一种基于正交双视场的三维降水粒子测量与重构装置及方法与流程

本发明涉及一种基于正交双视场的三维降水粒子测量与重构方法，其主要用于气象自动化测量中。

背景技术：

降水现象是指云中液态的、固态的或混合态的水凝物从空中下落到地面上的一种天气现象，降水粒子在下落过程中其大小、形状、速度及其谱分布呈现复杂的变化，尤其是降水粒子的三维形状、轴比、空间取向等，这些三维特征在降水物理学研究、电磁波传播评估、雷达定量遥感等领域具有重要的作用。但是现有降水测量手段大多只能够测量雨滴谱分布，并不具备降水粒子三维形状的准确测量能力。

目前气象观测业务中的雨量筒、翻斗式雨量计、称重式雨量计以及光学雨量计等只能够测量累积降雨量和降雨强度，无法测量降水粒子的微物理特征。基于撞击感压法式的Joss-Waldvogel雨滴谱仪可以通过感知撞击到探头上的雨滴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；基于单线阵扫描的OTT PARSIVEL激光式雨滴谱仪可以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，其速度是根据雨滴轴比的经验关系来计算得到的，无法测量降水粒子的形状。基于双线阵扫描的2D Video Disdrometer可以根据两束正交的平行光来测量降水粒子形状和速度，但是其形状是基于高速扫描拼合得到的，形状易受到风的影响出现畸变。基于面阵成像的Snow Video Imager可以通过面阵相机拍摄雪花的二维图像，但不能反映真实三维特征，而且常规成像方式存在景深效应和近大远小的视场效应，不适用于三维空间内降水粒子体目标的定量测量。由此可见，降水粒子三维特征的测量能力明显不足，远不能满足相关领域的迫切需求。

技术实现要素：

本发明的目的是：提出一种基于正交双视场的三维降水粒子测量与重构方法，采用双目视场成像方法，实现对三维空间内降水粒子立体特征的实时测量和重构。

本发明的技术方案为：一种基于正交双视场的三维降水粒子测量与重构装置，包括两个面阵图像传感器、两个脉冲光源、一个线阵图像传感器、一个连续光源、微处理器和上位机；

所述两个面阵图像传感器和两个脉冲光源一一正对设置，以远心成像系统相连，面阵图像传感器和脉冲光源之间构成两个面阵采样空间，且两个面阵采样空间正交设置，两个面阵采样空间重叠的空间即为三维采样空间；

所述线阵图像传感器和连续光源正对设置，以远心成像系统相连，构成一个宽采样空间，设置于三维采样空间正上方；

所述微处理器将两个面阵图像传感器、两个脉冲光源和一个线阵图像传感器相连；面阵图像传感器和脉冲光源的时序由微处理器同步控制，保证脉冲光源和面阵图像传感器的精密时序配合；线阵图像传感器以高速扫描的方式对三维采样空间进行实时扫描，当有降水粒子穿过时，向面阵图像传感器和脉冲光源输出时序指令，用于触发面阵图像传感器采集图像；在精密时序的控制下，两个面阵图像传感器分别得到降水粒子在两个正交视场角度的二维投影图像，通过不同时刻脉冲光源的曝光，匹配得到同一时刻同一粒子的正交双视场二维投影图像；

所述微处理器采集正交双视场二维投影图像作为原始数据，并将采集的原始数据经过编码后传输到上位机；

上位机接收编码数据后，根据降水粒子的正交双视场二维投影图像重构得到降水粒子三维图像；并利用图像处理技术得到降水粒子的三维特征。

本发明还提供一种利用所述的基于正交双视场的三维降水粒子测量与重构装置实现的基于正交双视场的三维降水粒子测量与重构方法，具体步骤如下：

步骤一、采用微处理器对高速线阵图像传感器、面阵图像传感器与脉冲光源精密同步控制，利用高速线阵图像传感器实时扫描，当高速线阵图像传感器检测到降水粒子时，则持续向面阵图像传感器及脉冲光源输出触发信号，触发面阵图像传感器和脉冲光源工作；当高速线阵图像传感器未检测到降水粒子时，不输出触发信号；

