CN113804605A - 一种基于光场摄像技术的三维雨滴谱仪及其运行工艺和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光场摄像技术的三维雨滴谱仪及其运行工艺和应用，所述三维雨滴谱仪包括两套结构完全相同的光场探测系统，所述光场探测系统包括光源系统、2个遮光罩、光场采样区、光场采样区外壳以及光场接收处理系统；所述2个遮光罩的一端分别安装在所述光场采样区外壳相对的两侧，所述光源系统和所述光场接收处理系统分别安装在所述2个遮光罩的另一端，所述光场采样区设置于所述光场采样区外壳内部；所述两套光场探测系统以同一个光场采样区为中心点互相垂直设置。本发明的三维雨滴谱仪具有高精度，低成本，操作简单等优点，并且可实现自动观测，可在两个垂直方向上同时进行观测，探测结果精确度高，易于维护，不易损坏，稳定性强。

Description

一种基于光场摄像技术的三维雨滴谱仪及其运行工艺和应用

技术领域

本发明属于大气探测技术与装备领域，涉及光场成像技术及雨滴谱探测技术，具体涉及一种基于光场摄像技术的三维雨滴谱仪及其运行工艺和应用。

背景技术

雨滴谱仪是研究降水现象的重要科学仪器，它要求对降水过程中降水粒子的直径，下降速度甚至形状做出精确测量。雨滴是云形成过程的最终产物。雨滴谱的研究，对云发展过程、降水形成的物理过程以及降水形成的机制等方面的研究很有价值,对研究流域洪水预报、微波通信、自然现象模拟、人工增雨条件、人工催化技术、雷达定量测量降水和效果检验等方面也有很重要的意义。

目前的激光雨滴谱仪主要采用降水粒子经过降水采样区时，光电二极管感应降水粒子穿越过程中激光信号强弱的变弱，并将该变化以变化的电压的形式输出，变化的电压中包含了降水粒子的信息，经过控制单元分析即可得到降水粒子的参数信息。专利CN208847854U公开了一种激光雨滴谱仪的标定装置，可有效解决当前激光雨滴谱仪无法进行现场标定的问题，进而保障设备稳定的测量精度，保障业务产品的有效性。专利CN108195294A公开了一种下落粒子的直径测量方法及激光雨滴谱仪，利用具有更好线性度的平行激光来测量下落粒子的直径，能够使得下落粒子的测量误差更小。

激光雨滴谱在测量过程面对着诸多问题，例如风，风对雨滴谱的数据测量会有比较大的影响，目前已经有很多设备加装了风挡，但是没有专用的标准设备，都需要定制，且质量很难控制。针对比较恶劣的观测环境，设计的风挡装置，需同时满足抵御30m/s大风、便于设备的维护、高度可调节、能够适用于多款观测设备等功能。基于此，中国专利CN211450119U公开了一种雨滴谱仪风挡，通过多个齿片围成的围栏结构对大风进行抵御，减少大风对雨滴谱仪的影响，其中支柱能够调节高度，适应于不同高度的雨滴谱仪，适应性更强。同时也缺乏雨滴谱仪校准装置，中国专利CN205539544U公开了一种雨滴谱校准仪器，该装置实现了程序化模拟降水粒子的尺度和速度，进而校验被测雨滴谱仪的测量结果，从而得出被测雨滴谱仪工作是否正常的结论，结构设计灵活、紧凑，检测结果准确可靠。

在气象领域中，雨滴谱的测量结果的精确与否，严重影响着降水粒子特性的观测以及其微观物理特征的分析，对研究降水的发展过程及电磁波的散射衰减特性、雷达因子的校正以及人工影响天气等诸多领域也有着非常重要的意义。然而传统的一维激光雨滴谱仪遮挡率高，测量精度较差，二维雨滴谱仪2DVD尽管有着较高的探测精确度，但却具有非常昂贵的价格，以及非常高的敏感性，使用年限短，耐用性差，维护困难。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于光场摄像技术的三维雨滴谱仪及其运行工艺和应用，可在两个垂直方向上同时进行观测，探测结果精确度高，同时成本低，易于维护，不易损坏，稳定性强。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于光场摄像技术的三维雨滴谱仪，包括两套结构完全相同的光场探测系统，所述光场探测系统包括光源系统、2个遮光罩、光场采样区、光场采样区外壳以及光场接收处理系统；所述2个遮光罩的一端分别安装在所述光场采样区外壳相对的两侧，所述光源系统和所述光场接收处理系统分别安装在所述2个遮光罩的另一端，所述光场采样区设置于所述光场采样区外壳内部；

