44 杨 坤, 等. 显 微 成 像 技 术 测 量 雨 雾 滴 谱. YANGKun,etal.Measurementofrainandfogdropletspectrumusingphotomicrographytechnology. 谱 的 二 维 影 像 图 ( 本 文 所 提 到 的 雨

文 章 编 号 :674 7070(203)0 0043 07 显 微 成 像 技 术 测 量 雨 雾 滴 谱 杨 坤 2 徐 芬 顾 松 山 张 晶 谢 媛 胡 汉 峰 摘 要 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 实 现 的. 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 样 机, 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 20 年 0 月 28 日 ( 毛 毛 雨 天 ) 和 月 4 日 ( 雾 天 ) 的 小 水 滴 的 影 像 进 行 外 场 采 集 和 测 量. 初 步 实 测 结 果 表 明 样 机 可 直 接 实 时 获 取 粒 径 在 5~300μm 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 直 方 图. 该 样 机 体 积 小 质 量 轻, 采 用 蓄 电 池 电 源 供 电, 便 于 外 场 应 用, 其 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. 关 键 词 显 微 成 像 ; 嵌 入 式 技 术 ; 滴 谱 测 量 中 图 分 类 号 TH7;TG803 文 献 标 志 码 A 收 稿 日 期 202 03 9 资 助 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 (405023,4097 503); 公 益 性 行 业 科 研 专 项 (GYHY20006004); 江 苏 省 自 然 科 学 基 金 (BK200599) 作 者 简 介 杨 坤, 男, 硕 士 生, 主 要 从 事 大 气 探 测 技 术 研 发.victor - 22@63.com 顾 松 山 ( 通 信 作 者 ), 男, 教 授, 主 要 从 事 大 气 探 测 研 究.b627532@sina.com 南 京 信 息 工 程 大 学 大 气 物 理 学 院, 南 京, 20044 2 江 苏 省 气 象 科 学 研 究 所, 南 京,20008 0 引 言 滴 谱 是 指 单 位 体 积 中 ( 固 态 或 液 态 ) 粒 滴 的 数 量 随 粒 滴 大 小 的 分 布. 气 象 上 所 说 的 滴 谱 通 常 是 指 云 雾 滴 谱 和 降 水 滴 谱. 准 确 测 量 雾 滴 谱 是 进 行 雾 微 物 理 研 究 的 前 提 条 件. 当 前 国 内 广 泛 应 用 的 是 美 国 DMT 公 司 生 产 的 FM 00 型 激 光 前 向 散 射 云 雾 滴 谱 仪, 其 测 量 范 围 为 0~50μm []. 雨 滴 谱 是 降 水 微 物 理 的 重 要 特 征 量, 深 入 研 究 雨 滴 谱, 对 于 更 清 楚 地 认 识 降 水 的 发 展 演 变 过 程, 揭 示 云 降 水 形 成 机 制, 具 有 重 要 的 现 实 意 义 [2]. 雨 滴 谱 在 雷 达 定 量 测 定 降 水 遥 感 信 号 衰 减 云 模 式 参 数 化 人 工 增 雨 效 果 的 检 验 等 方 面 有 着 广 泛 的 应 用 [3 4].20 世 纪 60 年 代 之 前, 雨 滴 谱 测 量 主 要 有 吸 水 纸 法 面 粉 法 声 学 法 质 谱 仪 法 光 电 滴 谱 仪 法 和 箔 片 取 样 器 法 等, 这 些 方 法 操 作 繁 琐, 测 量 范 围 有 限 或 者 [5 7] 误 差 较 大. 