research_HSIV
高速影像式雨滴測量系統
High-Speed Imaging-based Raindrop Measurement System (HSIV)
研究背景與動機 Introduction
全球暖化導致極端降雨事件頻發，精確掌握降雨的微觀物理特性（如雨滴粒徑分佈 RSD、落速分佈 RSVD）對於氣象預報、水文災害防治及雷達校準至關重要。
傳統觀測儀器如傾斗式雨量計 (TBRG) 無法提供微觀參數；而光學式雨滴譜儀 (如 OTT Parsivel²) 雖廣泛應用，但在強風、斜雨或非球形雨滴的觀測上存在系統性誤差。為解決上述問題，本研究開發了一套低成本、高彈性且具備抗風干擾能力的「高速影像式雨滴測量系統 (HSIV)」。
系統硬體架構 System Architecture
HSIV 系統主要由以下關鍵模組構成：
- 高速 CMOS 工業相機：設定為 500 fps，曝光時間 100 μs，確保能捕捉高速落下的雨滴而不產生動態模糊。
- 雙光軸遠心鏡頭 (Telecentric Lens)：具備低畸變特性，確保景深範圍內（DOF 120mm）的成像倍率一致，避免透視誤差。
- 高亮度 LED 陣列背光：搭配勻光器提供均勻背景光，透過陰影法（Shadowgraphy）清晰呈現雨滴輪廓。
- 智慧觸發模組：整合雨水感測器，僅在降雨時啟動系統，節省能源與儲存空間。
圖 1. HSIV 系統硬體架構與取像原理
圖 2. 本系統於嘉義氣象站進行戶外實地架設與觀測
核心演算法與校正技術 Methodology
為了從高速影像中精確提取雨滴資訊，本團隊開發了一套完整的後端處理流程：
- 影像前處理與特徵萃取：利用背景相減法與 Renyi 熵濾波器去除雜訊，並針對雨滴進行橢圓擬合，獲取質心、長短軸與傾角資訊。
- 粒子追蹤與配對 (Particle Tracking)：採用多目標追蹤演算法 (MTT)，結合質心距離、形狀相似度與物理運動限制，準確配對連續影格中的同一顆雨滴，計算其落速。
- 殘影與風速校正：針對高速移動造成的動態模糊進行幾何補償；同時引入「風速校正因子」，修正因側風導致雨滴傾斜入射所產生的觀測誤差。
圖 3. 雨滴影像辨識與特徵萃取流程
圖 4. 針對強風環境之雨滴落速與路徑校正示意
實驗成果與驗證 Experimental Results
本系統部署於中央氣象署嘉義氣象站，與商用儀器 OTT Parsivel² 及傾斗式雨量計 (TBRG) 進行長期同步觀測。實驗涵蓋了「康芮颱風」、「短延時強降雨」及「一般降雨」等多種情境。
- 降雨強度一致性：HSIV 與 Parsivel² 的降雨強度相關係數 (R²) 高達 0.94 以上，證明了系統的可靠性。
- 微觀物理特性：在粒徑速度分佈 (RSVD) 圖中，HSIV 能清晰呈現雨滴的物理極限分佈。相較於 Parsivel²，本系統在強風下對傾斜雨滴的辨識能力更佳，有效減少了因角度偏差造成的粒徑高估問題。
圖 5. HSIV 與商用儀器之觀測數據比對分析與粒徑速度分佈圖 (RSVD)