降水瞬态微物理特征测量仪

There are strong needs for scientific understanding of cloud and precipitation physics in the field of measurement and forecast of precipitation, monitoring and warning of precipitation related disaster, and etc, in which the shape, phase, size, velocity, and distributions of precipitation particles are the basic observation data. But our country lacks of instruments developed independently for micro-physical characteristics of precipitation, the modeling of micro-physical characteristics of precipitation mostly consult to foreign relative model, the measurement of micro-physical characteristics of precipitation mainly use the expensive imported instruments, which could not be widely used. In order to meet the requirement of measurement for precipitation micro-physical characteristics in our country, this project develops a scientific instrument for the transient micro-physical characteristics of precipitation with self-owned intellectual property rights, by establish the synchronous measurement scheme for micro-physical characteristics based on multi-exposure in single frame and telecentric imaging, design and develop the precipitation micro-physical characteristics sensor, design and implement the feature extraction algorithms of micro-physical characteristics, research on the error factors and calibration method, application experiment and performance examination, realize the accurate measurement of micro-physical characteristics of precipitation full-size particles. This instrument will fill the domestic vacancy in the relative field, and seize the development opportunity of meteorological instruments, endeavor to take the lead in the world.

降水准确测量和预报、强降水灾害监测与预警等都强烈依赖对云降水物理的科学认识，而其中降水粒子形状、相态、尺度、速度及其谱分布等精细化微物理特征是基础观测资料。目前我国缺少自主研发的先进降水微观特征科学测量仪器，对降水微观特征的建模大多参考国外模型，对降水微观特征的测量主要依靠进口仪器，进口仪器不仅价格昂贵，难以广泛应用，而且不具备对降水全尺度粒子的形状、尺度、速度及其谱分布的同步准确测量能力。为了满足我国对降水微物理特征测量的迫切需要，本项目研制具有我国自主知识产权的降水瞬态微物理特征测量科学仪器，通过研究基于单帧多曝光和远心成像的同步测量方案、设计大动态、全尺度降水粒子测量仪器、研究微物理特征提取算法、研究定标方法、进行定标试验和应用试验等，实现降水全尺度粒子的尺度、速度、形状、相态及其谱分布等微物理特征的准确测量。该仪器将填补国内空白，并抓住气象科学仪器的发展契机，争取走到世界前列。

降水准确测量和预报、强降水灾害监测与预警等都强烈依赖对云降水物理的科学认识，而其中降水粒子形状、相态、尺度、速度及其谱分布等精细化微物理特征是基础观测资料。目前我国缺少自主研发的先进降水微观特征科学测量仪器，对降水微观特征的建模大多参考国外模型，对降水微观特征的测量主要依靠进口仪器，进口仪器不仅价格昂贵，难以广泛应用，而且不具备对降水全尺度粒子的形状、尺度、速度及其谱分布的同步准确测量能力。为了满足我国对降水微物理特征测量的迫切需要，本项目从降水微物理的本质特征出发，全新构架一种基于面阵图像传感器的帧内多曝光方法，基于此设计并研制降水瞬态微物理特征测量仪。主要研究内容包括：（1）提出了基于单面阵图像传感器的降水粒子微物理特征同步测量方案；（2）设计并研制了降水瞬态微物理特征测量仪原理样机；（3）提出了降水粒子图像处理、微物理特征提取、空间分布重构与粒子类型分类方法；（4）研制了旋转调速圆盘定标装置和均匀降雨场发生装置，设计并开展了定标与测试实验；（5）基于外场观测实验获取的大量资料，统计分析了降水粒子的微物理特征。本项目突破了远心成像、脉冲同步照明、单帧多曝光、模拟降水粒子定标、整机机构防护等关键技术，解决了自然光照条件下成像背景能量随机变化影响成像质量、降水微物理特征测量准确性难以判断、自然环境条件下仪器的环境适应性等关键问题，实现了对降水粒子相态、尺度、速度及其谱分布等微物理特征的同步、实时、准确测量。有效解决了当前降水测量方法所存在的固有缺点，拥有自主知识产权，填补了国内空白，从根本上提升了降水微物理特征观测水平，推进降水物理及相关应用的深入研究，可广泛应用于气象、水文、洪涝监测预警以及军事气象保障等领域。相关成果发表文章30篇，其中SCI或EI检索9篇；申请美国发明专利2项，其中授权1项；申请国家专利6项，其中授权发明专利4项，授权外观专利1项。培养博士生3名，硕士生10名。