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一种基于粒子成像测速的自然降水粒子微物理特征测量方法

阅读：2发布：2022-03-03

专利汇可以提供一种基于粒子成像测速的自然降水粒子微物理特征测量方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且基于粒子成像测速的自然降水粒子微物理特征测量方法，（1）利用光源与面阵图像传感器正对设置，构成三维立体采样空间；（2）在微处理器的控制下，利用快门和光源对降水粒子进行单帧双曝光，得到降水粒子的自相关图像；（3）通过建立降水粒子图像灰度与尺度的定标关系，根据降水粒子图像计算降水粒子的水平尺度和垂直尺度；（4）利用降水粒子图像灰度阈值检测和二值化处理，获得降水粒子的形状、轴比、取向信息；（5）采用基于两次降水粒子图像灰度跟踪的自相关速度提取算法，计算得到逐个降水粒子的水平和垂直运动速度；（6）基于降水粒子的速度和尺度对应关系，结合粒子图像的形状特征，判断降水粒子的相态。，下面是一种基于粒子成像测速的自然降水粒子微物理特征测量方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于粒子成像测速的自然降水粒子微物理特征测量方法，其特征包括如下步骤：
（1）利用光源与面阵图像传感器正对设置，构成三维立体采样空间；
（2）在微处理器的控制下，利用快门和光源对降水粒子进行单帧双曝光，得到降水粒子的自相关图像；
（3）通过建立降水粒子图像灰度与尺度的定标关系，根据降水粒子图像计算降水粒子的水平尺度和垂直尺度；
（4）利用降水粒子图像灰度阈值检测和二值化处理，获得降水粒子的形状、轴比、取向信息；
（5）采用基于两次降水粒子图像灰度跟踪的自相关速度提取算法，计算得到逐个降水粒子的水平和垂直运动速度；
（6）基于降水粒子的速度和尺度对应关系，结合粒子图像的形状特征，判断降水粒子的相态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：用散焦和运动模糊相结合的点扩散函数对粒子图像进行复原和增强；利用轮廓与灰度相结合的图像处理与特征提取方法，得到降水粒子的形状、尺度、轴比、取向等信息；利用基于粒子灰度跟踪的自相关速度提取算法计算得到降水粒子的水平运动速度和垂直运动速度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：图像传感器以每秒50±25帧的扫描频率连续采集穿过采样空间内的降水粒子瞬态图像。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在微处理器的控制下，利用快门和光源对降水粒子进行自适应单帧双曝光即两次曝光得到两次图像，快门的每次曝光时间不大于
10μs，得到降水粒子的自相关图像。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于：两次曝光之间的间隔时间根据不同类型的降水粒子进行自适应调整，介于1ms～3ms之间，保证在视场内降水粒子的两次完整曝光。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：利用时间积分得到降水粒子的形状、速度、尺度、轴比、取向和相态微物理特征的谱分布。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：背景图像实时检测时：将三维立体采样空间的图像作为背景图像，利用图像传感器连续获取降水粒子的单帧双曝光图像即连续曝光的自相关图像，将图像与背景图像差分后得到降水粒子的有效图像。
8.根据权利要求1或7所述的方法，其特征在于：非降水粒子的消除：对每一帧图像进行连续时序跟踪，如果在连续的下一帧或下几帧（如第二帧即第二次曝光的图像）内发现在相同位置有相同大小的降水粒子图像，则认为是沾在镜头上的降水粒子，作为噪声或飞点排除掉。
9.根据权利要求1或7所述的方法，其特征在于：有效图像的处理：利用图像处理方法得到降水粒子的清晰边缘、轮廓，具体步骤有：
步骤1：滤波去噪，针对仪器因素和环境因素给成像带来的叠加噪声，采用中值滤波方法去除图像中的噪点，同时不影响图像中的降水粒子有效信息；
步骤2：图像复原，针对成像系统中散焦、衍射效应所造成图像边缘模糊和图像质量退化，采用高斯函数模型，利用点扩散函数对模糊图像进行复原；
图像的退化模型为：
g(x,y)＝f(x,y)*h(x,y)+n(x,y) （1）
其中，g(x,y)为退化图像，f(x,y)为理想图像，h(i,j)为点扩散函数PSF，n(x,y)为加性噪声；
对于光学系统散焦造成的模糊，点扩散函数PSF为一个圆盘函数：
其中，R为散焦半径。其中x、y；i、j均为处理的各点的坐标；
步骤3：二值化与边缘轮廓提取，将降水粒子图像和背景进行分割，采用基于灰度直方图的全局阈值法设定二值化阈值，对降水粒子图像进行二值化处理后得到降水粒子的边缘轮廓。
10.根据权利要求1或7所述的方法，其特征在于：
降水粒子微物理特征的提取：二值化后通过图像处理和自相关速度提取方法得到降水粒子的长轴、短轴、等效直径、轴比、取向以及速度等微物理特征：
降水粒子的长轴EA：降水粒子图像轮廓上相距最远的两个像素点Pi、Pj之间连线；
降水粒子的短轴EB：与长轴垂直且最长的目标轮廓上两个像素点之间连线；
等效直径Eeq：与雨滴等体积的球体直径，通过长轴和短轴得到；
轴比α：短轴与长轴之比；
取向：降水粒子的对称轴（短轴方向EB）与垂直方向Vertical的夹角θ；
θ用短轴方向EB与垂直方向Vertical标出（7）
速度：降水粒子分别在水平方向(x2-x1)和垂直方向(y2-y1)的移动速度vx、vy：
降水微物理特征谱分布的提取：构建粒子对的完整捕捉概率Prob(D)模型，如式（9）：
其中，H为采样空间的高度，DV为粒子在垂直方向上的高度，V(D)为粒子的垂直运动速度，Tframe为单帧的曝光时间，Tinterval为两次曝光的间隔时间。