所述两套光场探测系统以同一个光场采样区为中心点互相垂直设置；

所述光源系统由光源、凸透镜和玻璃透镜组成，所述光源安装在所述凸透镜的焦点处，所述光源的射光方向正对所述光场采样区，所述玻璃透镜安装在所述凸透镜的前方；

所述光场接收处理系统包括锥形镜管、光场相机和半导体制冷装置；所述光场相机的主镜头正对所述光场采样区，所述锥形镜管安装在所述光场相机的主镜头的前方，所述半导体制冷装置安装在所述光场相机的侧方。

优选地，所述光源包括白光光源和激光光源。

优选地，所述光场相机由主镜头、微透镜阵列和成像探测器阵列组成，所述主镜头设置在所述光场相机的最前方，所述微透镜阵列由一个以上的并排紧密放置的圆柱状透镜构成，安装在所述主镜头的焦距处，所述成像探测器阵列由一个以上的并排紧密放置的正方形的成像CCD构成，与所述微透镜阵列呈平行设置，所述成像探测器阵列安装在所述微透镜阵列的焦距处。

一种基于光场摄像技术的三维雨滴谱仪的运行工艺，包括以下步骤：

步骤A)对于一次降水过程，光源发出点光，点光源经过凸透镜被变为平行光，平行光经过玻璃透镜与遮光罩进入光场采样区，在光场采样区内，平行光光强被降水粒子所削弱，因此平行光光强的大小记录了降水粒子的信息；

步骤B)包含着降水粒子信息的平行光经过另一侧遮光罩，进入锥形镜管，平行光光路范围被锥形镜管缩小，与光场相机主镜头大小相一致，便于光场相机接收；平行光被光场相机主镜头聚焦到微透镜阵列之上，微透镜阵列将聚焦到的平行光分散到成像探测器阵列上，成像探测器阵列的CCD记录平行光光强的大小；如此，在X方向便完成了一次降水粒子的拍摄，与此同时，在与X方向垂直的Y方向上，进行着完全相同的过程；

步骤C)基于两个互相垂直方向的光场信息的记录，可以对雨滴谱产品进行高精度生成，便于对降水粒子三维信息的分析。

一种基于光场摄像技术的三维雨滴谱仪在图像分析处理中的应用，还包括图像分析处理系统，所述图像分析处理系统与所述光场相机相连接。

一种基于光场摄像技术的三维雨滴谱仪在图像分析处理中的应用，包括以下步骤：

步骤1)将所述三维雨滴谱仪中两个相互垂直的方向分别标记为X方向和Y 方向，所述图像分析处理系统获取X方向与Y方向的光场相机的四维光场，在 X方向与Y方向分别进行光场重聚焦处理，运用光场重聚焦算法，所述光场重聚焦算法如下式1所示：

式1中：I为(x,y)处的光强值，α为新相距/旧相距，u、v为微透镜半径；

步骤2)图像分析处理系统会分别得到X方向和Y方向的第一层光场重聚焦图像，基于已经重聚焦得到的光场重聚焦图像，运用边界检测算法计算本层光场重聚焦图像内的降水粒子的数目，并计算每个降水粒子的粒径大小；

所述边界检测算法如下式2所示：

式2中：f(x，y)为像素点(x，y)处的光强值；

步骤3)在X方向，将本层光场重聚焦图像内降水粒子的最大粒径作为下一层光场重聚焦图像与本层图像的间距，在下一层光场重聚焦图像内，继续运用边界检测算法计算降水粒子的数目和粒径大小，与此同时，在本层与上一层之间，基于粒子追踪算法计算降水粒子的垂直下降速度；

所述粒子追踪算法如下式3所示：

式3中：p(t)表示降水粒子在t时刻的空间位置；

步骤4)基于重新计算得到的最大粒径作为下一层光场重聚焦图像与本层光场重聚焦图像间的间距，不断重复直至最后一层；将每一层光场重聚焦图像内降水粒子的数目，粒径以及垂直速度汇总即可得到在X方向的整个降水采样区内的降水粒子信息；在Y方向上运用同样的方法，只有一点与X方向不同，Y方向上光场重聚焦图像之间的间距为光场重聚焦图像内的最小粒径；同样地，在Y 方向上也可以得到整个降水采样区内的降水粒子信息；将X方向与Y方向得到降水粒子信息进行融合处理，并取较大值；

