CN102183801A - 基于数字摄像的降水现象自动观测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于数字摄像的降水现象自动观测系统，包括：带有摄像开口的摄像端箱体；安装在摄像端箱体内的防护罩，其带有由透明材料制成的拍摄窗的一端朝向摄像开口；带有背景开口的背景箱体，该背景开口与摄像开口沿水平方向相对；安装在防护罩内的摄像装置，用于受控地拍摄采样区域内的图像；安装在防护罩内用于其内环境温度的温控装置；安装在摄像端箱体内邻近摄像开口处的用于增加采样区域亮度的光源；控制温控装置和光源工作的控制模块；为摄像装置、温控装置、光源和控制模块供电的电源模块；以及计算机。本发明的系统可采集到处于自然运动状态的降水粒子清晰数字图像，分析得到降水粒子的尺寸和形状等特征，识别多种降水类型。

Description

基于数字摄像的降水现象自动观测系统

技术领域

本发明涉及天气现象自动观测系统，特别是基于数字摄像的降水现象自动观测系统。

背景技术

降水现象观测一直是气象和水文站最基础的观测项目之一。在中国气象局颁布的《地面气象观测规范》中，降水现象包括11种，分别为：雨、阵雨、毛毛雨、雪、阵雪、雨夹雪、阵性雨夹雪、霰、米雪、冰粒和冰雹。

目前用于降水现象自动观测识别试验的仪器或系统大体有三类：

一、基于粒子运动的力学效应观测的感应器

这类感应器包括声感应器（Acoustic detector）、压电感应器（Piezoelectric detector）和冻雨感应器（Freezing Rain Sensor）等。

声感应器的工作原理为：当其水平感应器受到粒子撞击时，产生电脉冲，电脉冲的幅度与雨滴大小成比例，因而通过对电脉冲幅度的测量能够比较有效地测量雨滴的大小分布，故这类声感应器也被称为声学雨滴谱仪。但是，声感应器在检测雪晶粒子和小雨滴时，由于雪晶粒子落速小，容易将其与小雨滴撞击效应相互混淆。

压电感应器的工作原理为：当压电晶体元件受到降水粒子撞击时，出现压电效应，根据对压电效应的检测可以有效区分降雨和降雹。但是压电感应器不能鉴别其它类型的固态降水。

而冻雨感应器只对冻雨检测有效，其原理为：设置一根振动棒，当过冷雨滴撞击振动棒的棒体后会立即冻结，振动棒的超声振动频率与累积水量成比例，通过对振动棒超声振动频率的检测能够比较有效地对冻雨进行检测。

上述感应器对于降水类型的识别而言都只能属于辅助设备，它们受探测原理的局限，只能满足特定场合降水监测识别的要求。

二、微波粒子谱仪

微波粒子谱仪实际上是一种为地面布网观测识别降水现象而设计的小型化、连续波、低功率的多普勒雷达，因而也称为多普勒雨滴谱仪（Doppler rain-gauge disdrometer）。其天线波束指向垂直向上的方向，发射天线和接受天线彼此靠近，测量体积紧贴天线上方。微波粒子谱仪对回波信号进行频谱分析，获得天线上方大约1～3米高度范围内降水粒子群的多普勒速度谱。微波粒子谱仪的工作原理在于首先假定多普勒速度谱等于粒子末速度谱分布，再根据已知的雨、雪和雹粒子末速度-直径关系式来推断降水类型。

对比试验表明：利用微波粒子谱仪的系统能够一般地分辨降雨和降雪，也有过成功识别冰雹的实例，但是迄今为止这类系统对毛毛雨和混合型降水还没有提供过成功识别的实例。而且，此类系统对小雨降雨率的估计通常偏低，而对强降雨的降雨率的估计通常偏高。

