一种基于激光反射原理的区域降雨均匀度测量装置的制作方法

本实用新型涉及人工降雨参数测定或喷灌器材参数测定技术领域，尤其涉及一种基于激光反射原理的区域降雨均匀度测量装置。

背景技术：

当前测量降雨均匀度的方法主要有以下几种：一种是采用多个雨量计在指定区域内按照一定的形式布设，测定一段时间后折算降雨均匀度，如目前广泛应用的下喷式人工降雨装置。该种降雨测量装置是通过多个不同流量段喷头组合形成，可以模拟一定强度和均匀度的降雨，不同的喷头形成的降雨区域均是圆形，但是不同高度或同一高度时圆形区域内的强度分布存在差异，因此测量结果的准确度低。另一种测量方法是采用激光雨滴谱仪对指定小区域内的雨滴分布进行测量。

针对上述两种现有技术，存在一些弊端。第一种方式由于雨量计的布设位置是人为设定，因此整个装置在布局时存在较大的主观因素，而雨量计的摆布位置就对均匀度的计算有较大影响，因此，会造成测量数据不准确。不仅如此，该方法很难测定不同高度位置的降雨均匀度，仅能针对特定平面的水滴分布进行测量。同时采用此类方法时测定过程中占用试验区场地，往往在测定完成后需要关闭降雨器，重新布设试验区域等，增加试验过程中的不确定性，影响试验效率。另一种方法由于受测量原理限制，测定的区域非常小，一般只用来测定雨滴直径的组成，难以实现较大区域内降雨均匀度的测量。

综上所述，现有的测量降雨的均匀度的方法，由于测量设备以及测量原理等因素的影响，难以对不同平面的水滴分布进行快速、精确测量。

技术实现要素：

本实用新型提供一种基于激光反射原理的区域降雨均匀度测量装置，以解决现有中由于测量设备以及测量原理等因素，难以对不同平面的水滴分布进行快速、精确测量。

为了解决上述问题，本实用新型公开了一种基于激光反射原理的区域降雨均匀度测量装置，包括：一字激光发生器、高速同步器、图像校正标志、数字图像处理器以及一个摄影器；所述一字激光发生器水平对准待测区域设置，所述摄影器设置在所述一字激光发生器中心的正上方，所述高速同步器分别与所述一字激光发生器和所述摄影器连接；所述图像校正标志设置在所述摄影器的拍摄视场内，并且数字图像处理器中记录有各图像校正标志之间的距离和位置坐标；所述高速同步器按照预设时间间隔，控制所述一字激光发生器发出光束，同时控制所述摄影器对所述待测区域进行图像拍摄，所述一字激光发生器发出的光束经所述待测区域中的雨滴反射后，在所述摄影器拍摄的图像中成像；所述摄影器拍摄预设数量组图像，所述数字图像处理器对所述摄影器拍摄的图像进行分析，得到区域降雨均匀度空间分布图。

优选地，所述一字激光发生器所发光出光束水平穿过所述待测区域，所述光束为红光或绿光。

优选地，所述摄影器与所述一字激光发生器之间的距离，等于所述一字激光发生器与所述待测区域之间的距离。

优选地，所述数字图像处理器包括：校正单元、非线性增强单元、光斑提取单元、叠加单元以及空间分布图生成单元；所述校正单元对各图像分别进行几何校正，得到校正后的图像；所述非线性增强单元对校正后的各图像，进行非线性增强处理，得到增强后的图像；所述光斑提取单元从各增强后的图像中提取雨滴图像对应的光斑，每个光斑对应一个点位；所述叠加单元将提取的全部光斑进行叠加，得到相同待测区域、同一点位的光斑叠加个数；所述空间分布图生成单元依据叠加得到的相同待测区域、同一点位的光斑叠加个数，生成区域降雨均匀度空间分布图。

优选地，所述数字图像处理器还包括：二值化处理单元；所述二值化处理单元将增强后的图像进行二值化处理，以供所述光斑提取单元从二值化处理后的图像中提取雨滴图像对应的光斑。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

