CN202002978U - 全视野闪电通道图像自动拍摄设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种全视野闪电通道图像自动拍摄设备，该设备可以包括拍摄装置、箱体、温控装置、遮光装置、控制模块、电源模块、传感器、数据采集装置、GPS天线、GPS授时模块和处理单元。拍摄装置拍摄全视野数字图像并直接传输给处理单元。处理单元通过数据采集装置连续采集电晕电流并判断观测范围内是否有雷暴天气，如果有，则打开遮光装置进入闪电通道图像拍摄模式，观测结束后关闭遮光装置以实现非雷暴天气时拍摄装置的防护。该设备还同时记录闪电事件的GPS时间及其产生的电晕电流变化的波形信息，并能实现非雷暴天气时拍摄装置的自动遮光及其工作环境温度的自动控制，能够长期稳定可靠地工作于野外环境。

Description

全视野闪电通道图像自动拍摄设备

技术领域

本实用新型涉及闪电观测，更特别地涉及全视野范围内闪电通道图像的自动拍摄设备。

背景技术

闪电（雷电）是发生于大气中的一种壮观的天气现象，伴随着瞬态大电流、高电压和强电磁辐射，常会引起重大的灾害事故，不仅会造成人员伤亡，也会给航空航天、国防、通讯、电子工业、化工石油、邮电、交通、森林等行业造成严重的经济损失。据不完全统计，中国平均每年由于被闪电击中而导致的人员伤亡超过1300人，闪电造成的灾害损失超过1百万人民币的事故约有50起。随着社会经济的快速发展、现代化水平的提高和信息技术的普及应用，闪电危害的程度、造成的经济损失和社会影响将会越来越大。

闪电的实时定位数据是对将要发生闪电活动的区域进行预警以提前采取应对措施、减少闪电灾害损失的重要基础。另外，闪电定位数据也是进行灾害事故成因调查的重要依据。闪电定位系统的探测效率和定位精度对闪电预警的效果、闪电预警结果的评估以及闪电灾害的调查至关重要。

虽然目前我国已经架设了大区域范围的地闪定位站网以及少量的总闪定位系统，能够对闪电进行实时监测，部分系统还能对闪电通道的发展进行探测。然而迄今为止，还没有设备能够自动拍摄全视野范围闪电通道的数字图像，也没有合适的设备能够获取丰富的用于对现有闪电定位系统探测效率和定位精度进行评估的数据，这大大限制了闪电定位资料的有效应用。

实用新型内容

本实用新型的一个目的在于提供一种全视野闪电通道图像自动拍摄设备，该设备能够获取全视野范围的数字图像，并自动筛选、存储和显示包含有闪电通道的图像，同时记录闪电事件的GPS时间及其产生的电晕电流变化的波形信息。该设备结构简单、架设方便。该设备的观测资料能够用于对现有闪电定位系统的探测效率和定位精度进行有效评估。

本实用新型的一个进一步的目的在于提供一种具有遮光装置的全视野闪电通道图像自动拍摄设备，其只在雷暴天气时自动打开遮光装置以进行图像采集，从而有效提高使用效率，延长使用寿命。

本实用新型的另一个进一步的目的在于提供一种具有温控装置的全视野闪电通道图像自动拍摄设备，该温控装置提供对该设备的一些装置或模块工作环境的自动温控，使其能够长期稳定可靠地工作于野外环境。

本实用新型提供了一种全视野闪电通道图像自动拍摄设备，其包括箱体、拍摄装置、传感器、数据采集装置、处理单元和控制模块。所述箱体的顶部具有开口，在所述开口处安装有透明的防护罩。所述拍摄装置布置在所述箱体内并且位于所述开口处。所述传感器对雷暴活动的表征参数进行感测并产生感测数据。所述数据采集装置从所述传感器采集所述感测数据。所述处理单元从所述数据采集装置接收所述感测数据，所述处理单元在所述感测数据指示所述设备的观测范围内没有雷暴天气时使所述设备处于第一工作模式并使所述数据采集装置处于第一数据采集模式，所述处理单元在所述感测数据指示所述设备的观测范围内存在雷暴天气时使所述设备处于第二工作模式并使所述数据采集装置处于第二数据采集模式。所述控制模块布置在所述箱体内，所述控制模块在所述感测数据指示所述设备的观测范围内没有雷暴天气时从所述处理单元接收第一指令并基于所述第一指令关闭所述拍摄装置，从而停止拍摄全视野范围的数字图像，所述控制模块在所述感测数据指示所述设备的观测范围内存在雷暴天气时从所述处理单元接收第二指令并基于所述第二指令启动所述拍摄装置，以拍摄全视野范围的数字图像。