一般而言，这类系统的优点在于可以直接测量降水粒子群的多普勒速度谱，仪器结构紧凑、适合野外露天长期观测。而它的局限性在于其仅仅依靠降水粒子群的多普勒速度谱以及已知的各种类型降水粒子末速度和谱形公式进行降水类型识别，由于不能直接获得降水粒子相态、大小、形状和空间姿态等信息，难以避免识别过程中存在的不确定性。例如，一些融化中的雪花和霰粒子的下落速度可能较大，使得多普勒频移可能处在较高的频移区间，而毛毛雨可能处在较低的多普勒频移区间；另外，水平风的影响可能导致飞越天线的粒子径向速度未必等于粒子末速度，等等。这种微波粒子谱仪探测识别降水类型的有效性取决于对降水微物理特性的认识程度。目前而言，这类技术还需要进行更多的试验研究进行改进，并且有待实践的检验。

三、光学感应器

这里光学感应器泛指基于粒子散射光和透射光测量以及粒子影像测量原理的一类降水粒子探测技术。

散射型降水感应器的基本工作原理是在某一散射角观测降水粒子的散射光，假设散射光的强度与降水粒子大小成比例，因而通过对散射光强度的检测能够实现降水粒子的探测。有些散射型降水感应器还附加了感应器表面温度和降水量的测量，作为鉴别粒子类型的重要参考依据。已有的对比试验结果表明，散射型降水感应器对于雨、雪的检测率可达70～90%，但是对于其他类型降水的识别效果却不太好。

比较简单的透射型降水感应器通常采用被整形为水平薄片状的平行激光光束，这些平行光束在接收端被聚焦在一个光电传感器上；由于降水粒子通过光束时会引起光电传感器输出信号的变化，因而通过对光电传感器输出信号的检测能够实现降水粒子的探测，其中降水粒子大小和信号变化幅度之间的关系可通过实验来标定，同时可用信号变化持续的时间来估计粒子的下落速度。但是，此类仪器能够有效识别的固态降水类型比较有限，对降水粒子微结构和动力学参数的测量也不全面。

此外，现有技术中还有一种较为先进的透射型降水粒子影像观测装置，其称为二维视频降水粒子谱仪（2D-Video Disdrometer，简称2D-VD）。2D-VD光学感应器包括两对彼此正交排列的光束发射（光源）-接收（线扫描相机）装置，光束经过光学系统整形为均匀的片状平行光束，投射到线扫描相机光检测器上。降水粒子经过光束时，在光检测器上会形成暗影，通过对降水粒子的两个正交一维影像资料的分析，可以得到降水粒子的形状、姿态、尺度、下落速度和水平速度等信息，其观测结果大大丰富了人们对降水微物理特性的认识。一些应用研究也展示了2D-VD在降水特征的观测识别、雷达卫星遥感资料的地面校准、数值预报模式微物理参数化和天气学研究等一系列领域中的应用潜力。

降水现象自动化观测识别的难点之一在于复杂多样的固态降水粒子形态的判别，而正确的自动化判别必须基于对降水粒子微结构和动力学参数（粒子相态、尺度、形状、空间取向和下落速度等）的可靠测量。上述大多数感应技术对降水粒子微结构和大部分动力学参数都没有测量能力，因而观测识别降水类型的能力比较有限，不能达到替代人工目测的要求。虽然2D-VD在降水现象自动观测以及降水粒子特征地获取和分析方面具有较强的能力，但是2D-VD的结构比较复杂，价格非常昂贵，难以实现其大范围的推广应用。目前，大多数气象台站的降水现象观测仍然主要依靠人工目测完成，因而迫切需要研究新的技术以实现降水现象的自动化观测。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种可以对降水现象进行自动准确观测的系统，实现降水粒子清晰图像的自动采集，以便进行后续处理。

