红外云天仪转让专利
申请号 : CN200910222988.5
文献号 : CN101702036B
文献日 : 2010-12-08
发明人 : 宣越健 , 章文星 , 吕达仁
申请人 : 中国科学院大气物理研究所
摘要 :
红外云天仪由红外温度测量单元和二维扫描平台及控制器、控制和数据采集处理微机组成。红外温度测量单元为快速响应非接触红外测温温度计；二维扫描平台由方位扫描机构和俯仰扫描机构组成；控制器由满足步进电机使用要求的步进电机驱动器(Motor Drive)和单片机、通讯接口芯片组成。二维扫描平台在控制器、控制和数据采集处理微机的控制下驱动快速响应红外温度测量单元对全天空进行立体扫描，并将所测得的指定方位、仰角的云底红外辐射亮温值存储于控制和数据采集处理微机中。在扫描结束后，将对应不同方位、仰角的红外辐射亮温值进行拼图，形成全天空红外辐射亮温分布图。由于是对云的红外辐射进行测量，因此无论在白天或夜晚均可进行。红外云天仪可替代以往的云观测手段，获得全天时的、对天空云状和云量的区分更加细化的云的资料。
权利要求 :
1.一种红外云天仪系统，其特征在于：由红外温度测量单元和二维扫描平台及控制器、控制和数据采集处理微机组成；
上述红外温度测量单元为快速响应非接触红外测温温度计，它将视场内的目标红外辐射亮温值直接传送到上述控制和数据采集处理微机中，该控制和数据采集处理微机向上述控制器发出开始扫描指令，上述控制器控制上述二维扫描平台带动上述红外温度测量单元做0°～90°范围内、间隔小于该红外温度测量单元视场的等仰角抬升，在不同仰角上做不同扫描速度的方位0°～360°或360°～0°水平扫描，在扫描过程中上述控制器还不断向该控制和数据采集处理微机输出到达指定位置的到位信号，上述控制和数据采集处理微机在收到到位信号后驱使该红外温度测量单元进行红外辐射亮温信号采集和存储，在一个扫描周期结束后，上述控制和数据采集处理微机对信号数据进行处理并最终给出本系统所处位置上空180°视场的全天空红外辐射亮温分布图；上述二维扫描平台(2)由方位扫描机构(11)和俯仰扫描机构(12)组成，该方位扫描机构由方位电机组(6)和方位减速机(7)组成，该方位电机组输出轴驱动该方位减速机，该方位减速机输出轴带动其上部的俯仰扫描机构和红外温度测量单元(8)做方位转动；上述俯仰扫描机构由俯仰电机组(10)和俯仰减速机(9)组成，该俯仰电机组输出轴驱动该俯仰减速机，该俯仰减速机输出轴仅带动红外温度测量单元做俯仰转动；方位扫描的速度是根据红外温度测量单元的响应时间、距离比以及仰角来确定的，距离比决定了不同仰角时的采样测量次数，随着仰角的抬升，方位扫描所需覆盖的空间面积会越来越小，因此，采样测量的次数也越来越少，方位扫描的速度也逐步加快。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种全天空红外亮度温度测量装置，可作为气象和大气探测中天空云状和云量分析测量的实用装置，特别是夜间测量的装置。
背景技术
早期的地面气象观测中云的资料的获得主要依靠人眼定时观测，由于人的个体差异，主观性较强，工作强度也较大；近期类似功能的装置有可见光全天空照相系统，由带鱼眼镜头(180°视场)的照相机加遮挡太阳光直射的挡光球组成，它可通过对全天空云进行拍照来获得云的信息。由于它只能对照片进行灰度等级的区分，对云状和云量的判断分辨率不够，并且只能在白天进行测量，使云的资料不够详实、完整。
发明内容