说明书全文

一种基于粒子成像测速的自然降水粒子微物理特征测量方

法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于粒子成像测速的自然降水粒子形状、速度等微物理特征测量方法，其主要用于气象自动化测量中。

背景技术

[0002] 降水现象是指云中液态的、固态的或混合态的水凝（冻）物从空中下落到地面上的一种天气现象。对降水的特征描述量可以分为降水量、降水强度、降水时数及其时空分布等宏观量和降水粒子大小、形状、速度、相态、构成、谱分布等微观量。

[0003] 降水粒子的微物理特征是气象科学研究、防灾减灾以及无线电通讯等领域的重要基础，研究降水分布特征需要准确获知典型地区的降水粒子大小及其谱分布；灾害性天气的监测和预警需要准确获知关键地区的降水强度及其谱分布特征；研究陆面过程中土壤侵蚀机理需要准确获知落于地表的降水粒子速度及其动能；研究降水导致电磁波传播衰减需要准确获知传播路径上的降水粒子形状和相态。因此实现对自然降水粒子微物理特征的准确测量，对于促进气象科学研究、提高防灾减灾能力等均有着重要的意义。

[0004] 传统的雨量筒、翻斗式雨量计、虹吸式雨量计、称重式雨量计等通过将雨水汇集到容器来测量降雨量和降雨强度，但是存在承水口易被树叶、沙子等杂物堵塞，无法测量固态降水；光学雨量计通过测量降水粒子对激光光束的衰减、散射和闪烁等特征来测量降水强度，但是对毛毛雨、混合型降水的测量精度和识别率较低；气象雷达和气象卫星利用不同波段电磁波与大气中降水粒子的相互作用来反演大尺度范围内的降水强度分布，但是时空分辨率较低，反演模型难以符合复杂多变的实际情况。这些手段均不具备对降水粒子微物理特征的测量能力。

