IT201800005817A1 - Dispositivo e metodo per misurazioni di visibilita' - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione avente per titolo:

“DISPOSITIVO E METODO PER MISURAZIONI DI VISIBILITA'”

Campo dell'invenzione

La presente invenzione riguarda un dispositivo automatico ed un metodo per misurazioni di visibilità, quest'ultima definita in termini di portata ottica meteorologica (meteorological optical range) nel seguito abbreviata con la sigla MOR.

Il documento di riferimento a livello internazionale per la misura di visibilità è "Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation" (nel seguito GMIMO) pubblicata nel 2007 dalla "World Meteorological Organization" (WMO).

Tra le varie grandezze definite in questo documento, la grandezza MOR viene definita come segue: "MOR (Meteorological Optical Range), portata ottica meteorologica: lunghezza del percorso in atmosfera necessario per ridurre il flusso luminoso in un fascio collimato generato da una lampada ad incandescenza ad una temperatura di 2700 K a 0,05 volte il suo valore originale."

La definizione della grandezza MOR si basa su una misurazione fisicamente significativa. Applicando la legge di Lambert-Beer (chiamata Bouguer-Lambert nella pubblicazione GMIMO), si ha:

dove F0 è il flusso luminoso a x = 0, F(x) quello in x, e σ è definito come coefficiente di estinzione. Il valore di x è dato quindi da:

Per definizione

Nella pubblicazione GMIMO, il rapporto F(x)/F0 è definito come fattore di trasmissione T (ed alla grandezza MOR è attribuito un ulteriore simbolo, P). Si deve quindi avere:

In conclusione, se su una distanza di riferimento (baseline) b viene misurato il fattore di trasmissione T, la grandezza MOR risulta essere pari a:

La pubblicazione GMIMO definisce inoltre il contrasto di luminanza C di un oggetto rispetto al suo sfondo come "il rapporto tra la differenza tra la luminanza dell’oggetto e il suo sfondo e la luminanza dello sfondo"; la soglia di contrasto � è invece definita come "il valore minimo del contrasto di luminanza rivelabile dall’occhio umano, ossia il valore che consente all’oggetto di essere distinto dallo sfondo". A immediata postilla della definizione, il documento precisa che "la soglia di contrasto varia da individuo a individuo". Ciononostante, il documento GMIMO assegna alla soglia di contrasto� il valore di 0,05, che non a caso corrisponde al riferimento del fattore di trasmissione per il calcolo della grandezza MOR.

Tecnica anteriore

Sono noti vari dispositivi e strumenti per la misura della visibilità in termini di MOR, quali ad esempio i trasmissiometri a singolo passo, a doppio passo o a passo multiplo.

Il brevetto statunitense n. US3772525 descrive ad esempio un trasmissiometro a passo multiplo in cui vengono utilizzati specchi angolari per deviare degli impulsi di luce e distinguere nel tempo le diverse retroriflessioni.

Oltre ai trasmissiometri, vengono generalmente utilizzati anche strumenti quali ad esempio i lidar (light detection and ranging) a retrodiffusione, del tipo utilizzato anche per la misura dell’altezza delle nubi, così come strumenti che misurano il coefficiente di diffusione (scatter meters), nei quali uno o più sensori misurano la luce prodotta da una sorgente definita e diffusa dall’atmosfera, mettendo poi in relazione la diffusione con il coefficiente di assorbimento e quindi con la grandezza MOR. I lidar hanno un principio di funzionamento simile. La differenza sostanziale riguarda la posizione dei sensori per il rilevamento della luce diffusa: nei lidar, tale posizione coincide essenzialmente con quella della sorgente, mentre negli strumenti sopra menzionati, ed in particolare per i più affidabili strumenti a forward scatter, i sensori sono posti fuori dall’asse del fascio e lo osservano con un angolo che varia tipicamente tra 20° e 50°.

Secondo il documento GMIMO, gli strumenti che misurano il coefficiente di diffusione risultano essere generalmente meno performanti rispetto ai trasmissiometri, sia in termini di errore sistematico che di errore statistico, almeno per quanto riguarda valori di MOR bassi. Inoltre, appaiono essere maggiormente influenzati da precipitazioni atmosferiche benché risultino poco suscettibili a contaminazioni delle loro parti ottiche.

Sommario dell'invenzione

Ciò premesso, uno scopo della presente invenzione è quello di proporre un dispositivo automatico per la misurazione di visibilità che sia costruttivamente semplice e che possa essere posto in condizioni operative in tempi brevi.

Un altro scopo della presente invenzione è quello di proporre un dispositivo automatico per la misurazione di visibilità che non richieda particolari accorgimenti di messa a punto.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di proporre un dispositivo automatico per la misurazione di visibilità che abbia dimensioni ridotte e che sia facilmente trasportabile.

Questi ed altri scopi vengono ottenuti dalla presente invenzione grazie ad un dispositivo per la misurazione di visibilità secondo la rivendicazione 1. Ulteriori caratteristiche peculiari del dispositivo secondo l'invenzione sono riportate nelle rispettive rivendicazioni dipendenti.

Il dispositivo automatico per misurazioni di visibilità secondo la presente invenzione comprende in particolare almeno un'immagine campione ed una coppia di specchi piani disposti in posizioni reciprocamente distinte per generare una coppia di immagini riflesse di almeno parte della singola immagine campione a distanze ottiche differenti rispetto alla telecamera. La telecamera è collegata ad un'unità di elaborazione per determinare il contrasto di luminanza tra le due immagini della coppia di immagini riflesse e determinare così la misura della visibilità.

L'impiego di una singola immagine campione e di una coppia di specchi piani semplifica la struttura complessiva del dispositivo e rende particolarmente semplici le operazioni di messa a punto del sistema ottico. In particolare, si ottiene la possibilità di disporre di una coppia di immagini riflesse che presentano la stessa illuminazione, sia essa naturale o artificiale, poiché vengono ottenute da una singola immagine campione. Inoltre, è stato vantaggiosamente riscontrato che il livello di illuminazione non incide sul contrasto di luminanza, e quindi sulla determinazione della visibilità.

