CN215415964U - 一种基于光场摄像技术的二维雨滴谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于光场摄像技术的二维雨滴谱仪，该二维雨滴谱仪包括光源系统、遮光罩、光场采样区和光场接收系统，所述光场采样区两侧分别通过第一、第二遮光罩与光源系统和光场接收系统连接；所述光场接收及处理系统包括锥形镜管和光场相机，所述锥形镜管一端与第二遮光罩连接，另一端靠近光场相机，且管径自靠近遮光罩一端向另一端逐渐减小。该二维雨滴谱仪利用光场技术精确捕捉雨滴二维形态与运动轨迹，基于光场重聚焦算法、粒子边缘检测算法以及粒子追踪算法，对整个采样空间进行光场切片重聚焦，进而对每一层清晰图像内的降水粒子进行精确测量，最终获得雨滴谱分布。

Description

一种基于光场摄像技术的二维雨滴谱仪

技术领域

本实用新型涉及一种基于光场摄像技术的二维雨滴谱仪，属于大气探测技术与装备领域。

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。雨滴谱研究的深入，对进一步了解自然降水的物理过程，探索云内成雨机制、提高雷达测量降水的精确度、评估人工增雨的云水条件、检验催化效果以及数值模拟等方面都有着重要意义，并且通过对雨滴谱的分析，可以得到实时降水天气现象信息，实现天气现象的自动化观测。

目前，激光雨滴谱仪主要利用光阻法测量由降水粒子引起光信号衰减的幅值和衰减持续时间，通过高速数字信号系统计算出降水粒子粒径大小和末速度，并对上述量值进行计算分析，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信息。

但是，传统的一维激光雨滴谱仪仍存在一些局限性。一维激光雨滴谱仪只在一个方向上发射并接收激光，其计算速度快，操作维护简单，价格经济，但当有2个甚至多个降水粒子同时到达采样面时，就会产生重叠误差，对于降水粒子的尺度测量和速度估算，都会产生很大的影响。

实用新型内容

本实用新型为了解决现有技术中存在的问题，提供一种。

为了达到上述目的，本实用新型提出的技术方案为：一种基于光场摄像技术的二维雨滴谱仪，包括光源系统、遮光罩、光场采样区和光场接收系统，所述光场采样区两侧分别通过第一、第二遮光罩与光源系统和光场接收系统连接；所述光场接收及处理系统包括锥形镜管和光场相机，所述锥形镜管一端与第二遮光罩连接，另一端靠近光场相机，且管径自靠近遮光罩一端向另一端逐渐减小。

对上述技术方案的进一步设计为：所述光源系统包括光源系统外壳以及设置于光源系统外壳内的光源和凸透镜，所述光源系统外壳一侧与第一遮光罩连接，所述凸透镜位于光源和第一遮光罩之间，且光源位于凸透镜的焦点处。

所述光源系统还包括玻璃透镜，所述玻璃透镜位于光源系统外壳与第一遮光罩的连接处。

所述光场采样区呈上下贯通的矩形筒状，且两侧面分别设有与第一、第二遮光罩连接的通孔。

所述光场接收系统还包括光场接收系统外壳，所述锥形镜管和光场相机均设置于光场接收系统外壳内。

所述光场接收系统还包括半导体制冷装置，所述半导体制冷装置设置于光场接收系统外壳与光场相机相对应的侧壁上。

所述光场相机包括主镜头、微透镜阵列和成像探测器阵列，所述微透镜阵列由若干并排放置的圆柱状透镜构成，且设置于主镜头的焦点处，所述成像探测器阵列设置于微透镜阵列的焦点处，且与微透镜阵列相互平行放置。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型的二维雨滴谱仪，利用光场技术精确捕捉雨滴二维形态与运动轨迹，基于光场重聚焦算法、粒子边缘检测算法以及粒子追踪算法，对整个采样空间进行光场切片重聚焦，进而对每一层清晰图像内的降水粒子进行精确测量，最终获得雨滴谱分布。

本实用新型的二维雨滴谱仪，利用光场相机先拍照，后聚焦的特点，对每一层图像进行重聚焦得到每一层的清晰图像，充分计算采样空间内降水粒子的粒径，数目，垂直速度等相关参数；该二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，为图像的重聚焦与分析处理提供节约时间，测量结果时效性与代表性强。

