[发明专利]一种基于直接成像的轻量型云粒子现场测量方法及系统

说明书

本发明提出一种基于直接成像的轻量型云粒子现场测量方法及系统，该方法的特征在于：采用非相干光源作为成像光源，该成像光源汇聚在图像传感器的景深处，形成云粒子三维采样空间；通过FPGA实现图像传感器短曝光，当采样空间内有云粒子时，照明光束与云粒子发生米散射作用，粒子前向散射光在图像传感器上生成云粒子图像；基于DSP实现云粒子图像实时采集与处理；建立云粒子图像像素点与实际尺度的定标关系；基于二值形态学方法，分析云粒子图像，获取云粒子特征参数。本发明实现了云粒子无接触成像，且具有质量轻、成本低、功耗小、环境适应性强等特点，在云降水物理研究、云参数遥感产品检验等领域有着广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及云微物理参数测量领域，具体涉及一种基于直接成像的轻量型云粒子现场测量方法及系统。

背景技术

云是由大气中液态、固态、混合态水凝物组成的漂浮在空中的可见聚合物。对云的粒径、相态、形状、取向等微物理特征参数的准确测量在气候变化、天气预测、人工影响天气、飞行安全等众多领域都有重要意义。目前，云微物理特性的探测方法主要有两种：遥感测量法和现场测量法。遥感测量法利用地基、天基遥感仪器接收的主被动信号反演云的微物理参数。但这些遥感反演过程需要建立对云和降水粒子特性的假设，不同假设情况下的反演结果差异很大，需要现场测量的结果进行检验。由于传感器直接接触云粒子，理论上现场测量法能对云的微物理特性进行更为准确的测量。原位云粒子探测器可分为机载探测器和球载探测器。其中，机载探测器已得到广泛应用，但飞机观测的成本高昂并且观测飞机不能在雷暴、台风等极端天气环境下工作。相比之下，球载探测器具有环境适应性强，使用成本低等优点，作为原位观测的补充手段，对于云微物理研究有重要意义，具有巨大的发展潜力。

根据测量原理的不同，球载云粒子探测器可分为粒子散射式探测器和碰撞印模式探测器类型。粒子散射式探测器测量采样区内粒子引起的光散射强度的变化，进而获得粒子粒径、相态以及光学特性等微物理参数，由于粒子的形状和折射率对散射光强度有较大影响，其测量结果只在测量球形粒子时有较高的可信度。碰撞印模式探测器使用胶片和涂层组成采样面收集碰撞到采样面的粒子印痕，分析粒子印痕得到粒子粒径、相态、形状等微物理特征，大粒子在撞击采样面时可能破碎，产生非天然的小粒子，而小粒子在采样过程可能发生形变，影响测量精度。综上，碰撞印模式探测器和粒子散射式探测器难以准确描述云粒子的真实微物理特征，设计一种结构简单、测量精度高的球载直接成像式云粒子探测器对于获取高精度的云微物理特征垂直分布有重要意义。

现有的直接成像式云粒子探测方法，如数字全息、激光成像等方法，对硬件有较高的要求，难以应用在球载探测器上。基于此，提出了一种基于直接成像的轻量型云粒子现场测量方法，该方法使用LED光源实现对云粒子的非接触成像，具有体积小、质量轻、功耗低等优点，满足气球探空要求。

发明内容

本发明提出一种基于直接成像的轻量型云粒子现场测量方法及系统，使用环形LED光源和精密成像系统实现对云粒子的非接触直接成像。该方法及系统可准确获取云粒子的微物理特征参数，可应用在实验室、系留气球、探空气球、高山云雾站等平台上，对于云降水物理研究、云参数遥感产品检验等领域有重要价值。

一方面为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于直接成像的轻量型云粒子现场测量方法，包括以下步骤：

获取成像光源，将所述成像光源汇聚到图像传感器，生成云粒子三维采样空间；

当所述三维采样空间采集到云粒子时，所述成像光源与所述云粒子发生米散射作用，获得云粒子前向散射光，所述云粒子前向散射光在所述图像传感器上生成云粒子图像；

利用DSP实时采集并处理所述云粒子图像；

利用光学分辨率检验板对处理后的所述云粒子图像进行标定，基于二值形态学方法，分析标定后的所述云粒子图像，获得所述云粒子的特征参数，完成所述云粒子的现场测量。