步骤5)为了对降水粒子的三维形状信息进行构建与分析，可以根据成像公式计算每一层光场重聚焦图像的深度，得到焦点堆栈图像E(s，x，y)，其中s代表光场重聚焦图像的深度，E为该层图像(x，y)位置处的光强值；

所述成像公式如下式4所述：

式4中，f为焦距，m为相距，n为物距；

步骤6)对于焦堆栈来说，s深度处的焦点堆栈L(s，x，y)的二维傅里叶变换恰好是光场L(x，y，u，v)四维傅里叶变换的二维切片，即：

式5中：

表示四维光场函数L(x，y，u，v)的傅里叶变换形式；

对式5求傅里叶逆变换并经过卷积滤波即可得到光场函数：

式6中：H(ω₁，ω₂)为滤波函数；

步骤7)根据上述方法即可得到X方向和Y方向的离散化的光场数据，并对每一个光场采样区内空间网格点处求光强的均值，用以代表此格点处的光强值；由此，基于每个空间点处的光强值可以对整个采样空间进行建模重构，得到采样空间内的每个降水粒子的三维形状信息；

步骤8)三维雨滴谱仪根据降水粒子的三维形状信息，计算得到雨滴谱产品。

优选地，步骤6)所述光场函数L(x，y，u，v)也可以利用小波变换进行重构，重构算法如下：

步骤a)利用box-and-X采样图案，沿着(u，v)平面六条一维线段分别对图像样本进行采样，将采样得到的样本记为L_k，l(x，y)；

步骤b)对每一个输入图像L_k，l(x，y)做二维小波变换，分别得到其高频信息

和低频信息

步骤c)同时对得到的高频数据和低频数据分别进行处理，在每一个空间频率(ω_x，ω_y)上，沿着几个位于一维线性样本的视点上取值分别得到

和

步骤d)对于每一个空间频率(ω_x，ω_y)，利用下式7的算法恢复其二维角度域

式7中：a为恢复频率系数，N为每一个位于线段垂直方向上的频率个数；

步骤e)将得到的所有位置的二维频谱

和

合并，然后对每一个位置(u，v)的二维频谱L_u，v(ω_x，ω_y)左小波反变换以恢复其整个四维光场 L(x，y，u，v)。

优选地，步骤6)所述光场函数L(x，y，u，v)还可以利用极平面图像对四维光场数据进行深度估计：从四维光场数据中选取二维极平面图像切片，通过对应物点的斜率来获取深度信息，进而得到光场函数L(x，y，u，v)。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明的三维雨滴谱仪可在两个垂直方向上进行同时观测，相较于传统的一维激光雨滴谱仪，极大地降低了遮挡率，提高了三维雨滴谱仪的探测精度；同时，可探测降水粒子的三维形状，丰富了雨滴谱仪的可探测信息。

(2)本发明的三维雨滴谱仪一次拍摄可记录采样空间所有降水粒子的光场信息，光场采样速度快，效率高，为图像的重聚焦与分析处理提供节约时间，测量结果的精确度高，有效性强。

(3)本发明的三维雨滴谱仪具有结构简单，成本低廉，易于维护，不易损坏的优点，相较于传统的2DVD具有明显的成本优势，较强的可靠性与稳定性，以及长使用年限，耐用性强。

(4)本发明的三维雨滴谱仪能耗低，操作简单，易于气象观测人员使用，其自适应能力较高、维护简便，可实现无人自动化观测，能够更好地服务于气象观测。

附图说明

图1为三维雨滴谱仪的立体图；

图2为三维雨滴谱仪的结构示意图；

图3为光场相机的结构示意图；

图4为光场相机的光场成像示意图；

图5为三维雨滴谱仪的光路示意图；

图6为图像分析处理系统的流程示意图；

图中：10、光源系统；20、遮光罩；30、光场采样区；40、光场采样区外壳； 50、光场接收处理系统；101、光源；1011、白光光源；1012、激光光源；102、凸透镜；103、玻璃透镜；501、锥形镜管；502、光场相机；503、半导体制冷装置；5021、主镜头；5022、微透镜阵列；5023、成像探测器阵列；60、降水粒子。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

