一种新型视频探空仪

技术领域

本发明属于气象探测装置领域，具体涉及一种新型视频探空仪。

背景技术

视频探空仪是对流层降水观测研究的一种重要仪器设备，可以直观的呈现空中各种水凝物粒子的形貌，对于云降水物理学研究提供重要的技术支撑。云降水中的直接观测结果对于基于雷达、卫星等多源观测设备遥感算法的开发、验证具有重要意义。

关于探空仪方面的文献资料非常多，比如，CN206178171U，一种探空仪，它包括，大气监测系统及地面接收系统，所述的大气监测系统包括气球、用于测量环境温度的温度传感器、用于测量气压的气压传感器、用于对探空仪实时定位的GPS模块、用于接收和计算所述的温度传感器、气压传感器和GPS模块的采集数据的微控制器、用于将微控制器采集和计算的数据传送至所述的地面接收系统的第一无线模块，所述的地面接收系统包括用于接收所述的第一无线模块发送的数据的第二无线模块，用于接收和处理所述的第二无线模块接收的数据的手持终端。CN106597573A，一种模拟探空仪及探空仪装置，包括高空气象探测数据生成器模块、接口电路模块、A/D转换模块、无线电信号发射模块，高空气象探测数据生成器模块、接口电路模块、A/D转换模块、无线电信号发射模块依次相连；高空气象数据生成器电路模块由一阶RC响应电路、模拟函数乘法器组成，A/D转换模块由A/D转换器、微控制器组成，模拟乘法器连接到一阶RC响应电路，每个模拟乘法器通过一个采样/保持电路连接到多路开关，多路开关的输出端连接到A/D转换模块的A/D转换器，A/D转换器连接到微控制器，微控制器输出高空气象数字信号。CN1656392A，无线电探空仪系统、无线电探空仪系统接收器和无线电探空仪接收器中的信号处理方法；CN215343001U，探空仪天线和探空仪；CN107561601A，一种智能探空仪装置；CN114563833A，探空仪施放保护器，等等。

上述文献的研究内容主要集中在装置整体协同性效果或者与探空仪相关的周边配套产品方面，而对于探空仪前端原始资料获取方面的研究较少。以往的视频探空仪，使用摄像机拍摄空中水汽粒子时，一般使用全视野照明方式，对视野内的全部水汽粒子成像。但是水汽粒子与相机距离不同时，其成像的放大倍数不同。该缺点会导致水汽粒子成像后无法准确反算水汽粒子的真实尺度。而该尺度信息对于高空气象研究具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型视频探空仪，通过在相机前一定距离、设定能提供一定照明厚度的光源，通过合理设计光源强度、高速相机光圈大小、曝光时间、物距、相距等参数，使得仅有该照明区域内的水汽粒子能在高速相机成像芯片上成一定亮度的图像。在工程可接受的精度上，在该成像区域内的成像粒子，具有相同的放大倍数。在获得水汽粒子的图像后，可以准确的反算水汽粒子的真实尺度，促进高空气象研究更上一个台阶。

本发明采取的技术方案是：

一种新型视频探空仪，由地面站和空中机构组成，地面站和空中机构通过无线通讯方式连接；

所述地面站包括连接有地面电源模块的计算机，计算机安装有水凝物粒子图像处理软件，同时连接有地面无线通讯模块；

所述空中机构包括设置在无人机或气球上的箱体，在箱体内设置有空中电源模块、嵌入式计算机、空中无线通讯模块、高速相机和镜头；

所述空中电源模块为空中机构供电，所述空中无线通讯模块和高速相机均与嵌入式计算机相连；所述镜头设置在高速相机前侧；

在箱体外侧设置两个相对的专用光源模块，两个专用光源模块发射的光线交叉后形成叠合区域；所述高速相机的拍摄区域限于所述叠合区域。

空中机构由气球或无人机作为运载平台，飞行至设定高度后，使用高速相机对水凝物粒子成像，使用嵌入式计算机记录图像。对图像进行水凝物粒子检测后，含水凝物粒子的图像通过空中无线通讯模块发送到地面，再通过地面站的地面无线通讯模块接收，并传至计算机，计算机通过水凝物粒子图像处理软件进行分析处理。

