基于平行光大視場的降水降雪自動觀測方法技術

基于平行光大視場的降水降雪自動觀測方法，利用光學單元、線陣圖像傳感器陣列、數據采集控制單元及傳輸單元，傳輸至終端計算機和相應軟件模塊；其中，所述光學單元包括大視場平行光管和成像系統兩部分；平行光管包括平行光源、光闌和準直透鏡組，平行光源采用高亮度LED光源或半導體激光器，經過毛玻璃、光闌和準直透鏡組后得到均勻、穩定的平行光；成像鏡頭位于平行光管出射端的前方，接收來自平行光管發出的平行光，經光學放大投射到線陣圖像傳感器上；可獲取單個降水粒子的形狀、等效尺度和下落末速度等信息，進行可實現降水現象的自動識別以及計算降水微物理參數的統計特征。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及ー種地面天氣現象自動觀測的氣象觀測方法，特別是一種適用于對降水降雪現象進行自動化測量的方法。
技術介紹
降水降雪現象是指液態的、固態的或混合態的水凝(凍)物從空中下落到地面上的ー種天氣現象。此類天氣現象和人類生活息息相關，如降水時空分布的不均會造成旱澇災害，短時強降水在某些地域可能會引起泥石流災害；連續的強降雪會引起交通大面積癱瘓，導致農業歉收或嚴重減產。在全球水熱循環和氣候變化研究中，降水資料是主要氣象資料之一。此外，降水觀測數據可用于天氣現象自動識別、云霧微物理過程研究、雷達回波強度校驗等領域。因此，實現降水降雪現象的定量觀測對于大氣科學研究和防災減災有著重要的意義。目前業務中降水降 雪現象的觀測僅限于利用雨量筒、翻斗雨量計等獲取降水強度和降水量等宏觀物理量，其時空分辨率均較低，而降水類型的識別依賴于人工目測，且無法獲得降水粒子的相態、形狀、速度和粒子譜等微觀信息，業務中沒有專門用于降雪觀測的儀器，因此當前降水降雪現象的觀測無法滿足科研、生產和軍事等部門日益強烈對降水更深ー層的了解，以及降水降雪信息自動化和精細化測量的需求。實現降水降雪現象的自動觀測，一方面可改變當前人工觀測和儀器測量并行的局面，有助于提高觀測質量，滿足加密觀測的需求，對于掌握我國的天氣狀況，對特大氣象災害的監測與預警，為維護我國交通安全、防災減災和環境安全等提供科學依據，另一方面，獲取高分辨率的降水粒子譜數據和瞬時降水強度等信息，可為大氣科學研究及相關應用需求提供更多有價值的信息。光學降水現象自動測量技術起始于20世紀60年代，目前比較成熟的有芬蘭Vaisala公司的PWD系列、美國ASOS的LEDW1、WIVIS的OS1、OffI系列、英國Biral的VPF-730、匈牙利的PWS100等傳感器。光學測量技術中圖像采集技術有其獨特優勢，能夠提供單個降水粒子的形狀和振蕩特性，如Schonhuber等研制的基于拍攝成像的ニ維視頻降水測量儀(Two-Dimensional Video Disdrometer, 2-DVD)和 D. Baumgardner 等研制的基于平行光遮擋成像原理的ニ維視頻降水測量儀(Meteorological particle Sensor, MPS),2DVD的最小分辨カ為0. 19mm，對小粒子探測能力較弱，MPS改善了對小粒子的探測能力，最小分辨カ可達0. 05mm,但其采樣面積僅為200mm*3. 2mm,對大粒子的探測能力較弱,無法提供全量程的降水粒子譜信息。在實際應用方面，我國部分臺站和科研院所進ロ 了少量的儀器設備，主要用于科研和重大事件的氣象保障，除了此類儀器價格昂貴外，其性能參數是否符合我國地域特點、工作穩定性及數據可靠性也有待進ー步檢驗。因此，無論是從業務運行還是科學研究的角度，發展國產自動化和精細化降水測量儀器是當前的迫切任務。
