CN114663273B - 一种基于直接成像的轻量型云粒子现场测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种基于直接成像的轻量型云粒子现场测量方法及系统

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。

优选的，使用FPGA对所述图像传感器短时曝光后，再利用DSP实时采集并处理所述云粒子图像。

优选的，使用FPGA对所述图像传感器短时曝光的方法为：使用FPGA驱动所述成像光源，当所述FPGA检测到所述图像传感器的曝光信号时，同步点亮所述成像光源，实现所述图像传感器的短时曝光。

优选的，所述测量方法还包括，获得所述云粒子的特征参数后，利用时间积分，获得所述云粒子的特征参数的谱分布，来验证所述云粒子的现场测量结果的可信度。

优选的，利用DSP实处理所述云粒子图像的方法为：基于DSP，对所述云粒子图像进行连通域处理和阈值分割，去除所述云粒子图像的背景信息，获得所述云粒子图像的像素点坐标和灰度值。

优选的，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的过程为：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实验，建立所述云粒子图像的像素点和尺度的定标关系，根据所述云粒子图像的像素点的个数，获得所述云粒子的实际尺寸。

优选的，所述成像光源为由多个均匀分布、向中间倾斜的LED组成的环形光源；每个LED光束的中轴与光学镜头之间有预设的倾角。

优选的，所述环形光源与所述图像传感器正对放置，所述环形光源、所述光学镜头和所述图像传感器的中轴在同一条直线上。

另一方面，本发明提供一种基于直接成像的轻量型云粒子现场测量系统，包括：光学单元、成像单元、采集与控制单元、数据处理单元；

所述光学单元用于获取成像光源，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；

所述成像单元用于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；

所述采集与控制单元用于利用DSP实时采集并处理所述云粒子图像；

所述数据处理单元用于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。

本发明的有益效果为：

1、根据米散射原理，使用低成本、低功耗的非相干光源实现了对云粒子的非接触成像。

2、充分利用DSP强大的运算能力，可实时处理采集到的图像，去除图像中无用的背景信息，仅保留图像中的云粒子，大大降低了对网络带宽和存储空间的占用。

3、具有质量轻、成本低、功耗小、环境适应性强等优点，可由探空气球搭载，获取台风、雷暴、风暴等极端天气现象的观测资料。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1中一种基于直接成像的轻量型云粒子现场测量方法流程示意图；

图2是本发明实施例1的环形光源示意图；

图3是本发明实施例1的测量原理图；

图4是本发明实施例1中DSP图像实时处理流程；

图5是本发明实施例1开展标定实验的测量结果；

图6是本发明实施例1测量得到的云滴尺度谱分布；

图7是本发明实施例2的系统结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，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：

S1：获取成像光源，将成像光源汇聚到图像传感器，生成云粒子三维采样空间：

具体的，使用环形光源和光学镜头组成光路，环形光源由多个均匀分布、向中间倾斜的LED组成的环形光源，每个LED均与光学镜头的光轴形成一定的倾角，LED的照明光束不会直接进入光学镜头，而是汇聚在面阵图像传感器的景深处，形成三维采样空间。

如图2所示，环形光源由8个向中心倾斜且均匀分布的LED组成，LED光束的中轴与镜头的光轴形成一定的角度，8个LED的照明光束汇聚在采样区的中心位置，形成明亮的采样空间，采样空间中心处锥形光束的直径为Ф，光束汇聚起始位置的间隔即锥形光束的高度为h。

S2：当三维采样空间采集到云粒子时，成像光源与云粒子发生米散射作用，获得云粒子前向散射光，云粒子前向散射光在图像传感器上生成云粒子图像：

具体的，照明光束与云粒子发生米散射作用，云粒子前向散射光在面阵图像传感器上形成明亮的光斑，由图像传感器进行光电转换、模数转换等操作，生成数字图像，实现云粒子非接触成像。

如图3所示，环形光源的斜照光束汇聚在采样区中心位置，形成三维采样空间。当采样空间内有云粒子时，光束与云粒子发生米散射作用，云粒子的前向散射光将通过镜头汇聚在CMOS传感器上，形成明亮的光斑，经光电转换后形成粒子图像。

S3：利用DSP实时采集并处理云粒子图像：

具体的，使用FPGA对所述图像传感器短时曝光后，再利用DSP实时采集并处理所述云粒子图像。

具体的，通过FPGA芯片驱动环形光源，当FPGA检测到面阵图像传感器曝光信号时，定时点亮环形光源，实现图像传感器短时曝光，曝光时长不超过10μs，以减小粒子与图像传感器之间相对运动对图像质量的影响。

具体的，使用DSP芯片实时采集面阵图像传感器的图像数据，通过网络连接将图像实时发送给上位机，基于DSP实现图像联通域处理和阈值分割算法，去除图像中无用的背景信息，仅传输组成云粒子图像的像素点坐标和灰度值，以减少对存储空间和网络带宽的占用。

具体的，DSP支持TCP/IP和UDP/IP两种网络协议，以分别满足数据可靠性或实时性要求。DSP还可集成GPS/BD等定位模块，以提供测量数据的时空信息。借助无线传输模块，DSP可通过无线广播的方式，实现云粒子图像、图像时空信息等测量数据的远距离实时传输。

