模型建构、解释及预测系列(5):云层及雨滴问题分析

不是所有问题都能从书上或网上找到答案,但是掌握了建模方法后,我们可以像科学家一样思考,对感兴趣的某些问题进行简化、建模,通过分析得出很多有意思的结论,解决面对的问题。在日常生活中,我们也许有机会坐看云起,注意到云层变幻莫测;也可能注意到毛毛细雨与暴雨的速度明显不同。这些现象,是否可以通过适当建模进行分析?一、气压及大气质量我们经常能看暴雨成灾,可能会产生疑问:雨从天上来,天上怎么有这么多水?要理解这一问题,可以先考虑大气的压力,并估计大气的质量。

信息熵-低通滤波联合掩模云层干扰去除方法

为了降低海洋光学遥感图像中云区对海面表面纹理分析的影响,本文开展了信息熵-低通滤波融合掩模的云层干扰去除研究。首先,分析了现有遥感图像去云算法的基本原理及其局限性。在此基础上,提出一种基于信息熵-低通滤波联合掩模的云层干扰去除方法。其中包括对遥感图像的改进矩匹配的去条带预处理、局部信息熵滤波,以及联合低频滤波作为遥感图像中各像元的校正参数。该算法具有复杂度低、处理速度快的特点。实验结果表明:与现有算法相比,本文提出的算法可在低计算复杂度的前提下,大幅增强各区域的纹理细节信息,其平均信息熵可达到7.8以上,对比度可达到60以上,平均梯度可达到200以上;图像细节方面,本文算法能够在不引入伪边缘、非均匀性的前提下,充分展现受云区影响的海表纹理细节,进一步满足高保真度的遥感应用需求。

基于波动特征提取下云层分型的短期光伏发电功率预测方法

短期光伏发电功率的预测精度与天气类型紧密相关,云层的无规则运动导致光伏发电功率波动。因此该文通过监测不同天气类型下云层的运动形态提高预测精度。首先,基于NWP因子将天气划分为5种类型,并通过变分模态分解将光伏发电功率分为平滑过程与波动过程数据。其次,采用云层灰度值判断云层厚度,由加速鲁棒特征(SURF)监测得到云层特征点,跟踪特征点的移动得到云层的运动速度和方向。然后,提出波动特征参数,结合云层运动状态分析波动形态,从而将云层运动状态与波动形态相关联实现“云层分型”。最后,针对平滑数据和波动过程的数据特征,结合机器学习算法自身的适应性条件,提出基于CNN-LSTM的组合预测算法。该算法实现了基于NWP相关因子,以光伏功率历史平滑数据和历史波动数据为输入、以光伏功率预测值为输出的预测方法,显著提高了光伏发电功率的预测精度。

基于云层去除的偏振光导航应用研究

传统的导航系统因其自身的技术缺陷而远远不能满足人们日常的导航需求,仿生式偏振光导航应运而生。在传统的图像式偏振光导航系统中,云层遮挡往往会对偏振光信息的采集造成严重影响,从而影响到航向角的准确解算,极大程度限制了偏振光导航的运用范围。为了克服这一困难,文中引入生成对抗神经网络,在生成器与鉴别器之间不断迭代反馈,对采集到的云层图像进行去云层处理,有效地恢复了被云层遮挡的偏振光信息。经过大量实验验证,成功将航向角误差从2.3706°降低至0.6067°,使其导航精度提升了74.41%。实验结果不仅验证了该方法的有效性,也展示了生成对抗网络在图像修复方面的强大之处,对图像式偏振光导航的发展提供了新的思路。

让思维始终在云层之上飞行

当我们乘坐飞机时,都会遇到一种现象,在没有到达一定高度之前,飞机总会摇摆不定,在充满迷雾甚至电闪雷鸣的云层间横冲直撞。而一旦穿过云层到达高端,就会天高云淡,豁然一片艳阳天。人的思维亦是如此,如果始终在低层次徘徊,也必将迷雾重重、焦虑满满。广大党员干部应心有高峰、志存高远,不畏艰险、披荆斩棘,不断学习、增强本领、锤炼思想,努力抵达全新的高度,领略“无限风光在险峰”的壮阔风景。用理论思维引领高远志向。毛泽东曾说,“有了学问,好比站在山上,可以看到很多很远的东西”。