技術實現思路
本專利技術目的是針對上述業務觀測中存在的問題和當前大氣科學研究中對降水降雪自動化和精細化測量的需求，本專利技術提供ー種新型降水和降雪現象測量系統和相應的測量方法，實現降水現象的連續、自動無人值守觀測，能夠提供單個降水粒子和雪花的形狀和下落末速度等信息，為進ー步進行降水強度、降水性質和降水類型的自動識別提供了條件，對于推動天氣現象的自動化觀測、進ー步推動地面氣象全要素自動化觀測有著重要意義。為實現上述目的，本專利技術的技術方案是，采用一種基于平行光大視場的降水降雪成像的降水現象自動觀測系統，該系統包括光學単元、線陣圖像傳感器、數據采集控制單元及傳輸單元；傳輸至終端計算機和相應軟件模塊。其中，所述光學単元(測量模塊)包括平行光管和成像系統兩部分。平行光管包括平行光源、光闌和準直透鏡組，平行光源采用高亮度LED光源或半導體激光器，經過毛玻璃、光闌和準直透鏡組后得到均勻、穩定的平行光；成像鏡頭位于平行光管出射端的前方，接收來自平行光管發出的平行光，經光學放大投射到線陣圖像傳感器上。其中，線陣圖像傳感器由相同性能的兩個線陣圖像傳感器拼接而成，其數據輸出及曝光設置由數據采集控制單元統ー控制。高亮度LED光源或半導體激光器，經過毛玻璃、光闌和準直透鏡組后得到均勻、穩定的平行光；平行光管到成像鏡頭之際的距離和平行光管的直徑確定了采樣面積，大于10cm2。所述數據采集控制単元及傳輸單元以可編程邏輯器件FPGA為核心，完成線陣傳感器的時序驅動、高速線陣圖像數據的采集與緩存、線陣數據的預處理和傳輸接ロ邏輯。圖像傳感器置于成像鏡頭后，在數據采集控制單元的控制下，進行高速掃描，獲取降水粒子的圖像信息；由于不同尺度的降水粒子和雪花的下落末速度分布范圍廣，兩個線陣圖像傳感器采用不同的曝光頻率，即以25000幀/秒的曝光頻率獲取降水粒子通過采樣區間的投影，2500幀/秒曝光頻率獲取降雪粒子通過采樣區間，通過對投影的拼圖得到降水粒子的ニ維圖像，進而利用ニ維圖像提取得到降水粒子的形狀、等效尺度即直徑和末速度信息；基于平行光大視場的降水現象自動觀測方法，能實現降水降雪現象的連續、自動化和精細化測量；采用包括光學単元、線陣圖像傳感器陣列、數據采集控制單元及傳輸單元進行自動觀測，光學単元包括平行光管和成像鏡頭，線陣圖像傳感器置于成像鏡頭后在數據采集控制単元的控制下，進行高速掃描，獲取降水粒子的圖像信息；平行光管到成像鏡頭之間的距離和平行光管的直徑確定了采樣面積。采用線陣圖像傳感器以一定曝光頻率獲取降水粒子通過采樣區間的投影，通過對投影的拼圖得到降水粒子的ニ維圖像，進而利用ニ維圖像提取得到降水粒子的形狀、等效尺度(直徑)和末速度等信息。采用下述方法計算降水粒子直徑大小和末速度降水粒子直徑大小通過ニ維圖像中降水粒子成像圖像分析得到，或直接計算根據相應時刻被遮擋的像元個數，像元尺寸及光學成像放大倍率得到相應時刻降水粒子的水平尺度，將不同時刻掃描投影拼合可得到ニ維圖像并得到降水粒子形狀信息；將所有投影拼合就可以得到降水粒子完整的ニ維圖像，根據線陣曝光掃描頻率及獲取的降水粒子的有效數據幀數，計算降水粒子的下落末速度對于直徑為Deq的降水粒子，其降落末速度Vt為本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于平行光大視場的降水降雪自動觀測方法，其特征是利用光學單元、線陣圖像傳感器陣列、數據采集控制單元及傳輸單元，傳輸至終端計算機和相應軟件模塊；其中，所述光學單元包括大視場平行光管和成像系統兩部分；平行光管包括平行光源、光闌和準直透鏡組，平行光源采用高亮度LED光源或半導體激光器，經過毛