当 前 主 要 被 用 来 测 量 雨 滴 谱 的 自 动 化 仪 器 有 :) 利 用 振 动 原 理 设 计 的 雨 滴 谱 仪, 如 瑞 士 巴 塞 尔 的 Disdromet 公 司 生 产 的 DisdrometRD 系 列, 它 们 测 量 雨 滴 粒 径 范 围 是 0 3~5mm;2) 利 用 光 学 原 理 设 计 的 雨 滴 谱 仪, 如 LaserDistrometer Dual Beam Spectroplui ometer( 双 束 雨 滴 谱 仪 ) 和 Parsivel 雨 滴 谱 仪 等,LaserDistrometer 测 量 雨 滴 粒 径 范 围 是 0 6~8mm, 双 束 雨 滴 谱 仪 测 到 的 雨 滴 最 小 直 径 为 0 5mm,Parsivel 雨 滴 粒 径 范 围 是 0 2~25mm;3) 美 国 DMT 公 司 生 产 的 MPS 雨 滴 仪 ( 采 用 照 相 法 原 理 设 计 ), 该 仪 器 可 显 示 二 维 雨 滴 图 象, 其 测 量 范 围 是 0 025~6 2mm. 国 内 也 已 有 多 家 业 务 单 位 从 国 外 引 进 前 2 种 滴 谱 仪, 并 投 入 使 用, 但 是 类 似 MPS 雨 滴 仪 则 极 少 有 使 用. 这 3 种 仪 器 测 量 范 围 精 度 和 自 动 化 程 度 都 较 高, 但 价 格 昂 贵, 难 以 广 泛 应 用. 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, 但 尚 处 于 实 验 室 研 制 阶 段 [8]. 本 文 参 照 传 统 机 械 式 三 用 滴 谱 仪 测 量 雾 滴 谱 方 法, 结 合 显 微 成 像 识 别 技 术, 在 普 通 生 物 光 学 显 微 镜 的 基 础 上, 利 用 现 代 电 子 数 字 技 术, 研 制 了 一 套 嵌 入 式 显 微 成 像 自 动 测 量 仪. 经 初 步 外 场 试 验 表 明 : 该 仪 器 体 积 小 质 量 轻, 采 用 蓄 电 池 电 源 供 电, 便 于 外 场 应 用 ; 仪 器 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 贮 存, 便 于 分 类 管 理 检 索 编 辑 等 后 期 处 理. 利 用 该 仪 器 对 模 拟 与 实 际 的 雾 滴 与 雨 滴 进 行 采 集 和 测 量 表 明, 该 仪 器 可 以 实 时 的 收 集 和 直 接 测 量 粒 径 处 在 5~300μm 范 围 内 的 雾 滴 和 毛 毛 雨 滴

44 杨 坤, 等. 显 微 成 像 技 术 测 量 雨 雾 滴 谱. YANGKun,etal.Measurementofrainandfogdropletspectrumusingphotomicrographytechnology. 谱 的 二 维 影 像 图 ( 本 文 所 提 到 的 雨 雾 滴 是 指 粒 径 在 5~300μm 范 围 内 的 雾 滴 与 毛 毛 雨 滴 ). 仪 器 的 设 计 原 理 及 结 构 显 微 数 字 成 像 原 理 显 微 摄 影 即 是 利 用 摄 影 机 和 显 微 镜 拍 摄 微 小 物 体 [9]. 在 光 学 显 微 镜 中, 显 微 镜 的 物 镜 将 样 品 转 换 成 放 大 的 实 像, 目 镜 再 将 其 转 换 为 供 人 眼 观 测 的 放 大 虚 像. 拍 摄 显 微 图 像 时, 则 换 上 摄 影 接 转 镜 将 物 镜 实 像 再 次 放 大 成 实 像, 然 后 通 过 适 当 的 光 学 图 像 适 配 器 以 一 定 缩 放 比 例 投 射 到 光 敏 元 件 的 接 受 面 上, 将 光 学 显 微 图 像 的 不 同 光 强 分 布 图 形 转 换 成 电 荷 电 流 不 同 分 布 的 电 像, 通 过 适 当 的 图 像 采 集 卡 将 这 种 电 像 模 拟 信 号 经 过 数 字 化 变 换 和 适 当 处 理 以 后, 就 可 输 入 计 算 机 获 得 可 见 的 屏 幕 图 像 [0]. 2 仪 器 结 构 仪 器 硬 件 主 要 由 ARM 核 心 板 CMOS 数 字 显 微 镜 步 进 电 机 三 维 采 样 平 台 电 机 驱 动 器 触 摸 屏 光 源 SD 卡 和 DC 电 源 等 构 成. 图 为 仪 器 实 物 配 置 示 意, 图 2 为 仪 器 机 电 结 构 剖 面.ARM 核 心 板 作 为 仪 器 的 主 控 板, 采 用 三 星 公 司 的 S3C2440A 作 为 主 控 芯 片, 板 载 64MSDRAM 28MNandFlash 和 2M NorFlash, 控 制 CMOS 电 子 显 微 镜 的 拍 摄 和 步 进 电 机 的 运 转. 外 围 电 路 扩 展 出 了 LCD SD 卡 存 储 CMOS( 最 大 支 持 4096 像 素 4096 像 素 ) USB 网 络 传 输 电 源 复 位 电 路 及 通 用 GPIO 等 接 口 []. 