一种基于光场摄像技术的三维雨滴谱仪，如图1所示，包括两套结构完全相同的光场探测系统，所述光场探测系统包括光源系统10、2个遮光罩20、光场采样区30、光场采样区外壳40以及光场接收处理系统50；所述2个遮光罩20 的一端分别安装在所述光场采样区外壳40相对的两侧，用于防止外部杂光从所述光场采样区30进入所述光场接收处理系统50；所述光源系统10和所述光场接收处理系统50分别安装在所述2个遮光罩20的另一端，所述光源系统10为光场探测提供稳定的光通量，所述光场接收处理系统50则用于捕获和记录光场信号；所述光场采样区30设置于所述光场采样区外壳40内部。

所述两套光场探测系统以同一个光场采样区30为中心点互相垂直设置，双垂直方向探测用于提高三维雨滴谱仪的测量精度，有利于采集降水粒子的三维形状信息。

如图2所示，所述光源系统10由光源101、凸透镜102和玻璃透镜103组成，所述光源101包括白光光源1011和激光光源1012，安装在所述凸透镜102 的焦点处，所述光源101的射光方向正对所述光场采样区30；所述凸透镜102 用于将所述光源101的光路改变为平行光，并将光路范围放大；所述玻璃透镜 103安装在所述凸透镜102的前方，用于保护所述光源101以及所述凸透镜102 不受损坏。

如图2、图3所示，所述光场接收处理系统50包括锥形镜管501、光场相机 502和半导体制冷装置503；所述光场相机502的主镜头5021正对所述光场采样区30，所述锥形镜管501安装在所述光场相机502的主镜头5021的前方，用于将光路范围缩小，便于所述光场相机502捕获和记录；所述半导体制冷装置503 安装在所述光场相机502的侧方，用于对所述光场接收处理系统50进行降温，保护所述光场相机502不过热损坏；所述光场相机502用于接收和处理光场信息。

如图3所示，所述光场相机502由主镜头5021、微透镜阵列5022和成像探测器阵列5023组成，所述主镜头5021设置在所述光场相机502的最前方，用于将所接收到光线进行聚焦；所述微透镜阵列5022由若干并排紧密放置的圆柱状透镜构成，安装在所述主镜头5021的焦距处，用于将所述主镜头5021聚焦到的光线分散到所述成像探测器阵列5023之上；所述成像探测器阵列5023由若干并排紧密放置的正方形的成像CCD构成，与所述微透镜阵列5022呈平行设置，所述成像探测器阵列5023安装在所述微透镜阵列5022的焦距处，用于记录所述微透镜阵列5022分散的光强大小。

如图4所示，所述微透镜阵列5022中的每一个圆柱状透镜将从所述主镜头 5021聚焦到的光线分散到所述成像探测器阵列5023的宏像素上，一个宏像素包含若干个成像CCD，宏像素中的探测器片则记录光线光强的大小。如此，包含着降水粒子信息的光场信号就被记录在成像探测器阵列5023上。

一种基于光场摄像技术的三维雨滴谱仪的运行工艺，如图5所示，具体步骤如下：

(A)对于一次降水过程，光源101发出点光，点光源经过凸透镜102被变为平行光，平行光经过玻璃透镜103与遮光罩20进入光场采样区30，在光场采样区30内，平行光光强被降水粒子60所削弱，因此平行光光强的大小记录了降水粒子60的信息。

(B)包含着降水粒子60信息的平行光经过另一侧遮光罩20，进入锥形镜管501，平行光光路范围被锥形镜管501缩小，与光场相机502主镜头5021大小相一致，便于光场相机502接收；平行光被主镜头5021聚焦到微透镜阵列5022 之上，微透镜阵列5022将聚焦到的平行光分散到成像探测器阵列5023上，成像探测器阵列5023的CCD记录平行光光强的大小；如此，在X方向便完成了一次降水粒子的拍摄，与此同时，在与X方向垂直的Y方向上，进行着完全相同的过程。

(C)基于两个互相垂直方向的光场信息的记录，可以对雨滴谱产品进行高精度生成，便于对降水粒子三维信息的分析。

实施例2

本实施例还包括图像分析处理系统，所述图像分析处理系统与实施例1所述三维雨滴谱仪的光场相机502相连接，基于该图像分析处理系统和实施例1所述三维雨滴谱仪的图像分析处理方法，如图6所示，具体步骤如下：