In una possibile forma di realizzazione, l'asse ottico di riferimento del sistema ottico coincide con l'asse perpendicolare ad un primo dei due specchi piani. Il sistema ottico può essere ad esempio installato su un telaio di supporto comprendente un braccio longitudinale con asse parallelo all'asse ottico del sistema ottico ed un braccio trasversale, perpendicolare al braccio longitudinale, posto ad un'estremità del braccio longitudinale con il proprio centro giacente sulla medesima estremità del braccio longitudinale.

Il primo specchio piano, vale a dire quello con asse coincidente all'asse ottico di riferimento, è disposto all'estremità opposta del braccio longitudinale rispetto al braccio trasversale.

La telecamera è installata sul telaio di supporto in corrispondenza dell'intersezione tra l'asse ottico del sistema ottico con il piano ad esso ortogonale e contenente il braccio trasversale.

I restanti componenti del sistema ottico, vale a dire l'immagine campione ed un secondo dei due specchi piani, possono essere installati sul braccio trasversale del telaio di supporto. L'immagine campione può essere costituita ad esempio da figure contenenti diversi livelli di grigio, oppure dall'immagine della stessa telecamera che viene riprodotta come immagini riflesse dai due specchi piani.

Con la disposizione adottata per i vari componenti del sistema ottico, il dispositivo di misurazione nel suo complesso è costruttivamente semplice e risulta di facile messa a punto.

In una forma di realizzazione, un elemento di supporto può essere interposto tra il braccio trasversale del telaio di supporto ed il secondo dei due specchi piani. L'elemento di supporto comprende mezzi per regolare l'inclinazione del secondo dei due specchi piani rispetto all'asse ottico di riferimento. I mezzi per regolare l'inclinazione del secondo specchio possono includere ad esempio delle viti per consentire una regolazione fine dell'inclinazione dello specchio al fine di presentare alla telecamera le due immagini riflesse affiancate e/o in parziale sovrapposizione.

Per evitare la formazione di condensa sugli specchi, possono essere previsti dei mezzi riscaldanti associati a ciascuno degli specchi, quali ad esempio dei conduttori elettrici opportunamente alimentati.

La telecamera del sistema ottico può anche essere dotata di un filtro dicroico opportuno. Ad esempio, l’utilizzo di un filtro dicroico verde consente di concentrare la misura del contrasto di luminanza sulla regione verde dello spettro, dove l’occhio umano ha il massimo della propria efficienza luminosa, e di ridurre interferenze di luce dovute ad esempio ad illuminazione naturale o artificiale.

L'invenzione riguarda inoltre un metodo per effettuare misurazioni di visibilità, comprendente le fasi di:

a) mettere a disposizione un sistema ottico comprendente una telecamera, una singola immagine campione ed una coppia di specchi piani disposti in posizioni reciprocamente distinte per generare una coppia di immagini riflesse di almeno parte dell'immagine campione a distanze ottiche differenti rispetto alla telecamera;

b) collegare la telecamera ad un'unità di elaborazione;

c) calibrare il sistema ottico;

d) determinare il contrasto di luminanza istantaneo tra le due immagini riflesse; e

e) calcolare un valore istantaneo rappresentativo della visibilità in funzione del contrasto di luminanza determinato nella fase d).

Il metodo prevede che la messa a fuoco dell’obiettivo della telecamera sia regolata ad una distanza ottica intermedia tra le distanze ottiche differenti delle due immagini riflesse. In questo modo, l'effetto di sfocatura risulta all’incirca il medesimo su entrambe le immagini riflesse. In combinazione con questo accorgimento, è inoltre possibile minimizzare l’apertura del diaframma, in modo tale da aumentare la profondità di campo.

L'asse ottico di riferimento del sistema ottico coincide con l'asse perpendicolare ad un primo dei due specchi piani, mentre un secondo dei due specchi piani è inclinato per un angolo θ rispetto al piano perpendicolare all'asse ottico di riferimento.

Durante le fasi di misurazione della visibilità, l'unità di elaborazione è programmata per impostare una matrice di riferimento ed una matrice di fit che contengono valori rappresentativi dei pixel appartenenti all'immagine acquisita dalla telecamera. La determinazione del contrasto di luminanza e la valutazione del valore rappresentativo della visibilità vengono ricavati in base al confronto tra i valori della matrice di riferimento e della matrice di fit.

Il metodo prevede che le fasi d) ed e) vengano ripetute ciclicamente con periodo prestabilito, almeno pari al tempo di elaborazione. Viene inoltre calcolato ciclicamente un valore medio dei valori istantanei rappresentativi della visibilità con un periodo multiplo del periodo prestabilito in cui vengono effettuate le fasi d) ed e). Ad esempio, le fasi d) ed e) possono essere realizzate ciclicamente con periodo di un secondo ed il valore medio può essere calcolato ogni dieci secondi.

La fase c) prevede di calibrare il sistema ottico mediante un confronto con i risultati di un visibilimetro di riferimento comprendente ad esempio una sorgente di fascio laser proiettata verso almeno un primo dei due specchi piani ed un rivelatore di fascio laser collegato all'unità di elaborazione per determinare la potenza del fascio laser rilevata dal rivelatore di fascio laser. Il visibilimetro di riferimento può essere impostato ad esempio a singolo passo, sfruttando il percorso tra la sorgente di fascio laser, il primo dei due specchi piani ed il rivelatore di fascio laser.

