紅外雲天儀的製作方法

2023-04-30 21:17:26 1

專利名稱：紅外雲天儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種全天空紅外亮度溫度測量裝置，可作為氣象和大氣探測中天空雲
狀和雲量分析測量的實用裝置，特別是夜間測量的裝置。
背景技術：
早期的地面氣象觀測中雲的資料的獲得主要依靠人眼定時觀測，由於人的個體差 異，主觀性較強，工作強度也較大；近期類似功能的裝置有可見光全天空照相系統，由帶魚 眼鏡頭(180°視場)的照相機加遮擋太陽光直射的擋光球組成，它可通過對全天空雲進行 拍照來獲得雲的信息。由於它只能對照片進行灰度等級的區分，對雲狀和雲量的判斷分辨 率不夠，並且只能在白天進行測量，使雲的資料不夠詳實、完整。

發明內容
本發明的目的是提供一種作為氣象和大氣探測中天空雲狀和雲量分析測量的裝置。 本發明解決其技術問題所採取的技術方案是紅外雲天儀由紅外溫度測量單元和 二維掃描平臺及控制器、控制和數據採集處理微機組成。二維掃描平臺在控制器、控制和數 據採集處理微機的控制下驅動紅外溫度測量單元對全天空進行立體掃描，並將所測得的指 定方位、仰角的雲底紅外輻射亮溫值存儲於控制和數據採集處理微機中。在掃描結束後，將 對應不同方位、仰角的紅外輻射亮溫值進行拼圖，形成全天空紅外輻射亮溫分布圖。由於是 對雲的紅外輻射進行測量，因此無論在白天或夜晚均可進行。紅外雲天儀可替代以往的雲 觀測手段，獲得全天時的、對天空雲狀和雲量的區分更加細化的雲的資料。
紅外溫度測量單元(1)為快速響應非接觸紅外測溫溫度計，它將視場內的目標紅 外輻射亮溫值直接傳送到控制和數據採集處理微機中。 二維掃描平臺(2)由方位掃描機構(11)和俯仰掃描機構(12)組成，方位掃描機 構由方位電機組(6)和方位減速機(7)組成，方位電機組輸出軸驅動方位減速機，方位減速 機輸出軸帶動其上部的俯仰掃描機構和紅外溫度測量單元(8)做方位轉動；俯仰掃描機構 由俯仰電機組(10)和俯仰減速機(9)組成，俯仰電機組輸出軸驅動俯仰減速機，俯仰減速 機輸出軸僅帶動紅外溫度測量單元做俯仰轉動 控制器(3)由滿足步進電機使用要求的步進電機驅動器(Motor Drive)和單片 機、通訊接口晶片組成，控制器接受控制和數據採集處理微機(4)發出的指令開始運行掃 描程序，單片機將輸出的方位和俯仰驅動脈衝及方向信號(J3、 J4)輸入至各自的驅動器，
驅動二維掃描平臺帶動紅外溫度測量單元進行二維掃描；同時，向控制和數據採集處理微 機輸出到達指定方位和仰角的信號。 控制和數據採集處理微機定時向控制器發出開始掃描指令，同時根據該控制器回 送的到位信號驅使紅外溫度測量單元進行紅外輻射亮溫信號採集和存儲；在一個掃描周期 結束後，對數據進行處理並最終給出全天空紅外輻射亮溫分布圖。
工作時，控制和數據採集處理微機向控制器發出開始掃描指令，該控制器控制二
維掃描平臺帶動紅外溫度測量單元做O。 90°範圍內、間隔小於該紅外溫度測量單元視
場的等仰角抬升，在不同仰角上做不同掃描速度的方位O。 360°或360° 0°水平掃
描；在掃描過程中控制器還不斷向控制和數據採集處理微機輸出到達指定位置的到位信
號，該控制和數據採集處理微機在收到到位信號後驅使紅外溫度測量單元進行紅外輻射亮
溫信號採集和存儲；在一個掃描周期結束後，控制和數據採集處理微機對信號數據進行處
理並最終給出本系統所處位置上空180°視場的全天空紅外輻射亮溫分布圖。 由於採用了上述的技術方案，本發明具有的有益效果是紅外雲天儀無論在白天
或夜晚都可在4. 5分鐘的時間內得到一幅本系統所處位置上空180°視場的全天空紅外輻
射亮溫分布圖，通過相應的反演模式就可得到雲狀和雲量及分布的分析測量結果。