(1)将所述三维雨滴谱仪中两个相互垂直的方向分别标记为X方向和Y方向，所述图像分析处理系统获取X方向与Y方向的光场相机的四维光场，在X 方向与Y方向分别进行光场重聚焦处理，运用光场重聚焦算法，所述光场重聚焦算法如下式1所示：

式1中：I为(x，y)处的光强值，α为新相距/旧相距，u、v为微透镜半径。

(2)图像分析处理系统会分别得到X方向和Y方向的第一层光场重聚焦图像，基于已经重聚焦得到的光场重聚焦图像，运用边界检测算法计算本层光场重聚焦图像内的降水粒子的数目，并计算每个降水粒子的粒径大小。

所述边界检测算法如下式2所示：

式2中：f(x，y)为像素点(x，y)处的光强值。

(3)在X方向，将本层光场重聚焦图像内降水粒子的最大粒径作为下一层光场重聚焦图像与本层图像的间距，在下一层光场重聚焦图像内，继续运用边界检测算法计算降水粒子的数目和粒径大小，与此同时，在本层与上一层之间，基于粒子追踪算法计算降水粒子的垂直下降速度。

所述粒子追踪算法如下式3所示：

式3中：p(t)表示降水粒子在t时刻的空间位置。

(4)基于重新计算得到的最大粒径作为下一层光场重聚焦图像与本层光场重聚焦图像间的间距，不断重复直至最后一层；将每一层光场重聚焦图像内降水粒子的数目，粒径以及垂直速度汇总即可得到在X方向的整个降水采样区内的降水粒子信息；在Y方向上运用同样的方法，只有一点与X方向不同，Y方向上光场重聚焦图像之间的间距为光场重聚焦图像内的最小粒径；同样地，在Y 方向上也可以得到整个降水采样区内的降水粒子信息；将X方向与Y方向得到降水粒子信息进行融合处理，并取较大值。

(5)为了对降水粒子的三维形状信息进行构建与分析，可以根据成像公式计算每一层光场重聚焦图像的深度，得到焦点堆栈图像E(s，x，y)，其中s代表光场重聚焦图像的深度，E为该层图像(x，y)位置处的光强值。

所述成像公式如下式4所述：

式4中，f为焦距，m为相距，n为物距。

(6)对于焦堆栈来说，s深度处的焦点堆栈L(s，x，y)的二维傅里叶变换恰好是光场L(x，y，u，v)四维傅里叶变换的二维切片，即：

式5中：

表示四维光场函数L(x，y，u，v)的傅里叶变换形式。

对式5求傅里叶逆变换并经过卷积滤波即可得到光场函数：

式6中：H(ω₁，ω₂)为滤波函数。

也可以利用小波变换对光场函数L(x，y，u，v)进行重构，重构算法如下：

①利用box-and-X采样图案，沿着(u，v)平面六条一维线段分别对图像样本进行采样，将采样得到的样本记为L_k，l(x，y)。

②对每一个输入图像L_k，l(x，y)做二维小波变换，分别得到其高频信息

和低频信息

③同时对得到的高频数据和低频数据分别进行处理，在每一个空间频率 (ω_x，ω_y)上，沿着几个位于一维线性样本的视点上取值分别得到

和

④对于每一个空间频率(ω_x，ω_y)，利用下式7的算法恢复其二维角度域

式7中：a为恢复频率系数，N为每一个位于线段垂直方向上的频率个数。

⑤将得到的所有位置的二维频谱

和

合并，然后对每一个位置(u，v)的二维频谱L_u，v(ω_x，ω_y)左小波反变换以恢复其整个四维光场L(x，y，u，v)。

还可以利用极平面图像对四维光场数据进行深度估计，进而得到光场函数 L(x，y，u，v)。极平面图像(Epipoloar Plane Image，EPI)是四维光场信息的二维切片，包括一个空间尺寸维度与一个角度维度，场景中的一个物点在EPI中显示为一条倾斜的直线，该直线的倾斜度与该物点到相机的距离成比例。因此，从四维光场数据中选取二维EPI切片，通过对应物点的斜率来获取深度信息。

(7)根据上述方法即可得到X方向和Y方向的离散化的光场数据，并对每一个光场采样区内空间网格点处求光强的均值，用以代表此格点处的光强值；由此，基于每个空间点处的光强值可以对整个采样空间进行建模重构，得到采样空间内的每个降水粒子的三维形状信息。