优选地，所述第一工作模式是常规监测模式，所述第一数据采集模式是低速实时数据采集模式，所述第二工作模式是闪电观测模式，所述第二数据采集模式是高速实时数据采集模式。

优选地，所述表征参数是电晕电流。

优选地，所述拍摄装置包括数字摄像机以及布置在所述数字摄像机上的鱼眼镜头，所述鱼眼镜头的视角大于等于180度，所述拍摄装置的成像面水平布置，所述鱼眼镜头高于所述箱体的上表面并且其光轴指向天顶方向。

优选地，所述全视野闪电通道图像自动拍摄设备还包括遮光装置，所述遮光装置布置在所述箱体内，位于所述防护罩和所述拍摄装置之间，所述控制模块从所述处理单元接收第一指令并基于所述第一指令控制所述遮光装置关闭从而覆盖所述拍摄装置，所述控制模块从所述处理单元接收第二指令并基于所述第二指令控制所述遮光装置打开从而不覆盖所述拍摄装置。

优选地，所述遮光装置包括电机、遮光瓣片和两个限位开关，所述限位开关对所述遮光瓣片的旋转位置进行限制，所述控制模块从所述处理单元接收第一指令并基于所述第一指令控制所述电机旋转以关闭所述遮光瓣片，从而覆盖所述拍摄装置，所述控制模块从所述处理单元接收第二指令并基于所述第二指令控制所述电机反向旋转以打开所述遮光瓣片，从而不覆盖所述拍摄装置。

优选地，所述全视野闪电通道图像自动拍摄设备还包括温控装置，所述温控装置布置在所述箱体内并且调节所述箱体内的环境温度，所述控制模块联接所述温控装置并控制所述温控装置。

优选地，所述全视野闪电通道图像自动拍摄设备还包括电源模块，所述电源模块布置在所述箱体内并联接所述拍摄装置、所述控制模块、所述遮光装置和所述温控装置。

优选地，所述全视野闪电通道图像自动拍摄设备还包括GPS天线和GPS授时模块，所述GPS天线联接所述GPS授时模块，所述GPS授时模块联接所述处理单元。

优选地，所述处理单元是计算机，所述数据采集装置是数据采集卡。

本实用新型具有以下优点和有益效果：1、能够对全视野范围内的闪电事件进行观测，获取闪电通道的图像，记录闪电发生的GPS时间以及闪电引起的电晕电流变化波形；2、获取的闪电发生的时间信息和通道的图像资料可用于对已有的闪电定位系统的探测效率和定位精度进行评估；3、实时监测电晕电流波形，只在观测范围内有雷暴天气时自动打开遮光装置和拍摄装置进行图像采集并自动控制其工作环境温度，能有效提高设备使用效率，延长设备使用寿命，能够长期稳定可靠地工作于野外环境；4、结构简单，架设方便，并具有较低的成本。

附图说明

图1是根据本实用新型的全视野闪电通道图像自动拍摄设备的示意图；以及

图2是根据本实用新型的全视野闪电通道图像自动拍摄设备的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的全视野闪电通道图像自动拍摄设备进行说明。

