动态灰度触发式水凝物粒子观测系统（DGHOS）及自动检测与跟踪方法

《Atmospheric and Oceanic Science Letters》：A dynamic grayscale-triggered hydrometeor particle observation system with automatic detection and tracking

　　

研究人员提出了一种新型高速面阵成像仪器——动态灰度触发式水凝物粒子观测系统（Dynamic Grayscale-Triggered Hydrometeor Particle Observation System，DGHOS），用于综合观测水凝物粒子。DGHOS能够在直接成像水凝物粒子下落轨迹的同时，同步获取其运动学与形态学特征。为降低对粒子距镜头距离变化的灵敏度，系统集成高分辨率面阵相机与双远心光学系统（bi-telecentric optical system）。通过缩小感兴趣区域（region of interest，ROI），帧率可达400 fps。高强度单色LED面光源有效避免色散。采用灰度变化触发采集模式，在所示降雨案例中较同帧率连续记录减少约98.5%存储数据量。利用Canny边缘检测与质心匹配算法提取位置、速度、等效直径与轴比等多参数。经标定实验与自然观测评估，空间分辨率达11.3 lp mm?1，比例因子约39 μm px?1。自然条件下成功捕获大量雨滴与雪花，给出代表性图像并围绕其动力学展开定量析。

研究背景方面，水凝物粒子作为降水微观载体，其形成、发展与下落过程涉及复杂物理机制，准确量化速度演化与形态转换对短临气候预测、灾害预警及工程防护具重要价值。现有国际系统如OTT Parsivel²、二维视频雨滴谱仪（2DVD）、水凝物速度与形状探测器（HVSD）、多角度雪花相机（MASC）、降水成像包（PIP）、视频原位降雪传感器（VISSS）及国内线性CCD扫描、单平面CCD双曝光、三维降水粒子成像仪（3D-PPI）等，仍存在成像精度不足、时间分辨率有限、实现复杂或连续高速记录致数据量过大等问题。为此研究人员开展DGHOS研究，采用全局快门面阵相机、双远心光路与动态灰度触发，实现稳定采样体积与低数据量，同时提取速度、直径、轴比等参数，发表于《Atmospheric and Oceanic Science Letters》。

关键技术方法上，硬件由双远心镜头、单色LED背光源、全局快门高速面阵相机（ROI 1920×480，达400 fps）及计算单元构成；软件含采集、处理、形态分析与界面模块。触发算法监控帧间平均绝对灰度差Δgray_t，空间抽样每4像素，超阈值且满足最小间隔则存图。检测用Canny边缘（高斯滤波、梯度、非极大抑制、滞回阈限），跨帧匹配用两阶段质心法（距离阈+相对面积差δ_A），经标定得比例因子S_h=H/H_pixels，由位移与时间算垂直速度v_y=(y₂?y₁)S_h/Δt。自然样本为野外降雨与降雪队列。

研究结果部分，第1节引言指出当前系统受限，DGHOS以面阵连续多帧匹配、距离无关采样体、灰度触发降数据量应对。第2节系统架构与算法中，2.1硬件软件设计表明双远心镜恒放大、单色LED消色散、全局快门保轮廓、ROI缩至1920×480获400 fps，软件分采集（灰度触发）、处理（Canny）、形态（质心匹配算速度/等效直径/轴比）；2.2动态灰度触发算法定义Δgray_t=(1/m)Σ_j=1^m|gray_t(j)?gray_t?1(j)|，默认阈10，多线程队列保完整；2.3粒子检测与速度计算用Canny提边界，两阶段质心匹配（距离阈内选候选，最小化|A_t?A_t+1|/max(A_t,A_t+1)≤δ_A），S_h标定后算v_y。后续校准实验给空间分辨率11.3 lp mm^?1、比例因子39 μm px^?1；自然观测捕获雨滴与雪花群体，对其动力学作定量分析。

讨论与结论部分，研究人员总结DGHOS通过双远心光路提供距离无关稳定采样体，灰度触发较连续记录省约98.5%数据，400 fps全局快门面阵支持高浓度下多帧匹配，Canny与质心法稳定提取位置、速度、等效直径、轴比；系统分辨率与比例因子满足微物理观测需求，自然降雨降雪案例验证可行性，为降水微物理与短临预报提供高精度低数据量观测手段。