本发明的一个进一步的目的是要在降水粒子自然降落的过程中自动完成降水粒子数字图像的获取，而不影响降水粒子的自然运动状态。

本发明的另一个进一步的目的是要使本发明的观测系统能够自动分析降水粒子的尺寸和形状等特征，自动进行降水类型的判别等，实现全天候自动观测，无需人工值守。

具体地，本发明提供了一种降水现象自动观测系统，包括：带有摄像开口的摄像端箱体；防护罩，所述防护罩带有透明材料制成的拍摄窗且在所述摄像端箱体内被安装成使得带有所述拍摄窗的一端朝向所述摄像开口；带有背景开口的背景箱体，所述摄像端箱体和所述背景箱体被设置成使得所述背景开口与所述摄像开口沿水平方向相对；安装在所述防护罩内的摄像装置，用于受控地拍摄所述背景开口与所述摄像开口之间处于所述摄像装置视野范围的采样区域内的图像；安装在所述防护罩内的温控装置，用于调节所述防护罩内的环境温度；朝向所述采样区域安装的光源，用于增加所述采样区域的亮度；控制模块，所述控制模块连接到所述温控装置和所述光源，以控制所述温控装置和所述光源的工作；电源模块，所述电源模块为所述摄像装置、所述温控装置、所述光源和所述控制模块供电；以及计算机，所述计算机连接到所述摄像装置以控制所述摄像装置的操作并接收所述摄像装置传送的数据进行处理，所述计算机还连接到所述控制模块，所述控制模块通过执行所述计算机发出的指令来控制所述温控装置和所述光源。

优选地，所述降水现象自动观测系统被设置为可切换地工作于定时监测模式和连续观测模式，其中在所述定时监测模式中，所述计算机按预定时间间隔指示所述控制模块打开所述光源，然后采集由所述摄像装置拍摄的所述采样区域内的图像，并且根据采集到的图像判断所述采样区域内有无降水粒子；如果判断结果为无降水粒子，则所述计算机指示所述控制模块关闭所述光源，并在下一次预定时间间隔到达时再次启动所述定时监测模式；如果判断结果为有降水粒子，则进入所述连续观测模式；

在所述连续观测模式中，所述光源一直处于打开状态，所述计算机采集由所述摄像装置拍摄的所述采样区域内的图像，并且根据采集到的图像判断所述采样区域内有无降水粒子；如果判断结果为有降水粒子，则所述计算机对降水粒子图像进行处理，并且在该处理进行的同时或之后继续在连续观测模式中采集由所述摄像装置拍摄的所述采样区域内的图像，重复连续观测模式中的后续过程；如果判断结果为无降水粒子，则判断连续无降水粒子的时间是否超过设定的时间阈值，如果超过了所述时间阈值，则所述计算机指示所述控制模块关闭所述光源并进入所述定时监测模式，如果没有超过所述时间阈值，则在连续观测模式中采集由所述摄像装置拍摄的所述采样区域内的图像，重复连续观测模式中的后续过程。

优选地，所述计算机在所述连续观测模式中对所述降水粒子图像进行的处理包括：存储和/或显示降水粒子图像；和/或对降水粒子的特征进行分析，并且判别降水粒子的类型，存储和/或显示分析和判别得到的结果。

优选地，所述降水现象自动观测系统进一步包括支架，所述支架的上部具有至少两个分叉端，下部具有至少一个固定端，所述摄像端箱体安装在所述支架的一个分叉端上，而所述背景箱体安装在所述支架的另一个分叉端上。

优选地，所述摄像端箱体和所述背景箱体的底部至少在靠近所述采样区域的部分是敞开的。

优选地，所述摄像端箱体和所述背景箱体的顶表面靠近所述采样区域一侧具有向上翻折的边缘。

优选地，所述背景箱体的内表面由具有漫反射特性和白光反射率小于10%的深色材料覆盖；或者所述背景箱体的内表面由具有漫反射特性和白光反射率小于10%的深色材料制成。

优选地，所述摄像装置由数字摄像机和镜头构成，其中所述数字摄像机直接连接到所述计算机，所述镜头在所述防护罩内抵靠着所述拍摄窗的内表面。

优选地，所述镜头为定焦镜头，所述数字摄像机的感光面阵的大小和所述镜头的焦距被选择成使得所述摄像装置的成像视野范围限制在所述背景箱体的与所述背景开口相对的后表面的范围之内。

