[發明專利]一種基于粒子成像測速的自然降水粒子微物理特征測量方法

有效

• 申請號: 201310330498.3
• 申請日: 2013-07-31
• 公開（公告）號: CN103439756A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 高太長;劉西川;劉磊;趙世軍;翟東力
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍理工大學
• 主分類號: G01W1/00
• 分類號: G01W1/00
• 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

技術領域

本發明涉及一種基于粒子成像測速的自然降水粒子形狀、速度等微物理特征測量方法，其主要用于氣象自動化測量中。

背景技術

降水現象是指云中液態的、固態的或混合態的水凝（凍）物從空中下落到地面上的一種天氣現象。對降水的特征描述量可以分為降水量、降水強度、降水時數及其時空分布等宏觀量和降水粒子大小、形狀、速度、相態、構成、譜分布等微觀量。

降水粒子的微物理特征是氣象科學研究、防災減災以及無線電通訊等領域的重要基礎，研究降水分布特征需要準確獲知典型地區的降水粒子大小及其譜分布；災害性天氣的監測和預警需要準確獲知關鍵地區的降水強度及其譜分布特征；研究陸面過程中土壤侵蝕機理需要準確獲知落于地表的降水粒子速度及其動能；研究降水導致電磁波傳播衰減需要準確獲知傳播路徑上的降水粒子形狀和相態。因此實現對自然降水粒子微物理特征的準確測量，對于促進氣象科學研究、提高防災減災能力等均有著重要的意義。

傳統的雨量筒、翻斗式雨量計、虹吸式雨量計、稱重式雨量計等通過將雨水匯集到容器來測量降雨量和降雨強度，但是存在承水口易被樹葉、沙子等雜物堵塞，無法測量固態降水；光學雨量計通過測量降水粒子對激光光束的衰減、散射和閃爍等特征來測量降水強度，但是對毛毛雨、混合型降水的測量精度和識別率較低；氣象雷達和氣象衛星利用不同波段電磁波與大氣中降水粒子的相互作用來反演大尺度范圍內的降水強度分布，但是時空分辨率較低，反演模型難以符合復雜多變的實際情況。這些手段均不具備對降水粒子微物理特征的測量能力。

目前，國內外只有撞擊感壓法和光學法能夠測量降水粒子的部分微物理特征。撞擊感壓法的代表儀器是Joss-Waldvogel雨滴譜儀，利用感知撞擊到敏感探頭上的雨滴動能來計算雨滴的大小及其譜分布，但是無法測量雨滴的形狀和速度，而且易受環境噪聲影響?；趩侮嚵泄怆姸O管的德國OTT?PARSIVEL激光雨滴譜儀根據降水粒子穿過光束所引起的光強衰減和持續時間來計算降水粒子的水平尺度和速度，但是其速度是根據水平尺度和雨滴形狀的經驗關系來計算得到的，因此速度測量誤差較大，而且無法測量雪花、冰雹等固態降水粒子的形狀。基于雙線陣高速掃描的2D?Video?Disdrometer（2DVD）雖然可以根據雨滴穿過上下兩個光束的時間來計算得到速度，但是仍然無法得到準確的降水粒子形狀。這是因為目前滿足自然條件下應用的線陣CCD掃描最大行頻為34.1k/s，對于直徑1mm的雨滴只能掃描8-9行，難以據此準確反演雨滴形狀，而且存在分辨率和測量范圍的矛盾，無法測量直徑小于0.2mm的雨滴或降水粒子。

為了突破線陣掃描原理的限制，出現了高速面陣CCD采集降水粒子圖像采集的方法技術。但是常規高速攝像機只能夠測量實驗室風洞內雨滴的形狀、速度、擺動等信息，不適用于在野外自然條件下測量降水。以幀率1000fps，分辨率640×480的高速攝像機為例，一天的圖像數據有24TB，這給數據的采集、處理與存儲帶來了極大的壓力，難以廣泛推廣。而普通照相機只能利用快速曝光得到降水粒子的形狀和尺度信息（如CN201110066291.0），但是存在景深效應，無法準確測量尺度，而且無法測量速度，捕捉清晰圖像的概率較低，只適用于個例測量，無法滿足長期測量之應用?？傮w來講，現有技術手段尚未實現降水微物理特征的準確測量。

發明內容

本發明的目的是：提出一種滿足多種自然條件且能夠長期測量要求的降水微物理特征測量方法，利用面陣圖像傳感器（如CCD）和精密配合的光源實現對降水粒子的尺度、速度、形狀、相態等微物理特征的實時測量。

本發明的技術方案為：一種基于粒子成像測速的自然降水粒子微物理特征測量方法，包括如下步驟：

（1）利用光源與面陣圖像傳感器正對設置，構成三維立體采樣空間；

（2）在微處理器的控制下，利用快門和光源對降水粒子進行單幀雙曝光，得到降水粒子的自相關圖像；

（3）通過建立降水粒子圖像灰度與尺度的定標關系，根據降水粒子圖像計算降水粒子的水平尺度和垂直尺度；

（4）利用降水粒子圖像灰度閾值檢測和二值化處理，獲得降水粒子的形狀、軸比、取向信息；

（5）采用基于兩次降水粒子圖像灰度跟蹤的自相關速度提取算法，計算得到逐個降水粒子的水平和垂直運動速度；

（6）基于降水粒子的速度和尺度對應關系，結合粒子圖像的形狀特征，判斷降水粒子的相態。

（7）可利用時間積分得到降水粒子的形狀、速度、尺度、軸比、取向、相態等微物理特征的譜分布。