一种降水粒子微物理特征的成像测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于粒子测量技术领域，尤其涉及一种降水粒子微物理特征的成像测量装置及测量方法。

背景技术

降水是一种自然的天气现象，它对我们整个人类社会的生产生活会造成很大的影响。而构成降水的降水粒子微物理特征量粒径、下落末速度和形状等则对降水的强度和降水率以及降水粒子谱等有很大的影响；降水粒子微物理特征量还是卫星、雷达等的遥感反演基础；此外，获取准确的降水粒子微物理特征还有利于气候模式和天气数值预报模式中云微物理参数化方案的改进。

现阶段对于降水粒子微物理特征参量的测量主要是利用激光作为光源的光学自动测量方法，比如目前已经在我国气象系统观测领域实现业务化运行的天气现象仪，该仪器以激光作为光源、利用降水粒子对激光遮挡造成的传感器所接收到光强的衰减来计算获取降水粒子粒径、并依据光强衰减所持续的时间和假设粒子为球形粒子的前提下计算获取降水粒子下落末速度，并依据所获取的这两个特征量来反演计算获取具体的天气现象和降水强度等。很明显该仪器无法获取降水粒子的具体形状，此外，在计算下落末速度过程中以球形粒子形状的假设也会带来落速测量的不准确性，因此，该仪器在降水粒子微物理特征测量上存在很大的缺陷。为改进此缺陷，美国粒子测量技术公司(DropletmeasurementTech.,Inc,DMT)公司以激光作为光源、以光电二极管阵列作为成像元件研发了激光雨滴谱仪，该仪器利用降水粒子对激光的遮挡而在传感器光电二极管阵列成像原理，通过以一高速扫描速率对该影像进行采集获取该粒子影像，由于该扫描速率是固定的，通过对粒子影像的线条数进行简单计算即可获取粒子落速和粒子在光阵方向的粒径，但是，也正是由于扫描速率的固定导致其所采样的粒子图像是失真的，因此其所获取的粒子形状也是失真的。为获取更为真实的粒子影像，奥地利JOANNEUM公司通过将两个线阵CCD相机以一定的垂直距离布置在相互垂直的两个方向上，实现了对单个降水粒子的大小、形状、和降落速度等的测量，而且还实现了对降雨与降雪和降雹的分类。但是该仪器的采样速率依然是利用固定的采样频率，后面真实的粒子图像需要进行后处理才能获取外，该仪器受到线阵CCD反应速率的限制，对于较大降水的情形存在着反应能力不足的问题。而中国科学院大气物理研究所则针对现有的激光雨滴谱仪测量时存在的缺陷，提出了基于双线光电二极管阵列的测量方法，通过在一个传感器芯片上集成两条具有一定距离的线型光电二极管阵列，实现了对降水粒子的大小、形状和落速的测量。而事实上，现有降水类型除了降雨这种液相降水类型外，还有降雪和降雹等固态降水类型。与降雨这种降水类型除了在粒子相态上有明显差异外，固态降水类型(雪花等)在降水粒子的落速和形状上也与雨滴有较为明显的差异。此外，固态降水粒子自身的形状差异也很大，而这一差异目前就光电二极管阵列的分辨率而言是比较难以实现的，如图1所示，图1(a)是利用双线阵激光雨滴谱仪所采集到降雪粒子图片，图1(b)则是利用高分辨率的CCD相机所采集到的粒子图片，可以明显看到，借助更高分辨率的CCD相机可以拍到更多雪花粒子差异的细节；此外，现有的基于光电二极管阵列成像测量原理的仪器还存在着粒子偏焦导致所测粒子图像失真的问题，如图2所示，该图为英国曼彻斯特大学O'Shea教授所模拟的不同物距处花状冰晶在线阵传感器上的成像结果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种降水粒子微物理特征的成像测量装置及测量方法。

