一种雨滴物理特性观测方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种雨滴物理特性观测方法及装置。所涉及的方法是基于图像处理技术，根据雨滴区域和非雨滴区域的灰度差异、雨滴图形结构等特征量对雨滴和噪音进行辨识，继而勾画二值化的雨滴图形，在此基础上匹配“快拍”和“慢拍”得到的同名雨滴影像，并设计合理的算法，确定雨滴的位置、形状和拖尾长度，最终解算雨滴的直径和降落末速度。所涉及的装置包括平行光发生装置、投影幕布和影像采集装置，影像采集装置包括第一影像采集装置和第二影像采集装置，第一影像采集装置的曝光时间短于第二影像采集装置的曝光时间；平行光发生装置与投影幕布之间为观测视场；平行光照射观测视场中的下落雨滴，在所投影幕布上形成雨滴投影，影像采集装置采集雨滴投影。

【技术实现步骤摘要】
一种雨滴物理特性观测方法
本专利技术属于雨滴观测
，具体涉及一种雨滴物理特性观测方法。
技术介绍
雨滴是云中宏观、微观过程矛盾的最终产物，尽管雨滴直径通常不足6mm，但由于雨滴降落过程中通常具有较大的动能，其对土壤颗粒的打击力却很大，对土壤侵蚀过程中所造成的溅蚀量是不可忽略的。研究雨滴的物理特性是研究土壤水力侵蚀动力学过程、计算陆面过程中降雨侵蚀力等工作的基本依据，亦有助于解释云内成雨机制，评估人工增雨条件与效果检验，因此雨滴物理特性的研究受到了诸多学者的广泛重视。反映雨滴物理特性的参数主要有雨滴形状、直径、降落末速度等。现有技术中的雨滴物理特性的观测方法有色斑、面粉团法、浸入法、动能冲量法、摄影法等。色斑法是基于“雨滴在同一材料上形成的色斑大小与雨滴的粒径大小成正比”这一假定。该方法操作简便，成本低廉，至今仍被广泛应用，但在实践中，雨滴溅落在滤纸上形成的是一群形状极不规则的带毛刺的图案，使得依据色斑形状估计雨滴粒径在很大程度上依靠主观经验。面粉团法是指用盛有面粉的容器接盛雨滴，雨滴渗入面粉形成面粉团，然后通过测量面粉团的重量来确定雨滴的大小。面粉团法须有高精度电子天平称量的过程，不适用于测量粒径太小的雨滴。浸入法是用盛有油料的容器接盛雨滴，通过测量油中水珠直径来确定雨滴的大小，但是该方法仅适用于测量粒径较小的雾滴或雨滴。随着电子测量技术的发展，采用动能冲量传感器测量降雨场中传感器截面积上雨滴动能冲量。由于冲量传感器受尺寸限制，雨滴测量截面积太小(几平方厘米)，进而影响该方法中雨滴测量的代表性和准确性；另有传感器表面积水，使得该方法无法进行连续观测。已有的摄影法可以直接获取雨滴影像，但是存在景深效应，并且多局限于室内模拟降雨研究，而无法得到自然降雨条件下的雨滴物理特性。可见，传统的雨滴物理特性测量方法普遍存在测量精度低、劳动强度高、测量实时性差、仅能进行个例研究等问题。近年来线阵扫描法被逐渐应用，与上述方法相比，该方法可以直接测量雨滴直径和速度，进而准确的计算雨滴动能。但是此类方法仍存在不同程度的误差，例如，基于线阵扫描法的OTTPARSIVEL激光雨滴谱仪、二维视频雨滴谱仪等可以直接获取降雨粒子的剖面信息，但是雨滴降落末速度是根据雨滴形状假设进行估计的，并且粒子穿过测量区域存在水平位移时会导致粒子影像的变形；此外，此类方法采样空间小，对小粒子的探测能力较弱。例如，二维视频雨滴谱仪采用双线阵CCD和正交电路，采样面积仅为100mm×100mm，单个CCD线阵包含512个像元，最小分辨力为0.19mm。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷或不足，本专利技术的目的之一是提供一种雨滴物理特性观测方法。