[发明专利]一种极光活动监测系统

说明书

技术领域

本发明涉及环境数据技术领域，尤其涉及一种极光活动监测系统。

背景技术

极光是太阳活动产生的太阳风等离子体与地球大气相互作用产生的极区大气发光现象，是影响人造卫星、空间站运行以及人类航天活动安全的灾害性空间天气活动的重要指示器，是世界各国极地考察研究的重要目标对象。人类赖以生存的日地系统，伴随着太阳的活动，通过专用仪器设备能够在地球空间监测地磁场变化、电离层扰动等空间环境的变化，而极光作为唯一能够被肉眼看到的高空大气物理现象，在空间环境研究及空间天气预报等领域早就受到重视，近几十年来在南北极科学考察站得到了持续的监测，并发展了较为系统的成像观测设备。由于地磁场的特殊位形，极光经常出现在离地磁极25°～30°的范围极光椭圆(或称为极光卵)内，即在南极洲和环北极国家的部分高纬地区才能亲眼看到那绚丽多彩而又美轮美奂的极光。国际上一些研究机构根据太阳活动等实时观测数据，构建了极光活动的预报模型，给出何时在何地可能会看到极光供旅游者和极光摄影爱好者参考，但预报的准确性程度还不是很高，加上当地的气象条件的不确定性很难保证每次的出行都令人满意。

在极光成像观测上，早期采用的是低照度下高灵敏度的极光电视摄像系统，随着CCD相机技术的发展特别是EMCCD相机的出现，采用滤光片的单色极光成像成为主流观测设备。分别说明如下：

技术1：图1是低照度下高灵敏度的极光电视摄像系统。低照度下高灵敏度的极光电视摄像系统【杨惠根,刘瑞源,黄德宏,菊池雅行,佐藤夏雄,小野高幸,港屋浩一,田玮；“极光全天空视频图像分析系统”，地球物理学报；1997年05期】的工作流程图如图1所示，利用高灵敏度的SK-5型摄像机经过控制器调整增益、叠加帧数和灵敏度来实现低照度下的极光视频的摄像。时基校正器对经过控制器后的视频图像和经过手动调整后的来自时钟发生器的日期和时间信息进行迭加处理，最终合成可被激光视盘读写器(每20秒记录一帧，用于快速检索)和三台Hi8型录像机(用于数据共享和备份)记录。切换开关可以实现Hi8型录像机和激光视盘读写器的图像监视和图像打印。中山站在1995年安装了该型号的摄像系统，直到2011年由于设备老化的原因退役，为中国极地考察累积了超过一个太阳周期(11年)的连续观测资料，作为早期的极光监测设备，低照度下高灵敏度电视极光摄像系统为空间环境监测做出了巨大贡献。

技术2：图2是单色极光成像系统，是最新的较为流行的南北极台站使用的商用单色极光成像系统。其主要部件及描述如下：鱼眼镜头1可以收集全视野即视野范围FOV为180゜的极光活动情况，光路经准直透镜2后再由安装在滤光轮3上的滤光片后，由中继透镜5和后端的光路调整为合适的成像面积和成像角度最终成像在EMCCD相机6上。滤光轮3上还可以安装多个滤光片，通过智能马达4定时对滤光片进行旋转和定位，可以实现不同极光特征谱线的观测。目前我国南极中山站、北极KHO观测站和中冰极光观测台都安装了同类极光成像设备。

对于低照度下高灵敏度的极光电视摄像系统，虽然能够实现低照度下高灵敏度的极光摄像，但系统构成复杂，主要的不足体现在以下几个方面：

1、摄像机自身体积庞大，需要安装在室外或专用的透明罩下，几乎不具备移动性；

2、对控制器的增益、灵敏度和叠加帧数的调整需要人工手动完成，而且每次观测前所有上述参数均从最小值开始，逐步调整到合适的成像质量，观测结束后恢复各参数到最小值，调整过程耗时长。每次观测过程中，参数的相对固定后，对于极光活动期间强大的动态范围，无法同时实现弱极光和强极光的理想观测；

3、无法做到光控关机和定时关机，观测过程必需有人值守，以避免日出后的强光对相机的致命性损伤；

4、视频数字化难度高，虽然可以引入时基校正器后的视频信号给安装有视频采集卡的计算机定时采集数字化图像，但时钟发生器上的时间和计算机上的时间很难实现同步，造成图像上的时间和文件生成时间存在差异；

5、视频图像分辨率不高，视频数字化输出的最大分辨率仅为320×240像素；

6、无法实现网络在线实时视频流功能。