进一步的，所述嵌入式计算机运行Windows、Linux、或安卓操作系统，并通过控制软件控制高速相机的启动、停止，同时读取高速相机拍摄的图像并保存到存储设备中；再对高速相机拍摄的图像进行水凝物粒子检测，将包含目标的图像通过空中无线通讯模块发送到地面站。

进一步的，所述空中无线通讯模块与地面无线通讯模块采用Lora、ZigBee或专有通讯协议，通讯距离30km，与地面站计算机进行通讯，获得高速相机启动、停止的指令以控制高速相机运行，并向地面站发送水凝物粒子图像。

进一步的，所述空中电源模块使用锂电池组及降压、稳压组件，把锂电池的电压变换到嵌入式计算机、空中无线通讯模块以及专用光源模块使用的电压，为各模块提供电源。

进一步的，所述专用光源模块包括固定在箱体上的光源壳体，在光源壳体内设置激光二极管；每个激光二极管发出的光，经镜头折射后，形成一个扇形照射区域，该扇形照射区域的厚度由镜头参数决定，厚度范围为2~20mm。

作为一个应用案例，设定厚度为5mm。

进一步的，所述叠合区域为菱形。

两个光源在视频探空仪的外壳上相对安装，2个光源的照射区域互相交叉，形成一个菱形的交叉照明区域。所谓厚度，是指沿垂直于叠合区域方向，光源照射区域形成的宽度范围。

进一步的，所述高速相机为彩色或者黑白的工业高速相机，最短曝光时间为1微秒；分辨率根据拍摄的目标粒子的不同，选择范围为低分辨率320x240~高分辨率4000x3000。

进一步的，高速相机的焦距、光圈和曝光时间的调整要求为：

调整焦距，使得高速相机的焦平面位于所述叠合区域的厚度方向的中间位置；

调整光圈大小，使高速相机的景深等于叠合区域的厚度；

调整曝光时间，使高速相机拍摄叠合区域内的目标的亮度高于叠合区域外的目标的亮度。

在所述的光源安装位置，及高速相机的焦距、光圈、曝光时间设定下，高速相机可以拍摄到交叉照明区域内的粒子，这些粒子在图像上具有较高的亮度。而交叉照明区域以外的粒子，由于没有光源照射，在图像中具有很低的亮度；在对高速相机的图像进行处理时，选择合理的亮度阈值，即可将交叉照明区域内的粒子筛选出来。

本发明的有益效果：

通过本发明特有光源模块得到具有一定厚度的交叉照明区域，同时选择合适的高速相机参数，使得交叉照明区域中心和距离镜头最远的粒子的放大倍数差异很小，仅为1.2%，在工程实践中可以忽略不计；进而可以采用交叉照明区域中心的放大倍数来计算所有粒子的尺度，从而获得视频探空仪所拍摄到的粒子的真实尺寸。设置了较小的相机光圈以后，镜头的景深可以涵盖交叉照明区域的厚度，交叉照明区域所有的粒子的成像质量都很好。这在以往的视频探空仪中无法做到。

具体表现为：（1）采用激光光源，经镜头变换后，形成固定厚度的扇形照明区域；（2）使用2个激光光源相对安装，使两个扇形照明区域形成一个菱形的交叉照明区域；（3）设计高速相机的焦距、光圈大小、快门速度，使高速相机拍摄到交叉照明区域内的粒子清晰且具有较高亮度，而此区域外的粒子不清晰且亮度较低；合理设计相机的物距、相距、焦距等参数，交叉照明区域中心的放大倍数即可用于计算交叉照明区域内所有的粒子的放大倍数，从而可以反算出所拍摄气象粒子的准确尺度。

附图说明

图1是视频探空仪原理框图；

图2是视频探空仪空中机构结构图；

图3是光源照射范围示意图。

图2—图3中，1、箱体，2、空中电源模块，3、嵌入式计算机，4、空中无线通讯模块，5、高速相机，6、专用光源模块；A、光源照射重叠部分，B、高速相机拍摄范围，C、被测粒子。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种新型视频探空仪，由地面站和空中机构组成，地面站和空中机构通过无线通讯方式连接；所述地面站包括连接有地面电源模块的计算机，计算机安装有水凝物粒子图像处理软件，同时连接有地面无线通讯模块。

