专利名称：降水粒子图像采集装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及天气现象图像采集装置，特别是一种降水粒子图像采集装置。
背景技术：
降水现象观测一直是气象和水文站最基础的观测项目之一。在中国气象局颁布的 《地面气象观测规范》中，降水现象包括11种，分别为雨、阵雨、毛毛雨、雪、阵雪、雨夹雪、 阵性雨夹雪、霰、米雪、冰粒和冰雹。目前用于降水现象自动观测识别试验的仪器大体有三类。第一类是基于粒子运动力学效应观测的感应器，其包括声感应器、压电感应器和冻雨感应器等。这类感应器对于降水类型识别而言属于一种辅助设备，受探测原理的局限， 只能满足特定场合降水监测识别的要求。第二类是微波粒子谱仪，其实际上是一种为地面布网观测识别降水现象而设计的小型化、连续波、低功率的多普勒雷达，因而也称为多普勒雨滴谱仪(Doppler rain-gauge disdrometer)0此类仪器能够一般地分辨降雨和降雪，但由于不能直接获得粒子相态、大小、形状和空间姿态等信息，因而难以避免识别中的不确定性。第三类是光学感应器，这是一种基于粒子散射光和透射光测量的降水粒子探测技术。目前已有的此类仪器能够有效识别的固态降水类型还比较有限，而且其对降水粒子微结构和动力学参数的测量也不全面。降水现象自动化观测识别的难点之一在于复杂多样的固态降水粒子形态的判别， 而正确的自动化判别必须基于对降水粒子微结构和动力学参数(粒子相态、尺度、形状、空间取向和下落速度等)的可靠测量。上述大多数感应技术对降水粒子微结构和大部分动力学参数都没有测量能力，因而观测识别降水类型的能力比较有限，不能达到替代人工目测的要求。目前，大多数气象台站的降水现象观测仍然主要依靠人工目测完成，因而迫切需要研究新的技术以实现对降水现象的自动准确采集，从而实现对降水现象的自动准确观测。

实用新型内容本实用新型的一个目的是要提供一种能够实现降水粒子清晰图像自动采集的装置，为降水粒子特征的分析和降水类型的判别提供直观、清晰的图像数据。本实用新型的一个进一步的目的是要在降水粒子自然降落的过程中自动完成降水粒子数字图像的获取，而不影响降水粒子的自然运动状态。具体地，本实用新型提供了一种降水粒子图像采集装置，其包括带有摄像开口的摄像端箱体；带有背景开口的背景箱体，所述背景开口与所述摄像开口沿水平方向相对；安装在所述摄像端箱体内的摄像装置，所述摄像装置的镜头朝向所述摄像开口，所述背景开口与所述摄像开口之间处于所述摄像装置视野范围内的区域形成拍摄降水粒子图像的采样区域；以及朝向所述采样区域安装的光源。优选地，所述降水粒子图像采集装置进一步包括支架，所述支架的上部具有至少两个分叉端，下部具有至少一个固定端，所述摄像端箱体安装在所述支架的一个分叉端上， 而所述背景箱体安装在所述支架的另一个分叉端上。优选地，所述摄像端箱体和所述背景箱体的底部至少在靠近所述采样区域的部分是敞开的。优选地，所述摄像端箱体和所述背景箱体的顶表面靠近所述采样区域一侧具有向上翻折的边缘。优选地，所述背景箱体的内表面由具有漫反射特性和白光反射率小于10%的深色材料覆盖；或者所述背景箱体的内表面由具有漫反射特性和白光反射率小于10%的深色材料制成。优选地，所述降水粒子图像采集装置进一步包括防护罩，所述防护罩具有透明材料制成的拍摄窗，所述防护罩的具有所述拍摄窗的一端朝向所述摄像开口，所述摄像装置安装在所述防护罩内，而且所述摄像装置的镜头抵靠着所述拍摄窗的内表面。优选地，所述降水粒子图像采集装置进一步包括调节所述防护罩内环境温度的温控装置，所述温控装置被安装在所述防护罩内。