Breve descrizione dei disegni

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno più evidenti dalla seguente descrizione, fatta a titolo di esempio con riferimento ai disegni allegati, in cui:

- la Figura 1 è una vista schematica del sistema ottico di un dispositivo secondo la presente invenzione;

- la Figura 2 è lo schema ottico del sistema ottico di Figura 1;

- la Figura 3 è una vista schematica in pianta di una forma di realizzazione di un dispositivo secondo la presente invenzione;

- la Figura 4 è una vista frontale di alcuni componenti del dispositivo secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

- la Figura 5 è l'immagine di un fotogramma ripreso dalla telecamera del dispositivo;

- la Figura 5A è uno schema del fotogramma di Figura 5;

- la Figura 5B è uno schema di un'altra forma di realizzazione in cui l'immagine campione è costituita dalla stessa telecamera;

- le Figure 6 e 7 sono grafici che illustrano l'andamento temporale di alcuni parametri calcolati secondo il metodo della presente invenzione durante una sessione di prova;

- la Figura 8 è un grafico che illustra l'andamento temporale del contrasto di luminanza e del fattore di trasmissione della sorgente di fascio laser durante una sessione di prova;

- la Figura 9 è un grafico che illustra il rapporto tra le grandezze del grafico di Figura 8;

- le Figure 10A e 10B sono grafici che illustrano la stima di incertezza nel tempo per alcune delle grandezze calcolate durante una sessione di prova, rispettivamente per singoli valori e per le medie dei valori;

- la Figura 11 è un grafico che illustra la stima, effettuata durante una sessione di prova, di uno dei fattori che contribuiscono all'errore sistematico nelle misure; e

- le Figure 12A e 12B sono grafici che illustrano la stima di precisione delle misure rispetto al tempo effettuata durante una sessione di prova.

Descrizione dettagliata

La base fisica della presente invenzione è costituita dalla legge di Koschmieder (si veda ad esempio la citata pubblicazione GMIMO), secondo la quale il contrasto di luminanza segue la stessa legge di attenuazione del flusso luminoso:

in cui C0 è detto contrasto inerente mentre C(x) è detto contrasto apparente. Dalla legge di Koschmieder discende che la misura della visibilità può essere effettuata valutando il rapporto tra C(x) e C0 esattamente come se si trattasse di flusso luminoso.

Come si evince dall’Eq. (2.1) sopra riportata, il rapporto C(x)/C0 ha infatti lo stesso andamento e<−xσ >del fattore di trasmissione T ≡ F(x)/F<0>. Ne discende che la visibilità, definita nell’Eq. (2.2), può essere determinata sostituendo nell’Eq. (2.4) il fattore di trasmissione T con il rapporto del contrasto di luminanza C(x)/C0, definito nel seguito come ρ (ρ ≡ C(x)/C0):

nella quale b è la lunghezza della distanza di riferimento (baseline).

Nella vista di Figura 1 è rappresentato schematicamente un sistema ottico di un dispositivo per misurazioni di visibilità secondo la presente invenzione, in cui è presente una singola immagine campione IMC ed una coppia di specchi piani S1 ed S2 che generano una coppia di immagini riflesse IM1 e IM3. Ciascuna delle immagini riflesse è disposta ad una diversa distanza ottica da un misuratore M, comprendente ad esempio una telecamera. L'asse ottico di riferimento O del sistema ottico di Figura 1 coincide con l'asse dello specchio piano S1, vale a dire con un asse perpendicolare al piano dello specchio S1.

Dallo schema di Figura 1 risulta pertanto che il dispositivo di misura della visibilità è basato su un misuratore di contrasto che prevede una singola immagine campione IMC e due specchi piani S1 ed S2 in grado di generare le immagini riflesse IM1 e IM3 aventi distanze ottiche differenti, ad esempio con la seconda immagine IM3 ad una distanza ottica pari al doppio della prima immagine IM1. Come risulterà chiaro dalla descrizione che segue, all’immagine IM3 è stata assegnata questa numerazione poiché essa risulta dal prodotto di tre riflessioni.

Infatti, nello schema ottico di Figura 2 viene rappresentata anche l'immagine IM2 che viene generata dallo specchio piano S2 e ha come oggetto, ossia come immagine sorgente, l'immagine IM1. L'immagine IM2 è invisibile alla telecamera di un misuratore M poiché si trova dietro al piano ottico della telecamera. L'immagine IM2 viene quindi riflessa dallo specchio S1 andando a generare l'immagine IM3 visibile dalla telecamera del misuratore M, che "vede" quindi l'immagine IM1 e l'immagine IM3. In pratica, l'immagine IM2, benché invisibile per la telecamera del misuratore M, è essenziale ai fini del funzionamento del dispositivo di misura della visibilità. L'immagine IM2 sarebbe visibile da un osservatore posto in corrispondenza dello specchio S1 e rivolto nella direzione dell'immagine campione IMC e dello specchio S2.

Come già evidenziato in precedenza, l’asse ottico O del sistema ottico (rappresentato anche in Figura 2 con linea tratteggiata) è definito dall’asse dello specchio piano S1 e coincide in sostanza con l’asse longitudinale del dispositivo. L’ingresso ottico del misuratore M, costituito in questo caso dall'obiettivo della telecamera, si assume come posto nell’origine di un sistema di assi cartesiani, con asse delle ascisse coincidente con l'asse ottico O rivolto verso lo specchio S1 e asse delle ordinate rivolto verso lo specchio S2.

Assumendo che la distanza "a" sia molto inferiore alla distanza "L", si ha che l’angolo α, espresso in radianti e positivo in senso orario, sotto il quale il misuratore M “vede” l’immagine IM1 verso destra è dato da a/(2L). Questo valore è l'approssimazione dell'espressione esatta α = arctan a/(2L) che, in base all'assunto sopra riportato, risulta essere α = a/(2L) con buona approssimazione.