其 中 三 维 采 样 平 台 由 聚 焦 横 向 纵 向 3 台 不 同 位 移 精 度 及 尺 寸 的 步 进 电 机 组 成, 触 摸 屏 与 ARM 核 心 板 组 合 成 一 体, 可 现 场 设 置 参 数 并 监 控 仪 器 自 动 按 时 序 运 行,PC 机 经 通 讯 线 路 连 结 可 实 时 监 视 拍 摄 的 显 微 图 像 及 滴 谱 数 据 处 理 过 程. 图 3 为 仪 器 各 组 件 间 逻 辑 关 系 框, 图 4 为 仪 器 软 件 运 行 框. 3 工 作 流 程 接 通 电 源, 启 动 嵌 入 式 ARM 系 统, 设 置 初 始 采 样 时 间 采 样 周 期 以 及 载 玻 片 显 微 拍 摄 帧 数. 随 后 通 过 ARM 控 制 CMOS 以 及 步 进 电 机 驱 动 器,ARM 的 应 用 程 序 自 动 将 载 波 片 置 于 显 微 镜 的 物 镜 下, 驱 动 聚 焦 电 机, 使 CMOS 数 字 显 微 镜 进 入 自 动 对 焦, 当 CMOS 获 取 的 涂 抹 于 载 波 片 油 膜 背 景 数 字 图 像, 其 清 晰 度 达 到 程 序 预 定 的 标 准 后, 仪 器 转 入 等 待 采 样 状 态. 一 旦 采 样 时 间 到 达, 载 玻 平 台 自 动 伸 出 载 玻 片 承 接 雨 雾 滴 自 然 重 力 沉 降, 设 定 的 采 样 周 期 结 束 时, 载 玻 平 台 自 动 将 载 波 片 置 于 显 微 镜 的 物 镜 下, 检 测 图 实 物 配 置 示 意 Fig. Physicalconfigurationdiagram 图 2 机 电 结 构 剖 面 Fig.2 Instrumentstructureprofiles 图 3 组 件 间 逻 辑 关 系 框 Fig.3 Logicalrelationshipdiagrambetweencomponents 数 字 图 像, 其 清 晰 度 符 合 预 定 域 值 后, 接 着 拍 摄 照 片, 拍 摄 结 束 后 移 至 下 个 拍 摄 点, 按 照 设 置 的 顺 序 及 帧 数 自 动 进 行 拍 照, 待 全 部 拍 摄 完 毕 后, 将 雨 雾 滴 图 片 传 输 到 SD 卡 上. 一 次 采 样 结 束, 自 动 转 入 下 一 次 采 样. 最 后, 通 过 连 接 ARM 和 计 算 机 的 通 讯 信 道, 将

学 报 : 自 然 科 学 版,203,5():43 49 JournalofNanjingUniversityofInformationScienceandTechnology:NaturalScienceEdition,203,5():43 49 45 图 4 软 件 运 行 方 框 Fig.4 Blockdiagramofsoftwarerunning 照 片 传 回 计 算 机, 用 图 像 处 理 软 件 进 行 滴 谱 处 理, 估 算 滴 谱 参 数. 2 仪 器 的 校 准 2 几 何 尺 度 定 标 要 精 确 测 量 样 品 的 微 结 构 尺 寸, 必 须 先 对 仪 器 进 行 定 标. 由 于 本 仪 器 拍 摄 的 图 片 是 对 应 物 镜 视 场 下 经 生 物 显 微 镜 放 大 以 及 CMOS 转 换 成 像, 为 计 算 视 场 真 实 几 何 面 积 S(mm 2 ) 及 样 品 尺 度 和 形 状, 需 对 仪 器 光 学 放 大 倍 数 C 进 行 定 标. 决 定 仪 器 放 大 倍 数 的 因 素 有 物 镜 的 放 大 倍 数 CMOS 传 感 器 的 放 大 倍 数 和 计 算 机 图 像 处 理 方 式. 为 此, 在 采 样 平 台 上 放 置 一 个 已 知 的 标 定 参 照 物, 在 取 得 其 照 片 后, 用 图 像 软 件 测 算 照 片 上 经 放 大 的 参 照 物 的 尺 寸, 图 片 上 该 参 照 物 的 大 小 与 其 实 际 大 小 的 比 值 定 为 仪 器 的 放 大 倍 数. 本 仪 器 采 用 标 准 医 用 血 球 计 数 板 XB K 25 作 为 已 知 的 标 定 参 照 物. 仪 器 放 大 拍 摄 的 显 微 数 字 图 像 中 对 应 血 球 计 数 板 上 的 计 数 室 内 的 小 方 格 行 间 距 Δx 的 长 度 为 D,D 与 Δx 的 比 值 即 为 本 仪 器 的 放 大 倍 数. 