(8)三维雨滴谱仪根据降水粒子的数目、粒径、垂直速度参数和形状等三维形状信息，计算得到雨滴谱关系图、降水强度、降水量以及降水天气现象类型等雨滴谱产品。

综上所述，本发明的基于光场摄像技术的三维雨滴谱仪，其结构简单，仅仅是由光源和光场相机，以及一些辅助光学部件构成，对普通的光场相机进行改造即可获得本发明所述的三维雨滴谱仪，这使得三维雨滴谱仪易于安装，操作简便，同时易于维护，不易损坏，可实现无人自动化观测，便于观测人员使用。本发明所提及的光场相机中的微透镜阵列和成像探测器阵列，生产成本很低，可以大批量生产制造，能够达到采用低成本即可捕获用于生成光场重聚焦图像的技术效果，相较于传统的2DVD具有明显的价格优势。其次，本发明所述的光场接收处理系统，可基于光场重聚焦算法在降水采样空间内对光场切片重聚焦图像进行分析处理，可基于边界检测算法计算每层重聚焦图像内降水粒子的数目和粒径大小，可基于粒子追踪算法计算降水粒子的垂直速度，结合本发明所述的三维雨滴谱仪，可在两个垂直的方向上同时进行观测，相较于传统的一维激光雨滴谱仪，这极大地降低了遮挡率，使得三维雨滴谱仪的测量结果更为精确，同时，双垂直方向的观测可以对降水粒子的三维形状信息进行分析。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于光场摄像技术的三维雨滴谱仪，其特征在于，包括两套结构完全相同的光场探测系统，所述光场探测系统包括光源系统、2个遮光罩、光场采样区、光场采样区外壳以及光场接收处理系统；所述2个遮光罩的一端分别安装在所述光场采样区外壳相对的两侧，所述光源系统和所述光场接收处理系统分别安装在所述2个遮光罩的另一端，所述光场采样区设置于所述光场采样区外壳内部；所述两套光场探测系统以同一个光场采样区为中心点互相垂直设置；

所述光源系统由光源、凸透镜和玻璃透镜组成，所述光源安装在所述凸透镜的焦点处，所述光源的射光方向正对所述光场采样区，所述玻璃透镜安装在所述凸透镜的前方；

所述光场接收处理系统包括锥形镜管、光场相机和半导体制冷装置；所述光场相机的主镜头正对所述光场采样区，所述锥形镜管安装在所述光场相机的主镜头的前方，所述半导体制冷装置安装在所述光场相机的侧方。

2.根据权利要求1所述的一种基于光场摄像技术的三维雨滴谱仪，其特征在于，所述光源包括白光光源和激光光源。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于光场摄像技术的三维雨滴谱仪，其特征在于，所述光场相机由主镜头、微透镜阵列和成像探测器阵列组成，所述主镜头设置在所述光场相机的最前方，所述微透镜阵列由一个以上的并排紧密放置的圆柱状透镜构成，安装在所述主镜头的焦距处，所述成像探测器阵列由一个以上的并排紧密放置的正方形的成像CCD构成，与所述微透镜阵列呈平行设置，所述成像探测器阵列安装在所述微透镜阵列的焦距处。

4.权利要求3所述的一种基于光场摄像技术的三维雨滴谱仪的运行工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A)对于一次降水过程，光源发出点光，点光源经过凸透镜被变为平行光，平行光经过玻璃透镜与遮光罩进入光场采样区，在光场采样区内，平行光光强被降水粒子所削弱，因此平行光光强的大小记录了降水粒子的信息；

步骤B)包含着降水粒子信息的平行光经过另一侧遮光罩，进入锥形镜管，平行光光路范围被锥形镜管缩小，与光场相机主镜头大小相一致，便于光场相机接收；平行光被光场相机主镜头聚焦到微透镜阵列之上，微透镜阵列将聚焦到的平行光分散到成像探测器阵列上，成像探测器阵列的CCD记录平行光光强的大小；如此，在X方向便完成了一次降水粒子的拍摄，与此同时，在与X方向垂直的Y方向上，进行着完全相同的过程；

步骤C)基于两个互相垂直方向的光场信息的记录，可以对雨滴谱产品进行高精度生成，便于对降水粒子三维信息的分析。

5.权利要求3所述的一种基于光场摄像技术的三维雨滴谱仪在图像分析处理中的应用，其特征在于，还包括图像分析处理系统，所述图像分析处理系统与所述光场相机相连接。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)将所述三维雨滴谱仪中两个相互垂直的方向分别标记为X方向和Y方向，所述图像分析处理系统获取X方向与Y方向的光场相机的四维光场，在X方向与Y方向分别进行光场重聚焦处理，运用光场重聚焦算法，所述光场重聚焦算法如下式1所示：