步骤二、在微处理器的精密时序的控制下，两个面阵图像传感器分别得到降水粒子在两个正交视场角度的二维投影图像，通过匹配得到同一时刻同一粒子的正交双视场二维投影图像；

步骤三、根据正交双视场二维投影图像重构得到降水粒子的三维图像；

步骤四、根据降水粒子的三维图像，分别计算粒子的三维特征。

进一步的，步骤三中采用像素匹配方法，根据正交双视场二维投影图像重构得到降水粒子的三维图像。

进一步的，步骤四中所述粒子的三维特征包括三维尺度、纵横比、空间取向、下落末速度。

进一步的，步骤一中，利用线阵图像传感器实时扫描，具体步骤为：

步骤1：线阵图像传感器以不低于每秒200000行的扫描速度对三维采样空间进行连续扫描，得到降水粒子的逐行的离散剖面宽度；

步骤2：根据每一个降水粒子的逐行剖面宽度，采用降水粒子垂直尺度和水平尺度的经验关系计算逐个降水粒子的垂直尺度，然后根据降水粒子尺度和下落末速度的经验关系，拼合得到降水粒子的二维图像。

进一步的，步骤二中，所述面阵图像传感器和脉冲光源精密协同，曝光时序采用单帧双曝光或单帧多曝光方式，得到正交双视场的时间自相关图像。

进一步的，降水粒子三维图像的重构包括：

步骤1：图像预处理，对非降水因素产生的图像进行消除，然后通过滤波去除图像白噪声，提取有效图像数据，得到正交双视场二维投影图像；

步骤2：分别根据正交双视场二维投影图像在采样空间内的相对位置，对图像进行定位和匹配，最终得到同一时刻内同一个降水粒子在正交角度的两幅图像；

步骤3：根据降水粒子在采样空间内的相对位置，以1个像素为分辨率划分三维网格，对二维图像进行离散化，并对应到三维网格点上；

步骤4：将降水粒子在三维网格点上的分布以灰度值方式表示，灰度值0表示无降水粒子图像，1～255则表示有降水粒子图像，像素值越大代表粒子遮挡导致的光强越弱，在三维空间内就有一个立体的像素分布，基于此重构得到降水粒子的三维图像。

进一步的，步骤1中对非降水因素产生的图像进行消除，采用像素灰度值方法、形状参数方法或者图像边缘方法。

进一步的，步骤2中对图像进行定位和匹配，采用重心匹配、边缘匹配或者顶点匹配。

进一步的，在得到逐个降水粒子三维图像的基础上，提取降水粒子的三维尺度、灰度强度及密度这些三维特征，基于所述三维特征计算降水粒子的纵横比、空间取向、形状参数、矩形度、角点数这些三维微物理特征参数；通过特征匹配和时间匹配计算得到降水粒子在立体空间内的下落末速度；最后采用形状参数、速度-尺度经验关系来识别雨滴、雪花、冰雹这些降水类型。

所述的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正交双视场的三维降水粒子测量与重构方法，利用高速线阵实时监测降水粒子样本，更进一步的利用双视场成像方法，可以有效获取降水粒子的三维图像，基于此可以得到降水粒子的三维尺度、纵横比、空间取向等微物理特征。不仅克服了现有单角度测量和平面测量方法的不足，而且采用普通面阵和线阵图像传感器，硬件成本较低，便于推广应用。该方法可以实现自然空间内三维降水粒子微物理特征测量的自动化、准确性和精细化。

附图说明

图1是本发明的结构组成框图；

图2是本发明的光路示意图；

图3是本发明的工作流程图；

图4是本发明的三维雨滴图像重构流程。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明提出了高速线阵和面阵相结合的正交双视场测量装置，利用两个面阵图像传感器、两个脉冲光源、一个高速线阵图像传感器和一个连续光源共同组成三维降水粒子测量系统。两个面阵传感器和两个脉冲光源分别正对设置，面阵传感器和脉冲光源之间构成两个采样空间正交设置；微处理器对线阵图像传感器、面阵图像传感器和脉冲光源进行实时控制，将采集的原始数据经过编码后传输到上位机；上位机接收编码数据后，根据降水粒子在两个正交角度的二维投影来重构得到降水粒子三维图像；利用图像处理技术得到降水粒子的形状、纵横比、空间取向等三维特征。

