基于三亮度比差法使用照相机测量大气能见度(编辑修改稿)

基于三亮度比差法使用照相机测量大气能见度(编辑修改稿)内容摘要：

次拍摄中两处拍摄点温度相同，从而 Bdc1=Bdc2，而拍摄得到目标物视图 32 感光度与相机通光量的线性关系 9 见亮度 Bc1与 Bc2使用的相机参数不同，需要将 Bc Bc2换算成在同一相机参数下的灰度值，但这同时也改变了暗电流 Bdc Bdc2，就不符合三亮度比差法的要求： Bdc1= Bdc2。 为符合三亮度比差法的要求，使得 Bdc1= Bdc2，在三个拍摄点拍摄物体的相机参数必须相同。 32 基于三亮度比差法公式的误差分析 三亮度比差法公式： 23123221klklklkleeeeBBBB 假设测量得到 B1的拍摄点与目标物距离为 R，拍摄测量得到 B2的拍摄点与目标距离为 2R，拍摄测量得到 B3 的拍摄点与目标距离为 3R，则由三亮度比差法公式可转化为： kReBB BB 3221 （ 21） 若设上述参数为能见度 测量所需真值， V’为周围环境有所影响的情况下测得的能见度值。 在此，影响包括在不同拍摄地点拍摄时相机暗电流、目标物反射光、漫射光与背景光幅值的不同，但不考虑目标视线方向天光亮度的差异（在章节51 讨论）、雾天拍摄、逆光测量（雾天拍摄 、 逆光测量的情况在章节 34 中讨论 ） 以及空气中散射体不均匀的影响（在章节 334 讨论）。 对于存在测量误差的能见度值， 设 B1’， B2’， B3’为 周围环境有所影响的情况下分别在拍摄距离 R、2R、 3R 下测得的目标视见亮度， 能见度相对误差为 I， 可得：        139。 39。 39。 39。 39。 32213221   BBInBBIn BBInBBInV VVI （ 22） 即：  32211322139。 39。 39。 39。 BBBBBBBB I （ 23） 若 B2’=B2， B3’=B3，设 p 为测量 B1时允许的误差，且   )/(39。 3211 BBBBp 。 另设 s=V/R，在能见度相对误差在 I 的情况下， p 与 s 的关系有： 10 )1(Iss eep  （ 24） 若 B1’=B1， B3’=B3，设 q 为测量 B2时允许的误差，且   )/(39。 3122 BBBBq  ，在能见度相对误差在 I 的情况下， q 与 s 的关系有：   111119 1 1  Iss eeq (25) 若 B1’=B1， B2’=B2，设 r 为测量 B2时允许的误差，   )/(39。 2133 BBBBr  ，在能见度相对误差在 I 的情况下， r 与 s 的关系有： sIs eer9 1 )1(9 1  (26) 对于能见度相对误差 I，举 DLVT100(M)型透射式能见度仪 为例，其能见度相对误差如表 31 所示： 能见度 测量误差 101000m I177。 2% 10002020m I177。 5% 20205000m I177。 10% 500010000m I177。 15% 表 31 DLVT100(M)型透射式能见度仪 的相对误差 其他类型的能见度测量仪器，诸如 Vaisala 公司的前向散射仪 FD12 测量误差为 2%4%，机载激光雷达的测量误差为 10%20%，相比而言，三亮度比差法的能见度相对误差可以取在 177。 15%内为宜。 根据式（ 24）（ 25）（ 26），图 3图 32显示了 | p |,| q |,| r |分别在 I=177。 10%和 I=177。 5%的情况下与 s 的关系，并可以得出以下结论： 11 图 33 s与 p,q,r的函数关系（ I177。 10%） 图 34 s与 p,q,r的函数关系（ I=177。 5%） 1. 目标物视见亮度允许误差的绝对值 | p |,| q |,| r |与能见度相对误差的绝对值 | I |变化趋势相同，从而在对能见度要求更严格的情况下目标物视见亮度的允许误差更小。 2. 相同能见度相对误差范围内，目标物视见亮度的允许误差随能见度与一倍拍摄距离的比值的变化趋势相反。 所以，在高能见度的情况下，对于测量环境的要求也就更严格。 3. 若在某时拍摄目标物，能见度 V不变，为缩小 s 值，可以增加可变量 R。 所以，在观测场地以及环境允许的情况下，可以尽量延长拍摄距离以扩大能见度测量的允许误差。 4. 若目标物视见亮度的允许误差 | p |,| q |,| r |一定， B1 B1’、 B2 B2’、 B3 B3’与在不同拍摄距离下拍摄得到的目标物视见亮度差有关，且变化趋势相同。 为扩大 B1 B1’、 B2 B2’、 B3 B3’的允许值，应尽量增大 B1 – B2 ， B2 – B3， B1 – B3的值。 依据式（ 18）、（ 19）、（ 20），若改变相机参数提高相机通光量， B1 – B2，B2 – B3， B1 – B3也相应增大。 所以，在 CCD 线性范围内，可以尽量增加相机通光量，以扩大能见度测量的允许误差。 5. 根据图 31，图 32，无论 s 取何值， p 值始终大于 r 与 q，且随着 s 值的减小该趋势越来越明显。 所以，在较低能见度的情况下，一倍拍摄距离下能见度测量的允许误差比在两倍、三倍处大，从而相对于在两倍、三倍拍摄距离下拍摄，对拍摄环境的要求也就比较宽松。 12 33 周围环境 331 目标物反射光、漫射光和背景光 三亮度比差法的计 算是基于各拍摄点漫射光、目标物反射光和背景光强度相同的假设。 故各拍摄点周围的环境、地形应尽量相似，以保证漫射光强度相同；在不同拍摄点的拍摄时间间隔应尽量短，从而日光强度变化不明显，以保证三种光强在不同拍摄点变化幅度不大。 若在日光底下或天光过强的环境下拍摄，过强的漫射光及漫射光的复杂性质会导致相机 CCD 饱和而亮度亏损 [14]，使测得值偏离真值，故应在相机镜口添加遮光罩；同时，为避免目标物反射光的复杂性质，目标物的物理性质应尽量接近黑体。 332 目标视线方向的天光亮度差异对视线仰角的要求 三亮度 比差法 的计算是基于在不同拍摄点测量时目标视线方向的天光亮度 B0相同的假设，而在实际拍摄中由于地平线附近天空亮度大小在不同方位角、高度角存在相对梯度 [9]，B0 不可能完全相同。 故 尽量在同一直线上拍摄目标物， 这样 能避免因方位角而不同而导致的 B0 不同， 而对于 视线仰角的影响， 只能 尽量减少在不同观测点拍摄视线仰角的差值。 设视线仰角差为 a，当 a 小于 c（某定值）时，能见度相对误差在可以接受的范围，拍摄点与目标物的相对高度差为 L，拍摄点与目标物的距离分别为 R，2R， 3R。 a 的位置如图 35 所示。 图 35 目标物与 拍 摄 点的视线仰角差示意图 由图 35 可知，视线仰角差 a1与 L、 R 的关系为： 12a r c t a na r c t a n aRLRL  （ 27） 13 由于 tan a1tan c，有： c cRL t a n2 t a n81。