本发明的目的是提供一种作为气象和大气探测中天空云状和云量分析测量的装置。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：红外云天仪由红外温度测量单元和二维扫描平台及控制器、控制和数据采集处理微机组成。二维扫描平台在控制器、控制和数据采集处理微机的控制下驱动红外温度测量单元对全天空进行立体扫描，并将所测得的指定方位、仰角的云底红外辐射亮温值存储于控制和数据采集处理微机中。在扫描结束后，将对应不同方位、仰角的红外辐射亮温值进行拼图，形成全天空红外辐射亮温分布图。由于是对云的红外辐射进行测量，因此无论在白天或夜晚均可进行。红外云天仪可替代以往的云观测手段，获得全天时的、对天空云状和云量的区分更加细化的云的资料。
红外温度测量单元(1)为快速响应非接触红外测温温度计，它将视场内的目标红外辐射亮温值直接传送到控制和数据采集处理微机中。
二维扫描平台(2)由方位扫描机构(11)和俯仰扫描机构(12)组成，方位扫描机构由方位电机组(6)和方位减速机(7)组成，方位电机组输出轴驱动方位减速机，方位减速机输出轴带动其上部的俯仰扫描机构和红外温度测量单元(8)做方位转动；俯仰扫描机构由俯仰电机组(10)和俯仰减速机(9)组成，俯仰电机组输出轴驱动俯仰减速机，俯仰减速机输出轴仅带动红外温度测量单元做俯仰转动
控制器(3)由满足步进电机使用要求的步进电机驱动器(Motor Drive)和单片机、通讯接口芯片组成，控制器接受控制和数据采集处理微机(4)发出的指令开始运行扫描程序，单片机将输出的方位和俯仰驱动脉冲及方向信号(J3、J4)输入至各自的驱动器，驱动二维扫描平台带动红外温度测量单元进行二维扫描；同时，向控制和数据采集处理微机输出到达指定方位和仰角的信号。
控制和数据采集处理微机定时向控制器发出开始扫描指令，同时根据该控制器回送的到位信号驱使红外温度测量单元进行红外辐射亮温信号采集和存储；在一个扫描周期结束后，对数据进行处理并最终给出全天空红外辐射亮温分布图。
工作时，控制和数据采集处理微机向控制器发出开始扫描指令，该控制器控制二维扫描平台带动红外温度测量单元做0°～90°范围内、间隔小于该红外温度测量单元视场的等仰角抬升，在不同仰角上做不同扫描速度的方位0°～360°或360°～0°水平扫描；在扫描过程中控制器还不断向控制和数据采集处理微机输出到达指定位置的到位信号，该控制和数据采集处理微机在收到到位信号后驱使红外温度测量单元进行红外辐射亮温信号采集和存储；在一个扫描周期结束后，控制和数据采集处理微机对信号数据进行处理并最终给出本系统所处位置上空180°视场的全天空红外辐射亮温分布图。
由于采用了上述的技术方案，本发明具有的有益效果是：红外云天仪无论在白天或夜晚都可在4.5分钟的时间内得到一幅本系统所处位置上空180°视场的全天空红外辐射亮温分布图，通过相应的反演模式就可得到云状和云量及分布的分析测量结果。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：红外云天仪由红外温度测量单元和二维扫描平台及控制器、控制和数据采集处理微机组成。二维扫描平台在控制器、控制和数据采集处理微机的控制下驱动红外温度测量单元对全天空进行立体扫描，并将所测得的指定方位、仰角的云底红外辐射亮温值存储于控制和数据采集处理微机中。在扫描结束后，将对应不同方位、仰角的红外辐射亮温值进行拼图，形成全天空红外辐射亮温分布图。由于是对云的红外辐射进行测量，因此无论在白天或夜晚均可进行。红外云天仪可替代以往的云观测手段，获得全天时的、对天空云状和云量的区分更加细化的云的资料。
红外温度测量单元(1)为快速响应非接触红外测温温度计，它将视场内的目标红外辐射亮温值直接传送到控制和数据采集处理微机中。
二维扫描平台(2)由方位扫描机构(11)和俯仰扫描机构(12)组成，方位扫描机构由方位电机组(6)和方位减速机(7)组成，方位电机组输出轴驱动方位减速机，方位减速机输出轴带动其上部的俯仰扫描机构和红外温度测量单元(8)做方位转动；俯仰扫描机构由俯仰电机组(10)和俯仰减速机(9)组成，俯仰电机组输出轴驱动俯仰减速机，俯仰减速机输出轴仅带动红外温度测量单元做俯仰转动
