[发明专利]一种基于尾流示踪的风场测量方法及系统

说明书

本发明涉及一种基于尾流示踪的风场测量方法及系统，将图像识别技术应用到能产生尾流的发射物如飞机、火箭等运动过后的尾流的二维分布上，在地表多个不同位置架设高清相机对天空进行连续拍照，当有飞机、火箭等经过，尾流能够明显从天空背景中区分出来。利用预设的图像识别算法找出相机拍摄的尾流的轮廓，然后对尾流图像进行分段，寻找出每段的尾流质心，将质心连接起来称为尾流主轴。对多台相机同一时刻拍摄的三张图像进行算法分析，还原出尾流主轴在大气中的真实位置；通过不同时刻为尾流主轴的三维坐标变化，就能够反演出有尾流区域的大气风场。本发明成本很低，维护简便，能够探测到一般测风手段无法探测的高空风场。

技术领域

本发明涉及风速测量，尤其涉及一种基于尾流示踪的风场测量方法及系统。

背景技术

大气风场的准确探测对于风电场选址、航空航天安全保障、污染物扩散轨迹追踪等领域都发挥着重要要作用。传统的风速测量方法也多种多样，在气象站最常用的是风杯式风速计和携带风速传感器的探空气球，风杯只能探测单点的风速风向，探空气球探测的是气球上升路径上的风场。多普勒测风激光雷达能够准确的探测径向风速，时空分辨率可以做到米/秒级，在一些机场和舰船上已经安装了商业化的产品。广域的风场探测还可以利用卫星云图实现。通过对卫星云图中云的位置进行图像识别，然后对多帧图像中云的位置进行微分，便可以得到全球尺度的风场分布。

但是采用测风气球、多普勒测风雷达等设备测风，成本很高，而卫星测风的不足之处主要有三方面：(1)这种测风是以云为示踪物的，故只能在有云的地方才能测得风的资料；(2)探测精度不够高，这主要由于云的生消演变和大气中水汽含量的变化而导致云的定位不准，使云的顶部高度定不准；(3)图像定位和定标非常困难；静止气象卫星在36000km的高度观测地球，而云所在的对流层高度只有十几公里，因此用几何方法很难将云的高度定准。

因此，如何低成本、快速准确的测量风场成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于尾流示踪的风场测量方法及系统，能够在不使用其他任何辅助仪器的情况下给出实时二维风速，探测到一般测风手段无法探测的高空风场，且成本很低，维护简便。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于尾流示踪的风场测量方法及系统，将图像识别技术应用到飞机、火箭等运动过后的尾流的二维分布上，使用多台相机对尾流进行连续拍摄，然后进行逐帧分析，能够在不使用其他任何辅助仪器的情况下给出实时二维风速。

包括：

在地表两个不同位置架设高清相机对天空进行连续拍照，当有飞机、火箭等经过，尾流能够明显从天空背景中区分出来；

首先需要利用预设的图像识别算法找出相机拍摄的尾流的轮廓；

由于尾流在大气中不仅会随风场发生平移，还会由于分子运动发生扩散，导致形状改变。因此需要对尾流图像进行分段，寻找出每段的尾流质心，将质心连接起来称为尾流主轴。还需要记录每时刻不同小分段质心像素值的相对大小。

对多台相机同一时刻拍摄的三张图像进行算法分析，还原出尾流主轴在大气中的真实位置；其中，匹配多台相机拍摄的图片中同一大气区域利用的是上一步中不同小分段质心像素值的相对大小。当相对大小相同时认为多台相机匹配上了。因此，第一台相机分段时可以对尾流进行等分，而其余相机需要在等分的基础上微调分界点，以满足多台相机匹配条件。

通过不同时刻为尾流主轴的三维坐标变化，就能够反演出有尾流区域的大气风场。

进一步的，所述寻找尾流轮廓的图像识别算法，其原理是读取图像中每个像素点的RGB数值，通过预设的示踪剂示踪尾流和蓝色天空背景的颜色不同，分别设定RGB阈值，提取出整个图像中有尾流的区域；