CN202004863U - 降水粒子二维投射阴影图像自动采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种降水粒子二维投射阴影图像自动采集装置，包括：摄像装置、成像屏、平行光光源、摄像端箱体和光源端箱体；摄像端箱体和光源端箱体沿水平方向相对设置；摄像端箱体和光源端箱体的相对的侧面敞开；成像屏设置在摄像端箱体中，从而将摄像端箱体分为远离光源端箱体的密闭部分和接近光源端箱体的开放部分；平行光光源设置在光源端箱体中，且该平行光光源所发出的光线直射该成像屏；摄像装置对着成像屏设置在所述密闭部分中。降水粒子遮挡平行光线造成的阴影将投影在成像屏上，从而为摄像装置所捕捉。本实用新型在降水粒子自然下落的条件下完成其二维投影图像的获取，从而为降水粒子特征的分析和降水类型的判别提供基础资料。

Description

降水粒子二维投射阴影图像自动采集装置

技术领域

本实用新型涉及一种天气现象的图像采集装置，特别是一种降水粒子二维投射阴影图像自动采集装置。

背景技术

降水现象的观测一直是气象和水文行业最基础的观测项目之一。随着科学的发展，对降水观测的需求已经不仅限于降水类型、性质和强度，降水粒子微结构和动力学参数的客观测定也已经成为一系列前沿科学问题研究和部分应用领域重要的基础需求，例如雷达和卫星遥感降水的地面验证、数值预报模式中降水微物理参数化方案的优化和检验、无线电通信中的信道特征分析以及云雾降水的精细微物理过程分析研究等。

目前用于降水现象自动观测识别的试验仪器主要有三类：1、基于粒子运动的力学效应观测的感应器，包括声音检测器、压电感应器和冻雨感应器等，这类感应器能够满足特定需求的降水监测识别要求，是一种辅助设备。2、微波粒子谱仪，一种小型化连续波低功率多普勒雷达。该***能够一般性的区分降雨和降雪，其优点是可以直接测量降水粒子群的多普勒速度谱，但由于不能直接获得粒子相态、大小、形状和空间姿态等资料，因此难以避免识别中的不确定性；3、光学感应器，指基于粒子散射光和透射光测量的一类降水粒子探测技术，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，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在于固态降水粒子复杂多样的形态判别。目前在业务应用试验中的大多数感应器难以可靠测量降水粒子的相态、尺度、形状、空间取向和下落速度等微结构和动力学参数，因此对降水类型的判别能力不足。革新探测技术、提高感应器对降水粒子微结构和动力学参数的测量能力是降水观测识别自动化的客观需要，也是大气科学和探测技术发展给降水现象观测提出的更高要求。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是提供一种能够清晰地对降水粒子进行二维投射阴影成像的装置，从而为降水粒子特征分析和降水类型判别提供可靠的基础资料。

本实用新型的一个进一步的目的是上述装置观测时不会影响降水粒子的自然运动状态。

本实用新型的一个更进一步的目的是在计算机控制下自动采集降水粒子所成的二维投射阴影成像。

实现本实用新型的一个目的的降水粒子二维投射阴影图像自动采集装置包括：摄像装置、成像屏、平行光光源、摄像端箱体和光源端箱体；摄像端箱体和光源端箱体沿水平方向相对设置；摄像端箱体和光源端箱体的相对的侧面敞开；成像屏设置在摄像端箱体中，从而将摄像端箱体分为远离光源端箱体的密闭部分和接近光源端箱体的开放部分；平行光光源设置在光源端箱体中，且该平行光光源所发出的光线直射该成像屏；摄像装置对着成像屏设置在所述密闭部分中。

优选地，摄像端箱体与光源端箱体之间所述平行光光源发出的光线穿过的区域为采样区域，摄像端箱体和光源端箱体在接近采样区域的底部是敞开的。

优选地，摄像端箱体与光源端箱体之间所述平行光光源发出的光线穿过的区域为采样区域，摄像端箱体和光源端箱体的上表面在接近采样区域的一侧边缘向上折起。

优选地，降水粒子二维投射阴影图像自动采集装置还包括温控装置，所述温控装置设置在密闭部分中。

优选地，光源端箱体上加装遮光结构。

优选地，成像屏的材质使用单面毛玻璃或幕布加透明玻璃。

优选地，密闭部分内部加装保温层。

优选地，降水粒子二维投射阴影图像自动采集装置还包括温控装置和防护罩，摄像装置和温控装置布置在密闭部分内的所述防护罩中。

优选地，降水粒子二维投射阴影图像自动采集装置还包括控制模块、电源模块、计算机和温控装置；温控装置设置在所述密闭部分中；电源模块为摄像装置、温控装置、平行光光源和控制模块供电，控制模块连接平行光光源和温控装置，计算机连接控制模块和摄像装置。

