專利名稱：一種地基全天空成像裝置的制作方法
技術領域：
一種地基全天空成像裝置技術領域[0001]本實用新型屬于氣象探測技術領域，涉及其中的成像裝置，更具體而言是一種 地基全天空成像裝置。
背景技術：
[0002]從對云的全面了解而言，地基觀測是獲取云參數(shù)必不可少的遙感和探測手段。 云的地基觀測長期以來都是靠氣象觀測員肉眼判斷，其能夠記錄的內容也相對簡單，在 實際情況下難以描述天空的狀況，特別是在云圖云狀多變時，更不能給出相對變化的信 息；另外，人工觀測的主觀性較強，不能客觀定量地分析天空的情況，因此在專業(yè)上亟 需一種客觀的天空觀測方式。[0003]目前，國內外已經(jīng)研制的全天空成像儀大都采用具有超廣角的魚眼鏡頭或者設 計類似魚眼鏡頭的測云儀器，通過較大的廣角鏡頭可以得到全天空圖像，但是由于魚眼 鏡頭自身的局限性，其投影方式會導致圖像產(chǎn)生畸變，不能很好地反映天空中云的分布 及形態(tài)，具有較大的失真，與人眼觀測有一定的差異。[0004]因此，本設計人基于現(xiàn)有成像裝置的不足，對成像裝置的結構進行研究改進， 本案由此產(chǎn)生。實用新型內容[0005]本實用新型的主要目的，在于提供一種地基全天空成像裝置，其操作簡單，可 得到準確、完整的全天空圖像。[0006]為了達成上述目的，本實用新型的解決方案是[0007]—種地基全天空成像裝置，包括圖像存儲及處理模塊、控制模塊、支架、數(shù)字 相機、水平旋轉機構和俯仰旋轉機構，其中，水平旋轉機構可水平方向360°旋轉地安裝 于支架之上，俯仰旋轉機構可俯仰方向180°旋轉地安裝于水平旋轉機構之上，數(shù)字相機 固定于俯仰旋轉機構之上；圖像存儲及處理模塊與數(shù)字相機連接，存儲并拼接數(shù)字相機 所拍攝的圖像；控制模塊分別與水平旋轉機構、俯仰旋轉機構、數(shù)字相機連接，控制所 述水平旋轉機構、俯仰旋轉機構各自的轉動角度以及數(shù)字相機的拍攝與否。[0008]上述水平旋轉機構包括轉動電機、轉臺、驅動齒輪和回轉軸承，其中，轉動電 機安裝于支架的側面，且其輸出軸朝上設置；驅動齒輪與前述轉動電機的輸出軸連接； 回轉軸承固定于支架的上表面，并與所述的驅動齒輪形成外擬合傳動連接；轉臺固定于 回轉軸承的上端面，在回轉軸承的帶動下在水平方向內轉動。[0009]上述水平旋轉機構還包括設于驅動齒輪端面上的蓋板，該端面與連接轉動電機 的端面相對。[0010]上述俯仰旋轉機構包括俯仰電機、兩個支耳、安裝板、電機支架、聯(lián)軸器和兩 個滾動軸承；其中，兩個支耳分別固定在水平旋轉機構的上表面兩端，并與水平旋轉機 構同步轉動；安裝板的兩端分別通過一個滾動軸承安裝在兩個支耳上；電機支架固定于其中一個支耳的端面上，而俯仰電機再固定于前述電機支架上，并使輸出軸水平設置； 安裝板與前述支耳連接的一端還通過聯(lián)軸器連接俯仰電機的輸出軸。[0011]上述俯仰旋轉機構還包括軸承蓋，該軸承蓋安裝于安裝板上與聯(lián)軸器相對的一端。[0012]上述滾動軸承采用深溝球軸承。[0013]采用上述方案后，本實用新型通過設置水平旋轉機構和俯仰旋轉機構，調整數(shù) 字相機的位置、姿態(tài)，從而進行天空局部成像，然后利用圖像拼接技術得到完整的全天 空圖像，這樣能夠較好地克服傳統(tǒng)魚眼鏡頭成像造成的失真和畸變現(xiàn)象，能夠較好地反 映天空中云的分布、形態(tài)、云量情況以及云的相對位置關系，符合人眼觀測的習慣，能 夠從觀測者角度客觀地記錄天空的真實情況，為進一步進行全天空云圖的定量化分析提 供了較為準確的資料；特別的，本實用新型操作簡單、方便，特別適合于環(huán)境監(jiān)測、實 時監(jiān)控等領域。