所述的一对线阵图像传感器和连续光源正对设置，采样空间位于面阵采样空间的正上方，采用高速线扫的方式采集降水粒子，采集有效降水粒子的信号用于面阵和脉冲光源的触发信号。有效采样空间，由一个平面和两个圆柱形空间共同构成，两个圆柱形空间共同构成三维采样空间。

所述的面阵图像传感器和脉冲光源联合，曝光时序包括但不限于单帧双曝光和单帧多曝光，在单帧图像内得到多次曝光图像，基于此计算得到降水粒子在三维空间内的运动情况；

曝光时序方式和曝光时间间隔的选择取决于高速线阵图像传感器对降水粒子的扫描结果，尺度大且速度大的采用小间隔，尺度小且速度小的采用大间隔，这一选择为自动调整过程。

面阵成像和线阵成像均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。

包括但不限于利用像素匹配方法，根据正交双视场的二维图像重构得到降水粒子的三维图像，并提取三维降水粒子的形状参数、矩形度、角点数、纵横比，可采用形状参数、速度-尺度对应关系来区分雨滴、雪花、冰雹等降水类型。

如图3所示，具体实施方式如下：

1)高速线阵的实时扫描：在连续光源的照射下，线阵图像传感器(CCD或CMOS)通过高速扫描得到降水粒子的剖面图像，并为双面阵成像提供触发脉冲，具体步骤为：

步骤1：线阵图像传感器以不低于每秒200,000行的扫描速度对采样空间进行连续扫描，得到降水粒子的逐行的离散剖面宽度；

步骤2：根据每一个降水粒子的逐行剖面宽度，采用降水粒子垂直尺度和水平尺度的经验关系计算逐个降水粒子的垂直尺度，然后根据降水粒子尺度和下落末速度的经验关系，拼合得到降水粒子的二维图像；

步骤3：当线阵图像传感器未检测到降水粒子时，不输出触发信号；当检测到降水粒子时，则持续向面阵及脉冲光源输出触发信号。

2)双视场图像的采集：在线阵图像传感器输出触发信号的条件下，利用双面阵图像传感器，以单帧双曝光或单帧多曝光方式对穿过采样空间的降水粒子双视场图像进行实时采集。

3)降水粒子三维图像的重构，如图4所示：

步骤1：图像预处理，采用但不限于像素灰度值、形状参数、图像边缘等方法对水渍、飞虫等非降水因素产生的图像进行消除，然后通过滤波去除图像白噪声，提取有效图像数据，得到正交双视场图像；

步骤2：分别根据正交双视场图像在采样空间内的相对位置，采用但不限于重心匹配、边缘匹配、顶点匹配等方法对图像进行定位和匹配，最终得到同一时刻内同一个降水粒子在正交角度的两幅图像；

步骤3：根据降水粒子在采样空间内的相对位置，以1个像素为分辨率划分三维网格，对二维图像进行离散化，并对应到三维网格点上；

步骤4：将降水粒子在三维网格点上的分布以灰度值方式表示，比如灰度值0表示无降水粒子图像，1～255则表示有降水粒子图像，像素值越大代表粒子遮挡导致的光强越弱，这样在三维空间内就有一个立体的像素分布，基于此重构得到降水粒子的三维图像。

4)降水粒子三维微物理特征的提取：在得到逐个降水粒子的三维图像的基础上，提取降水粒子的三维尺度、灰度强度及密度等三维特征，基于此计算降水粒子的纵横比、空间取向、形状参数、矩形度、角点数等三维微物理特征参数；通过特征匹配和时间匹配计算得到降水粒子在立体空间内的下落末速度；最后采用形状参数、速度-尺度经验关系等来识别雨滴、雪花、冰雹等降水类型。

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。