本实用新型实施例提供的基于激光反射原理的区域降雨均匀度测量装置，将一字激光发生器发出的光束水平穿过待测区域，高速同步器分别与一字激光发生器和摄影器连接；高速同步器用于按照预设时间间隔，控制一字激光发生器发出光束，同时控制摄影器对待测区域进行图像拍摄，一字激光发生器发出的光束经待测区域中的雨滴反射后，在摄影器拍摄的图像中成像；摄影器拍摄预设数量组图像，数字图像处理器对摄影器拍摄的图像进行分析，得到区域降雨均匀度空间分布图。可见，通过本实用新型提供的基于激光反射原理的区域降雨均匀度测量装置，基于对雨滴的反射光生成的图像进行相应的图像分析可以准确测量出区域降雨均匀度，且该方法不受人为因素以及设备因素的影响，同时，由于一字激光发生器发出的光束处于地面之上，不受地形因素的影响，测量的降雨均匀度分布结果更加准确。不仅如此，该方案还可以适应于不同平面或斜面的水滴分布快速测量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例的一种基于激光反射原理的区域降雨均匀度测量装置的结构框图；

图2是本实用新型实施例二的数字图像处理器的结构框图；

图3是激光照射雨滴时的光路示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

参照图1，示出了本实用新型实施例一的一种基于激光反射原理的区域降雨均匀度测量装置的结构框图。

本实用新型实施例的基于激光反射原理的区域降雨均匀度测量装置包括：一字激光发生器101、高速同步器102、图像校正标志103、数字图像处理器104以及一个摄影器105。

一字激光发生器101水平对准待测区域106设置，一字激光发生器所发光出光束水平穿过待测区域，摄影器105设置在一字激光发生器中心的正上方，高速同步器102分别与一字激光发生器101和摄影器105连接；图像校正标志103设置在摄影器105的拍摄视场内，位于待测区域的四个角上，且数字图像处理器中记录各图像校正标志之间的距离和位置坐标。一字激光器所发出光束为红光或绿光。

高速同步器102按照预设时间间隔，控制一字激光发生器101发出光束，同时控制摄影器105对待测区域进行图像拍摄，一字激光发生器101发出的光束经待测区域中的雨滴反射后，在摄影器105拍摄的图像中成像；摄影器105拍摄预设数量组图像，数字图像处理器104对摄影器105拍摄的图像进行分析，得到区域降雨均匀度空间分布图。

其中，摄影器可以为高速高清摄像机，摄影器在进行图像拍摄时，每隔预设时间间隔从视屏中提取单帧画面作为所拍摄的图像。

需要说明的是，一字激光器是一种方便实用的定位工具。可广泛用于测量降雨均匀度或者其他的测量过程的定位工具。

一字线激光器线条清晰，小巧，易于安装，可为本实用新型提供准确的定位技术，可安装在使用机械的垂直或水平面上，提供一条可见的激光标线，使得在整个对降雨测量过程中产生一条可见的、非接触的定位线，方便生产操作和提高生产效率的优点，并且激光线可在三维空间任意微调，已达到最佳使用效果。激光器的水平入射光束厚度为2至6毫米的光线，因此，待测区域的厚度为2至6毫米。

将摄影器设置在一字激光发射器中心的正上方，高速同步器按照预设时间隔控制一字激光发生器发出光束，需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际情况对预设时间间隔进行选择，可以将预设时间间隔设置为5ms、6ms、10ms等，本实用新型实施例中对此不作具体限制。

该时间间隔为激光发出至在雨滴中完成反射所需的时间，该时间间隔与一字激光发生器与待侧区域间的间隔、以及待测雨滴大小有关。

当高速同步器按照预设时间间隔控制一字激光发生器发出光束的同时，由于高速同步器分别与一字激光发生器以及摄影器连接，当一字激光发生器发出光束的同时，摄影器会对待测区域进行拍摄，并且生成图像，且生成的图像为一字激光发生器发出的光束经过雨滴反射后所拍摄的图像。