Detto θ l'angolo di inclinazione dello specchio S2 verso destra (positivo in senso orario), e supponendo θ ≪ 1 (sempre in radianti), si ha che l’angolo β, espresso in radianti e positivo in senso antiorario, sotto il quale il misuratore M “vede” l’immagine IM3 è dato approssimativamente da [θ − a/(4L)] e, di conseguenza da [θ − α/2].

Per completezza, il misuratore M “vede” l’immagine IM1 ruotata di un angolo -α, ossia α in senso antiorario, rispetto al proprio asse verticale. Similmente, il misuratore M “vede” l’immagine IM3 ruotata di un angolo [2θ − β] in senso antiorario rispetto al proprio asse verticale.

E' comunque opportuno notare che, dal momento che per le immagini IM1 e IM3 il numero di riflessioni è dispari, le due immagini hanno la stessa chiralità.

Nelle Figure 3 e 4 è illustrata schematicamente la struttura di un impianto utilizzato nelle fasi di test, descritte più avanti, per verificare la precisione e l'accuratezza di un dispositivo di misura della visibilità secondo la presente invenzione. Il sistema ottico del dispositivo di misura è installato su un telaio di supporto 10 comprendente un braccio longitudinale 11 con asse parallelo all'asse ottico O del sistema ottico ed un braccio trasversale 12, perpendicolare al braccio longitudinale 11, posto ad un'estremità del braccio longitudinale 11 con il proprio centro giacente sulla medesima estremità del braccio longitudinale.

Lo specchio piano S1 è disposto all'estremità opposta del braccio longitudinale 11 rispetto al braccio trasversale 12 ed è montato su un supporto rigido, che consente comunque livelli minimi di regolazione.

La telecamera 20 del dispositivo di misura è installata sul telaio di supporto 10 in corrispondenza dell'intersezione tra l'asse ottico O del sistema ottico con il piano ad esso ortogonale e contenente il braccio trasversale 12. Un esempio di telecamera idonea può essere il modello "DMK 21AU04 Monochrome Camera" distribuita da "The Imaging Source". Il gruppo ottico della telecamera 20 comprende un opportuno obiettivo, tipicamente da 50 mm, e può essere corredato da un filtro dicroico, quale ad esempio il filtro verde "Green Dichroic Filter 505 nm – 575 nm" distribuito da "Edmund Optics", per ridurre eventuali interferenze provocate dall'illuminazione, oppure dal fascio laser durante le operazioni di calibratura.

L'immagine campione IMC ed il secondo specchio piano S2 sono installati sul braccio trasversale 12 del telaio di supporto 10.

L'immagine campione IMC può essere costituita da figure contenenti diversi livelli di grigio e può essere realizzata ad esempio con una lastra di alluminio sulla cui parte superiore è fissata una striscia o lastra 15 di colore bianco (Figura 4), seguita nella parte centrale da una porzione sabbiata 16 di colore grigio e seguita a sua volta, nella parte inferiore, da una striscia o lastra 17 di colore nero. Le porzioni 15, 16 e 17 sono comunque realizzate in materiale opaco.

Lo specchio piano S2, avente forma e dimensioni simili a quelle dello specchio S1, è montato sul braccio trasversale 12 del telaio di supporto 10 mediante un elemento di supporto 13 interposto tra lo specchio S2 ed il braccio trasversale 12. L'elemento di supporto 13 comprende mezzi a vite o simili per regolare finemente l'inclinazione dello specchio piano S2 rispetto all'asse ottico di riferimento O.

Gli specchi piani S1 ed S2 possono essere dotati di mezzi riscaldanti per evitare formazioni di condensa sugli stessi. I mezzi riscaldanti (non mostrati) possono essere costituiti ad esempio da conduttori elettrici opportunamente alimentati.

L’uscita della telecamera 20 è collegata all'unità di elaborazione 50.

Durante le fasi di test e calibratura sono disposti una sorgente 30 di fascio laser ed un rivelatore 40 di fascio laser sullo stesso braccio trasversale 12. I componenti 30 e 40 mettono a disposizione un trasmissiometro che può essere utilizzato a singolo passo, (sorgente 30 - specchio S1 - rivelatore 40) oppure a doppio passo (sorgente 30 -specchio S1 - specchio S2 - rivelatore 40), per fornire dei valori di riferimento da confrontare con quelli del dispositivo di misurazione secondo la presente invenzione al fine di valutarne l'incertezza delle misure.

La sorgente 30 di fascio laser può essere costituita ad esempio da un laser a diodo modello "CPS635F - Adjustable Focus Laser Diode Module, 635 nm, 4.5 mW" distribuito da "Thorlabs Inc." ed alimentato opportunamente da un alimentatore stabilizzato. La sorgente di fascio laser viene posizionata in modo tale da minimizzare le possibili interferenze di luce.

Il rivelatore 40 di fascio laser può essere ad esempio un modello "S120C - Standard Photodiode Power Sensor, 400 - 1100 nm, 50 mW" distribuito da "Thorlabs Inc." che consente di misurare la potenza del laser. L'uscita del rivelatore 40 è collegata ad una unità di elaborazione 50 (Figura 4) tramite un'opportuna interfaccia.

Nella vista di Figura 4 sono anche messe in evidenza le gambe 14 che sostengono la struttura di supporto 10 in posizione distanziata dal suolo. Il piano orizzontale contenente l’asse ottico è posto a 0,95 m dal suolo. Esso può essere portato all’altezza di esercizio prescritta dalla WMO, pari a 1,5 m, con opportune prolunghe.

Nelle Figure 5 e 5A è mostrato un tipico frame ripreso dalla telecamera 20 in atmosfera normale (e quindi con visibilità infinita). Si può notare come la geometria delle immagini riflesse IM1 e IM3 sia coerente con la descrizione precedente in relazione alle Figure 1 e 2. Inoltre, la luminanza dell'immagine IM3, generata da tre riflessioni, è leggermente inferiore a quella dell'immagine IM1 riflessa una volta sola. Ciò è dovuto alla riflettività degli specchi piani S1 ed S2, tipicamente pari a circa 90%. Nelle Figure 5 e 5A, la telecamera 20 “vede” sé stessa leggermente a sinistra. L'inclinazione della telecamera 20 è infatti impostata in modo da contenere nel frame la quasi totalità delle immagini IM1 e IM3.