优选地，所述降水现象自动观测系统进一步包括采用正交方式架设的另一套相同的摄像端箱体和背景箱体，以及安装于这一摄像端箱体内的防护罩、摄像装置和温控装置。

本发明的降水现象自动观测系统能够在计算机的控制下实现降水粒子清晰图像的自动采集、降水粒子特征的自动分析以及降水类型的自动判别。特别地，本发明的观测系统通过合理的光学结构设计，使得采样区域内的降水粒子能被清晰成像，并且具有均匀的暗背景设计，便于图像的后续处理。而且，本发明的观测系统在采样区域内不影响降水粒子的自然运动状态，可以在降水粒子自然降落的过程中完成其数字图像的获取。

进一步地，本发明的观测系统可以自动分析降水粒子的尺寸和形状等特征，自动进行降水类型的判别，不但能够实现无人工值守情况下的全天候自动观测，而且具有较低的成本，便于推广应用。

此外，本发明的观测系统在不影响降水粒子自然运动状态的条件下进行降水现象自动观测的同时，还可以保存采样区域内降水粒子的数字图像，这不仅有利于人工对降水类型判别结果进行检验，还能够为降水粒子特征的分析和统计（如降水粒子的谱分布）提供有效的基础数据，这也是已有的降水现象观测系统所不具备的。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式对本发明的优选实施例进行详细描述，附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分，而且这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个优选实施例的降水现象自动观测系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个优选实施例的降水现象自动观测系统中所用的摄像端箱体的示意性透视图；

图3是根据本发明一个优选实施例的降水现象自动观测系统中所用的背景箱体的示意性透视图；

图4是根据本发明一个优选实施例的降水现象自动观测系统的示意性动作流程图；

图5是根据本发明一个优选实施例的降水现象自动观测系统的示意性动作流程图；

图6是根据本发明一个优选实施例的降水现象自动观测系统的示意性动作流程图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明一个优选实施例的基于数字摄像的降水现象自动观测系统100的结构示意图。观测系统100主要包括摄像端箱体10、背景箱体20、防护罩40、摄像装置50、温控装置60、光源65、控制模块70、电源模块80和计算机90。控制模块70可连接到温控装置60和光源65。电源模块80可为摄像装置50、温控装置60、光源65和控制模块70供电。计算机90可连接到摄像装置50，以控制摄像装置50的操作并接收其传送的数据（除包括所拍摄的图像外，也可包括摄像装置需要传送给计算机的某些控制信号或状态信号）进行处理。计算机90还可连接到控制模块70。控制模块70通过执行计算机90发出的指令来控制温控装置60和光源65的工作。在一个替代性实施例中，计算机90也可直接或间接地连接到电源模块80并对电源模块80的操作进行控制和/或获得电源模块80的期望供电信息。

摄像端箱体10和背景箱体20优选安装在一个支架30上。支架30的上部具有至少两个分叉端31和32，下部具有至少一个固定端33。摄像端箱体10安装在分叉端31上，而背景箱体20安装在另一分叉端32上，其中分叉端31与分叉端32是沿水平方向相对地设置的。在本发明的一个具体实施例中，支架30优选为Y形支架，其上部具有两个分叉端31和32，而下部具有一个固定端33。如本领域技术人员容易认识到的，在本发明中也可采用其他形式的支架。例如替代性地，可采用H形支架，V形支架等，只要这些支架具有至少两个向上延伸的分叉端即可。摄像端箱体10、背景箱体20和支架30例如可全部采用不锈钢材料制成；当然，选用其他合适的材料也是可行的。

