术，完全仿照人眼观测能见度的原理，根据能见度定义研制的。克服 了传统能见度仪的弱点，是未来取代人工观测能见度的最佳仪器，目前在国内外尚属首创。
DPVS 原理及其系统构成
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1.1 DPVS 观测原理 DPVS 是一种新型的数字摄像能见度自动监测仪，其设计思想是由中国科学院院士、著名大气物理学家 周秀骥先生提出的。研制 DPVS 的目的是取代人工观测能见度，因此其主要设计原理是通过数字摄像机 (CCD-CAMERA) 模拟人眼，直接摄取选定目标物的图像，并将图像输入计算机进行分析处理,并带入能见度 定义公式进行计算，从而自动获取能见度观测值。数字能见度仪原理图见图 1,观测示意图见图 2。
图 1 数字能见度仪系统原理图
1.2 DPVS 的系统组成 DPVS 从物理结构上可分为室外单元及室内单元两大部分。室外单元主要由 CCD 探头系统和观测目标 两部分组成，用于获取视频图像。室内单元主要由主机和 DPVS 软件系统组成，用于对获取的图像信息进 行分析计算，并获取能见度观测值。数字能见度仪观测示意图如图 2 所示。以摄像机所在位置为基点，是从 近至远依次设定一系列距离不等的观测目标，根据观测到最远目标距离和清晰程度，准确计算出能见度 值。
图 2 数字能见度仪观测示意图
观测目标包括用于白天观测的特制目标黑体和建筑物、烟囱、远山等自然目标；用于夜间观测的特制目 标光源。其中目标光源系统较为复杂，主要由自行研制的目标光源、目标光源开关遥控接收电路和驱动电 - 75 www.joa-journal.org
路等组成，见图 3。
图 3 DPVS 目标光源系统原理图
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DPVS 夜间系统设计
2.1 DPVS 夜间观测系统设计 DPVS 夜间观测能见度值取决于目标光源距摄像机的距离及清晰程度。DPVS 夜间观测系统设计为双光 源观测系统，观测系统示意图如图 4 所示。
图 4 DPVS 双光源法测量能见度系统示意图
摄像机正对着两组距离不等的观测目标，每组目标包括并排放置的目标光源和目标黑体。图中两个绿 色目标分别表示两个目标光源，两个黑色目标分别表示两个目标黑体。由两个目标光源的亮度及距摄像机 的距离获得夜间大气能见度值。
2.2 夜间观测系统的光学分束技术 在夜间能见度观测中，设计采用同一激光光源进行光学分束，获取两束光源分别供给两个目标光源。 这样就获得了两个目标光源的亮度比。且由于两者同源，具有相同性质和变化趋势。双光源激光光学分束 系统示意图见图 5。
图 5 双光源光学分束系统示意图
2.3 夜间观测系统中的光束准直技术 确保了双光源比例为定值，并不等于照射到双光屏上的亮度比还是定值。因此设计光束聚焦准直系 统，保持光束与灯箱圆孔中心的准直性、使双光屏真亮度比为定值才是双光源设计的终极目标。目标光源 的准直性设计如图 6 所示。首先两个目标光源系统采用完全相同的结构设计。对于 LED 激光光束，采用光 阑遮光的方式将穿过光栅孔的定量光束经过先聚焦，再准直的方法聚焦在光屏上，使得两个光屏的光通量 完全一致。为避免存在微小误差，可采用添加光衰减片的方法，使两个光屏的的光通量完全一致。加光衰 - 76 www.joa-journal.org
减片还可以降低亮度，避免亮度饱和，同时也可增加光源在光屏上分布的均匀性。上述设计确保了两个 LED 激光光源光通亮（亮度）的一致性。目标光源的准直性设计如图 8 所示。
图 6 目标光源的准直性设计
3
数字能见度仪比对试验 为了检验 DPVS 的观测性能，项目组于 2009 年 7 月 1 日至 8 月 31 日在密云开展了数 DPVS 与前向散射能
见度仪（FD12）及人工观测的比对实验。具体方法为以 FD12 观测数据为基准，将所有观测数据从低到高 划分成小于 2km、2-5km、5-10km、10-20km、大于 20km 五个不同能见度范围分别进行比对分析，并分别 绘制了 DPVS、FD12 和人工观测能见度的比对分析图，如图 9 所示。实验结果显示三者具有相同的变化趋 势, 但存在一定差异。
图 a 表示小于 2km 能见度范围
图 b 表示 2-5km 能见度范围
图 c 表示 5-10km 能见度范围
图 9 DPVS、FD12 和人工观测比对结果
对比图显示，三种观测数据的变化趋势基本一致。DPVS 与 FD12 观测结果比较接近。为了进一步了解 DPVS 与 FD12 的观测差异，对观测数据做了具体的统计分析。首先以 DPVS、FD12 及人工观测三种观测数 据的平均值作为标准值，分别计算每个数据段 DPVS 和 FD12 与标准值之间的相对误差和相对标准差。相对 - 77 www.joa-journal.org
标准差计算公式如公式（1）所示： N
rd
[( X i 1
i
Z i ) / Z i ]2 N
100%
（1）
其中 x 为 DPVS 或 FD12 的测量值，Z 为 DPVS、FD12 及人工观测三种观测数据的平均值，N 为样本个 数。具体分析结果见表 1。 表 1 DPVS、FD12 与平均能见度值比对结果 FD12 能见度 样本个数（个） DPVS 与平均能见 度相对误差（%） DPVS 与平均能见 度相对标准差 （%） FD12 与平均能见 度相对误差（%） FD12 与平均能见 度相对标准差 （%）
V<2km 407
2km<=V<=5km 2003
5km<V<=10km 1182
平均
-0.12
0.66
-1.66
-0.37
9.15
11.56
10.26
10.32
-10.57
-5.39
-10.13
-8.70
13.46
15.40
16.65
15.17
注：1 DPVS 为数字摄像能见度自动观测系统；2 FD12 为前向散射仪；3 平均能见度为 DPVS、FD12 及人工观测三者的平均值。
图表显示在全程范围内 DPVS 和 FD12 与标准值的相对标准差都在 20%以内，均符合世界气象组织对能 见度仪研制标准的要求。但比对结果显示两者之间还是存在一定观测差异。FD12 观测值略低于 DPVS，这 主要是 FD12 的发射端和接收端的镜面污染会加剧散射效应所致。而 DPVS 采用的是双目标双亮度差计算能 见度的方法，两个目标表面的污染物会相互抵消，因此基本不会造成计算结果的降低。
