[发明专利]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

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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

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。

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：

（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。

（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。