定 标 时 选 用 0 倍 物 镜, 仪 器 相 应 的 光 学 放 大 倍 数 C 364, 视 场 真 实 几 何 面 积 S 0 308mm 2. 定 标 过 程 中, 在 量 取 照 片 上 小 方 格 间 距 时 发 现 : 在 照 片 的 不 同 部 位, 间 距 的 大 小 也 略 有 差 别, 呈 现 中 心 大, 边 缘 小 的 几 何 失 真 趋 势, 本 文 对 此 进 行 了 修 正, 详 细 内 容 参 见 文 献 [2]. 2 2 仪 器 的 分 辨 率 显 微 成 像 系 统 的 分 辨 率 是 指 分 辨 被 检 测 物 体 细 微 结 构 的 能 力, 是 显 微 成 像 系 统 的 最 重 要 的 性 能 之 一, 主 要 取 决 于 物 镜 的 最 小 分 辨 距 离 和 CMOS 图 像 传 感 器 感 光 面 的 像 素 大 小. 当 图 像 传 感 器 感 光 面 的 像 素 尺 寸 小 于 物 镜 最 小 分 辨 距 离 与 放 大 倍 数 的 乘 积 时, 并 不 能 提 高 显 微 系 统 的 清 晰 度, 反 之 亦 然. 根 据 光 学 显 微 镜 阿 贝 定 理 [3], 物 镜 最 小 分 辨 距 离 δ(μm) 为 δ= λ 2A N. 式 中,λ 为 所 用 光 源 波 长,A N 表 示 光 学 显 微 镜 物 镜 的 数 值 孔 径. 样 机 采 用 白 光 光 源, 其 平 均 波 长 可 等 效 为 550nm. 实 验 过 程 中 使 用 0 倍 平 场 消 色 差 物 镜, 其 数 值 孔 径 是 0 25, 则 其 最 小 分 辨 距 离 约 为 μm. 样 机 CMOS 图 像 传 感 器 采 用 的 是 OV 公 司 生 产 的 OV9650, 它 支 持 多 种 拍 摄 分 辨 率 模 式, 其 中 最 大 拍 摄 分 辨 率 为 280 像 素 024 像 素, 在 试 验 过 程 中 选 用 640 像 素 52 像 素 模 式. 当 用 0 倍 物 镜 时, 样 机 理 论 最 小 分 辨 距 离 接 近 μm. 血 球 计 数 板 上 标 准 格 距 为 50μm, 在 此 种 分 辨 率 模 式 下, 血 球 计 数 板 上 一 个 小 方 格 在 所 拍 照 片 上 约 占 50 多 个 像 素 点, 照 片 中 每 个 像 素 点 尺 度 即 为 载 玻 片 上 实 物 的 最 小 可 辨 尺 度, 仪 器 的 距 离 分 辨 率 约 为 μm. 因 受 液 滴 图 像 边 缘 灰 度 色 差 较 小 的 局 限, 采 用 标 准 格 距 的 /0, 即 5μm 作 为 最 小 可 估 测 距 离 阈 值, 确 保 测 量 的 滴 谱 参 数 具 有 较 高 的 准 确 度. 2 3 载 玻 片 油 膜 参 照 三 用 滴 谱 仪 捕 获 雨 雾 滴 的 方 法, 采 用 变 压 器 油 与 白 凡 士 林 调 配 的 混 合 物 作 为 粘 合 剂 涂 抹 在 载 玻 片 上 形 成 油 膜, 利 用 雨 雾 滴 的 重 力 自 然 沉 降 在 载 玻 片 上 的 油 膜 中. 要 求 油 膜 既 不 流 动 又 不 凝 固, 油 膜 的 配 置 随 环 境 温 度 变 化 而 不 同, 配 置 比 例 的 参 数 ( 变 压 器 油 与 白 凡 士 林 的 质 量 比 ) 如 表 所 示 [4]. 观 测 时 用 小 玻 璃 棒 蘸 一 小 滴 油, 滴 在 微 热 的 载 玻 片 上, 流 开 铺 平 后 形 成 0 2~0 3mm 的 均 匀 油 层, 起 到 固 定 雨 雾 滴 并 保 持 其 形 状 的 作 用. 当 雨 雾 滴 粒 径 超 过 油 层 厚 度 并 偏 离 很 多 时, 液 滴 可 能 会 因 此 产 生 形 变, 导 致 测 量 误 差 增 大, 该 仪 器 能 准 确 测 量 雨 雾 滴 约 为 5~300μm. 此 外, 取 样 过 程 中 油 膜 中 不 宜 有 气 泡 和 杂 质. 表 凡 士 林 与 变 压 器 油 混 合 的 质 量 比 Table Mixingratioofvaselineandtransformeroil 气 温 / -4~ 0~0 ~9 20~30 凡 士 林 与 变 压 器 油 的 质 量 比 2 5 3 2