在本实用新型的一个方面，参见图1，示意性地示出了根据本实用新型的一种全视野闪电通道图像自动拍摄设备10，其包括处理单元12、箱体14和电源模块16。

处理单元12用于处理数据并控制所述设备10的一些装置或模块的操作。在一个优选实施例中，处理单元12可以是计算机，并且可以包括时钟（未示出）。

箱体14可以是顶部上表面具有圆形开口18的防护箱，在开口18处安装有透明的防护罩20。在本文中，术语“透明”指的是对于拍摄闪电事件而言是无障碍的，并不限于对某个特定波长或波长范围的光线透明。优选地，开口18为圆形开口。优选地，防护罩20为半球形。优选地，防护罩20由具有憎水特性的材料制成，或者表面喷涂憎水涂层。在一个优选实施例中，防护罩20为涂有憎水涂层的亚克力半球形防护罩。优选地，箱体14可以采用双层金属、中间加保温材料的设计，也可以直接采用具有隔热、防水特性的硬质材料制作。优选地，箱体14的形状可以是方形空腔或者圆柱形空腔，或者任意其他合适的形状。在一个优选实施例中，箱体14采用双层金属、中间加保温材料的设计，其形状为方形空腔。

电源模块16用于为全视野闪电通道图像自动拍摄设备10的一些装置或模块供电，下面将进一步详细说明。电源模块16可以布置在箱体14内。

全视野闪电通道图像自动拍摄设备10还包括拍摄装置22，拍摄装置22可以布置在箱体14内并且位于开口18处，拍摄装置22拍摄全视野范围的数字图像。在一个优选实施例中，拍摄装置22包括数字摄像机24以及布置在数字摄像机24上的视角大于等于180度的鱼眼镜头26。数字摄像机24用于拍摄图像并直接输出所拍摄图像的数字信号，不需要图像采集卡，直接通过数据线与处理单元12连接，以将所拍摄的图像传送给处理单元12。在一个优选实施例中，数字摄像机24可以是可见光波段或者红外波段的数字摄像机，可采用USB、1394、Camera Link或GigE接口，或者本领域已知的任何其他接口。如果选择USB或1394接口类型的数字摄像机24，则该数字摄像机24可以由与处理单元12之间的连接线直接供电；如果选择Camera Link或GigE接口的数字摄像机24，则该数字摄像机24可以由电源模块16供电。对于Camera Link接口的数字摄像机24，还可在处理单元12中安装Camera Link数字图像采集处理卡（未示出）。在一个优选实施例中，可采用1394接口的数字摄像机24和视角为185度的鱼眼镜头26，数字摄像机24和处理单元12采用1394连接线连接，用于向处理单元12传输数字图像。在一个优选实施例中，数字摄像机24的成像面水平布置，鱼眼镜头26朝上并且其光轴指向天顶方向，鱼眼镜头26高于箱体14的上表面，以实现对安装平面以上的全部视野进行成像。优选地，鱼眼镜头26略高于箱体14的上表面，只要能实现所述全视野成像即可，在一个优选实施例中，鱼眼镜头26高于箱体14的上表面10毫米。

全视野闪电通道图像自动拍摄设备10还包括传感器28，用于对观测范围内的雷暴活动的表征参数进行感测并产生感测数据。在一个优选实施例中，所述表征参数是电晕电流，所述传感器28是用于对电晕电流进行感测的电晕电流传感器。应当理解，所述表征参数可以是本领域已知的任何表征雷暴活动的参数，如电场变化、磁场变化和光辐射强度等，所述传感器28可以是本领域已知的能够感测该表征参数的任何传感器，如快慢电场变化传感器、磁线圈和光电二极管等。

全视野闪电通道图像自动拍摄设备10还包括数据采集装置30，用于从传感器28采集所述表征参数的感测数据。在一个优选实施例中，数据采集装置30为安装在处理单元12（在该实施例中为计算机）内的PCI插槽上的数据采集卡，通过PCI总线传输数据。该数据采集卡的输入通道和输出通道各为至少1个，最高采样率不低于1 MS/s，输出通道具有触发输出功能。输入通道联接传感器28。在一个优选实施例中，具有触发输出功能的输出通道联接GPS授时模块42（下面将详细描述）。

全视野闪电通道图像自动拍摄设备10还包括控制模块32，用于实现对全视野闪电通道图像自动拍摄设备10的一些装置或模块的控制。控制模块32布置在箱体14内。在一个优选实施例中，控制模块32联接拍摄装置22，并例如通过串口接收来自处理单元12的指令，实现对拍摄装置22的控制。优选地，控制模块32可以是PLC（可编程控制器）或单片机控制板。在一个优选实施例中，控制模块32是PLC，其例如通过串口与处理单元12联接。