本实用新型的降水粒子二维投射阴影图像自动采集装置能够在计算机的控制下自动开关光源并获取采样区域内降水粒子的二维投射阴影图像。具有以下优点：1、本装置不影响降水粒子的运动状态，可以在降水粒子自然降落的条件下完成其二维投射阴影图像的获取，能够为降水粒子的粒子尺寸和形状等特征的可靠测量提供基础数据；2、采用平行光照射的投射成像法，能实现采样区域的灵活调整，并避免了降水粒子二维投射阴影成像时变形的问题； 3、全天候自动观测，无需人工值守；4、具有较低的成本，便于推广应用。

附图说明

图1是根据本实用新型一个优选实施例的降水粒子二维投射阴影图像自动采集装置的结构示意图；

图2是根据本实用新型另一个优选实施例的降水粒子二维投射阴影图像自动采集装置的结构示意图；

图3是根据本实用新型的降水粒子二维投射阴影图像自动采集装置的动作流程图。

具体实施方式

参照图1，其示出了根据本实用新型一个优选实施例的降水粒子二维投射阴影图像自动采集装置1。自动采集装置1包括摄像端箱体2、成像屏3、采样区域4、光源端箱体5、平行光光源6、Y形支架7、计算机8、控制模块9、电源模块10、温控装置11和摄像装置13。摄像端箱体2和光源端箱体5安装在Y形支架7上，相向的箱体侧面敞开不封闭，两个箱体之间平行光光源发出的光线穿过的区域即为降水粒子的采样区域4，即图1中的阴影部分。如本领域技术人员熟知的，支架7也可以采用其他的适合的形状，如H形等。成像屏3将摄像端箱体2分为密闭部分和开放部分。摄像装置13和温控装置11位于摄像端箱体2的密闭部分内，密闭部分面向光源端的一面为成像屏3。平行光光源6安装于光源端箱体5内，平行光光源6发出的平行光经采样区域4直射成像屏3。电源模块10为摄像装置13、温控装置11、光源6和控制模块9供电，计算机8连接控制模块9和摄像装置13，控制模块9连接温控装置11和光源6。

摄像端箱体2和光源端箱体5的接近采样区域4的底部也敞开，以避免降水粒子在底部溅射和堆积对观测造成的影响。两个箱体均可更优选地为一侧不封闭、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4的部分敞开。当然，箱体的具体形状可以根据需要具体确定为其他合适的形状，如截面为圆形的箱体等。

摄像端箱体2和光源端箱体5的上表面接近采样区域4一侧边缘向上折起，以减少降水粒子落在箱体上表面的溅射以及上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2和光源端箱体5可以分别水平固定在Y形支架7上部的两端。优选地，两个箱体在Y形支架7上的安装位置可调，以实现采样区域4大小的调节。具体地，摄像端箱体2固定在Y形支架7上部的一端，光源端箱体5水平安装在Y形支架7上部的另一端，其前后侧面上设置多个安装孔，使其安装位置可调，以实现两个箱体之间的间距可调。当然，本领域技术人员可以根据具体情况将摄像端箱体2和光源端箱体5中的另一者或两者都设置为可调的，并且可以采用本领域常用的其他调节手段，如条形孔。更优选地，摄像端箱体2和光源端箱体5通过箱体安装板或其他本领域熟知的安装元件水平架设在Y形支架7上。

摄像装置13安装在密闭部分，与成像屏3间隔一定距离。在本实施例中，密闭部分具有良好密封性，朝向采样区域的一侧为降水粒子阴影成像屏3。成像屏3作为密闭和开放部分的分隔。开放部分位于密闭部分和采样区域4之间。优选地，摄像装置13的安装位置可调，从而实现和成像屏3距离的调节，以调整观测资料的分辨率。摄像端箱体2的密闭部分内部加装保温层，从而使密闭部分的温度保持在摄像装置13的工作温度范围内。

成像屏3的材质使用单面毛玻璃或幕布加透明玻璃。幕布或毛玻璃的磨砂面位于密闭部分，玻璃要求透明度好且具有憎水特性。当然，成像屏3的材质还可以采用本领域中常用的其他合适材料。

在本实施例中，所述平行光光源6为采样区域4提供照明，其中采样区域4为摄像端箱体2和光源端箱体5之间处于平行光光源6照射范围内的区域。优选地，本实施例中摄像端箱体2和光源端箱体5之间的间距采用20cm。

在光源端箱体5上加装遮光结构以控制平行光的照射范围。本实施例中平行光光源照射范围优选为15cm×12cm。

摄像装置13直接输出图像的数字信号，直接通过数据线与计算机8连接，用于拍摄数字图像并将所拍摄的图像传送给计算机8，从而不需要图像采集卡。当然，摄像装置13也可以包括图像采集卡，从而存储所采集的图像。优选地，摄像装置13由数字摄像机和镜头组成。数字摄像机采用具有网络、USB或1394接口的数字摄像机，直接通过数据线与计算机连接，用于拍摄成像屏上的数字图像并将所拍摄的图像传送给计算机。镜头优选采用定焦镜头，以保证图像的质量。数字摄像机感光面阵的大小和镜头焦距的组合要求是摄像装置的成像视野范围能够涵盖成像屏范围。本实施例采用感光面阵为1/1.8英寸（7.16mm×5.44mm）、像素个数为1628×1236的CCD数字摄像机，像素尺寸为4.4μm。镜头焦距8mm，镜头与成像屏距离15cm。

