[發明專利]基于平行光大視場的降水降雪自動觀測方法

無效

• 申請號: 201210569814.8
• 申請日: 2012-12-25
• 公開（公告）號: CN103033857A
• 公開（公告）日: 2013-04-10
• 發明（設計）人: 高太長;江志東;翟東力;劉西川;蘇小勇;劉磊;趙世軍
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍理工大學
• 主分類號: G01W1/14
• 分類號: G01W1/14
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

1.基于平行光大視場的降水降雪自動觀測方法，其特征是利用光學單元、線陣圖像傳感器陣列、數據采集控制單元及傳輸單元，傳輸至終端計算機和相應軟件模塊；其中，所述光學單元包括大視場平行光管和成像系統兩部分；平行光管包括平行光源、光闌和準直透鏡組，平行光源采用高亮度LED光源或半導體激光器，經過毛玻璃、光闌和準直透鏡組后得到均勻、穩定的平行光；成像鏡頭位于平行光管出射端的前方，接收來自平行光管發出的平行光，經光學放大投射到線陣圖像傳感器上；其中，線陣圖像傳感器由相同性能的兩個線陣圖像傳感器拼接而成，其數據輸出及曝光設置由數據采集控制單元統一控制；高亮度LED光源或半導體激光器，經過毛玻璃、光闌和準直透鏡組后得到均勻、穩定的平行光；平行光管到成像鏡頭之際的距離和平行光管的直徑確定了采樣面積且大于10cm²；所述數據采集控制單元及傳輸單元以可編程邏輯器件FPGA為核心，完成線陣傳感器的時序驅動、高速線陣圖像數據的采集與緩存、線陣數據的預處理和傳輸接口邏輯；

圖像傳感器置于成像鏡頭后在數據采集控制單元的控制下，進行高速掃描，獲取降水粒子的圖像信息；采用線陣圖像傳感器以25000幀/秒的曝光頻率獲取降水粒子通過采樣區間的投影，2500幀/秒曝光頻率獲取降雪水粒子通過采樣區間，通過對投影的拼圖得到降水粒子的二維圖像，進而二維圖像提取得到降水粒子的形狀、等效尺度即直徑和末速度信息；

采用下述方法計算降水粒子直徑大小和末速度：降水粒子直徑大小通過二維圖像中降水粒子成像圖像分析得到，或直接計算：根據相應時刻被遮擋的像元個數，像元尺寸及光學成像放大倍率得到相應時刻降水粒子的水平尺度，將不同時刻掃描投影拼合得到二維圖像并得到降水粒子形狀信息；將所有投影拼合就可以得到降水粒子完整的二維圖像，根據線陣曝光掃描頻率及獲取的降水粒子的有效數據幀數，計算降水粒子的下落末速度：

對于直徑為D_eq的雨滴，其降落末速度V_t為：

Vt=DeqfM]]>

式中f為CCD曝光頻率，M是等效直徑為D_eq的雨滴對應的有效掃描行數；降水粒子直徑和降水粒子的下落末速度可以得到相應的天氣現象類型；輔之以降水粒子形狀信息進行精確的判斷。

2.根據權利要求1基于平行光大視場的降水降雪現象自動觀測方法，其特征是降水粒子直徑和降水粒子的下落末速度可以得到相應的氣象狀況；輔之以降水粒子形狀信息進行精確的判斷。

3.根據權利要求1基于平行光大視場的降水降雪現象自動觀測方法，其特征是結合線陣曝光頻率及獲取的降水粒子的有效數據幀數，計算降水粒子的下落末速度。

4.根據權利要求1或4基于平行光大視場的降水降雪現象自動觀測方法，其特征是平行光管到成像鏡頭之際的距離和平行光管的直徑確定了采樣面積。

5.根據權利要求1基于平行光大視場的降水降雪現象自動觀測方法，其特征是采用兩個線陣圖像傳感器拼接，兩個線陣圖像傳感器采用不同的曝光速率，獲取同一時刻降水降雪現象的不同圖像特征，結合溫濕度等氣象信息，有助于進行降水類型和天氣現象的自動識別。

6.根據權利要求1基于平行光大視場的降水降雪現象自動觀測方法，，其特征是采用低曝光速率獲取下落末速度較小的雪花圖像，能夠防止過采樣引起圖像的畸變。

7.根據權利要求1基于平行光大視場的降水降雪現象自動觀測方法，其特征是采用兩個線陣圖像傳感器以不同的曝光速率獲取當前天氣現象的響應特性，根據兩種曝光條件下線陣圖像傳感器的響應特性，應用于雜散光抑制和噪聲的修正。

8.根據權利要求1基于平行光大視場的降水降雪現象自動觀測方法，其特征是通過圖像分析得到降水粒子的等效直徑D_eq，降水強度通過下式得到：

R=π6ΣN(D)ρDeq3V(D)]]>

式中N(D)為粒子譜分布，V(D)為雨滴或雪花的降落速度，ρ為雨滴或雪花的密度。