本专利技术提供的雨滴物理特性观测方法包括：(1)利用第一影像采集装置和第二影像采集装置采集同一降雨场景、同一时间段内的多帧影像，所述第一影像采集装置的曝光时间短于第二影像采集装置的曝光时间；(2)对第一影像采集装置和第二影像采集装置所采集的影像进行几何纠正处理，使步骤(1)所得所有影像位于同一坐标系；(3)对步骤(2)处理后的所有影像进行统计滤波处理，使含有雨滴的影像凸显；(4)对步骤(3)得到的影像进行滚动滤波处理：设当前待处理影像帧R中背景像素取值为0，待判断像素取值为1；接着，①将位于当前待处理影像帧的右侧边缘的像素列移到当前待处理影像帧的左侧边缘，得到右滚动影像帧R1；②将位于当前待处理影像帧的左侧边缘的像素列移到当前待处理影像帧的右侧边缘，得到左滚动影像帧R2；③求得R*R1与R*R2或运算值RES1；RES1为当前待处理影像帧的滚动滤波影像，或者，对RES(n-1)进行步骤①至③处理，得到RESn，n为大于等于2的自然数，RESn为当前待处理影像帧的滚动滤波影像；(5)对步骤(4)处理后的影像进行二值化处理，得到雨滴影像；(6)依据第一影像采集装置采集的雨滴影像计算每幅影像中每一个雨滴的雨滴直径；依据第一影像采集装置和第二影像采集装置采集的雨滴影像计算每一个雨滴的雨滴降落末速度；所述雨滴直径为雨滴影像最大直径与最大直径垂直的第二直径的几何均值；所述雨滴降落末速度为同一时刻下，第二影像采集装置采集的雨滴影像中雨滴A的拖尾影像的直径减去第一影像采集装置采集的雨滴影像中雨滴B的直径的差值除以第一影像采集装置和第二影像采集装置的曝光时间差，所述雨滴B的雨滴影像重心位于雨滴A的雨滴影像中。可选的，本专利技术所述第一影像采集装置和第二影像采集装置的采集帧率均为20帧·s-1，第一影像采集装置曝光时间为1/4000s,第二影像采集装置曝光时间为1/500s。可选的，本专利技术步骤(2)以标靶为参照，对第一影像采集装置和第二影像采集装置所采集的影像进行几何纠正处理。可选的，本专利技术步骤(5)中二值化滤波处理的阈值为28-32。可选的，本专利技术步骤(6)中雨滴直径为雨滴影像的最大直径；或者为雨滴影像外轮廓线上各像素点与雨滴重心距离的几何平均值，或者为雨滴影像外轮廓线上各像素点与雨滴重心距离的算数平均值；或者为雨滴影像对应的等效圆的直径。本专利技术同时还提供了一种雨滴物理特性观测装置。本专利技术所提供的装置包括：平行光发生装置、投影幕布和影像采集装置，所述影像采集装置包括第一影像采集装置和第二影像采集装置，所述第一影像采集装置的曝光时间短于第二影像采集装置的曝光时间；所述平行光发生装置与投影幕布之间为观测视场；平行光照射观测视场中的下落雨滴，在所述投影幕布上形成雨滴投影，影像采集装置采集雨滴投影。可选的，本专利技术所述平行光发生装置包括光源和菲涅尔透镜，光源发出的光经菲涅尔透镜后生成平行光。可选的，本专利技术所述光源为卤素点光源。可选的，本专利技术装置还包括标靶，所述标靶为设在幕布上的圆形图案。可选的，本专利技术的平行光发生装置安装在一个防水壳体中，所述投影幕布和影像采集装置安装在一个防水壳体中。本专利技术所述装置还可包括数据处理装置，利用普通计算机及其对应的开发软件即可实现。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)本专利技术为节水灌溉，人工模拟降雨等系统中喷头的设计及制造提供了准确的检测手段；本专利技术对于研究降水微观特征、计算降雨侵蚀力等提供了技术方法和观测设备；(2)本专利技术采用两台不同曝光时间的相机同时进行拍照，获得“静止”和“拖尾”的同名雨滴影像，进而通过计算机图像处理技术解算雨滴物理特性参数；(3)本专利技术采用的滚动滤波等技术可以有效、高效地剔除影像中的噪点。(4)本专利技术的方法还可以对雪花、冰雹等不同类型降水粒子的物理特性进行测量，不仅可以揭示不同降水粒子的物理特征，而且有助于促进降水微观特征在降水特征、土壤侵蚀及其控制机制评估等方面的应用。