玻璃、光闌和準直透鏡組后得到均勻、穩定的平行光；成像鏡頭位于平行光管出射端的前方，接收來自平行光管發出的平行光，經光學放大投射到線陣圖像傳感器上；其中，線陣圖像傳感器由相同性能的兩個線陣圖像傳感器拼接而成，其數據輸出及曝光設置由數據采集控制單元統一控制；高亮度LED光源或半導體激光器，經過毛玻璃、光闌和準直透鏡組后得到均勻、穩定的平行光；平行光管到成像鏡頭之際的距離和平行光管的直徑確定了采樣面積且大于10cm2；所述數據采集控制單元及傳輸單元以可編程邏輯器件FPGA為核心，完成線陣傳感器的時序驅動、高速線陣圖像數據的采集與緩存、線陣數據的預處理和傳輸接口邏輯；圖像傳感器置于成像鏡頭后在數據采集控制單元的控制下，進行高速掃描，獲取降水粒子的圖像信息；采用線陣圖像傳感器以25000幀/秒的曝光頻率獲取降水粒子通過采樣區間的投影，2500幀/秒曝光頻率獲取降雪水粒子通過采樣區間，通過對投影的拼圖得到降水粒子的二維圖像，進而二維圖像提取得到降水粒子的形狀、等效尺度即直徑和末速度信息；采用下述方法計算降水粒子直徑大小和末速度：降水粒子直徑大小通過二維圖像中降水粒子成像圖像分析得到，或直接計算：根據相應時刻被遮擋的像元個數，像元尺寸及光學成像放大倍率得到相應時刻降水粒子的水平尺度，將不同時刻掃描投影拼合得到二維圖像并得到降水粒子形狀信息；將所有投影拼合就可以得到降水粒子完整的二維圖像，根據線陣曝光掃描頻率及獲取的降水粒子的有效數據幀數，計算降水粒子的下落末速度：對于直徑為Deq的雨滴，其降落末速度Vt為：Vt=DeqfM式中f為CCD曝光頻率，M是等效直徑為Deq的雨滴對應的有效掃描行數；降水粒子直徑和降水粒子的下落末速度可以得到相應的天氣現象類型；輔之以降水粒子形狀信息進行精確的判斷。...

【技術特征摘要】
1.基于平行光大視場的降水降雪自動觀測方法，其特征是利用光學單元、線陣圖像傳感器陣列、數據采集控制單元及傳輸單元，傳輸至終端計算機和相應軟件模塊；其中，所述光學單元包括大視場平行光管和成像系統兩部分；平行光管包括平行光源、光闌和準直透鏡組，平行光源采用高亮度LED光源或半導體激光器，經過毛玻璃、光闌和準直透鏡組后得到均勻、穩定的平行光；成像鏡頭位于平行光管出射端的前方，接收來自平行光管發出的平行光，經光學放大投射到線陣圖像傳感器上；其中，線陣圖像傳感器由相同性能的兩個線陣圖像傳感器拼接而成，其數據輸出及曝光設置由數據采集控制單元統一控制；高亮度LED光源或半導體激光器，經過毛玻璃、光闌和準直透鏡組后得到均勻、穩定的平行光；平行光管到成像鏡頭之際的距離和平行光管的直徑確定了采樣面積且大于IOcm2 ;所述數據采集控制單元及傳輸單元以可編程邏輯器件FPGA為核心，完成線陣傳感器的時序驅動、高速線陣圖像數據的采集與緩存、線陣數據的預處理和傳輸接口邏輯；圖像傳感器置于成像鏡頭后在數據采集控制單元的控制下，進行高速掃描，獲取降水粒子的圖像信息；采用線陣圖像傳感器以25000幀/秒的曝光頻率獲取降水粒子通過采樣區間的投影，2500幀/秒曝光頻率獲取降雪水粒子通過采樣區間，通過對投影的拼圖得到降水粒子的二維圖像，進而二維圖像提取得到降水粒子的形狀、等效尺度即直徑和末速度信息；采用下述方法計算降水粒子直徑大小和末速度降水粒子直徑大小通過二維圖像中降水粒子成像圖像分析得到，或直接計算根據相應時刻被遮擋的像元個數，像元尺寸及光學成像放大倍率得到相應時刻降水粒子的水平尺度，將不同...

【專利技術屬性】
技術研發人員：高太長，江志東，翟東力，劉西川，蘇小勇，劉磊，趙世軍，
申請(專利權)人：中國人民解放軍理工大學，
類型：發明
國別省市：