式1中：I为(x,y)处的光强值，α为新相距/旧相距，u、v为微透镜半径；

步骤2)图像分析处理系统会分别得到X方向和Y方向的第一层光场重聚焦图像，基于已经重聚焦得到的光场重聚焦图像，运用边界检测算法计算本层光场重聚焦图像内的降水粒子的数目，并计算每个降水粒子的粒径大小；

所述边界检测算法如下式2所示：

式2中：f(x,y)为像素点(x,y)处的光强值；

步骤3)在X方向，将本层光场重聚焦图像内降水粒子的最大粒径作为下一层光场重聚焦图像与本层图像的间距，在下一层光场重聚焦图像内，继续运用边界检测算法计算降水粒子的数目和粒径大小，与此同时，在本层与上一层之间，基于粒子追踪算法计算降水粒子的垂直下降速度；

所述粒子追踪算法如下式3所示：

式3中：p(t)表示降水粒子在t时刻的空间位置；

步骤4)基于重新计算得到的最大粒径作为下一层光场重聚焦图像与本层光场重聚焦图像间的间距，不断重复直至最后一层；将每一层光场重聚焦图像内降水粒子的数目，粒径以及垂直速度汇总即可得到在X方向的整个降水采样区内的降水粒子信息；在Y方向上运用同样的方法，只有一点与X方向不同，Y方向上光场重聚焦图像之间的间距为光场重聚焦图像内的最小粒径；同样地，在Y方向上也可以得到整个降水采样区内的降水粒子信息；将X方向与Y方向得到降水粒子信息进行融合处理，并取较大值；

步骤5)为了对降水粒子的三维形状信息进行构建与分析，可以根据成像公式计算每一层光场重聚焦图像的深度，得到焦点堆栈图像E(s,x,y)，其中s代表光场重聚焦图像的深度，E为该层图像(x,y)位置处的光强值；

所述成像公式如下式4所述：

式4中，f为焦距，m为相距，n为物距；

步骤6)对于焦堆栈来说，s深度处的焦点堆栈L(s,x,y)的二维傅里叶变换恰好是光场L(x,y,u,v)四维傅里叶变换的二维切片，即：

式5中：

表示四维光场函数L(x,y,u,v)的傅里叶变换形式；

对式5求傅里叶逆变换并经过卷积滤波即可得到光场函数：

式6中：H(ω₁,ω₂)为滤波函数；

步骤7)根据上述方法即可得到X方向和Y方向的离散化的光场数据，并对每一个光场采样区内空间网格点处求光强的均值，用以代表此格点处的光强值；由此，基于每个空间点处的光强值可以对整个采样空间进行建模重构，得到采样空间内的每个降水粒子的三维形状信息；

步骤8)三维雨滴谱仪根据降水粒子的三维形状信息，计算得到雨滴谱产品。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，步骤6)所述光场函数L(x,y,u,v)也可以利用小波变换进行重构，重构算法如下：

步骤a)利用box-and-X采样图案，沿着(u,v)平面六条一维线段分别对图像样本进行采样，将采样得到的样本记为L_k,l(x,y)；

步骤b)对每一个输入图像L_k，l(x，y)做二维小波变换，分别得到其高频信息

和低频信息

步骤c)同时对得到的高频数据和低频数据分别进行处理，在每一个空间频率(ω_x，ω_y)上，沿着几个位于一维线性样本的视点上取值分别得到

和

步骤d)对于每一个空间频率(ω_x，ω_y)，利用下式7的算法恢复其二维角度域

式7中：a为恢复频率系数，N为每一个位于线段垂直方向上的频率个数；

步骤e)将得到的所有位置的二维频谱

和

合并，然后对每一个位置(u，v)的二维频谱L_u，v(ω_x，ω_y)左小波反变换以恢复其整个四维光场L(x，y，u，v)。

8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，步骤6)所述光场函数L(x，y，u，v)还可以利用极平面图像对四维光场数据进行深度估计：从四维光场数据中选取二维极平面图像切片，通过对应物点的斜率来获取深度信息，进而得到光场函数L(x，y，u，v)。

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