优选地，所述降水粒子图像采集装置进一步包括电源模块、控制模块和计算机，其中所述电源模块连接到所述摄像装置、所述温控装置、所述光源和所述控制模块供电；所述计算机连接到所述控制模块和所述摄像装置；所述控制模块连接到所述温控装置和所述光源。优选地，所述光源安装在所述摄像端箱体内侧上部邻近所述摄像开口处。优选地，所述光源上安装有遮光结构。本实用新型的降水粒子图像采集装置能够实现降水粒子清晰图像的自动采集。具体地，其通过合理的光学结构设计，使得采样区域内的降水粒子能被清晰成像，并具有均勻的暗背景设计，便于图像的后续分析处理。而且，本实用新型的降水粒子图像采集装置在采样区域内不影响降水粒子的自然运动状态，可以在降水粒子自然降落的过程中完成其数字图像的获取。进一步地，本实用新型的降水粒子图像采集装置能够为降水粒子微结构和动力学参数(粒子相态、尺度、形状、空间取向和下落速度等)的可靠测量提供基础数据，这是已有的降水现象观测设备所不具备的。此外，本实用新型的降水粒子图像采集装置具有较低的成本，便于推广应用。

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式对本实用新型的优选实施例进行详细描述，附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分，而且这些附图未必是按比例绘制的。附图中图1是根据本实用新型一个优选实施例的降水粒子图像采集装置的结构示意图；图2是根据本实用新型一个优选实施例的降水粒子图像采集装置中所用的摄像端箱体的示意性透视图；图3是根据本实用新型一个优选实施例的降水粒子图像采集装置中所用的背景箱体的示意性透视图；图4是根据本实用新型一个优选实施例的降水粒子图像采集装置的示意性动作流程图。
具体实施方式
图1示出了根据本实用新型一个优选实施例的降水粒子图像采集装置100的结构示意图。降水粒子图像采集装置100主要包括带有摄像开口 11的摄像端箱体10 ；带有背景开口 21的背景箱体20 ；安装在摄像端箱体10内的摄像装置50 ；以及朝向所述采样区域安装的光源65。摄像端箱体10和背景箱体20被安装成使得它们的摄像开口 11与背景开口 21沿水平方向相对，而摄像装置50在摄像端箱体10内被安装成使其镜头52朝向摄像开口 11，以便摄像装置50能够受控地(例如在计算机的控制下)拍摄采样区域内的降水粒子图像。此外，降水粒子图像采集装置100还可包括防护罩40、温控装置60、控制模块70、 电源模块80和计算机90。控制模块70可连接到温控装置60和光源65。电源模块80可连接到摄像装置50、温控装置60、光源65和控制模块70，对其进行供电。计算机90可连接到摄像装置50，以控制摄像装置50的操作并接收其传送的数据(除包括所拍摄的图像外， 也可包括摄像装置需要传送给计算机的某些控制信号或状态信号)进行处理。计算机90还可连接到控制模块70。控制模块70通过执行计算机90发出的指令来控制温控装置60和光源65的工作。在一个替代性实施例中，计算机90也可直接或间接地连接到电源模块80， 对电源模块80的操作进行控制和/或获得电源模块80的期望供电信息。优选地，摄像端箱体10和背景箱体20安装在一个支架30上。支架30的上部具有至少两个分叉端31和32，下部具有至少一个固定端33。摄像端箱体10安装在分叉端31 上，而背景箱体20安装在另一分叉端32上，其中分叉端31与分叉端32是沿水平方向相对地设置的。在本实用新型的一个具体实施例中，支架30优选为Y形支架，其上部具有两个分叉端31和32，而下部具有一个固定端33。如本领域技术人员容易认识到的，在本实用新型中也可采用其他形式的支架。例如替代性地，可采用H形支架，V形支架等，只要这些支架具有至少两个向上延伸的分叉端即可。