下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。 圖1是本發明的紅外雲天儀示意圖； 圖2是本發明的二維掃描平臺的結構圖(正視)； 圖3是本發明的二維掃描平臺的結構圖(俯視)； 圖4是本發明的控制器的原理圖； 圖5是本發明的掃描計算示意圖； 圖6是本發明的掃描、信號採集程序流程圖。
具體實施例方式
參見附圖，對本發明進行詳細描述。 參見附圖1，紅外雲天儀由紅外溫度測量單元和二維掃描平臺及控制器、控制和數 據採集處理微機組成。 紅外溫度測量單元為快速響應非接觸紅外測溫溫度計，它將視場內的目標紅外輻 射亮溫值直接傳送到控制和數據採集處理微機中。其技術指標為
測溫範圍-100°C 500°C
響應波長範圍8 14um
響應時間25ms 距離比25 : l，相當於視場角為2. 3°
使用環境溫度-20°C 60°C
數據接口 RS232C 由控制和數據採集處理微機向控制器發出開始掃描指令，控制器控制二維掃描平 臺帶動紅外溫度測量單元做O。 90°範圍內、間隔為2.25。的等仰角抬升，在不同仰角 上做不同掃描速度的方位O。 360°或360° 0°水平掃描；在掃描過程中控制器還不 斷向控制和數據採集處理微機輸出到達指定位置的到位信號，控制和數據採集處理微機在 收到到位信號後驅使紅外溫度測量單元進行紅外輻射亮溫信號採集和存儲；在一個掃描周 期結束後，控制和數據採集處理微機對信號數據進行處理並最終給出本系統所處位置上空 180°視場的全天空紅外輻射亮溫分布圖。
參見附圖2、附圖3，二維掃描平臺由方位掃描機構(11)和俯仰掃描機構(12)組 成。方位掃描機構由方位電機組(6)和方位減速機(7)組成，方位電機組輸出軸驅動方位 減速機，方位減速機輸出軸帶動其上部的俯仰掃描機構和紅外溫度測量單元(8)做方位轉 動；俯仰掃描機構由俯仰電機組(10)和俯仰減速機(9)組成，俯仰電機組輸出軸驅動俯仰 減速機，俯仰減速機輸出軸僅帶動紅外溫度測量單元做俯仰轉動
其技術指標為
方位力矩1.018Nm
方位轉速《52° /Sec
方位角誤差《0. 12°
俯仰力矩2.112Nm
俯仰轉速《18° /Sec
俯仰角誤差《0. 12° 參見附圖4，控制器由滿足步進電機使用要求的步進電機驅動器(Motor Drive) 和單片機、通訊接口晶片組成。單片機(Ul)通過通訊接口晶片(U2)接收來自控制和數據 採集處理微機的開始掃描指令，單片機分別將方位和俯仰驅動脈衝及方向信號(J3、 J4)輸 入至各自的驅動器(Motor Drivel (2))驅動二維掃描平臺帶動紅外溫度測量單元對全天空 進行掃描，在掃描過程中控制器還不斷向控制和數據採集處理微機輸出到達指定位置的到 位信號。 紅外溫度測量單元的距離比為25 : 1，相當於視場角為2.3° 。要做到無縫隙全 天空覆蓋掃描，仰角0。 90°需抬升40次，每次2.25。，每抬升一個仰角後，方位進行 0° 360°或360° 0°的掃描。 參見附圖5，方位掃描的速度是根據紅外溫度測量單元的響應時間、距離比以及仰 角來確定的，距離比決定了不同仰角時的採樣測量次數。隨著仰角的抬升，方位掃描所需 覆蓋的空間面積會越來越小，因此，採樣測量的次數也越來越少，方位掃描的速度也逐步加 快。 不同仰角A時測量次數M的計算
R = r*cosA
B = Atan(L/2R)
M = 360/ (2*B) 其中，r/L為紅外溫度測量單元的距離比。 參見附圖6，掃描和位置到位上傳、數據採集存儲及處理過程。控制器收到開始掃 描指令後，控制器控制二維掃描平臺帶動紅外溫度測量單元做0。 90°範圍內、間隔為 2.25°的等仰角抬升，在不同仰角上做不同掃報速度的方位0。 360°或360° 0°水 平掃描；在掃描過程中控制器還不斷向控制和數據採集處理微機輸出到達指定位置的到位 信號，控制和數據採集處理微機在收到到位信號後驅使紅外溫度測量單元進行紅外輻射亮 溫信號採集和存儲；在一個掃描周期結束後，控制和數據採集處理微機對信號數據進行處 理並最終給出本系統所處位置上空180。視場的全天空紅外輻射亮溫分布圖。掃描結束後， 返回等待開始掃描指令狀態。