附图说明图1为雨滴影像示意图，其中(a)为静止影像，(b)为拖尾影像；图2为本专利技术的装置参考示意图，其中：1-大功率点光源，2-光学菲镜，3-投影幕布，4-高速拍摄相机，5-低速拍摄相机，6-相机同步控制器，7-影像采集控制解算计算机；图3为本专利技术的方法处理过程中的影像参考示意图，其中：(a)原始影像，(b)统计滤波，(c)滚动滤波，(d)二值化；图4为本专利技术的方法处理后的雨滴影像参考示意图，其中：(a)“静止”影像；(b)“拖尾”影像，a1和b1即为同名雨滴；图5为相对误差的频率分布，(a)直径相对误差；(b)降落末本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种雨滴物理特性观测方法，其特征在于，方法包括：(1)利用第一影像采集装置和第二影像采集装置采集同一降雨场景、同一时间段内的多帧影像，所述第一影像采集装置的曝光时间短于第二影像采集装置的曝光时间；(2)对第一影像采集装置和第二影像采集装置所采集的影像进行几何纠正处理，使步骤(1)所得所有影像位于同一坐标系；(3)对步骤(2)处理后的所有影像进行统计滤波处理，使含有雨滴的影像凸显；(4)对步骤(3)得到的影像进行滚动滤波处理：设当前待处理影像帧R中背景像素取值为0，待判断像素取值为1；接着，①将位于当前待处理影像帧的右侧边缘的像素列移到当前待处理影像帧的左侧边缘，得到右滚动影像帧R1；②将位于当前待处理影像帧的左侧边缘的像素列移到当前待处理影像帧的右侧边缘，得到左滚动影像帧R2；③求得R*R1与R*R2的或运算值RES1；RES1为当前待处理影像帧的滚动滤波影像，或者，对RES(n‑1)进行步骤①至③处理，得到RESn，n为大于等于2的自然数，RESn为当前待处理影像帧的滚动滤波影像。(5)对步骤(4)处理后的影像进行二值化处理，得到雨滴影像；(6)依据第一影像采集装置采集的雨滴影像计算每幅影像中每一个雨滴的雨滴直径；依据第一影像采集装置和第二影像采集装置采集的雨滴影像计算每一个雨滴的雨滴降落末速度；所述雨滴直径为雨滴影像最大直径与最大直径垂直的第二直径的几何均值；所述雨滴降落末速度为同一时刻下，第二影像采集装置采集的雨滴影像中雨滴A的拖尾影像的直径减去第一影像采集装置采集的雨滴影像中雨滴B的直径的差值除以第一影像采集装置和第二影像采集装置的曝光时间差，所述雨滴B的雨滴影像重心位于雨滴A的雨滴影像中。...

【技术特征摘要】
1.一种雨滴物理特性观测方法，其特征在于，方法包括：(1)利用第一影像采集装置和第二影像采集装置采集同一降雨场景、同一时间段内的多帧影像，所述第一影像采集装置的曝光时间短于第二影像采集装置的曝光时间；(2)对第一影像采集装置和第二影像采集装置所采集的影像进行几何纠正处理，使步骤(1)所得所有影像位于同一坐标系；(3)对步骤(2)处理后的所有影像进行统计滤波处理，使含有雨滴的影像凸显；(4)对步骤(3)得到的影像进行滚动滤波处理：设当前待处理影像帧R中背景像素取值为0，待判断像素取值为1；接着，①将位于当前待处理影像帧的右侧边缘的像素列移到当前待处理影像帧的左侧边缘，得到右滚动影像帧R1；②将位于当前待处理影像帧的左侧边缘的像素列移到当前待处理影像帧的右侧边缘，得到左滚动影像帧R2；③求得R*R1与R*R2的或运算值RES1；RES1为当前待处理影像帧的滚动滤波影像，或者，对RES(n-1)进行步骤①至③处理，得到RESn，n为大于等于2的自然数，RESn为当前待处理影像帧的滚动滤波影像。(5)对步骤(4)处理后的影像进行二值化处理，得到雨滴影像；(6)依据第一影像采集装置采集的雨滴影像计算每幅影像中每一个雨滴的雨滴直径；依据第一影像采集装置和第二影像采...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭明航，赵军，林奇，展小云，史海静，税军峰，
申请(专利权)人：西北农林科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61