摄像端箱体10、背景箱体20和支架30例如可全部采用不锈钢材料制成；当然，选用其他合适的材料也是可行的。如图2和图3所示，摄像端箱体10和背景箱体20优选为一侧不封闭、底部不封闭或半封闭的长方形箱体，半封闭的底部靠近采样区域的部分敞开。这样就使得摄像端箱体 10在其不封闭的一侧带有摄像开口 11，背景箱体20在其不封闭的一侧带有背景开口 21，不封闭或半封闭的箱体底部能够避免降水粒子在底部的溅射和堆积对观测造成影响。本领域技术人员也可意识到，其他合适的形状例如圆筒形、五边形(优选一个角朝上)等的箱体也是可行的。摄像端箱体10的顶表面13和背景箱体20的顶表面23靠近采样区域12 —侧的边缘14和M优选都向上折起，以减少降水粒子落在箱体顶表面的溅射以及顶表面降水堆积和融化引起的水滴滴落对观测的影响。摄像端箱体10和背景箱体20横向侧面的下边缘附近优选设有安装孔，它们分别通过各自的安装孔以及相应的箱体安装板12和M将摄像端箱体10和背景箱体20水平架设在支架30上部的分叉端31和32上，并且使得摄像端箱体10的摄像开口 11和背景箱体 20的背景开口 21沿水平方向相对。箱体安装板12和M优选通过任何合适的方式分别安装在分叉端31和32上，例如可以通过螺钉固定。背景箱体20优选在其横向侧面下边缘附近沿水平方向设置有多组上文所述的安装孔，以便前后调节背景箱体20在支架30上的安装位置，从而调节摄像端箱体10和背景箱体20之间的间距。摄像端箱体10和背景箱体20之间处于摄像装置50的视野范围内的区域即为本发明观测系统100的采样区域，其在图1中由附图标记12指示的阴影部分示意性地表示。在一个优选实施例中，摄像端箱体10和背景箱体20之间的间距可为约10 cm 左右，该间距太小会使得采样区域12内降水粒子出现的概率过低，而间距太大会很难保证采样区域12内所有降水粒子都被清晰成像。背景箱体20的内表面采用具有漫反射和低反射率特性的深色材料覆盖，以为降水粒子图像的拍摄提供一个均勻的暗背景，其中所述深色材料例如为白光反射率小于40%、 30%、20%或10%的材料。在本发明的一个替代性实施例中，背景箱体20也可直接由这种深色材料制成防护罩40优选是具有良好密封性的箱体，其优选为长方形形状，但其他合适的形状也是可行的。防护罩40的前端带有由透明材料制成的拍摄窗41。该拍摄窗41优选为一个玻璃窗，其玻璃采用透明度好且具有憎水特性的普通玻璃或有机玻璃。摄像端箱体10内优选设计有防护罩安装板15。防护罩40在摄像端箱体10内被安装成使得带拍摄窗41的一端朝向摄像开口 11。进一步优选的是，防护罩安装板15上优选设置有长条形安装孔，以便实现防护罩40与采样区域12之间距离的调节。安装在摄像端箱体10内的摄像装置50优选是被安装在防护罩40内。摄像装置 50安装时优选使其镜头52紧靠防护罩40拍摄窗41的内表面，以减少拍摄窗上的灰尘对降水粒子图像的影响。摄像装置50优选在计算机90的控制下对采样区域12进行自动拍摄， 并将拍摄的图像传送给计算机90。摄像装置50优选由安装在防护罩40内的数字摄像机51 和镜头52组成。数字摄像机51可采用具有网络、USB或1394接口的数字摄像机，以便直接输出图像的数字信号，不需要经过图像采集卡处理，就可直接通过数据线连接到计算机。 镜头52优选采用定焦镜头，以保证图像的质量。数字摄像机51感光面阵的大小和镜头52 的焦距的组合优选被选择成保证摄像装置50的成像视野范围不会超过背景箱体20的后表面22，从而保证拍摄的图像具有比较好的均勻的暗背景，以提升降水粒子成像的质量。