[0005] 目前，国内外只有撞击感压法和光学法能够测量降水粒子的部分微物理特征。撞击感压法的代表仪器是Joss-Waldvogel雨滴谱仪，利用感知撞击到敏感探头上的雨滴动能来计算雨滴的大小及其谱分布，但是无法测量雨滴的形状和速度，而且易受环境噪声影响。基于单阵列光电二极管的德国OTT PARSIVEL激光雨滴谱仪根据降水粒子穿过光束所引起的光强衰减和持续时间来计算降水粒子的水平尺度和速度，但是其速度是根据水平尺度和雨滴形状的经验关系来计算得到的，因此速度测量误差较大，而且无法测量雪花、冰雹等固态降水粒子的形状。基于双线阵高速扫描的2D Video Disdrometer（2DVD）虽然可以根据雨滴穿过上下两个光束的时间来计算得到速度，但是仍然无法得到准确的降水粒子形状。这是因为目前满足自然条件下应用的线阵CCD扫描最大行频为34.1k/s，对于直径1mm的雨滴只能扫描8-9行，难以据此准确反演雨滴形状，而且存在分辨率和测量范围的矛盾，无法测量直径小于0.2mm的雨滴或降水粒子。

[0006] 为了突破线阵扫描原理的限制，出现了高速面阵CCD采集降水粒子图像采集的方法技术。但是常规高速摄像机只能够测量实验室风洞内雨滴的形状、速度、摆动等信息，不适用于在野外自然条件下测量降水。以帧率1000fps，分辨率640×480的高速摄像机为例，一天的图像数据有24TB，这给数据的采集、处理与存储带来了极大的压力，难以广泛推广。而普通照相机只能利用快速曝光得到降水粒子的形状和尺度信息（如CN201110066291.0），但是存在景深效应，无法准确测量尺度，而且无法测量速度，捕捉清晰图像的概率较低，只适用于个例测量，无法满足长期测量之应用。总体来讲，现有技术手段尚未实现降水微物理特征的准确测量。

发明内容

[0007] 本发明的目的是：提出一种满足多种自然条件且能够长期测量要求的降水微物理特征测量方法，利用面阵图像传感器（如CCD）和精密配合的光源实现对降水粒子的尺度、速度、形状、相态等微物理特征的实时测量。

[0008] 本发明的技术方案为：一种基于粒子成像测速的自然降水粒子微物理特征测量方法，包括如下步骤：

[0009] （1）利用光源与面阵图像传感器正对设置，构成三维立体采样空间；

[0010] （2）在微处理器的控制下，利用快门和光源对降水粒子进行单帧双曝光，得到降水粒子的自相关图像；

[0011] （3）通过建立降水粒子图像灰度与尺度的定标关系，根据降水粒子图像计算降水粒子的水平尺度和垂直尺度；

[0012] （4）利用降水粒子图像灰度阈值检测和二值化处理，获得降水粒子的形状、轴比、取向信息；

[0013] （5）采用基于两次降水粒子图像灰度跟踪的自相关速度提取算法，计算得到逐个降水粒子的水平和垂直运动速度；

[0014] （6）基于降水粒子的速度和尺度对应关系，结合粒子图像的形状特征，判断降水粒子的相态。

[0015] （7）可利用时间积分得到降水粒子的形状、速度、尺度、轴比、取向、相态等微物理特征的谱分布。

[0016] 面阵图像传感器以每秒50±25帧的扫描频率连续采集穿过采样空间内的降水粒子瞬态图像；

[0017] 在微处理器的控制下，利用快门和光源对降水粒子进行自适应单帧双曝光即两次曝光得到两次图像，快门的每次曝光时间不大于10μs，得到降水粒子的自相关图像。

[0018] 用散焦和运动模糊相结合的点扩散函数对粒子图像进行复原和增强；利用轮廓与灰度相结合的图像处理与特征提取方法，得到降水粒子的形状、尺度、轴比、取向等信息；利用基于粒子灰度跟踪的自相关速度提取算法计算得到降水粒子的水平运动速度和垂直运动速度；利用时间积分得到降水粒子的形状、速度、尺度、轴比、取向、相态等微物理特征的谱分布。

[0019] 背景图像实时检测时：将三维立体采样空间的图像作为背景图像，利用图像传感器连续获取降水粒子的单帧双曝光图像即连续两次曝光的自相关图像，将自相关图像与背景图像差分后得到降水粒子的有效图像。

