雨滴成像中的散焦模糊复原方法及应用

针对自主研制的降水微物理特征测量仪存在的成像质量问题,重点考虑与光源相关的散焦模糊,提出了基于点扩散函数的雨滴图像复原方法,利用圆盘函数对雨滴图像进行复原,消除噪声和模糊,得到具有清晰轮廓的雨滴图像。利用与雨滴光学性质相近的玻璃球进行了定标实验,确定了成像系统散焦模糊的半径和图像二值化的阈值。外场实测结果表明,图像复原可以有效修正雨滴尺度及其谱分布,测量得到的雨滴谱和降雨强度与激光雨滴谱仪的结果具有很好的一致性。该方法应用于降水微物理特征测量仪,可以显著提高雨滴谱及其他微物理特征的测量性能。     

基于光阻原理的降水现象测量系统研究

降水是气象观测的常规项目,是研究全球水热循环和气候变化的重要参数。实现降水现象自动观测是我国气象领域未来发展规划的一项重要内容。介绍了一种激光降水现象测量系统,设计了激光对射式光学测量结构,实现了对降水粒子遮光信号的精确捕获;研制了基于相关原理的微弱信号检测系统,保证粒子速度、粒径等信息的准确测量;在数据信号处理上,采用了数据平滑算法降低了系统噪声。研制的系统能够准确完成雨滴谱分布、降水量、降水类型的测量,并且与雨量筒和国外同类仪器进行了观测比对, 数据具有较好的一致性,能满足对降水现象自动观测的要求。     

北京一次强降水过程雨滴谱特征

雨滴谱是云及降水物理学中重要的研究对象,基于北京2015年8月7日的强降水雨滴谱观测数据,计算得到该过程的雨滴谱、质量加权直径、平均直径等雨滴尺寸分布特征,由雨滴谱观测数据计算得到降水强度、液态水含量和雷达反射率,分析这些降水参数在此次降水过程中的变化特征。综合分析雨滴谱参数和S波段天气雷达反射率表明此次降水过程具有飑线特征,可划分为前端的引导对流性降水、过渡降水和尾部层状降水三个阶段。最后讨论不同降水阶段雨滴谱参数及降水参量的变化及其对雷达定量降水估测Z-R关系的影响。结果表明对流性降水阶段的雨滴数浓度（大于4600个/m3）、质量加权直径（2.69 mm）、最大直径（6.3 mm）均远高于过渡和层状降水阶段,对流降水阶段和过渡阶段雨滴直径分布范围类似（标准差均大于0.3 mm）,层状降水分布较窄（标准差0.24）。不同降水阶段拟合得到的Z-R关系明显不同,拟合得到此次降水整个过程的Z-R指数经验关系系数a=674.91,指数b=1.39。     

雨滴谱测量技术研究进展

概述了有关雨滴谱测量的主要参数;分别讨论了传统的地面雨滴谱测量手段,它们普遍存在着测量精度低、误差大、测量工作量大、实时性差等缺点;对测量雨滴谱的新型工具-激光雨滴谱仪的测量原理进行了详细分析,对比传统的测量手段,指出激光雨滴谱仪在雨滴谱测量方面的优点;给出激光雨滴谱仪在雨滴谱测量、降水测量和气象雷达因子校正等方面的应...     

雨滴前向散射对光传输影响的研究

利用Mie理论和M-P雨滴谱分布，分析了粒子尺度及不同波长对消光效率因子的影响，详细推导了光波在雨中衰减的计算公式，得到了衰减与降雨率之间的确定关系，介绍了前向散射修正系数，分析了雨滴的前向散射对532nm波长光信号传播的影响，得到了经过前向散射修正后的衰减计算公式。     

雨滴近场激光分辨仪

最近，我们研究出一种利用降雨感生的光学闪烁测量程平均雨参量的技术。普通方法是用两台水平取向放在一条垂线上的线探测器测量雨滴远场范围内的雨滴感生发光闪烁。由两台探测设备探测的信号的时间协变函数得到雨滴的程平均末速分布。因为在雨滴大小和末速度之间存在着一种单一关系，所以，测定的速度分布可转变成程平均雨滴大小分布和降雨率。     

