ISSN 1004-4965

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平面标定法在闪电光学观测中的应用

谢正帅 吕伟涛 马颖 齐奇 武斌 姜睿娇 孙秀斌 陈绿文 杜赛 颜旭 肖桐

谢正帅, 吕伟涛, 马颖, 齐奇, 武斌, 姜睿娇, 孙秀斌, 陈绿文, 杜赛, 颜旭, 肖桐. 平面标定法在闪电光学观测中的应用[J]. 热带气象学报, 2022, 38(3): 444-452. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.040
引用本文: 谢正帅, 吕伟涛, 马颖, 齐奇, 武斌, 姜睿娇, 孙秀斌, 陈绿文, 杜赛, 颜旭, 肖桐. 平面标定法在闪电光学观测中的应用[J]. 热带气象学报, 2022, 38(3): 444-452. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.040
XIE Zhengshuai, LYU Weitao, MA Ying, QI Qi, WU Bin, JIANG Ruijiao, SUN Xiubin, CHEN Lyuwen, DU Sai, YAN Xu, XIAO Tong. APPLICATION OF PLANE CALIBRATION METHOD IN OPTICAL OBSERVATION OF LIGHTNING[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2022, 38(3): 444-452. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.040
Citation: XIE Zhengshuai, LYU Weitao, MA Ying, QI Qi, WU Bin, JIANG Ruijiao, SUN Xiubin, CHEN Lyuwen, DU Sai, YAN Xu, XIAO Tong. APPLICATION OF PLANE CALIBRATION METHOD IN OPTICAL OBSERVATION OF LIGHTNING[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2022, 38(3): 444-452. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.040

平面标定法在闪电光学观测中的应用

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2022.040
基金项目: 

国家重点研究发展计划 2017YFC1501504

国家自然科学基金项目 42175108

中国气象科学研究院基本科研业务费专项 2021Z011

中国铁道科学研究院集团有限公司院基金课题 2020YJ171

详细信息
    通讯作者:

    吕伟涛,河南省人,研究员,博士,主要研究方向为大气电学。E-mail:lyuwt@foxmail.com

  • 中图分类号: P427.3

APPLICATION OF PLANE CALIBRATION METHOD IN OPTICAL OBSERVATION OF LIGHTNING

  • 摘要: 针对闪电光学观测资料定量分析的需求,采用张正友平面标定法结合便携式平面靶标,实现了闪电外场试验中光学观测设备的现场标定,为消除光学系统成像畸变对闪电通道特征分析的影响提供了一种便捷的途径。使用此方法对广州高建筑物雷电观测站(TOLOG)的6套闪电光学观测设备进行了标定,结果表明:光学观测设备搭载同类型镜头时,焦距越短图像的畸变越明显; 图像中视线与光轴的夹角越大,径向畸变的影响越明显,采用鱼眼镜头获得的闪电通道图像在靠近边缘的位置畸变的影响会超过25%;通过对配备焦距为8 mm鱼眼镜头的单反相机以及配备焦距为8 mm广角镜头的高速摄像机同时获取的闪电光学同步资料进行畸变校正后,发现获取的图像畸变校正前后闪电通道总体长度差异分别为12.9%和4.5%;经过畸变校正后不同设备获取的闪电通道图像比原图拥有更好的一致性。

     

  • 图  1  平面棋盘格靶标及特征点(角点)选取

    图  2  用于相机标定的靶标照片(a)及广州高建筑物雷电观测站光学观测设备的视野(b)

    图  3  闪电光学观测设备图像校正前后像点与光心的角度受畸变影响的相对大小

    图  4  TOLOG主站单反相机(D7100-8)于2018年7月6日拍摄的一次广州塔上行闪电个例

    (a)为资料原图,(b)是将(a)经过摄像机标定后去除畸变的照片。(c)为(a)(b)以光心为基点的叠加图,并分别将校正前后闪电通道标记成蓝色和红色(图c进行了对比度增强)。

    图  5  以图像光心为圆心的闪电通道同心圆分布图

    图  6  校正前后区域内闪电通道相对长度随区域与图像光心的夹角的关系

    图  7  TOLOG主站高速摄像机(SA3)捕捉到的广州塔上行闪电光学同步观测资料

    (a)、(b)分别为资料原图和畸变校正后的图像。(c)为(a)(b)以光心为基点的叠加图,并分别将校正前后闪电通道标记成蓝色和红色(图c进行了对比度增强、灰度化处理)。

    图  8  在不同设备获取的同步观测资料图像中选取闪电通道的相同拐点作为特征点

    表  1  TOLOG闪电光学观测设备的标定参数

    光学设备编号 镜头类型 焦距(mm) 畸变系数 内部参数
    F k1 k2 u0 v0 fx fy
    SA3 广角镜头 8 -0.162 0.094 509 481 485 488
    SAZ 14 -0.078 0.039 517 498 716 718
    SA5 20 -0.106 0.087 517 514 1026 1030
    D7100-20 20 -0.099 0.051 2 451 1 674 4 237 4 226
    D7100-8 鱼眼镜头 8 -0.283 0.060 2 387 1 566 2 073 2 068
    D7100-16 16 -0.109 0.088 2 987 2 041 3 958 3 971
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-02-04
  • 修回日期:  2022-03-18
  • 网络出版日期:  2022-08-16
  • 刊出日期:  2022-06-20

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