需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际情况对图像的数量进行设定，为了使得测量数据的准确性，可以拍摄3组、4组或者5组等，对此不作具体限制。每组中的图片可以为5张，6张或8张等任意数量。

通过摄影器已采集到多组图像，通过数字图像处理器对多组图像进行分析，即可得到区域降雨均匀度空间分布图。进行分析时，首先，由于图像拍摄过程中可能发生变形，因此需要依据图像校正标志对图像进行校正；其次，一副图像中，有的像是相对摄影器近距离的雨滴的像，而有的则是相对摄影器远距离的雨滴的像，可能会存在部分雨滴的像不清晰，因此，需要对校正后的图像进行非线性增强处理，还原各雨滴像的真实性。再次，对图像进行前期处理后，需要对各图像中的光斑即雨滴图像进行提取，并将同组图像进行信息叠加，得到同一区域同一点位出现雨滴的次数。最后，对多组图像的叠加结果进行分析，最终得到降雨均匀度空间分布图。

本实用新型实施例提供的基于激光反射原理的区域降雨均匀度测量装置，将一字激光发生器所发出的光束水平穿过待测区域，高速同步器分别与一字激光发生器和摄影器连接；高速同步器用于按照预设时间间隔，控制一字激光发生器发出光束，同时控制摄影器对待测区域进行图像拍摄，一字激光发生器发出的光束经待测区域中的雨滴反射后，在摄影器拍摄的图像中成像；摄影器拍摄预设数量组图像，数字图像处理器对摄影器拍摄的图像进行分析，得到区域降雨均匀度空间分布图。可见，通过本实用新型提供的基于激光反射原理的区域降雨均匀度测量装置，基于对雨滴的反射光生成的图像进行相应的图像分析可以准确测量出区域降雨均匀度，且该方法不受人为因素以及设备因素的影响，测量的降雨均匀度分布结果更加准确，不仅如此，该方案还可以适应于不同平面的水滴分布测量。

实施例二

依然参照图1，对本实用新型实施例的基于激光反射原理的降雨均匀度测量装置进行说明。

本实用新型实施例提供的基于激光反射原理的区域降雨均匀度测量装置包括：一字激光发生器101、高速同步器102、图像校正标志103、数字图像处理器104以及一个摄影器105；一字激光发生器101水平对准待测区域106设置，摄影器105设置在一字激光发生器101中心的正上方，高速同步器102分别与一字激光发生器101和摄影器105连接；图像校正标志103设置在摄影器105的拍摄视场内，数字图像处理器104中记录各图像校正标志之间的距离和位置坐标。一字激光发生器101所发光出光束水平穿过待测区域，光束为红光或绿光。

需要说明的是，一字激光器是一种方便实用的定位工具。可广泛用于测量降雨均匀度或者其他的测量过程的定位工具，图像校正标志个数为三个。

高速同步器102按照预设时间间隔，控制一字激光发生器101发出光束，同时控制摄影器105对待测区域进行图像拍摄，一字激光发生器101发出的光束经待测区域中的雨滴反射后，在摄影器105拍摄的图像中成像。

其中，激光照射雨滴时的光路图如图3所示。从图3中可知，激光照射雨滴时，会产生两次反射以及两次折射，光线的具体走向参见图3所示。

为了更好的拍摄图像，将摄影器与一字激光发生器之间的距离设置为等于一字激光发生器与待测区域之间的距离。使得摄影器、一字激光发生器以及待测区域之间形成一个等腰三角形。

摄影器105拍摄预设数量组图像，数字图像处理器104对摄影器105拍摄的图像进行分析，得到区域降雨均匀度空间分布图。

当高速同步器按照预设时间间隔控制一字激光发生器发出光束的同时，由于高速同步器分别与一字激光发生器以及摄影器连接，在一字激光发生器发出光束的同时，摄影器会对待测区域进行拍摄，并且生成图像，且生成的图像为一字激光发生器发出的光束经过雨滴反射后所拍摄的图像。