[0014]圖1是本實用新型的總體結構示意圖；[0015]圖2是本實用新型中水平旋轉機構的示意圖；[0016]圖3是本實用新型中視角的定義示意圖；[0017]圖4是本實用新型中控制部分的框圖。
具體實施方式
[0018]以下將結合附圖及具體實施例對本實用新型的結構及工作過程進行詳細說明。[0019]參考圖1所示，本實用新型提供一種地基全天空成像裝置，包括支架1、數(shù)字相 機2、水平旋轉機構、俯仰旋轉機構、控制模塊5和圖像存儲及處理模塊6，下面對其連 接關系進行說明。[0020]參考圖1，同時配合圖2所示，水平旋轉機構可在水平面內實現(xiàn)360°旋轉，所 述的水平旋轉機構包括轉動電機31、驅動齒輪32、回轉軸承33、轉臺34、蓋板35及螺 釘36、37；其中，轉動電機31安裝于支架1的側面，并使轉動電機31的輸出軸朝上設 置，該輸出軸與驅動齒輪32連接，從而可帶動驅動齒輪32轉動；回轉軸承33則借助螺 釘37固定在支架1的上表面，并與所述的驅動齒輪32形成外擬合傳動連接；轉臺34借助 螺釘36固定在回轉軸承33的上端面，可在回轉軸承33的帶動下在水平方向進行轉動； 另外，本實施例還在驅動齒輪32上與連接轉動電機31的一端相對的另一端面上，固定一 蓋板35，對驅動齒輪32起到保護作用。這樣，當轉動電機31啟動時，帶動驅動齒輪32 旋轉，再通過外擬合齒輪傳動，使回轉軸承33在水平面內旋轉，從而使轉臺34實現(xiàn)水平 方向上的360°旋轉。[0021]再請參考圖1所示，俯仰旋轉機構可在豎直方向內實現(xiàn)180°旋轉，所述的俯仰 旋轉機構包括俯仰電機41、兩個支耳42、安裝板43、電機支架44、聯(lián)軸器45、兩個滾 動軸承(本實施例中采用深溝球軸承46)和軸承蓋47;其中，兩個支耳42通過螺釘分 別固定于轉臺34的上表面兩端，并與轉臺34實現(xiàn)同時移動；安裝板43的兩端通過深溝 球軸承46分別安裝在兩個支耳42上，使得安裝板43能夠以兩端的深溝球軸承46為軸進行180°翻轉；另外，安裝板43—端的深溝球軸承46安裝有軸承蓋47，用于保護該深溝 球軸承46，而安裝板43的另一端還通過聯(lián)軸器45連接俯仰電機41的輸出軸；電機支架 44固定于其中一個支耳42的端面上，該支耳42也即與連接有聯(lián)軸器45的安裝板43對應 的一端；俯仰電機41固定于前述電機支架44上，并使輸出軸水平設置，從而當俯仰電機 41啟動時，輸出軸驅動聯(lián)軸器45，帶動安裝板43在豎直方向內實現(xiàn)旋轉運動。[0022]數(shù)字相機2用于進行圖像拍攝，其固定在前述安裝板43上，與安裝板43同步運 動。[0023]配合圖4所示，控制模塊5分別連接水平旋轉機構中的轉動電機31、俯仰旋轉機 構中的俯仰電機41，分別控制驅動轉動電機31、俯仰電機41的動作，從而調整數(shù)字相機 2的拍攝角度；同時，控制模塊5還連接數(shù)字相機2的控制端，控制數(shù)字相機2的拍攝動作。[0024]圖像存儲及處理模塊6連接數(shù)字相機2的數(shù)據(jù)輸出端，如圖4所示，用于存儲數(shù) 字相機2拍攝的各種位置和姿態(tài)的局部圖像，并實現(xiàn)圖像的拼接，從而得到完整的全天 空圖像，本實施例中采用計算機。