46 杨 坤, 等. 显 微 成 像 技 术 测 量 雨 雾 滴 谱. YANGKun,etal.Measurementofrainandfogdropletspectrumusingphotomicrographytechnology. 3 雾 和 毛 毛 雨 滴 粒 径 测 量 3 滴 谱 参 数 估 测 方 法 将 仪 器 置 于 较 开 阔 的 外 场, 按 前 述 方 法 开 启 并 设 置 相 关 参 数, 采 样 平 台 将 涂 了 油 膜 的 载 玻 片 暴 露 于 雨 雾 天 气 下 直 接 承 接 雨 雾 滴, 采 样 时 间 为 t, 一 次 采 样 后 在 载 玻 片 按 序 取 n( 30) 个 拍 摄 点 进 行 拍 照. 用 图 像 处 理 软 件 分 析 所 拍 雨 雾 滴 的 二 维 图 像 照 片, 得 到 在 每 个 拍 摄 点 上 视 场 范 围 内 所 有 雨 雾 滴 的 粒 径 r 及 其 相 应 个 数 B. 统 计 每 次 捕 获 所 拍 图 像 上 所 有 液 滴 的 粒 径 r 及 其 相 应 个 数, 就 可 近 似 的 得 到 某 一 时 刻 空 间 某 一 平 面 内 一 定 面 积 上 直 径 介 于 r 与 r+δr 间 的 雾 滴 质 粒 数 A, 计 算 面 密 度 M(cm -2 ) 为 M = A ns. 式 中 S 为 定 标 时 得 到 的 视 场 面 积.M 实 际 上 是 处 于 载 玻 片 上 方 一 段 空 气 柱 内, 直 径 介 于 r 与 r+δr 间, 在 采 样 期 间 降 落 到 载 玻 片 上 的 全 部 雨 雾 滴. 假 设 雾 滴 在 仪 器 取 样 时 间 段 内 匀 速 下 落 且 为 v(cm/s), 则 可 得 : N = A nsvt =M vt. N 即 为 直 径 介 于 r(μm) 与 r+δr 间 的 雨 雾 滴 数 密 度 (cm -3 ),t 为 采 样 时 间, 其 中 速 度 v 值 根 据 水 滴 下 落 末 速 度 经 验 公 式 计 算. 水 滴 下 落 末 速 度 经 验 公 [5] 式 为 v= 2ρ wg 9η r2 =αr 2, r<50, v=βr, 50<r<500. 其 中,ρ w (kg/m 3 ) 为 水 滴 密 度,g 重 力 加 速 度,η(kg/ (m s)) 为 空 气 的 粘 滞 系 数,β 是 量 极 为 0 3 s - 的 与 空 气 密 度 相 关 的 系 数. 表 2 是 03hPa 20 条 件 下 测 定 的 静 止 空 气 中 水 滴 下 落 末 速 度 与 直 径 关 系. 表 2 在 03hPa 20 条 件 下 [5] 静 止 空 气 中 水 滴 下 落 末 速 度 Table2 Terminalvelocityofwaterdropletsinstil airunderconditionof03hpaand20 水 滴 直 径 / mm 水 滴 下 落 末 速 度 / (cm/s) 水 滴 直 径 / mm 水 滴 下 落 末 速 度 / (cm/s) 0 0 0 3 0 08 7 5 0 02 2 0 0 25 6 0 03 2 6 0 2 34 5 0 04 4 7 0 6 52 5 0 05 7 2 0 20 7 0 0 06 0 3 0 30 5 0 3 2 实 例 在 进 行 外 场 实 测 之 前, 先 用 本 仪 器 对 医 用 雾 化 器 产 生 的 雾 滴 进 行 了 捕 捉 和 拍 摄 试 验, 结 果 如 图 5a 所 示, 照 片 上 水 滴 的 轮 廓 清 晰 可 见.20 年 月 日 ( 雾 天 ) 月 4 日 ( 雾 天 ) 和 0 月 28 日 ( 毛 毛 雨 ) 在 南 京 信 息 工 程 大 学 气 象 楼 顶 进 行 了 3 次 观 测, 采 样 时 间 为 60s. 图 5b 5c 为 2 次 雾 天 时 采 集 的 雾 滴 影 像, 图 3d 为 毛 毛 雨 天 气 时 所 拍 雨 滴 照 片. 图 5 样 机 采 集 的 模 拟 雾 滴 雾 滴 和 雨 滴 的 影 像 Fig.5 Imageofsimulateddroplet,actualdropletsandraindropscolectedbytheprototype

