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制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。稳定性强。稳定性强。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术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。
[0007]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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。
[0012]优选地，所述光源包括白光光源和激光光源。
[0013]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。
[0014]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：
[0015]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；
[0016]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；
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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：
[0020]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：
[0021][0022]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；
[0023]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；
[0024]所述边界检测算法如下式2所示：
[0025][0026]式2中：f(x，y)为像素点(x，y)处的光强值；
[0027]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；
[0028]所述粒子追踪算法如下式3所示：
[0029][0030]式3中：p(t)表示降水粒子在t时刻的空间位置；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：郜海阳，赵文川，寇蕾蕾，廖淑君，康佳慧，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：