所述空中机构包括设置在无人机或气球上的箱体1，在箱体1内设置有空中电源模块2、嵌入式计算机3、空中无线通讯模块4、高速相机5和镜头；所述空中电源模块2为空中机构供电，所述空中无线通讯模块4和高速相机5均与嵌入式计算机3相连；所述镜头设置在高速相机前侧；在箱体1外侧设置两个相对的专用光源模块6，两个专用光源模块6发射的光线交叉后形成菱形叠合照明区域，见图3；所述高速相机5的拍摄区域限于所述菱形叠合区域。

空中机构由气球或无人机作为运载平台，飞行至设定高度后，使用高速相机对水凝物粒子成像，使用嵌入式计算机记录图像。对图像进行水凝物粒子检测后，含水凝物粒子的图像通过空中无线通讯模块发送到地面，再通过地面站的地面无线通讯模块接收，并传至计算机，计算机通过水凝物粒子图像处理软件进行分析处理。

所述嵌入式计算机3运行Windows操作系统，并通过控制软件控制高速相机5的启动、停止，同时读取高速相机5拍摄的图像并保存到存储设备中；再对高速相机5拍摄的图像进行水凝物粒子检测，将包含目标的图像通过空中无线通讯模块4发送到地面站。

所述空中无线通讯模块4与地面无线通讯模块采用ZigBee通讯协议，通讯距离30km，与地面站计算机进行通讯，获得高速相机5启动、停止的指令以控制高速相机5运行，并向地面站发送水凝物粒子图像。

所述空中电源模块2使用锂电池组及降压、稳压组件，把锂电池的电压变换到嵌入式计算机3、空中无线通讯模块4以及专用光源模块6使用的电压，为各模块提供电源。

所述专用光源模块6包括固定在箱体1上的光源壳体，在光源壳体内设置激光二极管；每个激光二极管发出的光，经镜头折射后，形成一个扇形照射区域，该扇形照射区域的厚度由镜头参数决定，在本实施例中，厚度为5mm。所谓厚度，是指沿垂直于叠合区域方向，光源照射区域形成的宽度范围。

所述高速相机为彩色或者黑白的工业高速相机，最短曝光时间为1微秒；分辨率根据拍摄的目标粒子的不同，选择范围为低分辨率320x240~高分辨率4000x3000。本实施例选择高分辨率4000x3000。

高速相机的焦距、光圈和曝光时间的调整要求为：1调整焦距，使得高速相机的焦平面位于所述叠合区域的厚度方向（即垂直于叠合区域方向）的中间位置；2调整光圈大小，使高速相机的景深等于叠合区域的厚度；3调整曝光时间，使高速相机拍摄叠合区域内的目标的亮度高于叠合区域外的目标的亮度。

在所述的光源安装位置，及高速相机的焦距、光圈、曝光时间设定下，高速相机可以拍摄到交叉照明区域内的粒子，这些粒子在图像上具有较高的亮度。而交叉照明区域以外的粒子，由于没有光源照射，在图像中具有很低的亮度；在对高速相机的图像进行处理时，选择合理的亮度阈值，即可将交叉照明区域内的粒子筛选出来。

粒子尺度计算及误差分析原理：

透镜清晰成像时，其物距、相距、焦距满足高斯公式：

其中，L

放大倍数为：

理论上说，对于固定的L

典型的，对于交叉照明区域中心和离相机最远的两个粒子，其放大倍数分别为：

L

实例验证：

在本实施例中，选用如下参数：

。

此时：

。

由此得到放大倍数的相对误差为：0.0003/0.025=0.012=1.2%。

从实例可知，虽然理论上，交叉照明区域中心和距离镜头最远的粒子的放大倍数不同，但在选择合适的参数以后，该放大倍数差异很小，仅为1.2%，在工程实践中可以忽略不计。

利用该优点，使我们可以采用交叉照明区域中心的放大倍数来计算所有粒子的尺度，从而获得视频探空仪所拍摄到的粒子的真实尺寸。这一点，在以往的视频探空仪中无法做到。