为了实现上述目的，本发明提出了一种降水粒子微物理特征的成像测量装置，所述装置包括：以一定角度交叉部署在同一平面的双线光电二极管阵列和CCD相机，为双线光电二极管阵列提供光源的激光光源和为CCD相机提供光源的脉冲光源；所述双线光电二极管阵列和激光光源之间的距离为采样区；

所述双线光电二极管阵列，用于分别生成降水粒子在经过第一光电二极管线阵和第二光电二极管线阵时的信号，所生成的信号在降水粒子经过第二光电二极管线阵时用于改变第二光电二极管阵列的信号采样频率以及发送触发脉冲至脉冲光源和CCD相机，还用于获取更高分辨率的粒子图像；

所述CCD相机，用于在触发脉冲的启动下对落入脉冲光源和激光光源重叠区的降水粒子进行拍摄成像。

优选的，所述双线光电二极管阵列为在一块光电传感元件上封装两列规格和性能相同的光电二极管阵列，分别为第一光电二极管线阵和第二光电二极管线阵；两个光电二极管阵列的距离s固定，取值范围为1mm～10mm；每个光电二极管阵列单元由N个光电二极管组成，32≤N≤512；每个光电二极管的尺寸范围为25μm×25μm-200μm×200μm。

优选的，所述CCD相机为一面阵的二维图像传感器，像素值在100万-1000万，每一个像元尺寸大小为1.4μm-14μm。

优选的，所述激光光源，用于输出准直且光强分布均匀的圆形激光束，所述脉冲光源，用于输出微秒级的脉冲光。

优选的，所述装置还包括：成像光学系统、光电信号采集处理电路和部署在上位机的图像采集卡和数据处理及显示模块，其中，

所述成像光学系统，用于对激光光源产生的圆形激光束经整形后照射至双线光电二极管阵列；

所述光电信号采集处理电路，用于对双线光电二极管阵列输出的电流信号转换为二值数字信号，经压缩处理后以网络传输方式上传至数据处理及显示模块，还用于输出脉冲信号启动CCD相机的脉冲光源瞬时曝光；

所述图像采集卡，用于对CCD相机的拍摄图像进行采集并传输至数据处理及显示模块；

所述数据处理及显示模块，用于进行数据的处理显示和存储。

优选的，所述成像光学系统采用凸透镜和凹透镜组合；其中，凸透镜用于缩小，凹透镜用于放大，最后图像和粒子大小的比例为1:1；或

采用双凸透镜的组合；其中，第一个凸透镜实现等比例放大，第二个凸透镜实现4倍率放大。

优选的，所述光电信号采集处理电路包括：前端信号调理电路和FPGA控制电路，其中，

所述前端信号调理电路，用于对双线光电二极管阵列所生成的微弱瞬变信号进行响应处理，并提供给后端的FPGA控制电路一个二值信号，所述前端信号调理电路包括互阻放大电路U1、后级信号放大电路U2、分压射随电路U3和比较电路U4；

所述FPGA控制电路，采用FPGA芯片，通过以太网口与上位机通信。

另一方面，本发明提出了一种降水粒子微物理特征的成像测量方法，基于上述装置实现，所述方法包括：

获取降水粒子经过第一光电二极管阵列和第二光电二极管阵列的时刻，结合两个光电二极管阵列的距离，计算得到降水粒子的落速，并更新第二光电二极管阵列的信号采样率；

采用游程编码压缩算法对粒子图像数据进行压缩存储；

当存满一帧后同时采集三路监测电压值，连同粒子图像数据进行处理显示；

在触发脉冲的启动下，对落入脉冲光源和激光光源重叠区的降水粒子进行拍照成像。

优选的，所述降水粒子的落速v为：

其中，s为两个光电二极管阵列的距离，t1和t2分别是降水粒子经过第一光电二极管线阵和经过第二光电二极管线阵的时刻。

优选的，所述第二光电二极管阵列的信号采样率f为：

f＝v/Res

其中，Res为分辨率。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明将双线阵测速技术与面阵CCD相机结合进行降水粒子微物理特征的测量；