摄像装置50的聚焦距离优选可被调整到采样区域12的中心位置，并采用合适的光圈，使其景深范围覆盖整个采样区域12，以利于采样区域12内的所有降水粒子都可在数字摄像机51的感光面阵上清晰成像。在一个优选实施例中，数字摄像机51特别地采用感光面阵为1/1. 8 英寸(7. 16 mmX5. 44 mm)、像素个数为16^X 1236的CXD (电荷耦合器件)数字摄像机，像素尺寸为4. 4 μπι。镜头52特别地采用焦距为M mm的Nikon (尼康)定焦镜头，聚焦距离调整至50 cm，即摄像装置的光心距离采样区域中心位置的距离为50 cm，并采用合适的光圈使其景深范围不低于10 cm。这样在摄像端箱体10和背景箱体20之间，有长度约为15 cm、高度约为11 cm、厚度约为10 cm的区域在摄像装置50的视野范围内，而这一区域就构成了该实施例中的采样区域12。在采样区域12内，图像的分辨率优于0.1 mm，能够满足大多数类型降水粒子的观测需求。温控装置60可安装在防护罩40内，用于调节防护罩40内的环境温度，满足摄像装置50正常运行的需求。[0037]光源65被安装成朝向采样区域12，以为采样区域12提供优选均勻的照明，增加采样区域12的亮度。在不影响采样区域内降水粒子自然运动的前提下，光源65可安装在摄像端箱体10内侧上部邻近摄像开口 11附近的位置处(如图1中所示)，也可安装在背景箱体20内侧上部邻近背景开口 21附近的位置处，还可独立于摄像端箱体10和背景箱体20安装在采样区域12的横向侧面。光源65的安装位置优选还应保证其光线至少能被限制成既不会照射到防护罩40的拍摄窗41上，也不会照射到背景箱体20的后表面22上，以减少杂散光对观测的影响。优选地，可在光源12上加装遮光结构，以限制其光线既不会照射到防护罩40的拍摄窗41上，也不会照射到背景箱体20的后表面22上。更优选地，光源65及其遮光结构可被设置成在保证覆盖采样区域12的前提下，尽量减少照明范围，以减少杂散光对观测的影响。在本实用新型中，光源65可以是点光源、面光源或条状光源。在本发明的具体应用中，摄像端箱体10 (包括安装在其内的防护罩40、摄像装置 50、温控装置60、光源65)、背景箱体20和支架30 —般可架设于室外；计算机90 —般可设置在室内；而控制模块70和电源模块80 —般既可安装在室内，也可安装在一个密封的箱体内并架设在支架30的下部。本实用新型降水粒子图像采集装置100的优选动作流程图如图4所示，其在计算机的指令控制下完成所有动作。优选地，降水粒子图像采集装置100被设置为可切换地工作于定时监测模式和连续观测模式。首先，降水粒子图像采集装置100在启动后将处于定时监测模式，计算机90以预定时间间隔(例如1分钟一次，用户可以预设)指示控制模块70打开光源65，然后计算机90 将采集由摄像装置50拍摄的采样区域12内的图像，并且根据采集到的图像判断采样区域 12内有无降水粒子。如果判断结果为无降水粒子，则计算机90指示控制模块70关闭光源 65，并在下一次预定时间间隔到达时再次启动上述定时监测模式；如果判断结果为有降水粒子，则降水粒子图像采集装置100进入连续观测模式。在连续观测模式中，光源65 —直处于开启状态，计算机90采集由摄像装置50拍摄的采样区域12内的图像，并且根据采集到的图像判断采样区域12内有无降水粒子。如果判断结果为有降水粒子，则计算机90将存储和/或显示这些表示有降水粒子的图像，然后继续在连续观测模式中采集摄像装置50拍摄的图像，重复连续观测模式中的后续过程。如果判断结果为无降水粒子，则判断连续无降水粒子的时间是否超过设定的时间阈值(例如1 分钟)，如果超过了所述时间阈值，则计算机90指示控制模块70关闭光源65并返回定时监测模式；如果没有超过所述时间阈值，则计算机90继续在连续观测模式中采集摄像装置50 拍摄的采样区域12内的图像，重复连续观测模式中的后续过程。虽然本文示出和描述了多个示例性的优选实施例，但本领域技术人员均可意识到，在不脱离本实用新型精神和范围的情况下，可以根据本申请公开的内容直接确定或推导出许多其他变型或修改。因此，本实用新型的范围应被认为覆盖了所有这些其他变型或修改。