反卷积算法在风廓线雷达探测降水中的应用

大气垂直运动的不均匀性展宽了降水信号谱,影响了雷达探测反演的雨滴谱分布。为了消除大气运动不均匀性对雨滴谱反演精度的影响,需要对雷达接收到的降水谱进行反卷积处理。文章通过一种改进的反卷积算法对实际雷达探测降水信号进行了处理,比较分析了反卷积处理对雨滴谱反演的影响。     

激光信号在雨中的传输衰减

在观测激光信号在雨中传输时,其衰减比率随着雨滴的大小而变化,雨滴越小衰减越大.根据Mie理论和Joss等人雨滴谱分布,分析了粒子尺度及不同波长对激光散射的影响,并且计算了衰减效率因子与粒子尺度的关系,推导了光波在单球粒子和稀疏分布雨中衰减的计算公式,得到了衰减与降雨率之间的确定关系.通过数值计算发现:小雨粒子各个方向的散射光强明显大于大雨粒子的散射光强;前向散射光强随粒子半径的增加,整体呈现增加趋势,并出现了明显的上下震荡;激光信号通过雨介质传输时,小雨衰减系数较大,雷暴雨衰减较小.这解释了在实验中观测到的现象,激光信号在小雨中的衰减要比大雨中的衰减大.     

应用于气象探测的双加热温度传感器设计

为消除高空气象探测等领域中温度传感器的沾水误差,提出了一种新颖的双加热温度传感器,利用温度测量元件交替加热测量的方法获得不同风速及降水强度条件下沾水误差与时间常数的变化。通过拟合对应的函数关系可实现沾水误差修正和降水强度测量功能。实验结果表明,在一定的风速及降水强度范围内,该传感器能使沾水引起的误差从±0.3℃降低至±0.1℃以下,降水强度测量误差低于±0.2 mm/min。与传统探空仪温度传感器相比,该双加热温度传感器不但精度高,具有消除沾水误差的能力,亦可初步实现降水强度的测量。     

基于雨滴谱分布数据库的近红外辐射衰减研究

为了研究降雨对近红外辐射的衰减,定量评估降雨对近红外设备的影响,在雨滴谱分布二元函数模型建立的基础上,提出了一种雨滴谱分布数据库的建立方法,对LAWS和PARSONS在美国华盛顿地区测量的雨滴谱分布数据进行拟合,建立雨滴谱分布数据库。基于雨滴谱分布数据库,结合米散射理论和衰减系数公式,得到了1μm,2μm和3μm波长近红外辐射的消光效率因子与雨滴直径的关系曲线,并计算了在降雨量分别为0.25mm/h,1.25mm/h,2.5mm/h,12.5mm/h,25mm/h和50mm/h条件下的近红外辐射衰减系数。结果表明,不同降雨量条件下,对于雨滴谱分布的函数关系式,正态分布具有更好的拟合效果;消光效率曲线的包络线随波长的增大而增大;拟合衰减系数和降雨强度的函数关系发现,指数函数具有很好的拟合效果。该计算结果对研究降雨对近红外辐射的衰减具有重要意义。     

降水对Ku/Ka频段星地链路衰减特性的影响研究

近年来,Ku和Ka卫星在广播、通信和军事等领域应用数量越来越多,传统的Ku和Ka波段星地链路降水衰减预报模型基于经验关系和理想假设,考虑降水微物理特性不足,针对此问题,在实测降水粒子微物理特征的基础上定量分析了降水垂直分布、粒子形状、粒子取向、粒子相态等对Ku和Ka频段信号衰减的影响特性.结果表明,与考虑降水非均匀垂直分布的计算结果相比,ITU和SAM模型是基于降水分布均匀的假设,无法代表降水垂直分布不均匀时的衰减情况;降水粒子形状和取向对衰减的影响较小,在13GHz和32GHz频段,球形和非球形粒子衰减值的平均绝对偏差均在0.01dB以下,不同粒子取向时衰减系数的平均绝对偏差最大值为0.00098dB/km和0.0207dB/km;不同相态的降水引起的衰减差异较大,衰减值从大到小依次是湿雪、水和冰.研究结果可以为Ku和Ka波段星地链路传播特性评估及降雨反演新方法提供基本的理论支撑和数据参考.     