如图4所示，DSP通过外设接口接收CMOS图像数据并分配工作缓存。DSP将原始图像中4像素×4像素的区域作为1个像素处理，得到原始图像的缩略图。使用阈值分割法和连通域算法对缩略图像进行遍历，识别并标记每个粒子的坐标、大小。根据缩略图像中粒子的坐标与大小信息，将粒子映射到原始图像上。DSP将原始图像中粒子的坐标、大小、像素点灰度值编码，并通过网络传输实时发送给上位机。如果仪器长期工作在高湿度环境下，会导致镜头积雾，而镜头积雾会使粒子前向散射光在经过镜头时发生多次散射，从而导致图像平均亮度提高。积雾严重时，可能会导致粒子识别算法失效，在仪器连续多帧只能检测到粒径大于300μm的粒子的情况下，算法会自动更新阈值。

S4：利用光学分辨率检验板对处理后的云粒子图像进行标定，基于二值形态学方法，分析标定后的云粒子图像，获得云粒子的特征参数，完成云粒子的现场测量：

具体的，利用光学分辨率检验板对处理后的云粒子图像进行标定的过程为：利用光学分辨率检验板对处理后的云粒子图像进行标定实验，建立云粒子图像的像素点和尺度的定标关系，根据云粒子图像的像素点的个数，获得所述云粒子的实际尺寸。

如图5所示，使用光学分辨率检验板进行标定实验的结果，识别对象为分划板上直径100μm的圆形涂层。控制模块实时采集图像并通过网络传输发送给上位机，上位机对粒子图像进行滤波降噪、闭运算、开运算、二值化等处理，得到粒子的二值图像，根据粒子二值图像计算出云粒子直径为71个像素点。因此，图像中一个像素点对应的粒子实际尺度为1.4μm。

具体的，使用二值形态学方法，分析云粒子图像，获取云粒子粒径、形状、相态等特征参数，利用时间积分得到云粒子微物理特征的谱分布，来验证云粒子的现场测量结果的可信度。

如图6所示，云滴的尺度谱分布，是对仪器在一段时间内的测量得到的云粒子尺度进行时间积分得到的粒子尺度谱分布。实验结果表明，该仪器的测量结果符合对数正态分布函数，其测量结果有较高的可信度。

实施例2

本发明提供一种基于直接成像的轻量型云粒子现场测量系统：

如图7所示，本发明测量系统由光学单元、成像单元、采集和控制单元以及数据处理单元组成。其中，光学单元由环形光源和光学镜头组成，当采样空间存在粒子时，光源的斜照光束与云粒子发生米散射作用，粒子前向散射光经光学镜头聚焦，在图像传感器上形成明亮的光斑。成像单元由CMOS图像传感器和CMOS驱动电路组成，CMOS可将接收到的光信号转换为数字图像信号。采集与控制单元由FPGA芯片、DSP芯片及芯片外围电路组成，可实现短时曝光、图像数据实时采集、处理与传输等功能，可获取云粒子图像并实时发送给上位机。数据处理单元由无线接收模块和电脑端应用软件组成，主要用于接收实时观测数据，解析并存储云粒子图像，提取云粒子微物理特征。

以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于直接成像的轻量型云粒子现场测量方法，其特征在于，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；

利用DSP实处理所述云粒子图像的方法为：基于DSP，对所述云粒子图像进行连通域处理和阈值分割，去除所述云粒子图像的背景信息，获得所述云粒子图像的像素点坐标和灰度值；

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的过程为：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实验，建立所述云粒子图像的像素点和尺度的定标关系，根据所述云粒子图像的像素点的个数，获得所述云粒子的实际尺寸。

2.根据权利要求1所述的基于直接成像的轻量型云粒子现场测量方法，其特征在于，使用FPGA对所述图像传感器短时曝光后，再利用DSP实时采集并处理所述云粒子图像。

3.根据权利要求2所述的基于直接成像的轻量型云粒子现场测量方法，其特征在于，使用FPGA对所述图像传感器短时曝光的方法为：使用FPGA驱动所述成像光源，当所述FPGA检测到所述图像传感器的曝光信号时，同步点亮所述成像光源，实现所述图像传感器的短时曝光。

4.根据权利要求1所述的基于直接成像的轻量型云粒子现场测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括，获得所述云粒子的特征参数后，利用时间积分，获得所述云粒子的特征参数的谱分布，来验证所述云粒子的现场测量结果的可信度。

5.根据权利要求1所述的基于直接成像的轻量型云粒子现场测量方法，其特征在于，所述成像光源为由多个均匀分布、向中间倾斜的LED组成的环形光源；每个LED光束的中轴与光学镜头之间有预设的倾角。

6.根据权利要求5所述的基于直接成像的轻量型云粒子现场测量方法，其特征在于，所述环形光源与所述图像传感器正对放置，所述环形光源、所述光学镜头和所述图像传感器的中轴在同一条直线上。

7.一种基于直接成像的轻量型云粒子现场测量系统，其特征在于，包括：光学单元、成像单元、采集与控制单元、数据处理单元；

所述光学单元用于获取成像光源，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；

所述成像单元用于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；

所述采集与控制单元用于利用DSP实时采集并处理所述云粒子图像；

所述数据处理单元用于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；

利用DSP实处理所述云粒子图像的过程为：基于DSP，对所述云粒子图像进行连通域处理和阈值分割，去除所述云粒子图像的背景信息，获得所述云粒子图像的像素点坐标和灰度值；

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的过程为：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实验，建立所述云粒子图像的像素点和尺度的定标关系，根据所述云粒子图像的像素点的个数，获得所述云粒子的实际尺寸。

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