2、本发明利用脉冲光源与激光光源来约束CCD相机的采样体积以提高对雪花粒子成像质量。

附图说明

图1是不同分辨率传感器所采集到的雪花粒子图片，图1(a)是利用双线阵激光雨滴谱仪所采集到降雪粒子图片，图1(b)是利用高分辨率的CCD相机所采集到的粒子图片；

图2是不同物距处的花状冰晶在线阵传感器上成像的光学模拟结果；

图3是本发明的双线光电二极管阵列和CCD相机的部署示意图；

图4是本发明的系统组成图；

图5是本发明的双线光电二极管阵列的成像测量原理图；

图6是本发明装置的测速示意图；

图7是本发明的光学系统的示意图；

图8是本发明的光学成像模块的等比例的光学透镜组的示意图；

图9是本发明的光学成像模块的放大4倍的光学透镜组的示意图；

图10是本发明的前端信号调理电路的示意图；

图11是本发明的FPGA控制电路的示意图；

图12是本发明的数字信号处理控制逻辑关系示意图；

图13是多条slice图像拼接一起后的粒子图像。

具体实施方式

鉴于现有的降水粒子微物理特征成像测量仪器存在的缺陷，本发明提出一种降水粒子微物理特征的成像测量装置及测量方法。装置包括：以一定角度交叉部署在同一平面的双线光电二极管阵列和CCD相机，为双线光电二极管阵列提供光源的激光光源和为CCD相机提供光源的脉冲光源；所述双线光电二极管阵列和激光光源之间的距离为采样区。如图3所示为双线光电二极管阵列和CCD相机的部署示意图。

双线光电二极管阵列的粒子图像将由FPGA控制电路板进行信号采集，而CCD相机图像则可采用专业图像采集卡进行采集。而无论是FPGA控制电路板还是专业图像采集卡其所采集的图像均将上传至上位机电脑进行显示和存储。整个仪器系统的原理框图如图4所示。

本发明的一种降水粒子微物理特征测量装置的测量原理为：利用双线光电二极管阵列和面阵CCD作为探测传感元件，两个传感器以一定的角度(比如相互垂直)交叉布置于同一平面上。利用一输出准直、光强分布均匀的半导体激光器为双线光电二极管阵列传感器的光源，利用脉冲激光或者脉冲LED灯作为CCD相机的光源；利用半导体激光器输出的激光经光学成像系统后直接照射于具有两列光电二极管阵列的感光元件上，两列光电二极管阵列平行分布，距离固定。当有粒子经过半导体激光光束区时会挡住半导体激光光束并经光学系统成像于具有两列光电二极管阵列的感光元件上，以一定的频率对两列光电二极管阵列同时进行扫描，将扫描后的信号利用后续的电路进行处理后，选择任一光阵信号进行组合便可获取完整的粒子图像，如图5所示。此外，粒子经过两个光电二极管阵列时具有一定的时间差，而两个光电二极管阵列的距离是固定的，如图6所示，因此通过测量这一时间差就可以获取粒子穿过装置采样区的速度。

此外，当粒子下落穿越经过第二条线阵时会启动面阵CCD相机及其脉冲光源进行瞬时曝光的成像采样。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

本发明的实施例1提出了一种基于双线阵的粒子及其穿越速度的测量装置，所述装置包括光学系统、双线光电二极管阵列、光电信号采集处理电路和数据处理及显示模块。

光学系统包括：光源、激光光束整形模块和成像光学模块；光源是一个波长为660nm的半导体激光器，经过光学整形后，该激光器输出一准直、光强分布均匀的圆形激光束，该光束经成像光学模块直接照射于双线光电二极管阵列上。如图7所示为光学系统的示意图。