在一个优选实施例中，处理单元12基于数据采集装置30从传感器28采集到的感测数据来确定全视野闪电通道图像自动拍摄设备10的工作模式和数据采集装置30的数据采集模式。当所述感测数据指示全视野闪电通道图像自动拍摄设备10的观测范围内没有雷暴天气时，处理单元12使设备10处于第一工作模式并使数据采集装置30处于第一数据采集模式，控制模块32从处理单元12接收第一指令并基于该第一指令关闭拍摄装置22，从而停止拍摄。当感测数据指示全视野闪电通道图像自动拍摄设备10的观测范围内存在雷暴天气时，处理单元12使设备10处于第二工作模式并使数据采集装置30处于第二数据采集模式，控制模块32从处理单元12接收第二指令并基于该第二指令启动拍摄装置22，从而进行拍摄。

在本文中，“观测范围”表示以全视野闪电通道图像自动拍摄设备10为中心的半径为15公里的范围。

在一个优选实施例中，第一工作模式是常规监测模式，第一数据采集模式是低速实时数据采集模式，第二工作模式是闪电观测模式，第二数据采集模式是高速实时数据采集模式。在闪电观测模式中，处理单元12实时连续地从拍摄装置22获取图像并实时检测所获取的图像中是否存在闪电通道。在常规监测模式中，拍摄装置22关闭，处理单元12对数据采集装置30从传感器28采集到的感测数据进行实时分析，判断观测范围内是否存在雷暴天气。如果存在雷暴天气，则如上所述，处理单元12使设备10转为闪电观测模式并使数据采集装置30转为高速实时数据采集模式，同时打开拍摄装置22进入连续采集状态。如果不存在雷暴天气，处理单元12使设备10维持常规监测模式并使数据采集装置30维持低速实时数据采集模式。

在本文中，术语“高速”指的是采样速率不低于1 M次/秒，术语“低速”指的是采样速率不高于10次/秒。

在一个优选实施例中，全视野闪电通道图像自动拍摄设备10还可以包括遮光装置34。控制模块32联接遮光装置34，并例如通过串口接收来自处理单元12的指令，实现对遮光装置34的控制。遮光装置34可以布置在箱体14内，位于防护罩20和拍摄装置22之间。控制模块32基于所述第一指令控制遮光装置34关闭从而覆盖拍摄装置22，控制模块32基于所述第二指令控制遮光装置34打开从而不覆盖拍摄装置22。在一个特别优选实施例中，遮光装置34包括电机（未示出）、遮光瓣片36和两个限位开关（未示出），其中，所述限位开关可以是本领域已知的用于对遮光瓣片36的旋转位置进行限制的任意元件或构造。在所述第一工作模式中，控制模块32基于所述第一指令控制所述电机旋转以关闭遮光瓣片36，从而覆盖拍摄装置22，在所述第二工作模式中，控制模块32基于所述第二指令控制电机反向旋转以打开遮光瓣片36，从而不覆盖拍摄装置22。

在一个优选实施例中，全视野闪电通道图像自动拍摄设备10还可以包括温控装置38。优选地，控制模块32联接温控装置38，并例如通过串口接收来自处理单元12的指令，实现对温控装置38的控制。优选地，温控装置38可以布置在箱体14内并且用于调节箱体14内的环境温度。特别优选地，温控装置38可以布置在箱体14内并且用于调节拍摄装置22的工作环境温度，以便满足拍摄装置22的正常运行要求，使得其能够长期稳定可靠地工作在野外恶劣环境中。

在一个优选实施例中，全视野闪电通道图像自动拍摄设备10还可以包括GPS天线40和GPS授时模块42。GPS天线40可以联接GPS授时模块42，GPS授时模块42可以联接处理单元12。GPS授时模块42用于定时对处理单元12进行授时并且响应于外部触发信号来获取准确的触发时间信息并发送给处理单元12，其时间精度要求优于1 μs。