如图2和图3所示，摄像端箱体10和背景箱体20优选为一侧不封闭、底部不封闭或半封闭的长方形箱体，半封闭的底部靠近采样区域的部分敞开。这样就使得摄像端箱体10在其不封闭的一侧带有摄像开口11，背景箱体20在其不封闭的一侧带有背景开口21，不封闭或半封闭的底部能够避免降水粒子在箱体底部的溅射和堆积对观测造成影响。本领域技术人员也可意识到，其他合适的形状例如圆筒形、五边形（优选一个角朝上）等的箱体也是可行的。

摄像端箱体10的顶表面13和背景箱体20的顶表面23靠近采样区域12一侧的边缘14和24优选都向上折起，以减少降水粒子落在箱体顶表面的溅射以及顶表面降水堆积和融化引起的水滴滴落对观测的影响。

摄像端箱体10和背景箱体20横向侧面的下边缘附近优选设有安装孔，它们分别通过各自的安装孔以及相应的箱体安装板12和24将摄像端箱体10和背景箱体20水平架设在支架30上部的分叉端31和32上，并且使得摄像端箱体10的摄像开口11和背景箱体20的背景开口21沿水平方向相对。箱体安装板12和24优选通过任何合适的方式分别安装在分叉端31和32上，例如可以通过螺钉固定。

背景箱体20优选在其横向侧面下边缘附近沿水平方向设置有多组上文所述的安装孔，以便前后调节背景箱体20在支架30上的安装位置，从而调节摄像端箱体10和背景箱体20之间的间距。摄像端箱体10和背景箱体20之间处于摄像装置50的视野范围内的区域即为本发明观测系统100的采样区域，其在图1中由附图标记12指示的阴影部分示意性地表示。在一个优选实施例中，摄像端箱体10和背景箱体20之间的间距可为约10 cm左右，该间距太小会使得采样区域12内降水粒子出现的概率过低，而间距太大会很难保证采样区域12内所有降水粒子都被清晰成像。

背景箱体20的内表面采用具有漫反射和低反射率特性的深色材料覆盖，以为降水粒子图像的拍摄提供一个均匀的暗背景，其中所述深色材料例如为白光反射率小于40%、30%、20%或10％的材料。在本发明的一个替代性实施例中，背景箱体20也可直接由这种深色材料制成。

防护罩40优选是具有良好密封性的箱体，其优选为长方形形状，但其他合适的形状也是可行的。防护罩40的前端带有由透明材料制成的拍摄窗41。该拍摄窗41优选为一个玻璃窗，其玻璃采用透明度好且具有憎水特性的普通玻璃或有机玻璃。摄像端箱体10内优选设计有防护罩安装板15。防护罩40在摄像端箱体10内被安装成使得带拍摄窗41的一端朝向摄像开口11。进一步优选的是，防护罩安装板15上优选设置有长条形安装孔，以便实现防护罩40与采样区域12之间距离的调节。