其中，光源是一个波长为660nm的半导体激光器，输出一准直、光强分布均匀的圆形激光束；激光光束整形模块为一个透镜，用于将半导体激光器的激光光束准直为一平行的激光束；光学成像模块采用开普勒望远镜的光学成像原理,在从激光器输出到探测器元件接收面的光路上通过选取适当参数的凸透镜，使得以采样区中心，即两探测臂中间点为物面，在其上的物体都能够清晰地在以探测器接收面为像面的平面上成像，而且成像无失真。在整个光程固定的情况下，通过配置不同参数的透镜，可以实现对物体不同分辨率的成像。实际应用中，可以选择两套不同参数的透镜组合，分别实现了对粒子的等比例成像和4倍放大成像。

根据粒子图像能够获取到粒子的大小，形状等参数。

如图8所示，光学成像模块采用凸透镜和凹透镜组合的形式，凸透镜实现了缩小，凹透镜实现了放大，最后图像和粒子大小的比例为1:1。

如图9所示，光学成像模块采用双凸透镜的组合方案，第一个凸透镜实现等比例放大，第二个凸透镜实现4倍放大倍率。

光电信号采集处理电路包括：前端信号调理电路和FPGA控制电路；双线光电二极管阵列输出一与激光光强成比例的电流信号，该电流信号经过前端信号调理电路后会转换为可直接由FPGA控制电路采集的二值信号，该二值信号经FPGA控制电路处理后会以一定的数据格式进行压缩，通过千兆以太网口，压缩后的数据会被上传至数据处理及显示模块进行处理、显示和存储。数据处理及显示模块在上位机上运行。

前端信号调理电路主要是对光电二极管阵列所生成的微弱瞬变信号进行快速响应处理，并提供给后端的FPGA控制电路一个二值信号。

如图10所示，前端信号调理电路包括：互阻放大电路U1、后级信号放大电路U2、分压射随电路U3和比较电路U4。

其中，互阻放大电路U1用于将光电二极管输出的电流信号转换为电压信号；后级信号放大电路U2用于将互阻放大电路U1的输出的电压信号进行放大，以符合后续处理需要；分压射随电路U3用于为比较电路U4提供一个进行比较的阈值参考电平；比较电路U4用于对输入信号电压进行比较,其输出电压只有两种可能状态,高电平或者低电平，如果用1表示高电平，用0表示低电平，则比较电路U4的输出正好和粒子是否出现遮挡的状态对应起来。本实施例中，当激光直照时，双线光电二极管阵列接收到的光强产生的电压值的一半作为该传感器支路单元比较电路的阈值电压,即以双线光电二极管阵列接收到的激光光强被减弱一半以上时表示粒子出现事件。

FPGA控制电路选用FPGA芯片EP2C35F672C6N作为整个电路的核心单元，并完成粒子落速和粒子图像数据压缩编码等高速运算。整个FPGA控制电路框图如图11所示。配置模块PROM EPCS16存储系统的配置信息，ADC芯片TLC549用于读入装置的工作状态，两个线阵各64bits信息经排阻电平转换后依次输入FPGA芯片，由FPGA芯片进行采集。当有粒子出现时，本装置会对双线光电二极管阵列第一次出现粒子时刻做运算计算出粒子的落速，并更新采样率对粒子图像进行采集，并将采集到的粒子图像数据进行压缩存储，当存满一帧后会采集三路监测电压值，连同图像数据以网络传输方式往上位机传输。