控制器(3)由满足步进电机使用要求的步进电机驱动器(Motor Drive)和单片机、通讯接口芯片组成，控制器接受控制和数据采集处理微机(4)发出的指令开始运行扫描程序，单片机将输出的方位和俯仰驱动脉冲及方向信号(J3、J4)输入至各自的驱动器，驱动二维扫描平台带动红外温度测量单元进行二维扫描；同时，向控制和数据采集处理微机输出到达指定方位和仰角的信号。
控制和数据采集处理微机定时向控制器发出开始扫描指令，同时根据该控制器回送的到位信号驱使红外温度测量单元进行红外辐射亮温信号采集和存储；在一个扫描周期结束后，对数据进行处理并最终给出全天空红外辐射亮温分布图。
工作时，控制和数据采集处理微机向控制器发出开始扫描指令，该控制器控制二维扫描平台带动红外温度测量单元做0°～90°范围内、间隔小于该红外温度测量单元视场的等仰角抬升，在不同仰角上做不同扫描速度的方位0°～360°或360°～0°水平扫描；在扫描过程中控制器还不断向控制和数据采集处理微机输出到达指定位置的到位信号，该控制和数据采集处理微机在收到到位信号后驱使红外温度测量单元进行红外辐射亮温信号采集和存储；在一个扫描周期结束后，控制和数据采集处理微机对信号数据进行处理并最终给出本系统所处位置上空180°视场的全天空红外辐射亮温分布图。
由于采用了上述的技术方案，本发明具有的有益效果是：红外云天仪无论在白天或夜晚都可在4.5分钟的时间内得到一幅本系统所处位置上空180°视场的全天空红外辐射亮温分布图，通过相应的反演模式就可得到云状和云量及分布的分析测量结果。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的红外云天仪示意图；
图2是本发明的二维扫描平台的结构图(正视)；
图3是本发明的二维扫描平台的结构图(俯视)；
图4是本发明的控制器的原理图；
图5是本发明的扫描计算示意图；
图6是本发明的扫描、信号采集程序流程图。
图1是本发明的红外云天仪示意图；
图2是本发明的二维扫描平台的结构图(正视)；
图3是本发明的二维扫描平台的结构图(俯视)；
图4是本发明的控制器的原理图；
图5是本发明的扫描计算示意图；
图6是本发明的扫描、信号采集程序流程图。
具体实施方式
参见附图，对本发明进行详细描述。
参见附图1，红外云天仪由红外温度测量单元和二维扫描平台及控制器、控制和数据采集处理微机组成。
红外温度测量单元为快速响应非接触红外测温温度计，它将视场内的目标红外辐射亮温值直接传送到控制和数据采集处理微机中。其技术指标为：
测温范围：-100℃～500℃
响应波长范围：8～14um
响应时间：25ms
距离比：25∶1，相当于视场角为2.3°
使用环境温度：-20℃～60℃
数据接口：RS232C
由控制和数据采集处理微机向控制器发出开始扫描指令，控制器控制二维扫描平台带动红外温度测量单元做0°～90°范围内、间隔为2.25°的等仰角抬升，在不同仰角上做不同扫描速度的方位0°～360°或360°～0°水平扫描；在扫描过程中控制器还不断向控制和数据采集处理微机输出到达指定位置的到位信号，控制和数据采集处理微机在收到到位信号后驱使红外温度测量单元进行红外辐射亮温信号采集和存储；在一个扫描周期结束后，控制和数据采集处理微机对信号数据进行处理并最终给出本系统所处位置上空180°视场的全天空红外辐射亮温分布图。
参见附图2、附图3，二维扫描平台由方位扫描机构(11)和俯仰扫描机构(12)组成。方位扫描机构由方位电机组(6)和方位减速机(7)组成，方位电机组输出轴驱动方位减速机，方位减速机输出轴带动其上部的俯仰扫描机构和红外温度测量单元(8)做方位转动；俯仰扫描机构由俯仰电机组(10)和俯仰减速机(9)组成，俯仰电机组输出轴驱动俯仰减速机，俯仰减速机输出轴仅带动红外温度测量单元做俯仰转动