在一个优选实施例中，电源模块16可以联接拍摄装置22、控制模块32、遮光装置34和温控装置38并为它们供电。

在一个优选实施例中，箱体14、传感器28和GPS天线40均位于室外，GPS授时模块42和处理单元12位于室内。

在一个优选实施例中，处理单元12联接拍摄装置22、传感器28、控制模块32和GPS授时模块42，通过采集数据和发送指令来完成以下任务：从传感器28采集雷暴活动表征参数（特别地，为电晕电流）的感测数据；向控制模块32发送指令以控制拍摄装置22和遮光装置34；采集、保存和显示拍摄装置22拍摄到的图像，检测图像中是否存在闪电通道；定时从GPS授时模块42获取GPS时间并进行授时；获取和记录感测数据的快速大幅度变化的波形数据以及数据采集装置30触发输出的时间信息。

现在参见图2，图2是流程图，示出了根据本实用新型一个实施例的全视野闪电通道图像自动拍摄设备10的流程100。如上所述，设备10可以具有两种工作模式：常规监测模式和闪电观测模式。

在步骤102，设备10处于常规监测模式。在该模式下拍摄装置22关闭（不拍摄），数据采集装置30处于低速实时数据采集模式（如每秒采样10次或者100次）。在步骤104，数据采集装置30例如对电晕电流波形进行低速实时数据采集。在步骤106，处理单元12对采集到的电晕电流数据进行实时分析，并在步骤108中判断观测范围内是否存在雷暴天气。如果存在雷暴天气，则在步骤110中使设备10转为闪电观测模式。如果不存在雷暴天气，则返回到步骤104。

如果设备10处于闪电观测模式，则在该模式下拍摄装置22处于工作状态（拍摄状态），数据采集装置30处于高速实时数据采集模式。具体地，在步骤112打开遮光装置34，在步骤114使数据采集装置30处于高速实时数据采集模式。然后，在步骤116打开拍摄装置22。在步骤118，处理单元12使拍摄装置22实时连续地获取全视野范围的数字图像。处理单元12在步骤120中实时检测所采集的图像中的闪电通道并且在步骤122中判断是否存在闪电通道。如果存在闪电通道，则在步骤124中保存并显示图像；如果不存在闪电通道，则继续到步骤140。同时，处理单元12在步骤126中实时高速监测电晕电流波形的变化并且在步骤128中判断是否符合触发条件。如果电晕电流波形有快速大幅度变化（也即符合触发条件），则在步骤130中，数据采集装置30输出触发信号给GPS授时模块42，GPS授时模块42将触发的时间信息通过串口传递给处理单元12，然后处理单元12在步骤132中对GPS触发时间和对应的电晕电流变化波形进行暂存。如果不符合触发条件，则返回到步骤126。对于每一幅检测出有闪电通道的图像，处理单元12在步骤134中把该图像对应的曝光时间段内出现的所有电晕电流波形大幅度变化的波形及其触发时间进行记录。在步骤136中判断雷暴天气过程是否结束。如果未检测出闪电通道所持续的时间超过设定的阈值（如15分钟）且电晕电流数据符合非雷暴天气的判据，则认为雷暴天气过程结束，然后在步骤138关闭拍摄装置22和遮光装置34，并且在步骤140中使数据采集装置30转为低速实时数据采集模式，然后返回到步骤102，设备10转为常规监测模式。如果在步骤136中判断雷暴天气过程尚未结束，则返回到步骤118。

不论在常规检测模式还是在闪电观测模式中，GPS授时模块42都定时（如每10分钟）对处理单元12进行GPS授时，以保证处理单元12的时钟的准确度优于1ms。

在一个优选实施例中，图像采集和闪电通道检测可以采用并行算法处理，电晕电流波形实时采集和分析判断均可以采用并行算法实现，这样可以满足数据的实时获取和处理的要求。

本实用新型的全视野闪电通道图像自动拍摄设备10能够在处理单元12的控制下在雷暴天气发生时自动获取闪电通道的数字图像，在非雷暴天气时自动遮挡拍摄装置并实现工作环境温度的自动控制，使其能够长期稳定可靠地工作于野外环境。

在本文中，术语“联接”不限于直接连接，而是也包括本领域已知的各种形式的间接连接。

本领域技术人员可从前面的具体说明意识到本公开的广泛教导可以按照多种形式来实施。虽然本公开包括了具体的示例，但本公开的真实范围却不应当被如此限制，因为本领域技术人员在研究了附图、说明书和所附权利要求书后将会明白其他的修改、变形和替换。