需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际情况对图像的数量进行设定，为了使得测量数据的准确性，可以拍摄任意数量组图像，本实用新型实施例中对此不作具体限制。优选地，拍摄三组图像，且每组中包含5张图像。

摄影器拍摄的图像可以通过无线网络实时发送至数字图像处理器，也可以在全部图像拍摄完成后，由技术人员将摄影器所拍摄图像拷贝至数据图像处理器。

对摄影器采集到的多组图像，通过数字图像处理器进行分析，即可得到区域降雨均匀度空间分布图，分布图生成原理如下：数字图像处理器的结构示意图如图2所示，数据图像处理器104包括：校正单元1041、非线性增强单元1042、光斑提取单元1043、叠加单元1044、空间分布图生成单元1045以及二值化处理单元1046。数字图像处理器中包含的各单元为具有数据处理能力的硬件模块，该硬件模块中烧写有计算机程序。

校正单元1041对各图像分别进行几何校正，得到校正后的图像。

校正单元对图像进行校正时，依据预先记录的各图像校正标志之间的距离和位置坐标，对图像进行校正。

图像几何校正的基本方法是先建立几何校正的数学模型，其次利用已知的条件确定模型参数，最后根据模型对图像进行几何校正。具体步骤为第一步：图像空间变换，首先，建立图像像点左边(行、列号)和物方(或参考图)对应点坐标间的映射关系，解求映射关系中的未知参数，根据映射关系对图像各个像素坐标进行校正；第二步：确定各像素的灰度值。通过上述两个步骤得到校正后的图像。本实用新型实施例中，在进行图像校正时，需要应用到图像校正标志，将各图像校正标志的像作为校正基准进行图像校正。

通过上述方式，对各组图像中的各张图像进行校正，得到校正后的各组图像。

非线性增强单元1042对校正后的各图像，进行非线性增强处理，得到增强后的图像。

由于在对图像的拍摄过程中由于外界因素的影响，导致拍摄的图像整体偏暗，目标和背景对比度低、纹理弱、图像的灰度分布较为集中等不足，不易于观察目标图像的细节，由于以上特点，图像校正成为对图像进行增强处理成突出目标图像细节以及改善图像质量的主要手段。

目前，图像增强的方法分为空域处理和频域处理两大类。空域处理是在原图像上直接进行数据运算，常见的处理方法有：线性拉伸、直方图均衡化和反锐化掩模等。

此外，对图像进行非线性增强处理的方法还可以为Contourlet变换，它能在任意尺度上实现任意方向的分解，擅长描述图像中的轮廓和方向性纹理信息，在Contourlet域中分别对低频子带系数和各带通方向子带系数进行非线性处理，经反变化得到增强后的图像。

Contourlet变化的基本思想是首先用于各类似小波的多尺度分解捕捉边缘奇异点，再根据方向信息将位置相近的奇异点汇集成轮廓段。选用拉普拉斯塔式滤波器结构对图像多分辨率分解来捕捉奇异点，拉普拉斯塔式滤波器结构首先产生原始信号的一个低通采样逼近及原始图像与低通预测图像之间的一个差值图像，对得到的低通图像继续分解得到下一层的低通图像和差值图像。如此逐步滤波得到图像的多分辨率分解。二维方向滤波器应用于拉普拉斯塔式滤波器结构分解得到的每一级高频分量上，在任意尺度上可以分解得到2的n次方数目的方向子带，图像每次经过拉普拉斯塔式滤波器结构知道分解产生的高通子带输入二维方向滤波器，逐渐将点奇异连接成线性结构，从而捕获图像中的轮廓。二维方向滤波器和拉普拉斯塔式滤波器结构的结合形成双层滤波器组结构，成为塔形方向滤波器组，由于该变换已轮廓段形式的基函数逼近原始和图像，因此也称为离散Contourlet变换。

通过上述方法能够对目标图像和背景整体对比度的提升，很好的保留了图像边缘，还原雨滴所成像的真实性。

需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际情况选择非线性方法对图像进行非线性增强处理，对此不作具体限制。

