利用显微成像直接测量雨、雾滴谱技术的研究

摘要

雾滴谱和雨滴谱是云降水微物理的重要特征量,准确测量雾滴谱和雨滴谱是进行云降水微物理研究的前提条件之一。综观云雾和降水滴谱参数(数密度和粒径)的智能化测量方法多数是通过测量雨雾滴产生的阴影、光强或者散射能量进而间接反演估算。近二三十年来,我国云降水物理科学仪器主要依靠进口。自主研发具有我国自主产权的雨雾滴谱仪的研制工作急需开展,初步研发工作已经启动,尚处于实验室研制阶段。
　　本文应用显微摄影原理和嵌入式技术,研制了一套嵌入式显微成像自动测量仪样机。该样机主要有控制模块、显微成像模块、自动采样平台和电源电路模块组成。主要工作有:将普通生物光学显微镜的目镜改为CMOS数字图像传感器,设计了由三台步进电机构造的三维自动采样平台替代显微镜载物台,应用嵌入式ARM作为核心,控制整个系统自动运行,完成整个样机的构建;用几何尺度定标方法对样机进行了校准,测算出了系统的放大倍数和视场范围;详述了样机捕获雨、雾滴的方法,并推导出了适用于样机的滴谱参数估测方法;经几何尺度定标后,在南京信息工程大学气象楼顶,利用样机分别对2011年11月1日、4日和10月28日的雾和毛毛雨天气中的小水滴的影像进行外场采集和测量;详细的分析了样机测量滴谱方法的误差,主要有系统误差、定标误差和捕获误差。初步实测结果表明,该套样机可直接实时获取粒径在5μm~300μm范围内的毛毛雨和雾滴的二维图像。经图像识别处理,得到了该范围内的毛毛雨和雾滴谱参数,并绘制了其数密度散点图。该样机体积小、重量轻,采用蓄电池电源供电,便于外场应用;样机搭载的触摸屏可供多人同时观察样品并进行讨论;实时拍摄的图像以文件形式储存,便于分类管理、检索和编辑等后期处理。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 引言

1.1.1 雾滴谱仪的发展过程及现状

1.1.2 雨滴谱仪的发展过程及现状

1.2 本文的主要工作

第2章 样机整体方案设计及构造

2.1 样机总体结构

2.2 显微成像模块

2.2.1 图像传感器的选择

2.2.2 光路设计

2.2.3 物镜选择

2.2.4 照明方法选择

2.3 自动采样平台模块

2.3.1 步进电机介绍及选择

2.3.2 步进电机驱动器选择

2.4 控制模块

2.4.1 嵌入式系统介绍

2.4.2 嵌入式系统的选择

2.4.3 嵌入式操作系统的选择

2.4.4 控制模块与自动采样平台模块以及显微成像模块间链接方式

2.5 电源电路模块

2.6 工作流程

第3章 定标校准

3.1 几何尺度定标

3.2 样机分辨率

3.3 载玻片油膜

第4章 外场观测试验

4.1 滴谱参数估测方法

4.2 实例

第5章 误差分析

5.1. 系统误差

5.2. 定标误差

5.3 捕获误差

第6章 结论与展望

6.1 工作总结

6.2 不足和展望

参考文献

致谢