权利要求1.一种降水粒子图像采集装置，其特征在于，所述降水粒子图像采集装置包括带有摄像开口的摄像端箱体；带有背景开口的背景箱体，所述背景开口与所述摄像开口沿水平方向相对；安装在所述摄像端箱体内的摄像装置，所述摄像装置的镜头朝向所述摄像开口，所述背景开口与所述摄像开口之间处于所述摄像装置视野范围内的区域形成拍摄降水粒子图像的采样区域；以及朝向所述采样区域安装的光源。
2.根据权利要求1所述的降水粒子图像采集装置，其特征在于，所述降水粒子图像采集装置进一步包括支架，所述支架的上部具有至少两个分叉端，下部具有至少一个固定端， 所述摄像端箱体安装在所述支架的一个分叉端上，而所述背景箱体安装在所述支架的另一个分叉端上。
3.根据权利要求1所述的降水粒子图像采集装置，其特征在于，所述摄像端箱体和所述背景箱体的底部至少在靠近所述采样区域的部分是敞开的。
4.根据权利要求1所述的降水粒子图像采集装置，其特征在于，所述摄像端箱体和所述背景箱体的顶表面靠近所述采样区域一侧具有向上翻折的边缘。
5.根据权利要求1所述的降水粒子图像采集装置，其特征在于，所述背景箱体的内表面由具有漫反射特性和白光反射率小于10%的深色材料覆盖；或者所述背景箱体的内表面由具有漫反射特性和白光反射率小于10%的深色材料制成。
6.根据权利要求1所述的降水粒子图像采集装置，其特征在于，所述降水粒子图像采集装置进一步包括防护罩，所述防护罩具有透明材料制成的拍摄窗，所述防护罩的具有所述拍摄窗的一端朝向所述摄像开口，所述摄像装置安装在所述防护罩内，而且所述摄像装置的镜头抵靠着所述拍摄窗的内表面。
7.根据权利要求6所述的降水粒子图像采集装置，其特征在于，所述降水粒子图像采集装置进一步包括调节所述防护罩内环境温度的温控装置，所述温控装置被安装在所述防护罩内。
8.根据权利要求7所述的降水粒子图像采集装置，其特征在于，所述降水粒子图像采集装置进一步包括电源模块、控制模块和计算机，其中所述电源模块连接到所述摄像装置、 所述温控装置、所述光源和所述控制模块供电；所述计算机连接到所述控制模块和所述摄像装置；所述控制模块连接到所述温控装置和所述光源。
9.根据权利要求1所述的降水粒子图像采集装置，其特征在于，所述光源安装在所述摄像端箱体内侧上部邻近所述摄像开口处。
10.根据权利要求1所述的降水粒子图像采集装置，其特征在于，所述光源上安装有遮光结构。
专利摘要本实用新型提供了一种降水粒子图像采集装置，其包括带有摄像开口的摄像端箱体；带有背景开口的背景箱体，所述摄像端箱体和所述背景箱体被设置成使得所述背景开口与所述摄像开口沿水平方向相对；安装在所述摄像端箱体内的摄像装置，所述摄像装置的镜头朝向所述摄像开口，所述背景开口与所述摄像开口之间处于所述摄像装置视野范围内的区域形成拍摄降水粒子图像的采样区域；以及朝向所述采样区域安装的光源。本实用新型能够实现降水粒子清晰图像的自动采集，为降水粒子特征的分析和降水类型的判别提供了直观、清晰的图像数据。
文档编号G01W1/00GK202003040SQ20112007300
公开日2011年10月5日 申请日期2011年3月18日 优先权日2011年3月18日
发明者吕伟涛, 姚雯, 张阳, 杨俊 , 陶善昌, 马颖 申请人:中国气象科学研究院