学 报 : 自 然 科 学 版,203,5():43 49 JournalofNanjingUniversityofInformationScienceandTechnology:NaturalScienceEdition,203,5():43 49 47 图 6 为 上 述 2 次 雾 天 气 的 雾 滴 数 密 度 谱 和 次 毛 毛 雨 天 气 雨 滴 数 密 度 谱 的 直 方 图. 从 图 6a 可 以 看 出, 仪 器 探 测 到 月 日 雾 过 程 雾 滴 粒 径 范 围 约 在 6~60μm 之 间, 其 中 大 部 分 分 布 在 8~20μm 之 间, 2μm 左 右 最 多 ; 由 图 6b 可 以 看 出, 仪 器 探 测 到 月 4 日 雾 过 程 雾 滴 粒 径 范 围 约 在 9~90μm 之 间, 其 中 大 部 分 分 布 在 0~32μm 之 间,8μm 左 右 最 多 ; 由 图 6c 可 以 看 出, 仪 器 探 测 到 本 次 雨 雾 天 气 雨 雾 滴 粒 径 范 围 约 在 40~250μm 之 间, 其 中 大 部 分 分 布 在 60~60μm 之 间,00μm 左 右 最 多. 综 合 以 上 3 次 试 验 的 结 果 可 以 得 出, 本 仪 器 是 可 以 测 量 到 5~ 300μm 范 围 内 的 雾 滴 和 毛 毛 雨 滴. 在 图 6 中 计 算 N 时 使 用 的 v 值 是 通 过 水 滴 下 落 末 速 度 经 验 公 式 求 取 的, 取 值 参 照 表 2, 而 且 是 在 03hPa 20 的 静 止 空 气 条 件 下 使 用 该 公 式 得 到 的. 这 3 次 天 气 实 况 是 不 尽 相 同 的, 因 此 这 里 的 N 只 是 近 似 值. 3 3 误 差 分 析 本 样 机 的 测 量 误 差 主 要 来 自 系 统 误 差 定 标 误 差 和 捕 获 误 差. 由 于 客 观 条 件 限 制, 样 机 取 得 的 影 像 不 可 能 是 理 想 的 液 滴 放 大 图 像, 这 即 是 由 仪 器 系 统 误 差 所 致. 仪 器 的 光 学 部 件 物 镜 和 转 接 镜 都 是 由 透 镜 组 组 成, 而 透 镜 成 像 的 像 差 则 导 致 了 成 像 误 差 的 产 生. 设 计 仪 器 时 选 用 的 平 场 物 镜 和 对 称 式 目 镜 ( 转 接 镜 ) 已 在 最 大 程 度 上 校 正 了 像 差, 有 效 地 降 低 了 误 差. 样 机 照 明 光 源 亮 度 不 均 匀 以 及 CMOS 图 像 传 感 器 光 敏 面 质 量 差 异 等, 都 会 造 成 仪 器 获 取 的 显 微 图 像 灰 度 不 均 匀, 从 而 导 致 图 像 区 域 过 饱 和 或 图 像 边 缘 不 清 晰, 增 加 粒 径 测 量 难 度 和 误 差. 可 通 过 图 像 处 理 软 件 进 行 背 景 校 正 平 滑 滤 波 和 边 缘 检 测, 将 这 部 分 误 差 加 以 限 制 或 消 除 [0]. 由 前 文 可 知, 样 机 通 过 测 量 XB K 25 血 球 计 数 板 上 的 标 准 正 方 形 计 数 室 的 几 何 尺 度 (mm 3 ) 图 像 进 行 定 标, 综 合 考 虑 光 学 成 像 及 读 数 误 差, 以 下 列 标 准 误 差 σ 和 平 均 极 值 误 差 δ 计 算 公 式 表 示 : n (x i - x) 珋 2 i= σ = 槡 n-, δ= σ 槡 n. 其 中 x i 为 第 i 次 正 方 形 计 数 室 几 何 尺 度 的 测 量 值, x珋 为 测 量 值 的 算 术 平 均 值,n 为 测 量 次 数. 经 实 测 统 计 本 样 机 的 σ = 29,δ=0 22. 降 水 粒 子 自 然 下 落 过 程 中 因 受 空 气 动 力 液 滴 所 带 电 荷 外 电 场 以 及 湍 流 作 用, 常 伴 有 形 变 破 碎 和 碰 并 现 象 [5]. 仪 器 体 积 可 能 对 周 围 流 场 产 生 扰 动, 造 成 湍 流, 特 别 是 有 风 天 气 时 湍 流 会 更 大, 这 种 湍 流 有 可 能 会 导 致 降 水 粒 子 产 生 形 变 破 碎 和 碰 并, 同 时 也 会 改 变 液 滴 在 空 间 的 分 布. 本 文 统 称 这 类 因 素 造 成 的 误 差 为 捕 获 误 差. 图 6 数 密 度 N 的 直 方 图 Fig.6 HistogramofthenumberdensityN