安装在摄像端箱体10内的摄像装置50优选是被安装在防护罩40内。摄像装置50安装时优选使其镜头52紧靠防护罩40拍摄窗41的内表面，以减少拍摄窗上的灰尘对降水粒子图像的影响。摄像装置50优选在计算机90的控制下对采样区域12进行自动拍摄，并将拍摄的图像传送给计算机90。摄像装置50优选由安装在防护罩40内的数字摄像机51和镜头52组成。数字摄像机51可采用具有网络、USB或1394接口的数字摄像机，以便直接输出图像的数字信号，不需要经过图像采集卡处理，就可直接通过数据线连接到计算机。镜头52优选采用定焦镜头，以保证图像的质量。数字摄像机51感光面阵的大小和镜头52的焦距的组合优选被选择成保证摄像装置50的成像视野范围不会超过背景箱体20的后表面22，从而保证拍摄的图像具有比较好的均匀的暗背景，以提升降水粒子成像的质量。摄像装置50的聚焦距离优选可被调整到采样区域12的中心位置，并采用合适的光圈，使其景深范围覆盖整个采样区域12，以利于采样区域12内的所有降水粒子都可在数字摄像机51的感光面阵上清晰成像。在一个优选实施例中，数字摄像机51特别地采用感光面阵为1/1.8英寸（7.16 mm×5.44 mm）、像素个数为1628×1236的CCD（电荷耦合器件）数字摄像机，像素尺寸为4.4 μm。镜头52特别地采用焦距为24 mm的Nikon（尼康）定焦镜头，聚焦距离调整至50 cm，即摄像装置的光心距离采样区域中心位置的距离为50 cm，并采用合适的光圈使其景深范围不低于10 cm。这样在摄像端箱体10和背景箱体20之间，有长度约为15 cm、高度约为11 cm、厚度约为10 cm的区域在摄像装置50的视野范围内，而这一区域就构成了该实施例中的采样区域12。在采样区域12内，图像的分辨率优于0.1 mm，能够满足大多数类型降水粒子的观测需求。

温控装置60可安装在防护罩40内，用于调节防护罩40内的环境温度，满足摄像装置50正常运行的需求。

光源65被安装成朝向采样区域12，以为采样区域12提供优选均匀的照明，增加采样区域12的亮度。在不影响采样区域内降水粒子自然运动的前提下，光源65可安装在摄像端箱体10内侧上部邻近摄像开口11附近的位置处，也可安装在背景箱体20内侧上部邻近背景开口21附近的位置处，还可独立于摄像端箱体10和背景箱体20安装在采样区域12的横向侧面。光源65的安装位置优选还应保证其光线至少能被限制成既不会照射到防护罩40的拍摄窗41上，也不会照射到背景箱体20的后表面22上，以减少杂散光对观测的影响。优选地，可在光源12上加装遮光结构，以限制其光线既不会照射到防护罩40的拍摄窗41上，也不会照射到背景箱体20的后表面22上。更优选地，光源65及其遮光结构可被设置成在保证覆盖采样区域12的前提下，尽量减少照明范围，以减少杂散光对观测的影响。在本发明中，光源65可以是点光源、面光源或条状光源。

在本发明的具体应用中，摄像端箱体10（包括安装在其内的防护罩40、摄像装置50、温控装置60、光源65）、背景箱体20和支架30一般可架设于室外；计算机90一般可设置在室内；而控制模块70和电源模块80一般既可安装在室内，也可安装在一个密封的箱体内并架设在支架30的下部。

本发明降水现象自动观测系统100的优选动作流程图如图4所示，其在计算机的指令控制下完成所有动作。优选地，观测系统100被设置为可切换地工作于定时监测模式和连续观测模式。

首先，观测系统100在启动后将处于定时监测模式，计算机90以预定时间间隔（例如1分钟一次，用户可以预设）指示控制模块70打开光源65，然后计算机90将采集由摄像装置50拍摄的采样区域12内的图像，并且根据采集到的图像判断采样区域12内有无降水粒子。如果判断结果为无降水粒子，则计算机90指示控制模块70关闭光源65，并在下一次预定时间间隔到达时再次启动上述定时监测模式；如果判断结果为有降水粒子，则观测系统100将进入连续观测模式。

在连续观测模式中，光源65一直处于开启状态，计算机90采集由摄像装置50拍摄的采样区域12内的图像，并且根据采集到的图像判断采样区域12内有无降水粒子。如果判断结果为有降水粒子，则计算机90对这些表示有降水粒子的图像（简称降水粒子图像）进行处理，并且在该处理进行的同时或之后继续在连续观测模式中采集摄像装置50拍摄的图像，重复连续观测模式中的后续过程。如果判断结果为无降水粒子，则判断连续无降水粒子的时间是否超过设定的时间阈值（例如1分钟），如果超过了所述时间阈值，则计算机90指示控制模块70关闭光源65并返回定时监测模式；如果没有超过所述时间阈值，则计算机90继续在连续观测模式中采集摄像装置50拍摄的采样区域12内的图像，重复连续观测模式中的后续过程。

