[發(fā)明專利]一種基于直接成像的輕量型云粒子現(xiàn)場測量方法及系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2022-03-21
• 公開（公告）號: CN114663273B
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉磊;王鵬;劉西川;曾慶偉
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科技大學(xué)
• 主分類號: G06T1/20
• 分類號: G06T1/20;G06T7/136;G06T7/187;G06T7/194;G06T7/155;G06T7/80;G06T15/00;G01N21/53
• 代理公司: 北京東方盛凡知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11562
• 代理人: 張換君

本發(fā)明提出一種基于直接成像的輕量型云粒子現(xiàn)場測量方法及系統(tǒng)，該方法的特征在于：采用非相干光源作為成像光源，該成像光源匯聚在圖像傳感器的景深處，形成云粒子三維采樣空間；通過FPGA實現(xiàn)圖像傳感器短曝光，當(dāng)采樣空間內(nèi)有云粒子時，照明光束與云粒子發(fā)生米散射作用，粒子前向散射光在圖像傳感器上生成云粒子圖像；基于DSP實現(xiàn)云粒子圖像實時采集與處理；建立云粒子圖像像素點與實際尺度的定標(biāo)關(guān)系；基于二值形態(tài)學(xué)方法，分析云粒子圖像，獲取云粒子特征參數(shù)。本發(fā)明實現(xiàn)了云粒子無接觸成像，且具有質(zhì)量輕、成本低、功耗小、環(huán)境適應(yīng)性強等特點，在云降水物理研究、云參數(shù)遙感產(chǎn)品檢驗等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及云微物理參數(shù)測量領(lǐng)域，具體涉及一種基于直接成像的輕量型云粒子現(xiàn)場測量方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

云是由大氣中液態(tài)、固態(tài)、混合態(tài)水凝物組成的漂浮在空中的可見聚合物。對云的粒徑、相態(tài)、形狀、取向等微物理特征參數(shù)的準(zhǔn)確測量在氣候變化、天氣預(yù)測、人工影響天氣、飛行安全等眾多領(lǐng)域都有重要意義。目前，云微物理特性的探測方法主要有兩種：遙感測量法和現(xiàn)場測量法。遙感測量法利用地基、天基遙感儀器接收的主被動信號反演云的微物理參數(shù)。但這些遙感反演過程需要建立對云和降水粒子特性的假設(shè)，不同假設(shè)情況下的反演結(jié)果差異很大，需要現(xiàn)場測量的結(jié)果進行檢驗。由于傳感器直接接觸云粒子，理論上現(xiàn)場測量法能對云的微物理特性進行更為準(zhǔn)確的測量。原位云粒子探測器可分為機載探測器和球載探測器。其中，機載探測器已得到廣泛應(yīng)用，但飛機觀測的成本高昂并且觀測飛機不能在雷暴、臺風(fēng)等極端天氣環(huán)境下工作。相比之下，球載探測器具有環(huán)境適應(yīng)性強，使用成本低等優(yōu)點，作為原位觀測的補充手段，對于云微物理研究有重要意義，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

根據(jù)測量原理的不同，球載云粒子探測器可分為粒子散射式探測器和碰撞印模式探測器類型。粒子散射式探測器測量采樣區(qū)內(nèi)粒子引起的光散射強度的變化，進而獲得粒子粒徑、相態(tài)以及光學(xué)特性等微物理參數(shù)，由于粒子的形狀和折射率對散射光強度有較大影響，其測量結(jié)果只在測量球形粒子時有較高的可信度。碰撞印模式探測器使用膠片和涂層組成采樣面收集碰撞到采樣面的粒子印痕，分析粒子印痕得到粒子粒徑、相態(tài)、形狀等微物理特征，大粒子在撞擊采樣面時可能破碎，產(chǎn)生非天然的小粒子，而小粒子在采樣過程可能發(fā)生形變，影響測量精度。綜上，碰撞印模式探測器和粒子散射式探測器難以準(zhǔn)確描述云粒子的真實微物理特征，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高的球載直接成像式云粒子探測器對于獲取高精度的云微物理特征垂直分布有重要意義。

現(xiàn)有的直接成像式云粒子探測方法，如數(shù)字全息、激光成像等方法，對硬件有較高的要求，難以應(yīng)用在球載探測器上。基于此，提出了一種基于直接成像的輕量型云粒子現(xiàn)場測量方法，該方法使用LED光源實現(xiàn)對云粒子的非接觸成像，具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低等優(yōu)點，滿足氣球探空要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種基于直接成像的輕量型云粒子現(xiàn)場測量方法及系統(tǒng)，使用環(huán)形LED光源和精密成像系統(tǒng)實現(xiàn)對云粒子的非接觸直接成像。該方法及系統(tǒng)可準(zhǔn)確獲取云粒子的微物理特征參數(shù)，可應(yīng)用在實驗室、系留氣球、探空氣球、高山云霧站等平臺上，對于云降水物理研究、云參數(shù)遙感產(chǎn)品檢驗等領(lǐng)域有重要價值。

一方面為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

一種基于直接成像的輕量型云粒子現(xiàn)場測量方法，包括以下步驟：

獲取成像光源，將所述成像光源匯聚到圖像傳感器，生成云粒子三維采樣空間；

當(dāng)所述三維采樣空間采集到云粒子時，所述成像光源與所述云粒子發(fā)生米散射作用，獲得云粒子前向散射光，所述云粒子前向散射光在所述圖像傳感器上生成云粒子圖像；

利用DSP實時采集并處理所述云粒子圖像；

利用光學(xué)分辨率檢驗板對處理后的所述云粒子圖像進行標(biāo)定，基于二值形態(tài)學(xué)方法，分析標(biāo)定后的所述云粒子圖像，獲得所述云粒子的特征參數(shù)，完成所述云粒子的現(xiàn)場測量。