48 杨 坤, 等. 显 微 成 像 技 术 测 量 雨 雾 滴 谱. YANGKun,etal.Measurementofrainandfogdropletspectrumusingphotomicrographytechnology. 当 直 径 r 0 28mm 时, 水 滴 下 落 过 程 中 严 格 呈 球 形, 自 然 界 中 水 滴 自 发 破 碎 临 界 半 径 约 在 3~ 3 5mm 之 间 [5]. 从 本 样 机 的 测 量 范 围 来 看, 可 基 本 排 除 因 雨 雾 滴 形 变 产 生 的 测 量 的 误 差. 降 水 粒 子 之 间 在 重 力 场 中 因 下 落 速 度 不 同 会 导 致 碰 并, 即 使 是 半 径 小 于 0 0mm 的 水 滴 粒 子 之 间 也 还 有 一 定 的 碰 并 效 率, 但 不 超 过 %. 水 滴 粒 子 之 间 的 碰 并 效 率 主 要 由 大 粒 子 半 径 以 及 大 粒 子 半 径 与 小 粒 子 半 径 比 值 决 定. 降 水 粒 子 之 间 的 碰 并 影 响 降 水 粒 子 数 目 的 定 量 化 计 算 还 不 成 熟 [5]. 另 外, 仪 器 的 测 量 方 法 还 会 产 生 因 时 间 累 积 造 成 的 碰 并 现 象, 即 先 沉 降 到 油 膜 中 的 水 滴 可 能 会 和 后 沉 降 的 水 滴 碰 并. 这 种 碰 并 现 象 也 会 对 滴 谱 测 量 的 结 果 造 成 一 定 的 影 响. 仪 器 每 次 采 样 后 在 载 玻 片 按 序 取 n( 30) 个 拍 摄 点 进 行 拍 照, 然 后 再 利 用 图 像 软 件 统 计 雾 滴 粒 径 和 数 目. 因 条 件 所 限 尚 未 对 捕 获 误 差 进 行 定 量 分 析 评 估. 4 结 束 语 本 文 在 综 合 显 微 摄 影 和 嵌 入 式 技 术 各 自 优 势 的 基 础 上 设 计 而 成, 完 成 了 仪 器 的 定 标, 初 步 外 场 试 验 取 得 了 良 好 的 结 果. 该 仪 器 体 积 小 质 量 轻, 采 用 蓄 电 池 电 源 供 电, 便 于 外 场 应 用 ; 仪 器 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 贮 存, 便 于 分 类 管 理 检 索 编 辑 等 后 期 处 理. 利 用 该 仪 器 对 模 拟 与 实 际 的 雾 滴 与 雨 滴 进 行 的 采 集 和 测 量 表 明 该 仪 器 可 以 实 时 的 收 集 和 测 量 粒 径 在 5~300μm 范 围 内 的 雾 滴 和 毛 毛 雨 滴 谱 的 二 维 影 像 图. 由 图 3 可 见, 所 拍 图 片 亮 度 不 均 匀, 整 体 呈 现 周 边 暗 中 间 亮 的 状 态, 拍 照 光 源 有 待 改 进. 在 图 6 中 计 算 N 值 时 使 用 的 v 值 是 在 03hPa 20 的 静 止 空 气 条 件 下 使 用 水 滴 下 落 末 速 度 经 验 公 式 求 取 的, 这 3 次 天 气 实 况 不 尽 相 同 的, 影 响 了 N 值 的 测 量 精 度. 以 后 将 继 续 改 进 样 机 结 构 并 通 过 实 验 对 捕 获 误 差 进 行 定 量 分 析 评 估. 参 考 文 献 References [] 李 子 华, 刘 端 阳, 杨 军. 辐 射 雾 雾 滴 谱 拓 宽 的 微 物 理 过 程 和 宏 观 条 件 [J]. 大 气 科 学,20,35():4 54 LIZihua,LIUDuanyang,YANGJun.Themicrophysical procesesandmacroscopicconditionsoftheradiationfog dropletspectrumbroadening[j].chinesejournalofat mosphericsciences,20,35():4 54 [2] 贾 星 灿, 牛 生 杰. 空 中 地 面 雨 滴 谱 特 征 的 观 测 分 析 [J]. 南 京 气 象 学 院 学 报,2008,3(6):865 870 JIA Xingcan,NIU Shengjie.Observationalanalysisof raindropsizedistributionsmeasuredatsurfaceandcloud [J].JournalofNanjingInstituteofMeteorology,2008,3 (6):865 870 [3] KirankumarN V P,NarayanaR T,RadhakrishnaB,et al.statisticalcharacteristicsofraindropsizedistribution insouthwestmonsoonseason[j].journalofappliedme teorologyandclimatology,2008,47(2):576 590 [4] 陈 磊.2009 200 年 江 淮 梅 雨 锋 暴 雨 雨 滴 谱 特 征 的 观 测 分 析 [D]. 