其技术指标为：
方位力矩：1.018Nm
方位转速：≤52°/Sec
方位角误差：≤0.12°
俯仰力矩：2.112Nm
俯仰转速：≤18°/Sec
俯仰角误差：≤0.12°
参见附图4，控制器由满足步进电机使用要求的步进电机驱动器(Motor Drive)和单片机、通讯接口芯片组成。单片机(U1)通过通讯接口芯片(U2)接收来自控制和数据采集处理微机的开始扫描指令，单片机分别将方位和俯仰驱动脉冲及方向信号(J3、J4)输入至各自的驱动器(Motor Drive1(2))驱动二维扫描平台带动红外温度测量单元对全天空进行扫描，在扫描过程中控制器还不断向控制和数据采集处理微机输出到达指定位置的到位信号。
红外温度测量单元的距离比为25∶1，相当于视场角为2.3°。要做到无缝隙全天空覆盖扫描，仰角0°～90°需抬升40次，每次2.25°，每抬升一个仰角后，方位进行0°～360°或360°～0°的扫描。
参见附图5，方位扫描的速度是根据红外温度测量单元的响应时间、距离比以及仰角来确定的，距离比决定了不同仰角时的采样测量次数。随着仰角的抬升，方位扫描所需覆盖的空间面积会越来越小，因此，采样测量的次数也越来越少，方位扫描的速度也逐步加快。
不同仰角A时测量次数M的计算：
R＝r*cosA
B＝Atan(L/2R)
M＝360/(2*B)
其中，r/L为红外温度测量单元的距离比。
参见附图6，扫描和位置到位上传、数据采集存储及处理过程。控制器收到开始扫描指令后，控制器控制二维扫描平台带动红外温度测量单元做0°～90°范围内、间隔为2.25°的等仰角抬升，在不同仰角上做不同扫描速度的方位0°～360°或360°～0°水平扫描；在扫描过程中控制器还不断向控制和数据采集处理微机输出到达指定位置的到位信号，控制和数据采集处理微机在收到到位信号后驱使红外温度测量单元进行红外辐射亮温信号采集和存储；在一个扫描周期结束后，控制和数据采集处理微机对信号数据进行处理并最终给出本系统所处位置上空180°视场的全天空红外辐射亮温分布图。扫描结束后，返回等待开始扫描指令状态。
其技术指标为：
方位扫描范围：0°～360°或360°～0°
方位扫描速度：随着仰角A的抬升由36°/Sec～120°/Sec
仰角扫描范围：0～90°
仰角抬升间隔：2.25°
本发明所述的红外云天仪由控制和数据采集处理微机向控制器发出开始扫描指令，控制器控制二维扫描平台带动红外温度测量单元做0°～90°范围内、间隔为2.25°的等仰角抬升，在不同仰角上做不同扫描速度的方位0°～360°或360°～0°水平扫描；在扫描过程中控制器还不断向控制和数据采集处理微机输出到达指定位置的到位信号，控制和数据采集处理微机在收到到位信号后驱使红外温度测量单元进行红外辐射亮温信号采集和存储；在一个扫描周期结束后，控制和数据采集处理微机对信号数据进行处理并最终给出本系统所处位置上空180°视场的全天空红外辐射亮温分布图。
参见附图1，红外云天仪由红外温度测量单元和二维扫描平台及控制器、控制和数据采集处理微机组成。
红外温度测量单元为快速响应非接触红外测温温度计，它将视场内的目标红外辐射亮温值直接传送到控制和数据采集处理微机中。其技术指标为：
测温范围：-100℃～500℃
响应波长范围：8～14um
响应时间：25ms
距离比：25∶1，相当于视场角为2.3°
使用环境温度：-20℃～60℃
数据接口：RS232C