本实用新型的二维雨滴谱仪，相较于传统的一维雨滴谱仪在探测空间上拓展了一个维度，可在平面内观测降水粒子，测量结果更为精确。

本实用新型的二维雨滴谱仪，具有结构简单，易于安装的优点，同时还具有能耗低、操作简便，体积小、便携性强的特点，有利于观测人员使用。

本实用新型的二维雨滴谱仪，成本低、自适应能力较高、维护简便、可靠稳定，能够更好地服务于气象观测。

附图说明

图1为本实用新型中的二维雨滴谱仪外部结构立体示意图；

图2为本实用新型中的二维雨滴谱仪内部结构及光路示意图；

图3为本实用新型中的光场相机成像光路示意图；

图4为本实用新型中的光场成像原理示意图；

图5为本实用新型中的二维雨滴谱仪检测光路示意图；

图6为本实用新型中的图像数据分析处理系统流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例

如图1所示，本实施例提供一种基于光场摄像技术的二维雨滴谱仪，包括光源系统10、遮光罩20、光场采样区30和光场接收系统50，所述的光场采样区30呈由光场采样区外壳40围成的上下贯通的矩形筒状，两遮光罩20分别安装在光场采样区外壳40的两侧，光场采样区外壳40通过该两遮光罩20分别与光源系统10和光场接收系统50连接。

遮光罩20用于防止外部杂光从光场采样区30进入光场接收系统50，并保证从所述光源系统10进入所述光场采样区30的光为平行光，光源系统10用于为光场图像的拍摄提供稳定的平行平面光场，光场接收系统50用于捕获和记录光场信号。

如图2所示，光源系统10包括光源系统外壳、设置于光源系统外壳内的光源101和凸透镜102以及设置于光源系统外壳侧壁上的玻璃透镜103，光源101安装在光源系统外壳内部的最里侧，包括白光1011和激光1012两个光源，可选择性进行切换，凸透镜102安装在光源101的前方，间距为凸透镜102的焦距，凸透镜102用于将光源101出射的发散光汇聚为平行光，并放大所述光源101的照射范围，玻璃透镜103设置于凸透镜102的正前方，用于保护所述光源101和凸透镜102的防尘效果及不受损坏。

参照图2，光场接收系统50包括光场接收系统外壳和设置于光场接收系统外壳内的锥形镜管501、光场相机502和半导体制冷装置503，锥形镜管501安装在所述光场相机502与遮光罩20之间，且管径自靠近遮光罩20一端向另一端逐渐减小，锥形镜管501用于将经过光场采样区30后的平行光束进行光束缩放，便于被光场相机502捕获和记录。光场相机502安装在所述光场接收及处理系统50中的内部，用于捕获光场信号和拍摄光场图像，半导体制冷装置503安装在光场相机502的侧边，且位于光场接收系统外壳的侧壁，用于对长时间持续工作的光场相机进行降温，维持拍摄图像的高信噪比，同时保护所述光场相机502不会过热损坏。

如图3所示，光场相机502是由主镜头5021，微透镜阵列5022和成像探测器阵列5023组成，微透镜阵列5022由若干并排紧密放置的圆柱状透镜构成，安装在所述的主镜头5021的焦距处，成像探测器阵列5023安装在所述的微透镜阵列5022的焦距处，与微透镜阵列5022相互平行放置。如图4所示，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，宏像素中所对应的像素单元来记录到达光线的光强。

对于一次降水过程，参照图5，光源101以点光源的形式发出发散光，经过凸透镜102汇聚为平行光束，平行光束经过光学窗口103和遮光罩20后，进入光场采样区30，平行光束照射至光场采样区30后，其中的降水粒子60会影响光线的传播，一方面会削弱光强，另一方面会造成光纤不同程度的折射，使得经过降水粒子60作用后，会携带降水粒子60的一些特征信息。随后，搭载信息的光束经过遮光罩20，进入锥形镜管501，平行光束的通光直径范围被锥形镜管501缩小，便于光场相机502接收，平行光束被光场相机502的主镜头5021聚焦到微透镜阵列5022上的圆柱形透镜，成像探测器阵列5023则负责记录被微透镜阵列5022发散后的光线光强。经过上述步骤后，二维雨滴谱仪便完成了一次降水粒子的光场信息的记录。

如图6所示，本实施例还提供了一种图像数据分析处理系统，同时涉及处理流程。该系统与光场相机502相连，获取光场相机502所记录的四维光场信息1，基于光场重聚焦算法2：

（1）

（1）式中，α为新相距/旧相距。

光场图像分析处理系统重聚焦得到第一层光场重聚焦图像3，基于边界检测算法4：

（2）

（2）式中，f（x,y)为像素点（x, y）处的光强值。

计算第一层光场重聚焦图像3内的降水粒子的数目和粒径大小，并以降水粒径的平均值作为第二层光场重聚焦图像5与第一层光场重聚焦图像3的间距，运用同样的方法计算第二层光场重聚焦图像5内降水粒子的数目和粒径大小，接着不断重复至最后一层光场重聚焦图像7。对每一层内降水粒子的数目和粒径进行累加即可得到整个光场采样区30内降水粒子的数目和粒径。对经过∆t时间拍摄的光场图像进行同样的分析处理，同时基于粒子追踪算法，