考虑云层影响的大型光伏发电系统辐照强度计算模型

该文模拟云层遮阴导致大型光伏发电系统辐照强度空间分布不均的情形,在考虑太阳辐射随时间变化的同时重点分析了因云层移动导致的太阳辐射空间分布的随机性和不确定性。首先计算任意地点任意时刻的天文辐射强度,依次考虑大气层衰减、电站所在区域的云层的动态影响,计算到达水平地面的辐照强度,最终得到光伏组件倾斜面上的辐照强度。该模型考虑了地形地貌对日出日落时间的影响、云层分布特性及其和天气的相关性、不同类型的云层透光率、"云隙效应"、云层重叠及云层边缘效应,并能以较高时间分辨率进行仿真计算。由于综合考虑了辐照强度的确定性和随机性部分,该模型对研究光伏发电系统暂稳态分析、实时控制及并网光伏发电对电网的影响具有参考意义。

面向敏捷卫星任务规划的云层建模及处理方法

针对云层遮挡影响光学卫星成像质量的问题,以新一代敏捷卫星任务规划问题为背景,对云层信息进行建模,提出了一种云层遮挡时间窗口计算方法,通过引入预判和二分法推进计算环节来提高遮挡窗口的求解效率。根据任务约束条件建立了考虑云层信息的敏捷卫星任务规划模型,并利用蚁群算法进行寻优计算。具体设计了状态转移规则、任务安排规则和信息素更新规则。通过10个不同规模的情景案例进行仿真对比分析,仿真结果验证了云层模型和提出的处理方法在敏捷卫星任务规划问题上的有效性。

基于云层图像的塔式太阳能热发电能量预测方法

提出一种应用于塔式太阳能热发电系统的云层图像识别与运动检测方法,动态预测云层移动对系统热发电能量的影响。该方法利用小波维纳滤波对工业相机实时采集的天空图像进行降噪处理,基于Lab空间边缘检测算法识别天空图像中的云层,结合CSIFT匹配特征点计算得到云层运动速度和方向,并通过云层、太阳、镜场间的相对位置关系实时分析和预测系统热发电能量受云层运动的影响。实验结果表明,该方法的预测实时性和准确性均满足要求,具有较高的工程应用价值。

基于纹理合成算法的光学影像云层修复

光学影像中云层覆盖对影像识别和判读的影响较大,提出一种利用雷达数据对同一地区的光学影像进行修复的方法。首先对云层区域进行检测,提取出云层边界,然后对同一地区的雷达数据进行分类处理,利用Efros算法对光学影像中典型地物的纹理进行合成,并将合成结果填充到雷达影像的分类图中,用填充后的纹理合成图替代相同区域的云层从而实现影像修复。该方法能够对云层下盲区进行复原,修复后的区域和其周边影像相比具有相似的纹理和颜色信息,提高影像的可辨识性,亦可满足低层次的影像制图需求。

基于CloudSat资料的东海及周边云层垂直分布特征

利用2007—2010年CloudSat二级产品中的2B-GEOPROF和2B-GROPROF-Lidar数据,分季节、昼夜统计分析东海海区及其周边的云层频率、云层厚度、云层间隙等云垂直参数的时空分布特征,并利用EOF分解给出了云层出现频率的第一、二模态。结果表明:无论任何季节、昼夜,云层的数目与其出现的频率均成反比,即云层数越少出现的频率越高,出现最多的是单层云,年平均出现频率在60%以上;其次是双层云,年平均出现频率在20%～30%之间;出现三层云及以上的情况很少。云层数越多,底层云底高越低,顶层云顶高越高,每层云的厚度越薄,每层云之间云层间隙也越小。云的垂直结构受季节和地域影响较大。单层云频率月异常的第一、二模态分别反映了海陆下垫面不同的影响以及东亚大槽和西太平洋副高的影响,并均具有年变化。双层云第一模态则表现为在东海及其周边的绝大部分范围,春季出现的频率高,秋冬季出现的频率低,并也有年变化;而第二模态则无年变化。

发射场云层激光反射特性分析与仿真

运用激光雷达方程和米散射理论,采取高度规格化的信号处理方法,对不同高度、不同浓度和厚度的云层的激光反射特性进行了分析和仿真,实现了对云层的高度和厚度的判断。文中的研究结果对利用激光雷达进行气象观测,保证发射场的航天器、制导武器安全升空,具有一定的参考价值。

基于非参数统计的云层背景描述与红外弱小目标检测

针对复杂云层背景下的红外弱小目标检测问题,提出了一种新的基于非参数统计的云层边缘纹理描述方法,并利用该方法构造出针对云层边缘的陷波滤波器.由于云层对阳光的漫反射特性,它的边缘区域成像时呈现出稳定的逐级过渡的纹理特征,而利用非参数统计中的秩分析方法可以较好地描述这种过渡纹理.首先,定义理想云层边缘纹理的秩统计量.然后,获取分析图像与理想云层边缘纹理秩统计量的相关曲面.最后,对秩相关曲面进行变换,构造出针对云层边缘区域的陷波滤波图像.将陷波滤波图像与高通滤波图像相乘,实现对残留云层边缘的抑制.实验结果表明,在没有对背景噪声的统计分布做任何假设的情况下,利用该方法能够对背景中的强云边缘进行有效抑制.