Secondo un'altra forma di realizzazione, l'immagine campione IMC può essere costituita dalla stessa telecamera 20, dando luogo ad immagini riflesse IM1 e IM3 come quelle rappresentate in Figura 5B.

Il metodo per effettuare misure di visibilità si basa su un algoritmo eseguito dall'unità di elaborazione 50 che determina la visibilità a partire da un’immagine simile a quella riportata in Figura 5.

Una prima funzione dell'algoritmo calcola una matrice di riferimento R attribuendo a ciascun suo elemento Rk,j il valore medio di 4x4 pixel contigui della matrice che contiene l’intero frame dell'immagine di Figura 5. La matrice R ha dimensione Mref × Nref. Va notato che il primo indice della matrice, k, corrispondente alla riga della matrice, corrisponde alla coordinata y di un sistema di assi cartesiani (con l’origine in alto e positiva verso il basso, conformemente alla convenzione più comune nella trattazione di immagini); viceversa, l’indice j delle colonne della matrice corrisponde alla coordinata x. Con la stessa funzione vengono calcolate le seguenti tre quantità W0, W1, W2:

Una seconda funzione dell'algoritmo calcola la matrice di riferimento della regione di fit F attribuendo a ciascun suo elemento Fk,j il valore medio di 2x2 pixel contigui contenuti nell’intero frame dell'immagine di Figura 5. La matrice F ha dimensione Mfit × Nfit. La dimensione della matrice della regione di fit è maggiore o uguale a quella della regione di riferimento.

In una terza funzione dell'algoritmo la matrice di riferimento viene sovrapposta in tutti i modi possibili su una sottomatrice della matrice della regione di fit. Data una sovrapposizione, l’obiettivo è quello di misurare, mediante un’opportuna figura di merito, il grado di sovrapposizione tra la matrice di fit F e la matrice di riferimento R, opportunamente trasformata per tenere conto della variazione della luminanza di base e del contrasto di luminanza. In virtù dei fenomeni fisici descritti sopra, tale trasformazione è lineare:

dove r0<2 >è un fattore che tiene conto della riflettività degli specchi, κ tiene conto del diverso livello base di luminanza, e ρ coincide con il rapporto del contrasto di luminanza che compare nell’equazione (3.1) già riportata in precedenza per il calcolo della grandezza MOR. Il parametro ρ è quindi il parametro cruciale ai fini della determinazione della visibilità. Mentre r0 è misurato a priori (in una realizzazione si è avuto r0 = 0,893), i parametri κ e ρ vanno determinati mediante una procedura di analisi dati (fit), ottimizzando la figura di merito.

Come figura di merito χ si è scelta la somma degli scarti quadratici tra elementi della matrice di fit F e quelli della matrice di riferimento R, “trasformata” in modo lineare secondo la precedente equazione (3.2):

I valori ottimali per κ e ρ si ottengono mediante tecniche di analisi matematica standard. I risultati sono dati da:

dove W0, W1, W2 sono le quantità calcolate in precedenza dalla prima funzione dell'algoritmo, mentre i valori R e S, con un ulteriore valore U, sono definiti qui di seguito:

Al termine si ha:

Si ha dunque a disposizione il valore ρ0, ossia il valore di ρ che si verifica in corrispondenza del valore minimo della figura di merito χ tra tutte quelle risultate dalle diverse sovrapposizioni.

Facendo riferimento all’equazione (2.4) per il calcolo della grandezza MOR, in una quarta funzione dell'algoritmo viene verificato innanzitutto che ρ0 sia superiore a e<−b >

<ln(20)/500>, dove b è la lunghezza in metri della distanza di riferimento (baseline) utilizzata, mentre 500 è l’estremo superiore di visibilità prefissato, espresso in metri, per il presente calcolo. Se il valore ρ0 non soddisfa questa condizione, la misura di visibilità, indicata con v, viene posta a -1 (che segnala un valore fuori scala). Se invece il valore ρ0 è all’interno del limite prefissato, ρ0 viene trasformato in misura di visibilità v tramite l’equazione (2.4). Un dato di ρ0 viene prodotto dall'algoritmo ogni τ secondi.

Al fine di ottenere una misura di visibilità mediata in un dato intervallo temporale e di stimare contemporaneamente la precisione (errore statistico) della misura, il valore ρ0 viene mediato insieme con gli M − 1 valori precedenti. Tale operazione di media viene effettuata a condizione che tutti gli M valori consecutivi siano validi, corrispondenti cioè a valori di visibilità v all’interno dell'intervallo di misura tra 0 e 500 metri. Il valore medio <ρ0> ed il relativo errore standard δρ0 al tempo t sono calcolati mediante le seguenti espressioni:

A partire da <ρ0> e δ ρ 0 viene infine prodotta una misura di visibilità media < v> e il relativo errore statistico δ v utilizzando l’equazione (2.4) per il calcolo della grandezza MOR e la propagazione degli errori:

Un dato composto dalla coppia < v>, δ v viene prodotto ogni τ secondi (nel caso di singoli valori entro l'intervallo di validità); trattandosi del risultato di una media mobile su M elementi, si deduce che viene prodotto un dato mediato completamente indipendente dal precedente ogni Mτ secondi.