由控制和数据采集处理微机向控制器发出开始扫描指令，控制器控制二维扫描平台带动红外温度测量单元做0°～90°范围内、间隔为2.25°的等仰角抬升，在不同仰角上做不同扫描速度的方位0°～360°或360°～0°水平扫描；在扫描过程中控制器还不断向控制和数据采集处理微机输出到达指定位置的到位信号，控制和数据采集处理微机在收到到位信号后驱使红外温度测量单元进行红外辐射亮温信号采集和存储；在一个扫描周期结束后，控制和数据采集处理微机对信号数据进行处理并最终给出本系统所处位置上空180°视场的全天空红外辐射亮温分布图。
参见附图2、附图3，二维扫描平台由方位扫描机构(11)和俯仰扫描机构(12)组成。方位扫描机构由方位电机组(6)和方位减速机(7)组成，方位电机组输出轴驱动方位减速机，方位减速机输出轴带动其上部的俯仰扫描机构和红外温度测量单元(8)做方位转动；俯仰扫描机构由俯仰电机组(10)和俯仰减速机(9)组成，俯仰电机组输出轴驱动俯仰减速机，俯仰减速机输出轴仅带动红外温度测量单元做俯仰转动
其技术指标为：
方位力矩：1.018Nm
方位转速：≤52°/Sec
方位角误差：≤0.12°
俯仰力矩：2.112Nm
俯仰转速：≤18°/Sec
俯仰角误差：≤0.12°
参见附图4，控制器由满足步进电机使用要求的步进电机驱动器(Motor Drive)和单片机、通讯接口芯片组成。单片机(U1)通过通讯接口芯片(U2)接收来自控制和数据采集处理微机的开始扫描指令，单片机分别将方位和俯仰驱动脉冲及方向信号(J3、J4)输入至各自的驱动器(Motor Drive1(2))驱动二维扫描平台带动红外温度测量单元对全天空进行扫描，在扫描过程中控制器还不断向控制和数据采集处理微机输出到达指定位置的到位信号。
红外温度测量单元的距离比为25∶1，相当于视场角为2.3°。要做到无缝隙全天空覆盖扫描，仰角0°～90°需抬升40次，每次2.25°，每抬升一个仰角后，方位进行0°～360°或360°～0°的扫描。
参见附图5，方位扫描的速度是根据红外温度测量单元的响应时间、距离比以及仰角来确定的，距离比决定了不同仰角时的采样测量次数。随着仰角的抬升，方位扫描所需覆盖的空间面积会越来越小，因此，采样测量的次数也越来越少，方位扫描的速度也逐步加快。
不同仰角A时测量次数M的计算：
R＝r*cosA
B＝Atan(L/2R)
M＝360/(2*B)
其中，r/L为红外温度测量单元的距离比。
参见附图6，扫描和位置到位上传、数据采集存储及处理过程。控制器收到开始扫描指令后，控制器控制二维扫描平台带动红外温度测量单元做0°～90°范围内、间隔为2.25°的等仰角抬升，在不同仰角上做不同扫描速度的方位0°～360°或360°～0°水平扫描；在扫描过程中控制器还不断向控制和数据采集处理微机输出到达指定位置的到位信号，控制和数据采集处理微机在收到到位信号后驱使红外温度测量单元进行红外辐射亮温信号采集和存储；在一个扫描周期结束后，控制和数据采集处理微机对信号数据进行处理并最终给出本系统所处位置上空180°视场的全天空红外辐射亮温分布图。扫描结束后，返回等待开始扫描指令状态。
其技术指标为：
方位扫描范围：0°～360°或360°～0°
方位扫描速度：随着仰角A的抬升由36°/Sec～120°/Sec
仰角扫描范围：0～90°
仰角抬升间隔：2.25°
本发明所述的红外云天仪由控制和数据采集处理微机向控制器发出开始扫描指令，控制器控制二维扫描平台带动红外温度测量单元做0°～90°范围内、间隔为2.25°的等仰角抬升，在不同仰角上做不同扫描速度的方位0°～360°或360°～0°水平扫描；在扫描过程中控制器还不断向控制和数据采集处理微机输出到达指定位置的到位信号，控制和数据采集处理微机在收到到位信号后驱使红外温度测量单元进行红外辐射亮温信号采集和存储；在一个扫描周期结束后，控制和数据采集处理微机对信号数据进行处理并最终给出本系统所处位置上空180°视场的全天空红外辐射亮温分布图。