结论与讨论
4
数字能见度仪作为一种新型的唯一符合能见度定义的能见度观测仪，具有很高的实用价值和广阔的应 用前景。它是采用先进的数字摄像技术，实现大气能见度的探测，其技术方法在国内外尚属首创。随着 CCD-CAMERA 技术的飞速发展，其分辨率早已达到人眼分辨率（千万像素），成本却在直线下降。这种当 今唯一符合能见度定义的能见度自动观测仪，由于其成本低、安装便捷等特点、必定会有很高的实用价值 和广阔的应用前景。同时由于它是根据人工观测方法设计，必然是取代人工观测能见度的最佳仪器。 DPVS、FD12 及人工能见度观测比对结果显示，三种观测结果的变化趋势完全一致。人工观测模式，观 测员存在视力差异，且具有较大主观性，因此会有一定观测误差，有时会出现大起大落的现象。DPVS 和 FD12 由于是自动观测模式，变化相对平缓。但由于观测原理不同，观测结果存在一定的观测差异。FD12 观 测值明显偏低，这是由 FD12 观测的固有缺陷所致。
REFERENCES [1]
FU G, LI X L, WEI N. Review on the atmospheric visibility research. Periodical of Ocean University of China, 2009, 39(5): 855862.
[2]
WANG J L, LIU X L, GAO W F, et al. Control circuit design of digital photography visiometer system. Meteorological Science and Technologe, 2006, 34 (5): 633-639.
[3]
CHENG S R, WEI Q Z, LV J. The development of a new atmosphere transmittance meter. Opto-Electronic Engineering, 2011, 38(2): 145-150.
[4]
WU D, DENG X J, YOU J P, et al. Forecast system of visibility at speedway foggy area at nanling mountains. Journal of Tropical Meteorology, 2006, 22(5): 417-422.
- 78 www.joa-journal.org
[5]
GAO T C, JIANG Z D, LIU L, et al. Application analysis of ground meteorological instruments based on optical techniques. Laser &Optoelectronics Progress, 2011, 48(040101): 1-8.
[6]
HAN Y, RAO R Z, WANG Y J. Measurement and analysis of atmospheric visibility and aerosol extinction characteristics based on scattering statistical. Infrared and Laser Engineering, 2008, 37(4): 663-666.
[7]
DAI W Y, WANG J A, JIANG B L. Analyse and realization of visibility meter of laser backward scattering. Laser & Nfrared, 2007, 37(5): 417-420.
[8]
LI H, SUN X J. Theoretical analysis on measurement error of forward scattering visibility meter. Infrared and Laser Engineering, 2009, 38 (6): 1094-1098.
[9]
XIAO S R, MAO X L. Measuring method of visibility with optical fiber. Optics and Precision Engineering, 2006, 14(5): 802-806.
[10] Jingli Wang, Wenfang Zhao, Guohong Liu. System design of DPVS, ICECC 2011, 3(1): 1692-1695. [11] JIANG J G, CAI Z X, JI M B, et al. The method of rapid moving object detection in rotating camera. Journal of Electronic Measurement and Instrument, 2012, 26(7): 624-628. [12] CHEN J T, XU D, JIANG Y P, et al. Circle calibration method for camera used in 3 D measurement based on computer vision. Electronic Measurement Technology, 2011, 34(3): 95-98. [13] LIU G X, CHEN W J, LIU CH H. A image fusion method based on directional contrast and area based standard deviation [J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2005, 26(6): 628-631.
【作者简介】 1
王京丽（1960 年出生-），女，汉族，
学士学位,教授级高工，研究方向为大气 探测技术。Email:jlwang@ium.cn
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