海上云层和降水对船载高频段卫星通信的影响

介绍了海洋云层和降水的特点以及云层和降水对电波吸收的影响;描述了海洋层状雨和对流雨的降雨空间结构状态以及对高频段卫星通信雨衰的影响;分析了高频段卫星通信雨衰原因,指出了电磁波吸收、热噪声和去极化是影响高频段雨衰的重要方面,并针对海上工作环境特点提出了上行功率控制、频率分集、速率分集、自适应调制等抗雨衰方法.

激光脉冲云层传输时间扩展与信道均衡

云层粒子对激光的多次散射引起激光脉冲产生时间扩展,造成接收信号出现码间串扰。首先建立了带均衡滤波的云层激光通信链路信道模型;然后使用蒙特卡洛光线追踪法得出了云层信道在不同光学厚度下的脉冲时间响应特性;并推导出考虑码间串扰时的系统误码率计算模型。对不同云层光学厚度下,不使用均衡滤波和使用均衡滤波时的信噪比与系统误码率间的关系进行了仿真与分析,发现使用均衡滤波能有效地对云层信道多次散射效应的影响进行抑制。

用于反演云层高度的记忆式滑动窗口积分算法

记忆式滑动窗口积分算法选取一定宽度的窗口,从地面开始滑动,对窗口内的信号进行积分,根据积分值和前一时刻的云层信息来反演云层高度。该算法可消除信号中的噪声,叠加放大信号中的云层信息,将云层与气溶胶加以区分。用该算法处理了Vaisala云高仪的数据,并与云高仪的结果进行了对比,结果表明,记忆式滑动窗口积分算法在反演尝云层信息信息时具有较高的准确性和可靠性。

大视场云层分布定位的光电测量系统

为获得空间目标监视设备上空适合观测的天区以提高设备的使用效率和观测效率,设计了实时监视观测站上空云层位置分布的光电测量系统。该系统采用以扁椭球折反射透镜组为核心的大视场光学设计,结合非制冷红外焦平面列阵探测器用于全天时采集天空云层图像;通过装有图像采集卡的计算机对采集的天空背景图像进行伪彩处理、图像修复等操作后,获得无云、薄云、厚云以及它们之间过渡区域可清晰区分的伪彩云层图像,并根据实验标定建立的空间角位置和像素的函数关系,给出云的分布位置信息。实验结果表明,该测量系统可以每5s输出一次高度角在20°以上的彩色云图,并计算出天空中云层的方位分布,定位精度约为1°。此系统可以实现云层分布的大视场定位测量,并提高空间目标监视设备的效率。

一种云层背景抑制与小目标检测方法

提出了利用形态学上的top hat算子对红外小目标检测的方法 ,对图像进行形态学滤波 ,对滤波后的图像进行分割 ,然后依据目标运动的连续性对分割后的图像进行连续滤波 ,从而检测到目标 .实验表明 。

高原东部春季降水云层的微物理特征分析

利用人工增雨飞机和机载PMS粒子探测系统 ,对高原东部地区春季人工增雨主要降水云层的微物理结构进行大量探测研究。根据 1995年和 1997年共 15架次的飞行探测资料 ,分析研究了高原东部低层大气气溶胶微粒的分布特征及其与大气层结的关系 ,着重分析了高原东部春季降水云层的云粒子、降水粒子以及冰晶。

云层背景中目标的相关识别

针对云层中目标的识别问题 ,以计算机模拟光学相关运算给出了识别结果。当目标亮度一定时 ,在输入场景和匹配滤波器有无边缘检测的几种情况下 ,研究了背景强弱变化对目标识别性能的影响。结果显示 ,当背景强度较弱时 ,输入场景与匹配滤波器进行光学相关运算就可以找出目标位置 ;当背景强度较强时 ,输入场景的边缘检测是提高云层中目标识别率的关键 。

评估云层对观测设备威胁等级的光电测量系统

采用大视场光学设计及非制冷红外焦平面阵列探测器采集天空背景,对图像进行伪彩处理、图像修复等操作,获得天空伪彩云层图像,并根据标定的空间角位置与像素间的函数关系,计算出云的分布位置信息;通过分析云层的浓厚程度、面积信息,判断其对观测设备的威胁程度。实验表明,该测量系统能以0.5 Hz的频率输出高度角15°以上天区的云图,云层的方位角定位精度为1.5°,仰角精度是0.9°,并可实时评估云层对观测设备的威胁程度。此系统可实现云层分布的测量定位,提高光电观测设备的使用效率。