二值化处理单元1046；二值化处理单元将增强后的图像进行二值化处理，以供光斑提取单元从二值化处理后的图像中提取雨滴图像对应的光斑。

将非线性增强后的图像进行二值化处理，其中，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。在二值化处理单元中可以设置图像二值化的相关计算机程序。

在数字图像处理中，二值图像占有非常重要的地位，首先，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。通过对图像进行二值化处理，方便对测量降雨均匀度的测量。

需要说明的是，图像二值化处理为可选步骤，在具体实现过程中，可以直接对非线性增强处理后的图像进行光斑。也就是说，二值化处理单元为可选模块，数字图像处理器中可以不包括二值化处理单元。

光斑提取单元1043从各增强后的图像中提取雨滴图像对应的光斑，每个光斑对应一个点位。

需要说明的是，提取雨滴图像对应的光斑可以采用基于块和变换的方法、三角形网络立体图像编码算法或者利用PS(Adobe Photoshop，图像处理软件)提取图像等方法对特征点的提取。在光斑提取单元中可以设置光斑提取的相关计算机程序。

其中，采用三角形网络立体图像编码算法的图像提取方法，以左图像为参考图像，对左图像提取特征点，把图区的特征点连成Delaunay三角形网络，对每一个提取的特征点在右图像中找到与其最匹配的对应点，得到该点的视差，对所有的特征点都计算得到视差矢量后，用这些特征点连成Delaunay三角形通过仿射变换得到所有像素的视差矢量，这样就得到右图像的视差重建图像，原始右图像和视差重建图像的差值，就是残差图像，需要编码的对象有左图像、左图像的特征点、特征点的视差矢量和残差图像。

该算法的特征点提方法充分利用图像中物体的边缘，建立Delaunay三角形时尽量把物理区分对待，所以在进行三角形仿射变换时，尽可能体现物体的旋转、尺度收缩以及弹性形变等。

采用PS提取图像的方法，由于PS图像处理作为计算机应用中的重要组成部分，在很多领域发挥着重要作用，在图像处理中包含了图像的提取，且该种方法易于操作。

叠加单元1044将提取的全部光斑进行叠加，得到相同待测区域、同一点位的光斑叠加个数。

对提取的全部光斑进行叠加也可以使用PS对光斑进行叠加，得到在同一待测区域同一点位的光斑的个数，方便后续的处理。

空间分布图生成单元1045依据叠加得到的相同待测区域、同一点位的光斑叠加个数，生成区域降雨均匀度空间分布图。

生成的区域降雨均匀度空间分布图可以表征待测区域在一定时间段内的降雨分布。

本实用新型实施例提供的基于激光反射原理的区域降雨均匀度测量装置，将一字激光发生器所发出的光束水平穿过待测区域设置，高速同步器分别与一字激光发生器和摄影器连接；高速同步器用于按照预设时间间隔，控制一字激光发生器发出光束，同时控制摄影器对待测区域进行图像拍摄，一字激光发生器发出的光束经待测区域中的雨滴反射后，在摄影器拍摄的图像中成像；摄影器拍摄预设数量组图像，数字图像处理器对摄影器拍摄的图像进行分析，得到区域降雨均匀度空间分布图。可见，通过本实用新型提供的基于激光反射原理的区域降雨均匀度测量装置，基于对雨滴的反射光生成的图像进行相应的图像分析变可以准确测量出区域降雨均匀度，且该方法不受人为因素以及设备因素的影响，测量的降雨均匀度分布结果更加准确。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上对本实用新型所提供的一种基于激光反射原理的区域降雨均匀度测量装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、电子系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本实用新型也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本实用新型的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本实用新型的最佳实施方式。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本实用新型的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简公开并帮助理解各个实用新型方面中的一个或多个，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成如下意图：即所要求保护的本实用新型要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，实用新型方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本实用新型的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本实用新型的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本实用新型的各个部件实施例可以以硬件实现，或者在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本实用新型实施例的客户端设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本实用新型还可以实现用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本实用新型的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本实用新型进行说明而不是对本实用新型进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本实用新型可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。