[0025]本實施結構的具體工作過程描述如下。[0026]第一，根據(jù)所使用數(shù)字相機2的具體型號、像素等參數(shù)，計算其視角，以確定 其水平視角α與俯仰視角β的大小，以本實施例來說，采用COSTAR ^[-C400彩色數(shù)字 相機，其CCD芯片的規(guī)格為1/2英寸，有效像素為752 (水平方向)X582 (垂直方 向)，鏡頭焦距為12mm;配合圖3所示，相機鏡頭軸線為1，在本實施例中，水平視角 和俯仰視角分別為η/3和π/4，且在俯仰方向的角度跨度為η/2，因此在俯仰方向需要 兩個仰角進行拍攝；在水平方向的角度跨度為2π，因此在水平方向需要六個角度進行 拍攝。[0027]數(shù)字相機2的初始方位為水平，即相機鏡頭軸線和水平面平行(俯仰角度為 0° )，且定義鏡頭的初始朝向角度為0°。[0028]第二，控制模塊5控制驅動俯仰電機41工作，使俯仰電機41帶動聯(lián)軸器45轉 動，聯(lián)軸器45與安裝板43相連，這樣便實現(xiàn)了俯仰電機41帶動數(shù)字相機2在豎直平面 內俯仰轉動的目的；控制模塊5驅動俯仰電機41將數(shù)字相機2的鏡頭主軸的仰角調至 η/8，然后俯仰電機41停止工作，控制模塊5再控制數(shù)字相機2拍攝第1張圖片，此時 俯仰角度為η/8，朝向角度為0°。[0029]第三，控制模塊5驅動轉動電機31工作，使轉動電機31帶動驅動齒輪32旋轉， 而驅動齒輪32與回轉軸承33通過外齒輪嚙合，使回轉軸承33在水平面內旋轉，從而使 轉臺34實現(xiàn)水平面內的旋轉；同時俯仰旋轉機構通過支耳42固定在轉臺34上，從而實 現(xiàn)轉動電機31帶動數(shù)字相機2在水平面內360°旋轉的目的；控制模塊5驅動轉動電機 31，使轉臺34順時針旋轉π/3，然后轉動電機31停止工作，控制模塊5繼而控制數(shù)字相 機2拍攝第2張圖片。[0030]第四，重復第三步流程，按照順時針方向，控制模塊5控制轉臺34每旋轉 η/3，則控制數(shù)字相機2拍攝一張圖片；這樣在π/8俯仰角度共拍攝6張圖片，朝向角 度分別為 0°，60°，120°，180°，240°，300°。[0031]第五，控制模塊5再次驅動俯仰電機41工作，使數(shù)字相機2鏡頭主軸的仰角調至3π/8，然后俯仰電機41停止工作，控制模塊5控制數(shù)字相機2拍攝第7張圖片，此時 俯仰角度為3 π/8，朝向角度為0°。[0032]第六，控制模塊5再次驅動轉動電機31工作，拍攝流程同第三、四步，數(shù)字 相機2在其鏡頭主軸3 π/8俯仰角度的基礎上，按照順時針方向，每旋轉η/3拍攝一 張圖片；這樣在3 π/8俯仰角度共拍攝6張圖片，朝向角度分別為0°，60°，120°， 180° ， 240° ， 300° 。[0033]第七，通過以上拍攝流程，所獲取的12張圖片包含了全天空的任何部分，得到 了整個天空的局部圖像，然后將全部12張圖片輸入圖像存儲及處理模塊6中，通過圖像 拼接技術最終獲得所需的全天空圖像。[0034]綜上所述，本實用新型一種地基全天空成像裝置，重點在于設計水平旋轉機構 和俯仰旋轉機構，并將數(shù)字相機2固定在該水平旋轉機構和俯仰旋轉機構上，在控制模 塊5的控制下分別調整水平旋轉機構和俯仰旋轉機構的角度，從而拍攝整個天空的局部 圖像，然后再利用圖像存儲及處理模塊6，將拍攝的所有局部圖像拼接在一起，得到所需 的全天空圖像。[0035]以上實施例僅為說明本實用新型的技術思想，不能以此限定本實用新型的保護 范圍，凡是按照本實用新型提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落 入本實用新型保護范圍之內。