Ad esempio, ponendo il numero M pari a 10 e τ pari a un secondo, un dato mediato < v>, δ v completamente indipendente dal precedente viene prodotto ogni 10 secondi. Esempi sperimentali di misura della visibilità

E' stato approntato un prototipo di un dispositivo secondo la presente invenzione in cui i componenti del sistema ottico sono stati disposti su un telaio di supporto 10 conformemente a quanto rappresentato nelle Figure 3 e 4. Il braccio longitudinale 11 del telaio di supporto 10 aveva una lunghezza di 308 cm, mentre il braccio trasversale 12 aveva una lunghezza di 80 cm. La lunghezza complessiva della distanza di riferimento (baseline) b è risultata intorno a 6 metri. L'angolo θ di inclinazione dello specchio piano S2 è stato impostato a circa 1,5°.

Le misure di test e calibrazione sono state eseguite in diverse sedute in un ambiente simulato consistente in un volume di lunghezza di circa 30 m, larghezza di circa 12 m e altezza di circa 6 m nel quale viene prodotta nebbia artificiale mediante un sistema di nebulizzazione di acqua ad alta pressione. Le linee idrauliche che contengono gli ugelli sono poste a 2,4 m di altezza lungo i due lati lunghi dell’ambiente. L’ambiente simulato è provvisto di finestre ed è dotato di illuminazione artificiale a neon.

Come misuratore di visibilità supplementare è stato utilizzato il sistema comprendente la sorgente di fascio laser 30, lo specchio piano S1 ed il rivelatore di fascio laser 40 descritti sopra. Il fattore di trasmissione del laser ρlaser è dato dal rapporto

dove P è la potenza istantanea letta dal rivelatore 40, P0 è la potenza letta dal rivelatore 40 in condizione di atmosfera normale (e quindi con visibilità infinita), e Pdark è la potenza letta dal rivelatore 40 con laser ostruito. Il valore Pdark vale circa 20 μW di giorno e con illuminazione artificiale accesa, e 10 μW di giorno ma con illuminazione artificiale spenta.

In una tipica misura di test si parte da una condizione di atmosfera normale (e quindi con visibilità infinita). L’accensione del sistema di nebulizzazione produce una diminuzione della visibilità fino a valori dell’ordine di 10 metri. Il tempo di discesa della visibilità dipende dalla pressione dell’acqua nel sistema di nebulizzazione, alla quale si aggiunge una dipendenza, meno rilevante, dalla temperatura dell’ambiente simulato. Tempi tipici di discesa sono dell’ordine di 10 minuti. Allo spegnimento del sistema di nebulizzazione la visibilità ritorna a livelli normali in tempi pari a circa 3÷10 minuti.

Nella maggior parte delle misure, effettuate in più sessioni di test, è stata utilizzata una versione del software con τ impostato a 2 secondi.

In Figura 6 è mostrato l’andamento temporale del parametro κ. Particolarmente interessante il rapporto tra κ al tempo t ed il valore precedente, ossia κ al tempo t − τ. Tale rapporto, evidenziato in figura con una linea che oscilla attorno al valore 1, mostra alcuni picchi pari a circa 5 ed altri pari a circa 1/5. Essi corrispondono alla variazione di illuminazione dell’ambiente, operata mediante lo spegnimento e l’accensione dell’illuminazione artificiale.

Come illustrato in Figura 7, in cui viene rappresentato l'andamento temporale del parametro χ, la variazione di illuminazione si riflette anche nell’andamento temporale della figura di merito χ: ad un calo dell’illuminazione corrisponde un minor valore degli elementi delle matrici R e F e quindi di χ. Le fasi di “alta” e “bassa” illuminazione sono dunque distinguibili dal superamento o meno di un valore di soglia, posto qui pari a 1 e rappresentato dalla linea orizzontale che appare nel grafico.

In Figura 8 è mostrato l’andamento temporale del parametro contrasto di luminanza ρ, indicato da punti quadrati, e del fattore di trasmissione del laser ρlaser, indicato da punti a crocette. Sulla scala verticale a destra è riportata la visibilità v calcolata a partire da ρ utilizzando una distanza di riferimento (baseline) di 6,02 m (la differenza della scala con quella che rappresenterebbe la visibilità calcolata utilizzando una distanza di riferimento di 6,12 m è pari a circa il 2 %). I punti che compaiono approssimativamente negli intervalli 200-300 sec., 400-500 sec. e 600-650 sec. si riferiscono a fasi di “bassa” illuminazione, mentre i punti nei restanti intervalli corrispondono a fasi di "alta" illuminazione.

Risultano evidenti due aspetti: il primo, fondamentale, è il fatto che il livello di illuminazione non incide sul parametro ρ e quindi sulla determinazione della visibilità� v. Il secondo aspetto riguarda una leggera ma “sistematica” discrepanza tra le due misure, con ρlaser leggermente inferiore o quasi uguale a ρ, dovuta alla differente distanza di riferimento (baseline) della sorgente di fascio laser, pari a circa 6,12 m, rispetto a quella del restante sistema ottico, pari a circa 6,02 m.

L’indipendenza del parametro contrasto di luminanza ρ, e quindi della visibilità v, dal livello di illuminazione risulta evidente anche dalla Figura 9, nonché da altre figure seguenti. Ciascun punto corrisponde ad una coppia di punti del grafico di Figura 8 campionati nello stesso istante. I punti triangolari si riferiscono a condizioni di “bassa” illuminazione, mentre i punti quadrati si riferiscono a condizioni di "alta" illuminazione. La linea diagonale che attraversa il grafico indica la retta ideale ρ = ρlaser o, in modo equivalente, v = Vlaser. Risulta evidente la relazione quasi lineare che intercorre tra ρ e ρlaser o, equivalentemente, tra v e vlaser. Va ribadito che, mentre v è calcolata a partire da ρ utilizzando una distanza di riferimento (baseline) di circa 6,02 m, vlaser è calcolata a partire da ρlaser utilizzando una distanza di riferimento (baseline) di circa 6,12 m.