Claims (10)

1.一种全视野闪电通道图像自动拍摄设备，其特征在于，包括：

箱体，所述箱体的顶部具有开口，在所述开口处安装有透明的防护罩；

拍摄装置，所述拍摄装置布置在所述箱体内并且位于所述开口处；

传感器，所述传感器对雷暴活动的表征参数进行感测并产生感测数据；

数据采集装置，所述数据采集装置从所述传感器采集所述感测数据；

处理单元，所述处理单元从所述数据采集装置接收所述感测数据，所述处理单元在所述感测数据指示所述设备的观测范围内没有雷暴天气时使所述设备处于第一工作模式并使所述数据采集装置处于第一数据采集模式，所述处理单元在所述感测数据指示所述设备的观测范围内存在雷暴天气时使所述设备处于第二工作模式并使所述数据采集装置处于第二数据采集模式；和

控制模块，所述控制模块布置在所述箱体内，所述控制模块在所述感测数据指示所述设备的观测范围内没有雷暴天气时从所述处理单元接收第一指令并基于所述第一指令关闭所述拍摄装置，从而停止拍摄全视野范围的数字图像，所述控制模块在所述感测数据指示所述设备的观测范围内存在雷暴天气时从所述处理单元接收第二指令并基于所述第二指令启动所述拍摄装置，以拍摄全视野范围的数字图像。

2.如权利要求1所述的全视野闪电通道图像自动拍摄设备，其特征在于，所述第一工作模式是常规监测模式，所述第一数据采集模式是低速实时数据采集模式，所述第二工作模式是闪电观测模式，所述第二数据采集模式是高速实时数据采集模式。

3.如权利要求1所述的全视野闪电通道图像自动拍摄设备，其特征在于，所述表征参数是电晕电流。

4.如权利要求1所述的全视野闪电通道图像自动拍摄设备，其特征在于，所述拍摄装置包括数字摄像机以及布置在所述数字摄像机上的鱼眼镜头，所述鱼眼镜头的视角大于等于180度，所述拍摄装置的成像面水平布置，所述鱼眼镜头高于所述箱体的上表面并且其光轴指向天顶方向。

5.如权利要求1或4所述的全视野闪电通道图像自动拍摄设备，其特征在于，还包括遮光装置，所述遮光装置布置在所述箱体内，位于所述防护罩和所述拍摄装置之间，所述控制模块从所述处理单元接收第一指令并基于所述第一指令控制所述遮光装置关闭从而覆盖所述拍摄装置，所述控制模块从所述处理单元接收第二指令并基于所述第二指令控制所述遮光装置打开从而不覆盖所述拍摄装置。

6.如权利要求5所述的全视野闪电通道图像自动拍摄设备，其特征在于，所述遮光装置包括电机、遮光瓣片和两个限位开关，所述限位开关对所述遮光瓣片的旋转位置进行限制，所述控制模块从所述处理单元接收第一指令并基于所述第一指令控制所述电机旋转以关闭所述遮光瓣片，从而覆盖所述拍摄装置，所述控制模块从所述处理单元接收第二指令并基于所述第二指令控制所述电机反向旋转以打开所述遮光瓣片，从而不覆盖所述拍摄装置。

7.如权利要求6所述的全视野闪电通道图像自动拍摄设备，其特征在于，还包括温控装置，所述温控装置布置在所述箱体内并且调节所述箱体内的环境温度，所述控制模块联接所述温控装置并控制所述温控装置。

8.如权利要求7所述的全视野闪电通道图像自动拍摄设备，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块布置在所述箱体内并联接所述拍摄装置、所述控制模块、所述遮光装置和所述温控装置。

9.如权利要求1所述的全视野闪电通道图像自动拍摄设备，其特征在于，还包括GPS天线和GPS授时模块，所述GPS天线联接所述GPS授时模块，所述GPS授时模块联接所述处理单元。

10.如权利要求1所述的全视野闪电通道图像自动拍摄设备，其特征在于，所述处理单元是计算机，所述数据采集装置是数据采集卡。

Images