權利要求1.一種地基全天空成像裝置，其特征在于包括圖像存儲及處理模塊(6)、控制模塊 (5)、支架(1)、數(shù)字相機0)、水平旋轉機構和俯仰旋轉機構，其中，水平旋轉機構可 水平方向360°旋轉地安裝于支架(1)之上，俯仰旋轉機構可俯仰方向180°旋轉地安裝 于水平旋轉機構之上，數(shù)字相機(2)固定于俯仰旋轉機構之上；圖像存儲及處理模塊(6) 與數(shù)字相機⑵連接，存儲并拼接數(shù)字相機⑵所拍攝的圖像；控制模塊(5)分別與水平 旋轉機構、俯仰旋轉機構、數(shù)字相機(2)連接，控制所述水平旋轉機構、俯仰旋轉機構 各自的轉動角度以及數(shù)字相機⑵的拍攝與否。
2.如權利要求1所述的一種地基全天空成像裝置，其特征在于所述水平旋轉機構 包括轉動電機(31)、轉臺(34)、驅動齒輪(32)和回轉軸承(33)；其中，轉動電機(31) 安裝于支架(1)的側面，且其輸出軸朝上設置；驅動齒輪(3 與前述轉動電機(31)的輸 出軸連接；回轉軸承(3 固定于支架的上表面(1)，并與所述的驅動齒輪(3 形成外擬 合傳動連接；轉臺(34)固定于回轉軸承(3 的上端面，在回轉軸承(3 的帶動下在水 平方向內轉動。
3.如權利要求2所述的一種地基全天空成像裝置，其特征在于所述水平旋轉機構 還包括設于驅動齒輪(3 端面上的蓋板(3 ，該端面與連接轉動電機(31)的端面相對。
4.如權利要求1所述的一種地基全天空成像裝置，其特征在于所述俯仰旋轉機構 包括俯仰電機G1)、兩個支耳G2)、安裝板03)、電機支架04)、聯(lián)軸器05)和兩個 滾動軸承；其中，兩個支耳0 分別固定在水平旋轉機構的上表面兩端，并與水平旋轉 機構同步轉動；安裝板G3)的兩端分別通過一個滾動軸承安裝在兩個支耳G2)上；電 機支架G4)固定于其中一個支耳0 的端面上，而俯仰電機Gl)再固定于前述電機支 架G4)上，并使輸出軸水平設置；安裝板與前述支耳0 連接的一端還通過聯(lián)軸 器(45)連接俯仰電機(41)的輸出軸。
5.如權利要求4所述的一種地基全天空成像裝置，其特征在于所述俯仰旋轉機構 還包括軸承蓋G7)，該軸承蓋07)安裝于安裝板03)上與聯(lián)軸器05)相對的一端。
6.如權利要求4所述的一種地基全天空成像裝置，其特征在于所述滾動軸承采用 深溝球軸承G6)。
專利摘要本實用新型公開一種地基全天空成像裝置，包括圖像存儲及處理模塊、控制模塊、支架、數(shù)字相機、水平旋轉機構和俯仰旋轉機構，其中，水平旋轉機構可水平方向360°旋轉地安裝于支架之上，俯仰旋轉機構可俯仰方向180°旋轉地安裝于水平旋轉機構之上，數(shù)字相機固定于俯仰旋轉機構之上；圖像存儲及處理模塊與數(shù)字相機連接，存儲并拼接數(shù)字相機所拍攝的圖像；控制模塊分別與水平旋轉機構、俯仰旋轉機構、數(shù)字相機連接，控制所述水平旋轉機構、俯仰旋轉機構各自的轉動角度以及數(shù)字相機的拍攝與否。此種成像裝置操作簡單，可得到準確、完整的全天空圖像。
文檔編號G03B27/02GK201812129SQ20102050837
公開日2011年4月27日 申請日期2010年8月30日 優(yōu)先權日2010年8月30日
發(fā)明者姚馨璐, 張永宏, 張齊東 申請人:南京信息工程大學