FPGA控制电路在计算降水粒子落速同时会输出一个脉冲信号，启动面阵CCD的脉冲光源进行瞬时曝光，这时CCD将捕获住降水粒子的二维影像。

双线光电二极管阵列为在一块光电传感元件上封装出两列规格和性能完全一致的光电二极管阵列单元，包括第一光电二极管阵列单元和第二光电二极管阵列单元；两个光电二极管阵列单元的距离s固定，取值范围为1mm～10mm，本实施例为2mm。每个光电二极管阵列单元由N个光电二极管组成，32≤N≤512；每个光电二极管的尺寸范围为25μm×25μm-200μm×200μm。本实施例中每个光电二极管阵列单元由64个光电二极管组成，每个光电二极管的大小一致，均为100μm×100μm；当成像光学模块的放大倍数为1时，装置的分辨率Res即为100μm，此时装置的测量范围是100μm～6400μm；当成像光学模块的放大倍数为4时，装置的分辨率Res为25μm，装置的测量粒子大小范围为25μm～1600μm。当粒子由上而下穿过第一光电二极管阵列单元时，该阵列因光强降低会输出一个脉冲信号给FPGA芯片，FPGA芯片会将该时刻记为时间t1；当粒子继续下落，到达第二光电二极管阵列单元时，该阵列同样会输出一个脉冲指示信号给FPGA芯片，FPGA芯片会将该时刻记为时间t2。

CCD相机是一面阵的二维图像传感器，其像素值在100万-1000万之间，本实施例中共有1024×1024个像素，每一个像素尺寸大小为1.4μm-14μm，本实施中为5.5μm×5.5μm。

CCD相机光源为一脉冲光源，实现微秒级的脉冲光输出。

图像采集卡为一专用的图像采集卡，用于面阵CCD相机的图像采集，并将采集后的图像上传至上位机。

实施例2

本发明的实施例2提出了一种降水粒子微物理特征的成像测量方法，基于实施例1的测量装置实现，其应用场景是地面降水粒子及其落速测量。具体实现如下，将双线光电二极管阵列与CCD相机以一定的角度(比如相互垂直)交叉布置于同一平面上，光电二极管阵列光源和CCD相机光源均分别直对着双线光电二极管阵列和CCD相机，其中光电二极管阵列的光源是激光光源，而CCD相机光源则为脉冲光源。光电二极管阵列与激光光源之间的距离为装置的采样区，当降水粒子落入装置采样区而遮挡住激光时，双线光电二极管阵列所接收到的光强将变小；装置以高速扫描速率采样监测光电二极管阵列输出的光强；当装置监测到光电二极管阵列第一线阵因粒子遮挡而导致的光强衰减到一定阈值时将记录下此时刻，记为t1；当装置监测到光电二极管阵列第二线阵因粒子遮挡而导致的光强衰减到一定阈值时将记录下此时刻，记为t2；此时，装置将利用这两个时刻值计算粒子的下落速度并更换第二线阵粒子图像的采样频率，以获取更为真实的粒子影像。装置在计算粒子下落速度过程中将同时输出一个触发脉冲给CCD相机和脉冲光源，以打开CCD相机并触发脉冲光源发光。此时，落入脉冲光源与激光光源重叠区的降水粒子将同时由CCD相机成像采集。

落速测量根据公式(1)：

作为降水过程重要的微物理属性，降水粒子大小、形状以及落速的测量对于降水过程的理解及其在天气与气候模式中的参数化中具有重要的意义。基于双线光电二极管阵列的地面降水粒子及其落速测量主要是利用一准直,光强分布比较均匀的激光光束直接照射到传感器光电二极管阵列上,该激光束光斑经成像光学模块后能完全覆盖住整个光电二极管阵列。在激光束照射下，各传感单元均会产生一个与其自身所接收到的激光光强成正比的电流值。当有粒子穿过激光光束区时,照射到传感单元上的激光强度由于粒子遮挡发生了变化，从而使得传感单元产生的电流值发生变化。引起每个单元变化的光能量变化值为：

式中：E为无粒子遮挡时阵列单元输出恒定信号的光能量，a为粒子的投影面积，A为阵列单元的有效接收面积。由于粒子对光的遮挡，主要是对光的散射和吸收,即消光引起的。引入消光系数可得：