所述摄像装置13、温控装置11、成像屏3、摄像端箱体2、光源端箱体5、光源6、Y形支架7、计算机8、电源模块10和控制模块9的布置方案可根据需要设定。一种可选的布置方案是所述摄像装置13、温控装置11、成像屏3、摄像端箱体2、光源端箱体5、光源6和Y形支架7均架设于室外，计算机8位于室内，所述电源模块10和控制模块9可位于室内，也可安装在一个密封的箱体内并架设在Y形支架7的下部。

Y形支架7、摄像端箱体2和光源端箱体5全部采用不锈钢材料。如本领域技术人员所能想到的，Y形支架7、摄像端箱体2和光源端箱体5也可以采用相同或不同的其他合适的材料。

所述计算机8用于发送指令，打开光源，拍摄数字图像，检测图像中是否有降水粒子阴影，存储和/或显示有降水粒子阴影的数字图像，关闭光源。

控制模块9通过执行计算机指令控制温控装置11和光源6，温控装置11用于调节密闭部分的环境温度，满足摄像装置13正常运行的需求。平行光光源6发出的平行光直射成像屏3，即垂直入射成像屏3，当采样区域4内有降水粒子时，成像屏3上会形成降水粒子的二维投射阴影。摄像装置13对成像屏3进行清晰成像，并通过数据线将数字图像传输给计算机8。计算机8对图像进行有无降水粒子阴影的检测，对有降水粒子阴影的图像进行存储和/或显示。

在如图2所示的另一替换性实施例中，该替换性实施例的大部分结构与图1所示的实施例的结构相同，只是温控装置11和摄像装置13设置在密闭部分内的防护罩12中。从而温控装置11用于调节防护罩12内的环境温度，满足摄像装置13正常运行的需求。

本实用新型的降水粒子图像自动采集装置1的动作流程图如图3所示。该观测装置在计算机8的指令控制下完成所有动作，平时处于定时监测模式，计算机8定时（如1min一次，用户可以预设）打开光源，采集图像，检测图像中有无降水粒子阴影：如果没有，则关闭光源，等待下一次定时监测模式的动作指令；如果有，则进入连续观测模式。在连续观测模式中，光源一直处于开启状态，装置快速进行采集图像和降水粒子检测，如果采集到有降水粒子阴影的图像，则进行存储和/或显示后继续采集图像和降水粒子检测，如果采集到无降水粒子的图像，则判断连续无降水粒子的时间是否超过设定阈值（如1min），如果超过，则关闭光源并进入定时监测模式，如果没超过，则继续采集图像和有无降水粒子的检测。

本实用新型的保护范围并不局限于上述对具体实施例的描述。对本领域技术人员来说显而易见的各种变型和等同方式，都落入本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1. 一种降水粒子二维投射阴影图像自动采集装置，其特征在于，包括：摄像装置、成像屏、平行光光源、摄像端箱体和光源端箱体；

摄像端箱体和光源端箱体沿水平方向相对设置；摄像端箱体和光源端箱体的相对的侧面敞开；

成像屏设置在摄像端箱体中，从而将摄像端箱体分为远离光源端箱体的密闭部分和接近光源端箱体的开放部分；

平行光光源设置在光源端箱体中，且该平行光光源所发出的光线直射该成像屏；

摄像装置对着成像屏设置在所述密闭部分中。

2. 如权利要求1所述的降水粒子二维投射阴影图像自动采集装置，其特征在于，摄像端箱体与光源端箱体之间所述平行光光源发出的光线穿过的区域为采样区域，摄像端箱体和光源端箱体在接近采样区域的底部是敞开的。

3. 如权利要求1所述的降水粒子二维投射阴影图像自动采集装置，其特征在于，摄像端箱体与光源端箱体之间所述平行光光源发出的光线穿过的区域为采样区域，摄像端箱体和光源端箱体的上表面在接近采样区域的一侧边缘向上折起。

4. 如权利要求1所述的降水粒子二维投射阴影图像自动采集装置，其特征在于，还包括温控装置，所述温控装置设置在密闭部分中。

5. 如权利要求1所述的降水粒子二维投射阴影图像自动采集装置，其特征在于，光源端箱体上加装遮光结构。

6. 如权利要求1所述的降水粒子二维投射阴影图像自动采集装置，其特征在于，成像屏的材质使用单面毛玻璃或幕布加透明玻璃。

7. 如权利要求1所述的降水粒子二维投射阴影图像自动采集装置，其特征在于，密闭部分内部加装保温层。

8. 如权利要求1所述的降水粒子二维投射阴影图像自动采集装置，其特征在于，还包括温控装置和防护罩，摄像装置和温控装置布置在所述密闭部分内的所述防护罩中。

9. 如权利要求1所述的降水粒子二维投射阴影图像自动采集装置，其特征在于，还包括控制模块、电源模块、计算机和温控装置；

温控装置设置在所述密闭部分中；

电源模块为摄像装置、温控装置、平行光光源和控制模块供电，控制模块连接平行光光源和温控装置，计算机连接控制模块和摄像装置。

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