La differenza tra le due letture ρ e ρlaser riportata nelle Figure 10A e 10B fornisce una stima dell’incertezza del sistema. In questi grafici, i punti tondi si riferiscono a condizioni di "bassa" illuminazione, mentre i punti quadrati si riferiscono a condizioni di "alta" illuminazione. L’area compresa tra ±20 m nei grafici delle Figure 10A e 10B rappresenta la regione limite legata alle specifiche di incertezza del 20%. Per la Figura 10A sono stati presi in considerazione solo i punti che soddisfano la condizione v ≤ 100 m e vengono mostrati i valori della differenza v - vlaser. Ciascun punto corrisponde ad una coppia di punti del grafico di Figura 8 campionati nello stesso istante. Per la Figura 10B sono stati presi in considerazione solo i punti per i quali < v> ≤ 100 m. I punti corrispondono al valore medio su 10 misure < v - vlaser>. Ciascuna barra di errore associata ai punti del grafico è data da (δ v<2 >+ δ vlaser<2 >)<1/2>. L’area compresa tra ±20 m rappresenta la regione limite legata alle specifiche di incertezza del 20%.

L’incertezza è data dalla somma dell’errore sistematico e dell’errore statistico. L’errore sistematico, che esprime l’accuratezza di una misura, è notoriamente la tipologia di errore più difficile da investigare nella caratterizzazione di un qualunque dispositivo, specie se mancano “campioni” di riferimento. Sono elencate qui di seguito possibili sorgenti della differenza osservata tra le due letture:

• non-linearità dei sensori;

• posizione del fascio laser più bassa di circa 7 cm rispetto al baricentro delle immagini (la nebbia decresce con l’altezza dal suolo, anche all’interno dell’ambiente simulato);

• diversa diffusione a diverse lunghezze d’onda e per diverse dimensioni delle goccioline di acqua in sospensione.

Per quanto riguarda l’effetto della differenza in altezza tra il fascio laser e il baricentro delle immagini, in alcune sessioni di test sono state eseguite due misure: una con configurazione standard; l’altra con laser e rivelatore innalzati di 145 mm (da 105 mm sopra il piano superiore del telaio di supporto a 250 mm), cosicché la differenza in altezza è passata da -70 mm a 75 mm. Le due misure sono state eseguite in condizioni di “alta” illuminazione e con IJ all'incirca uguale a un secondo.

Il risultato è mostrato in Figura 11. I dati sperimentali sono interpretabili con il fatto che, in configurazione standard, il coefficiente di estinzione ı del laser è 1,17±0,02 volte quello delle immagini, mentre nella configurazione “sollevata” il coefficiente di estinzione del laser 0,97±0,01 volte quello delle immagini. Questi valori corrispondono ai reciproci dei coefficienti angolari delle rette di regressione lineare che compaiono nel grafico di Figura 11 come segue dall’equazione (2.3). La regressione lineare è stata effettuata su punti tali per cui < v> ≤ 100 m. Se si assume una dipendenza lineare del coefficiente di estinzione (e quindi della densità delle particelle della nebbia) dall’altezza, si ha che un laser posto sul piano orizzontale contenente l’asse ottico avrebbe un coefficiente di estinzione pari a 1,07 volte quello dell’immagine. La differenza rispetto all’unità potrebbe essere imputabile ad una diffusione della luce da parte della nebbia proporzionale alla lunghezza d’onda.

Un ulteriore aspetto riguarda la stima dell’errore statistico. A tal fine, le Figure 12A e 12B mostrano gli errori statistici prendendo in considerazione solo i punti che soddisfano le rispettive condizioni < v> ≤ 100 m e < vlaser> ≤ 100 m. I punti quadrati si riferiscono a condizioni di “alta” illuminazione, mentre i punti tondi si riferiscono a condizioni di “bassa” illuminazione.

In Figura 12A sono riportati i valori di σ v e in Figura 12B sono riportati i valori di σ vlaser calcolati su 10 misure e corrispondenti a valori medi tali per cui < v> ≤ 100 m e < vlaser> ≤ 100 m.

L’apparente similitudine tra le distribuzioni degli errori statistici σ v� e σ v�laser è confermata dal test di Kolmogorov-Smirnov (p–value > 0,25 nei casi mostrati). Da ciò si deduce che la principale sorgente di errore statistico è la nebbia stessa.

Riassumendo, sulla base dei dati sperimentali discussi sopra, è possibile concludere che, in via conservativa, mediando su 10 valori, l’incertezza massima sulla misura è pari a 20 m all’interno dell’intervallo di portata di interesse 0 – 100 m.

In sintesi, i test mostrano che un dispositivo secondo la presente invenzione per la misura di visibilità (MOR) a portata limitata soddisfa gli scopi dell'invenzione.

In particolare, assumendo una media su 10 valori consecutivi:

• la somma delle stime dell’errore sistematico e di quello statistico comporta un’incertezza massima sulla misura di visibilità pari a ±20 m all’interno dell’intervallo di portata di interesse 0 – 100 m;

• un dato indipendente può essere prodotto ogni 10 secondi.

• un dispositivo secondo l'invenzione è trasportabile e può essere posto in condizioni operative in tempi brevi, valutabili in circa 30 minuti;

• un dispositivo secondo l'invenzione non richiede una manutenzione particolare, fatta salvo il mantenimento della pulizia degli specchi piani.

Le prestazioni del prototipo realizzato, ad esempio in termini di incertezza, portata massima, e periodo prestabilito, sono migliorabili direttamente senza uscire dall’ambito dell’invenzione ad esempio mediante l’impiego di componenti ottici ed elettronici qualitativamente migliori.

Varie modifiche possono essere apportate alle forme di realizzazione qui descritte senza uscire dall'ambito dell'invenzione. Ad esempio, per l'impiego in condizioni di bassa illuminazione (ad esempio di notte), può essere prevista un'opportuna illuminazione dell'immagine campione, oppure l'immagine campione può essere di tipo “attivo”; i problemi di calibrazione sono evitati dal fatto che un dispositivo secondo la presente invenzione utilizza una sola immagine campione “sdoppiata” mediante il sistema di specchi piani.