[0020] 光源与面阵图像传感器（典型的如CCD）正对设置，构成三维立体采样空间；面阵图像传感器以每秒50±25帧的扫描频率连续采集穿过采样空间内的降水粒子瞬态图像；在DSP处理器的控制下，利用快门和光源对降水粒子进行自适应单帧双曝光即两次曝光得到两次图像，快门的每次曝光时间不大于10μs，得到降水粒子的自相关图像；可以保证得到降水粒子的清晰图像，不会出现拖尾、过曝等现象。

[0021] 两次曝光之间的间隔时间可以根据不同类型的降水粒子进行自适应调整（介于1ms～3ms之间），保证在视场内降水粒子的两次完整曝光，避免出现曝光粒子对不完整；得到降水粒子的形状、尺度、轴比、取向信息；利用自相关图像计算得到降水粒子的水平运动速度和垂直运动速度；利用时间积分得到降水粒子的形状、速度、尺度、轴比、取向、相态等微物理特征的谱分布。

[0022] 本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明所提出的基于粒子成像测速的自然降水粒子微物理特征测量方法，实现对降水粒子的非接触式、全场、瞬态及定量速度测量，可以有效获取降水粒子的形状、尺度、速度、相态等微物理特征。不仅克服了现有线阵CCD扫描或高速摄像技术的不足，而且控制了硬件成本，采用普通的面阵CCD或CMOS图像传感器即可实现，便于推广应用。附图说明

[0023] 图1是本发明的降水粒子微物理特征测量算法流程图；

[0024] 图2是本发明得到的雨滴自相关图像；

[0025] 图3是雨滴的尺度谱分布特征；

[0026] 图4是雨滴的速度谱分布特征；

[0027] 图5是雨滴的倾斜角分布特征。

具体实施方式

[0028] 本发明利用粒子成像测速技术，利用高平行度、高稳定性光源与面阵图像传感器（如CCD）正对设置的三维立体采样空间，通过自适应单帧双曝光方法对自然降水粒子微物理特征进行实时测量，得到自相关图像，并不限于常规的雨滴谱分布，而是覆盖雨滴、雪花、冰雹等多种类型降水粒子的形状、尺度、速度、轴比、取向等多种微物理特征。测量对象不仅限于雨滴及其尺度谱分布，更包括雪花、冰雹、雨夹雪等多种类型降水粒子的微物理特征。

[0029] 自然条件下成像采用基于平行光源的远心成像方法，平行光与远心成像光路解决大视场景深效应。点光源可采用多模集束光纤，经扩束透镜扩束后得到平行光束。

[0030] 所述自适应单帧双曝光，根据不同类型降水粒子的速度对单帧图像内两次曝光的间隔时间进行自适应调整。测量雪花两次曝光的时间间隔大于雨粒。

[0031] 利用散焦和运动模糊相结合的点扩散函数对粒子图像进行复原和增强，利用形状参数、矩形度、角点数、轴比、速度-尺度对应关系区分雨滴、雪花、冰雹和冰粒。

[0032] 具体实施方式如下：

[0033] 1）背景图像实时检测：将三维立体采样空间的图像作为背景图像，亦可将连续的n帧图像（如1024帧）图像平均后作为背景图像，这一过程是实时进行的，从而保证背景图像可以实时更新，消除采样空间内蜘蛛网、灰尘以及镜头结露、结雾等影响；

[0034] 2）降水粒子图像的获取：利用CCD（CMOS或其它面阵列图像传感器均可，分辨率高为佳）图像传感器连续获取降水粒子的单帧双曝光图像即连续两次曝光的自相关图像，将自相关图像与背景图像差分后得到降水粒子的有效图像；

[0035] 3）非降水粒子的消除：对每一帧图像进行连续时序跟踪，如果在连续的下一帧或下几帧（如第二帧即第二次曝光的图像）内发现在相同位置有相同大小的降水粒子图像，则认为是沾在镜头上的降水粒子，作为噪声或飞点排除掉；

[0036] 4）有效图像的处理：利用图像处理方法得到降水粒子的清晰边缘、轮廓，具体步骤有：利用散焦和运动模糊相结合的点扩散函数对粒子图像进行复原和增强；利用轮廓与灰度相结合的图像处理与特征提取方法