其技術指標為
方位掃描範圍0° 360°或360° 0° 方位掃描速度隨著仰角A的抬升由36° /Sec 120° /Sec 仰角掃描範圍0 90° 仰角抬升間隔2. 25° 本發明所述的紅外雲天儀由控制和數據採集處理微機向控制器發出開始掃描指 令，控制器控制二維掃描平臺帶動紅外溫度測量單元做O。 90°範圍內、間隔為2.25。 的等仰角抬升，在不同仰角上做不同掃描速度的方位O。 360°或360° 0°水平掃描； 在掃描過程中控制器還不斷向控制和數據採集處理微機輸出到達指定位置的到位信號，控 制和數據採集處理微機在收到到位信號後驅使紅外溫度測量單元進行紅外輻射亮溫信號 採集和存儲；在一個掃描周期結束後，控制和數據採集處理微機對信號數據進行處理並最 終給出本系統所處位置上空180°視場的全天空紅外輻射亮溫分布圖。
權利要求
一種紅外雲天儀系統，其特徵在於由紅外溫度測量單元和二維掃描平臺及控制器、控制和數據採集處理微機組成。上述紅外溫度測量單元為快速響應非接觸紅外測溫溫度計，它將視場內的目標紅外輻射亮溫值直接傳送到上述控制和數據採集處理微機中，該控制和數據採集處理微機向上述控制器發出開始掃描指令，上述控制器控制上述二維掃描平臺帶動上述紅外溫度測量單元做0°～90°範圍內、間隔小於該紅外溫度測量單元視場的等仰角抬升，在不同仰角上做不同掃描速度的方位0°～360°或360°～0°水平掃描，在掃描過程中上述控制器還不斷向該控制和數據採集處理微機輸出到達指定位置的到位信號，上述控制和數據採集處理微機在收到到位信號後驅使該紅外溫度測量單元進行紅外輻射亮溫信號採集和存儲，在一個掃描周期結束後，上述控制和數據採集處理微機對信號數據進行處理並最終給出本系統所處位置上空180°視場的全天空紅外輻射亮溫分布圖。
2. 根據權利要求l所述的紅外雲天儀系統，其特徵在於上述二維掃描平臺(2)由方 位掃描機構(11)和俯仰掃描機構(12)組成，該方位掃描機構由方位電機組(6)和方位減 速機(7)組成，該方位電機組輸出軸驅動該方位減速機，該方位減速機輸出軸帶動其上部 的俯仰掃描機構和紅外溫度測量單元(8)做方位轉動；上述俯仰掃描機構由俯仰電機組 (10)和俯仰減速機(9)組成，該俯仰電機組輸出軸驅動該俯仰減速機，該俯仰減速機輸出 軸僅帶動紅外溫度測量單元做俯仰轉動。
3. 根據權利要求1所述的紅外雲天儀系統，其特徵在於方位掃描的速度是根據紅外 溫度測量單元的響應時間、距離比以及仰角來確定的，距離比決定了不同仰角時的採樣測 量次數，隨著仰角的抬升，方位掃描所需覆蓋的空間面積會越來越小，因此，採樣測量的次 數也越來越少，方位掃描的速度也逐步加快。
全文摘要
紅外雲天儀由紅外溫度測量單元和二維掃描平臺及控制器、控制和數據採集處理微機組成。紅外溫度測量單元為快速響應非接觸紅外測溫溫度計；二維掃描平臺由方位掃描機構和俯仰掃描機構組成；控制器由滿足步進電機使用要求的步進電機驅動器(Motor Drive)和單片機、通訊接口晶片組成。二維掃描平臺在控制器、控制和數據採集處理微機的控制下驅動快速響應紅外溫度測量單元對全天空進行立體掃描，並將所測得的指定方位、仰角的雲底紅外輻射亮溫值存儲於控制和數據採集處理微機中。在掃描結束後，將對應不同方位、仰角的紅外輻射亮溫值進行拼圖，形成全天空紅外輻射亮溫分布圖。由於是對雲的紅外輻射進行測量，因此無論在白天或夜晚均可進行。紅外雲天儀可替代以往的雲觀測手段，獲得全天時的、對天空雲狀和雲量的區分更加細化的雲的資料。
文檔編號G01W1/02GK101702036SQ200910222988
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月16日 優先權日2009年11月16日
發明者呂達仁, 宣越健, 章文星 申請人:中國科學院大氣物理研究所