南 京 : 南 京 信 息 工 程 大 学 大 气 物 理 学 院,20: 0 CHENLei.Analysisonthefeaturesofraindropsizedis tributioninmeiyufrontduring2009 200[D].Nan jing:schoolofatmosphericphysics,nanjinguniversity ofinformationscience&technology,20: 0 [5] 刘 红 燕. 雨 滴 谱 仪 器 的 设 计 和 雨 滴 谱 资 料 的 分 析 [D]. 北 京 : 中 国 科 学 院 研 究 生 院,2006:0 6 LIUHongyan.Laboratorytestandanalysisaninstrument forofdisdrometer DSD measuringtheraindsd measurementdata[d].beijing:graduateschool,chi neseacademyofsciences,2006:0 6 [6] 濮 江 平, 张 伟, 姜 爱 军, 等. 利 用 激 光 降 水 粒 子 谱 仪 研 究 雨 滴 谱 分 布 特 性 [J]. 气 象 科 学,200,30(5): 70 707 PUJiangping,ZHANGWei,JIANGAijun,etal.Charac teristicsofgammaraindropsizedistributionbasedonthe precipitationparticlespectrometer[j].scientiameteoro logicasinica,200,30(5):70 707 [7] DMT.MeteorologicalParticleSpectrometer(MPS)Mod uleoperatormanual[m].2009 [8] 余 东 升, 徐 青 山, 徐 赤 东, 等. 雨 滴 谱 测 量 技 术 研 究 进 展 [J]. 大 气 与 环 境 光 学 学 报,20,6(6):403 408 YU Dongsheng,XU Qingshan,XU Chidong,etal.Pro gresofmeasurementofraindropsizedistribution[j]. JournalofAtmosphericandEnvironmentalOptics,20, 6(6):403 408 [9] DF 劳 森. 显 微 摄 影 [M]. 杜 业 可, 译. 北 京 : 中 国 电 影 出 版 社,98 LawsonD F.Thetechniqueofphotomicrography[M]. Beijing:ChinaFilmPres,98 [0] 范 世 福, 李 昀, 肖 松 山, 等. 数 字 化 显 微 图 像 分 析 检 测 系 统 的 设 计 研 究 [J]. 现 代 科 学 仪 器,200(3):30 34 FANShifu,LIYun,XIAO Songshan,etal.Researchon designofanalyticalsystemfordigitizedmicroscopicima ges[j].modernscientificinstruments,200(3):30 34 [] 广 州 友 善 之 臂 计 算 机 科 技 有 限 公 司.Mini2440 用 户 手 册 [M].2009 FriendlyARM. Mini2440 module operator manual [M].2009 [2] 邱 康 俊, 胡 汉 峰, 胡 凝, 等. 作 物 花 粉 自 动 采 集 传 感 器 的 研 制 与 定 标 [J]. 大 气 科 学 学 报,20,34(4): 497 503 QIUKangjun,HUHanfeng,HUNing,etal.Development andcalibration ofcrop polen auto acquisition sensor

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