（3）

（3）式中，p(t)表示降水粒子在t时刻的空间位置。

对每一层光场重聚焦图像与∆t时间前的每一层重聚焦图像进行对比分析，找出不同时刻的同一降水粒子，计算它们的垂直下降速度。根据降水粒子的数目，粒径以及垂直速度参数，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信息。

雨滴谱是指单位体积中雨滴的数量随雨滴大小的分布。即

（4）

其中，

为所述二维雨滴谱仪在一个采样周期内测得的半径在

之间的粒子数目，V为二维雨滴谱仪的采样体积，

降水粒子的半径间隔，所述二维雨滴谱仪可以根据不同地区的雨滴谱型设定不同的降水粒子半径间隔

，在粒子数量较大的尺度范围采用较小的尺度间隔。

（

）即为单位体积、单位云滴尺度尺度间隔（1

）内云滴的数目。对于一次实施过程，所述二维雨滴谱仪的采样空间为边长为30cm的正方体，所述光场相机的采样频率为100Hz，其曝光时间为10ms。所述二维雨滴谱仪会以1min为单位，在1min内，所述二维雨滴谱仪每进行一次光场采样，所述光场图像图像分析系统就会进行一次对采样空间内降水粒子的粒径和数目的统计，得到一个采样周期内不同粒子尺度间隔内

的降水粒子数目

，并对1min内所有的光场图像中的降水粒子的数目进行累计，最终得到1min内降水粒子的雨滴谱，即分钟级的气象数据。

综上所述，本实施例的基于光场摄像技术的二维雨滴谱仪，其结构简单，易于安装，操作简便，有利于观测人员使用。其次，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，因此，它们能够大批量制造，可以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。最后，本实施例的一种基于二维雨滴谱仪可在一个立体空间内根据光场重聚焦算法、边界检测算法来计算每层重聚焦图像内降水粒子的数目和粒径大小，并基于粒子追踪算法计算降水粒子的垂直速度。较传统的一维激光雨滴谱仪只根据一个矩形激光束的能量衰减和降水粒子通过的时间计算降水粒子的粒径和垂直速度，显然拓展了一个空间维度，可在平面内观测降水粒子，测量结果更为精确。

本实用新型的技术方案不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本实用新型要求保护的范围内。

Claims (7)

1.一种基于光场摄像技术的二维雨滴谱仪，其特征在于：包括光源系统、遮光罩、光场采样区和光场接收系统，所述光场采样区两侧分别通过第一、第二遮光罩与光源系统和光场接收系统连接；所述光场接收及处理系统包括锥形镜管和光场相机，所述锥形镜管一端与第二遮光罩连接，另一端靠近光场相机，且管径自靠近遮光罩一端向另一端逐渐减小。

2.根据权利要求1所述基于光场摄像技术的二维雨滴谱仪，其特征在于：所述光源系统包括光源系统外壳以及设置于光源系统外壳内的光源和凸透镜，所述光源系统外壳一侧与第一遮光罩连接，所述凸透镜位于光源和第一遮光罩之间，且光源位于凸透镜的焦点处。

3.根据权利要求2所述基于光场摄像技术的二维雨滴谱仪，其特征在于：所述光源系统还包括玻璃透镜，所述玻璃透镜位于光源系统外壳与第一遮光罩的连接处。

4.根据权利要求1所述基于光场摄像技术的二维雨滴谱仪，其特征在于：所述光场采样区呈上下贯通的矩形筒状，且两侧面分别设有与第一、第二遮光罩连接的通孔。

5.根据权利要求1所述基于光场摄像技术的二维雨滴谱仪，其特征在于：所述光场接收系统还包括光场接收系统外壳，所述锥形镜管和光场相机均设置于光场接收系统外壳内。

6.根据权利要求5所述基于光场摄像技术的二维雨滴谱仪，其特征在于：所述光场接收系统还包括半导体制冷装置，所述半导体制冷装置设置于光场接收系统外壳与光场相机相对应的侧壁上。

7.根据权利要求6所述基于光场摄像技术的二维雨滴谱仪，其特征在于：所述光场相机包括主镜头、微透镜阵列和成像探测器阵列，所述微透镜阵列由若干并排放置的圆柱状透镜构成，且设置于主镜头的焦点处，所述成像探测器阵列设置于微透镜阵列的焦点处，且与微透镜阵列相互平行放置。

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