在本发明一个方面的实施例中，如图5所示，计算机90在连续观测模式中对那些降水粒子图像进行的处理包括：对降水粒子的特征进行分析，并且判别降水粒子的类型，存储和/或显示分析和判别得到的结果。在本发明另一个方面的实施例中，如图6所示，计算机90在连续观测模式中对降水粒子图像进行的处理包括：存储和/或显示降水粒子图像。在本发明又一个方面的实施例中，计算机90在连续观测模式中对降水粒子图像进行的处理还包括上述两个方面的实施例中所进行的处理的组合。

如本领域技术人员可意识到的，本发明中图像的采集和分析处理在计算机中可采用并行模式运行。例如，可将相应的软件程序设置在计算机的两个进程或线程中同时运行，一个进程或线程负责将图像采集到计算机中，另一个进程或线程负责对采集到的图像进行降水粒子检测、降水粒子特征分析、降水类型判别以及图像和分析结果存储、显示等工作。这种并行模式可以实现图像的连续获取和分析处理，提升有效资料的获取效率。

在实际应用中，本发明的观测系统还可以采用正交方式架设另一套相同的摄像端箱体和背景箱体，以及安装于该摄像端箱体内的防护罩、摄像装置、光源和温控装置，以使得计算机能够采集相同降水粒子的两套正交二维图像，从而可以将两套正交二维图像合成为降水粒子的三维图像，以便进行后续处理和/或直观显示。这种利用正交二维图像合成三维图像的技术是现有技术中已知的，本领域技术人员例如可利用根据现有技术自行开发的或可商购得到的软件来实现。

在这种架设两套摄像端箱体和背景箱体的方案中，两套摄像端箱体内各个组件优选采用同一电源模块供电，采用同一控制模块进行控制，采用同一计算机进行控制和数据处理，因为这样不但可以节约成本，而且可以方便地实现两套摄像端箱体内各组件的同步操作。当然，根据以上说明，本领域技术人员均能意识到，在这种方案中，两套摄像端箱体的各个组件也可采用不同的电源模块和/或不同的控制模块，甚至可以采用不同的计算机，但此时需要考虑两套摄像端箱体内各组件的同步问题。不过这种同步问题也仅仅是计算机自动控制技术中惯用的技术手段，本领域技术人员均可容易地实现，在此不予赘述。

虽然本文示出和描述了多个示例性的优选实施例，但本领域技术人员均可意识到，在不脱离本发明精神和范围的情况下，可以根据本申请公开的内容直接确定或推导出许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被认为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1. 一种降水现象自动观测系统，其特征在于，所述降水现象自动观测系统包括：

带有摄像开口的摄像端箱体；

防护罩，所述防护罩带有透明材料制成的拍摄窗且在所述摄像端箱体内被安装成使得带有所述拍摄窗的一端朝向所述摄像开口；

带有背景开口的背景箱体，所述摄像端箱体和所述背景箱体被设置成使得所述背景开口与所述摄像开口沿水平方向相对；

安装在所述防护罩内的摄像装置，用于受控地拍摄所述背景开口与所述摄像开口之间处于所述摄像装置视野范围的采样区域内的图像；

安装在所述防护罩内的温控装置，用于调节所述防护罩内的环境温度；

朝向所述采样区域安装的光源，用于增加所述采样区域的亮度；

控制模块，所述控制模块连接到所述温控装置和所述光源，以控制所述温控装置和所述光源的工作；

电源模块，所述电源模块为所述摄像装置、所述温控装置、所述光源和所述控制模块供电；以及

计算机，所述计算机连接到所述摄像装置以控制所述摄像装置的操作并接收所述摄像装置传送的数据进行处理，所述计算机还连接到所述控制模块，所述控制模块通过执行所述计算机发出的指令来控制所述温控装置和所述光源。