降雨粒子电磁特性分析及雨区目标成像

从理论仿真的角度,描述了传输矩阵方法的基本原理,并以Ku、Ka波段为例,对降雨粒子模型的双波段散射衰减特性进行了仿真比较。从宏观角度对不同雨强、不同频率下的雨衰进行了定量分析。提出了一种针对雨区三维复杂目标进行成像仿真的技术,仿真结果表明:在Ku波段下,当雨强超过10mm/h(中雨)时,雨衰对SAR图像的影响就必须被考虑;当雨强达到50mm/h(大雨)时,SAR图像将出现十分严重的图像质量恶化。在Ka波段下,即便小雨的影响都可在SAR图像中显现;而中等以上降雨将导致SAR图像几乎或完全湮没。     

Small particle detection method based on laser feedback

In order to overcome the shortcomings of traditional particle measurement, a new method for the detection of small and single particles through laser feedback phenomenon is presented. This method is based on the laser feedback caused by radiation scattered back from a moving particle in the external cavity of the laser. The parameters of the single particle, such as the diameter, velocity, and quantity, can be measured and calculated from the change in output laser power. In the experiment, the confocal external cavity composed of a concave reflector and a positive lens is designed. This device is able to obtain the corresponding variety curve of standard particles passing through the confocal area, and then the parameters of the particles can be measured and calculated by combining the experimental data and standard curves. Experimental results show that this method is an easily operated and reliable way for particle detection. The measurement ranges from 0.2 to 2000 μm, resolution is 0.2 μm, and measurement error is within 2%. This device may have wide application in areas such as atmosphere particle detection and calibration of a single particle producer.     

无降雨记录地区的雨强计算方法

要获得我国的雨强分布，必须对我国各地区的降雨资料进行统计计算。文章针对无降雨记录地区给出了用ITU模式计算雨强的方法，并且给出了计算误差的修正方法，经过检验证明了这种方法的精度较高，在无降雨记录地区是一种计算雨强的有效方法之一。     

Fine structure of rainfall

The raindrop size, the raindrop shape, and the raindrop fall velocity measured are shown. It was found that many small raindrops of 50 to 500 μm diameter whose sizes have never been measured, exist in common rainfall. Also the distribution of canting angle of deformed raindrops is measured. For estimating the microwave attenuation due to rainfall, especially that of millimeter waves, a probability distribution function of raindrop size is presented. Finally, it is shown that the raindrop size distribution is not uniquely determined only by rainfall intensity.     

基于图像处理的颗粒流动层模型研究

如何方便且准确地测量滚筒中颗粒的运动速率分布是研究的难点。文中将给出一种基于数字图像处理算法的实验方法来解决此难题。通过找到最合适的极短曝光时间,可捕获在此曝光时间内颗粒运动轨迹的图像,然后利用数字图像处理算法计算出感兴趣区域的颗粒运动路程,即可计算出颗粒的运动速率分布。通过精确的实验数据分析可看出,本实验方法与理论仅有＜8%的误差,有力证实了通过图像法测量颗粒速率分布可展开有效的研究工作。     

基于气介式超声波传感器的雨量液位测量系统设计

在分析传统雨量液位测量系统的基础上,使用气介式超声波传感器和AT89S52单片机设计了一种新型的雨量液位测量系统。采用超声波测距方法,实现雨量的高精度实时测量;利用固定挡板反射回波进行声速校正,解决了温度补偿精度的问题;采用外围保护装置,使该系统在恶劣环境中能正常使用。该系统还具有与PC机通信的功能,可实现低成本、远距离的控制和监测。     

基于激光回馈效应的细微单颗粒测量方法

针对其它光学方法对于单颗粒参数测量的不足,提出基于激光回馈效应的细微单颗粒测量方法.该方法利用激光器附加谐振腔内运动的细微颗粒后向散射作用产生的激光回馈效应,通过测量激光器输出光能的变化测量和计算颗粒的尺寸、速度和数量等参数.实验装置采用He-Ne激光器附加凹面全反镜和会聚透镜共焦式设计的附加谐振腔,在共焦测量敏感区首先对于标准尺寸和运动速度的单颗粒测量定标,建立标准对照图谱,再将被测量颗粒的反馈脉冲电压同标准图谱比对得到相关颗粒信息.研究表明,该方法简单易行,重复性好,测量范围为0.2～2000 μm,分辨率达到0.2 μm,测量误差能够达到2%.