Inoltre, può anche essere prevista un'immagine campione a sviluppo orizzontale, anziché a sviluppo verticale come quella qui descritta, e con una diversa distribuzione di valori di grigio. Può anche essere previsto l’utilizzo di un'immagine campione a simmetria circolare, al fine di rendere più agevole e rapida la procedura di ricerca della migliore sovrapposizione della matrice di fit con la matrice di riferimento.

Claims (19)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo automatico per misurazioni di visibilità, caratterizzato dal fatto di avere un sistema ottico che comprende una telecamera (20), almeno un'immagine campione (IMC), ed una coppia di specchi piani (S1, S2) disposti in posizioni reciprocamente distinte per generare una coppia di immagini riflesse (IM1, IM3) di almeno parte di detta immagine campione a distanze ottiche differenti rispetto a detta telecamera (20) ed un'unità di elaborazione (50) per determinare il contrasto di luminanza tra le due immagini di detta coppia di immagini riflesse (IM1, IM3) e calcolare un valore istantaneo rappresentativo della visibilità.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui l'asse ottico di riferimento (O) del sistema ottico coincide con l'asse perpendicolare ad un primo (S1) dei due specchi piani (S1, S2).
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui il sistema ottico è installato su un telaio di supporto (10) comprendente un braccio longitudinale (11) con asse parallelo all'asse ottico (O) del sistema ottico ed un braccio trasversale (12), perpendicolare al braccio longitudinale (11), con il proprio centro posto ad un'estremità del braccio longitudinale (11).
4. 4. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto primo specchio piano (S1) è disposto all'estremità opposta del braccio longitudinale (11) rispetto a detto braccio trasversale (12).
5. 5. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta telecamera (20) è installata su detto telaio di supporto (10) in corrispondenza dell'intersezione tra l'asse ottico (O) del sistema ottico ed il piano ortogonale all’asse ottico e contenente detto braccio trasversale (12).
6. 6. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta immagine campione (IMC) ed un secondo (S2) dei due specchi piani (S1, S2) sono installati sul braccio trasversale (12) di detto telaio di supporto (10).
7. 7. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui un elemento di supporto (13) è interposto tra il braccio trasversale (12) del telaio di supporto (10) ed il secondo (S2) di detti due specchi piani (S1, S2), detto elemento di supporto (13) comprendendo mezzi per regolare l'inclinazione del secondo (S2) di detti specchi piani (S1, S2) rispetto all'asse ottico di riferimento (O).
8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui mezzi riscaldanti sono associati a ciascuno di detti specchi piani (S1, S2).
9. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detta immagine campione (IMC) è costituita da figure contenenti diversi livelli di grigio o di coefficienti di riflessione diffusa.
10. 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detta immagine campione (IMC) è costituita da detta telecamera (20).
11. 11. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detta telecamera (20) è dotata di un filtro per la selezione di una regione spettrale.
12. 12. Metodo per effettuare misurazioni di visibilità, caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di: a) mettere a disposizione un sistema ottico comprendente una telecamera (20), almeno un'immagine campione (IMC), ed una coppia di specchi piani (S1, S2) disposti in posizioni reciprocamente distinte per generare una coppia di immagini riflesse (IM1, IM3) di almeno parte di detta immagine campione (IMC) a distanze ottiche differenti rispetto a detta telecamera (20); b) collegare detta telecamera (20) ad un'unità di elaborazione (50); c) calibrare il sistema ottico; d) determinare il contrasto di luminanza istantaneo tra dette due immagini riflesse (IM1, IM3); e e) calcolare un valore istantaneo rappresentativo della visibilità in funzione del contrasto di luminanza determinato in detta fase d).
13. 13. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui la messa a fuoco dell’obiettivo di detta telecamera (20) è regolata ad una distanza ottica intermedia tra le distanze ottiche differenti di dette due immagini riflesse (IM1, IM3).
14. 14. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui l'asse ottico di riferimento (O) del sistema ottico coincide con l'asse perpendicolare ad un primo (S1) dei due specchi piani (S1, S2), ed in cui un secondo (S2) di detti due specchi piani è inclinato per un angolo� rispetto al piano perpendicolare all'asse ottico di riferimento (O).
15. 15. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui detta unità di elaborazione (50) imposta una matrice di riferimento ed una matrice di fit, dette matrici contenendo valori rappresentativi dei pixel appartenenti all'immagine acquisita da detta telecamera (20), ed in cui la determinazione del contrasto di luminanza e la valutazione del valore rappresentativo della visibilità vengono ricavati in base al confronto tra i valori di detta matrice di riferimento e di detta matrice di fit.
16. 16. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui dette fasi d) ed e) vengono ripetute ciclicamente con periodo prestabilito.
17. 17. Metodo secondo la rivendicazione 16, in cui viene calcolato ciclicamente un valore medio dei valori istantanei rappresentativi della visibilità con un periodo multiplo di detto periodo prestabilito in cui vengono effettuate dette fasi d) ed e).
18. 18. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui detta fase c) prevede di calibrare il sistema ottico mediante un confronto con i risultati di un visibilimetro di riferimento comprendente una sorgente (30) di fascio laser proiettata verso almeno un primo (S1) di detti specchi piani (S1, S2) ed un rivelatore (40) di fascio laser per determinare la potenza del fascio laser rilevata da detto rivelatore (40) di fascio laser.
19. 19. Supporto di programma per elaboratore in cui è memorizzato un programma comprendente codici eseguibili da un'unità di elaborazione per effettuare misurazioni di visibilità secondo il metodo della rivendicazioni da 12 a 18.