[0037] 步骤1：滤波去噪，针对仪器因素和环境因素给成像带来的叠加噪声，采用中值滤波方法去除图像中的噪点，同时不影响图像中的降水粒子有效信息；

[0038] 步骤2：图像复原，针对成像系统中散焦、衍射效应所造成图像边缘模糊和图像质量退化，采用高斯函数模型，利用点扩散函数对模糊图像进行复原；

[0039] 图像的退化模型为：

[0040] g(x,y)＝f(x,y)*h(x,y)+n(x,y) （1）

[0041] 其中，g(x,y)为退化图像，f(x,y)为理想图像，h(i,j)为点扩散函数PSF，n(x,y)为加性噪声。对于本发明中光学系统散焦造成的模糊，点扩散函数PSF为一个圆盘函数：

[0042]

[0043] 其中，R为散焦半径。其中x、y；i、j均为处理的各点的坐标，R为图像点的半径。

[0044] 步骤3：二值化与边缘轮廓提取，将降水粒子图像和背景进行分割，采用基于灰度直方图的全局阈值法设定二值化阈值，对降水粒子图像进行二值化处理后得到降水粒子的边缘轮廓。二值化处理binary image是指对图像二值化，就是将图像上的像素点的灰度值设置为0或255，也就是将整个图像呈现出明显的黑白效果。即将256个亮度等级的灰度图像通过适当的阈值选取而获得仍然可以反映图像整体和局部特征的二值化图像。图像的二值化有利于图像的进一步处理，使图像变得简单，而且数据量减小，能凸显出感兴趣的目标的轮廓。其次，要进行二值图像的处理与分析，首先要把灰度图像二值化，得到二值化图像。所有灰度大于或等于阈值的像素被判定为属于特定物体，其灰度值为255表示，否则这些像素点被排除在物体区域以外，灰度值为0，表示背景或者例外的物体区域。

[0045] 5）降水粒子微物理特征的提取：二值化后通过图像处理和自相关速度提取方法得到降水粒子的长轴、短轴、等效直径、轴比、取向以及速度等微物理特征。具体算法有：

[0046] 降水粒子的长轴EA：降水粒子图像轮廓上相距最远的两个像素点Pi、Pj之间连线；

[0047]

[0048] 降水粒子的短轴EB：与长轴垂直且最长的目标轮廓上两个像素点之间连线；

[0049]

[0050] 等效直径Eeq：与雨滴等体积的球体直径，通过长轴和短轴得到；

[0051]

[0052] 轴比α：短轴与长轴之比；

[0053]

[0054] 取向：降水粒子的对称轴（短轴方向EB）与垂直方向Vertical的夹角θ；

[0055]

[0056] 速度：降水粒子分别在水平方向(x2-x1)和垂直方向(y2-y1)的移动速度：

[0057]

[0058] 6）降水微物理特征谱分布的提取：构建粒子对的完整捕捉概率Prob(D)模型，如式（9）：

[0059]

[0060] 其中，H为采样空间的高度，DV为粒子在垂直方向上的高度，V(D)为粒子的垂直运动速度，Tframe为单帧的曝光时间，Tinterval为两次曝光的间隔时间。

[0061] 利用时间积分得到一段时间内降水粒子的形状、速度、尺度、轴比、取向、相态等微物理特征的直接采样谱分布Nsample(D)，即在图像采集有效时间内穿过采样空间的降水粒子的特征谱分布。

[0062] 经过捕获概率的修正后，即得到代表三维空间内的降水粒子微物理特征真实谱N(D)分布：

[0063]

[0064] 其中，S为有效采样空间。

[0065] 本发明利用轮廓与灰度相结合的图像处理与特征提取方法，得到降水粒子的形状、尺度、轴比、取向等信息，利用基于粒子灰度跟踪的自相关速度提取算法，得到降水粒子的水平和垂直运动速度。本发明可以实时测量多种类型降水粒子的形状、尺度、速度、相态等微物理特征，适用于野外条件下长期测量，可以有效提高自然降水粒子微物理特征的获取能力。

[0066] 本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

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