式(2)中,K

将每处理一次所获取的一组信号称为1条线(slice)，当把采样获取的多条线(slice)信号按照获取顺序拼接在一起时，便可重构出粒子的图像并测得粒子的大小，如图13所示。对光阵信号进行采样的采样频率f由下式决定：

f＝v/Res(4)

其中：v是粒子通过光束时的速度；Res是装置的分辨率。因此对粒子落速的精准测量决定了装置的采样频率的准确性，而装置采样频率是否准确又决定了所测粒子图像是否准确，进而影响到装置对粒子物理参数测量的准确性。由于粒子的大小形状不一，测量时大气环境状况也不尽相同，导致每一个粒子的落速也不尽相同，因此需要对每一个粒子的落速进行准确测量以确定其合适的采样频率。

为了解决粒子落速测量准确性的问题，本发明提出了在获取到粒子经过两个阵列的时刻值后，根据公式(1)，FPGA芯片会自动计算出粒子落速。结合装置的分辨率Res，便可计算出装置的粒子图像采样率f。

在FPGA的控制下，两个线阵同时高速扫描，当降水粒子首次穿越位于上方的线阵时，FPGA记录其时间；当降水粒子首次穿越位于下方的线阵时，FPGA精确记录其穿越两个线阵间距的时间。线阵间距已知，可以准确计算出该降水粒子的降落速度。根据降落速度和线阵像素的分辨率，由FPGA确定位于下方线阵的扫描频率并记录，可以不失真的记录下降水粒子的二维图像。此外，当降水粒子首次穿越位于下方的线阵时FPGA会发出一个脉冲信号，启动面阵CCD的光源进行瞬时曝光，这时CCD将捕获住降水粒子的二维影像。面阵CCD是百万像素单元的二维图像传感器，共有1024*1024个像素，每一个像素单元的大小为5.5μm*5.5μm。

将通过合理的电路控制系统设计，将降水粒子经过第2条线阵的触发脉冲信息给提取出来，然后输送为CCD相机拍摄的触发信号、LED脉冲光源的触发信号和数据采集卡的采集信号，从而实现脉冲LED光源曝光和CCD相机图像采集的同步。如图12所示，是数字信号处理控制逻辑关系示意图。

所述测量装置的测量步骤为：

步骤1)测量装置通电后，进入初始化状态；

步骤2)当有粒子经过装置采样区时，依次会经过两列光电二极管阵列单元；当它先经过第一光电二极管阵列单元导致阵列输出的信号低于阈值时，此时FPGA芯片会记录下该时刻时间值t1；当粒子继续下落，到达第二光电二极管阵列单元导致阵列输出的信号低于阈值时，FPGA芯片同样会将该时刻记为时间t2。经计算后能够获取粒子的落速，根据该速度可以自动调整粒子图像的采样频率；

步骤3)调整线阵传感器图像采样频率，对粒子图像进行采集，并对采集后的信号采用游程编码压缩算法对粒子图像数据进行压缩；

步骤4)压缩后的粒子图像数据会进行打包，然后通过网线，以UDP的网络传输方式，将粒子图像数据传送到数据处理及显示模块；

步骤6)数据处理及显示模块会对上传的数据进行统计处理、显示和存储。

步骤7)本装置在计算降水粒子落速同时会输出一个脉冲信号，启动面阵CCD的脉冲光源进行瞬时曝光和CCD相机进行拍照成像，这时CCD将捕获住降水粒子的二维影像。

步骤8)图像采集卡将采集面阵CCD相机所摄图像，并将采集后的图像上传至上位机进行显示和存储。

如图13所示为多条slice图像拼接一起后的粒子图像。

本发明的主要创新点：

1)将双线阵测速技术与面阵CCD相机结合进行降水粒子微物理特征的测量是本申请的一个创新点；

2)利用脉冲光源与激光光源来约束CCD相机的采样体积以提高对雪花粒子成像质量是本申请的另一个创新点。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。