2. 根据权利要求1所述的降水现象自动观测系统，其特征在于，所述降水现象自动观测系统被设置为可切换地工作于定时监测模式和连续观测模式，其中

在所述定时监测模式中，所述计算机按预定时间间隔指示所述控制模块打开所述光源，然后采集由所述摄像装置拍摄的所述采样区域内的图像，并且根据采集的图像判断所述采样区域内有无降水粒子；如果判断结果为无降水粒子，则所述计算机指示所述控制模块关闭所述光源，并在下一次预定时间间隔到达时再次启动所述定时监测模式；如果判断结果为有降水粒子，则进入所述连续观测模式；

在所述连续观测模式中，所述光源一直处于打开状态，所述计算机采集由所述摄像装置拍摄的所述采样区域内的图像，并且根据采集到的图像判断所述采样区域内有无降水粒子；如果判断结果为有降水粒子，则所述计算机对降水粒子图像进行处理，并且在该处理进行的同时或之后继续在连续观测模式中采集由所述摄像装置拍摄的所述采样区域内的图像，重复连续观测模式中的后续过程；如果判断结果为无降水粒子，则判断连续无降水粒子的时间是否超过设定的时间阈值，如果超过了所述时间阈值，则所述计算机指示所述控制模块关闭所述光源并进入所述定时监测模式，如果没有超过所述时间阈值，则在连续观测模式中采集由所述摄像装置拍摄的所述采样区域内的图像，重复连续观测模式中的后续过程。

3. 根据权利要求2所述的降水现象自动观测系统，其特征在于，所述计算机在所述连续观测模式中对所述降水粒子图像进行的处理包括：

存储和/或显示降水粒子图像；和/或

对降水粒子的特征进行分析，并且判别降水粒子的类型，存储和/或显示分析和判别得到的结果。

4. 根据权利要求1所述的降水现象自动观测系统，其特征在于，所述降水现象自动观测系统进一步包括支架，所述支架的上部具有至少两个分叉端，下部具有至少一个固定端，所述摄像端箱体安装在所述支架的一个分叉端上，而所述背景箱体安装在所述支架的另一个分叉端上。

5. 根据权利要求1所述的降水现象自动观测系统，其特征在于，所述摄像端箱体和所述背景箱体的底部至少在靠近所述采样区域的部分是敞开的。

6. 根据权利要求1所述的降水现象自动观测系统，其特征在于，所述摄像端箱体和所述背景箱体的顶表面靠近所述采样区域一侧具有向上翻折的边缘。

7. 根据权利要求1所述的降水现象自动观测系统，其特征在于，所述背景箱体的内表面由具有漫反射特性和白光反射率小于10%的深色材料覆盖；或者所述背景箱体的内表面由具有漫反射特性和白光反射率小于10%的深色材料制成。

8. 根据权利要求1所述的降水现象自动观测系统，其特征在于，所述摄像装置由数字摄像机和镜头构成，其中所述数字摄像机直接连接到所述计算机，所述镜头在所述防护罩内抵靠着所述拍摄窗的内表面。

9. 根据权利要求8所述的降水现象自动观测系统，其特征在于，所述镜头为定焦镜头，所述数字摄像机的感光面阵的大小和所述镜头的焦距被选择成使得所述摄像装置的成像视野范围限制在所述背景箱体的与所述背景开口相对的后表面的范围之内。

10. 根据权利要求1所述的降水现象自动观测系统，其特征在于，所述降水现象自动观测系统进一步包括采用正交方式架设的另一套相同的摄像端箱体和背景箱体，以及安装于这一摄像端箱体内的光源、防护罩、摄像装置和温控装置。

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