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一种激光检测雨量的方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于光学遮挡法的激光检测雨量的方法及装置，包括满足一定波长及功率要求的激光光源、基于特定的发生方法的平行片光光束发生系统、两束在水平方向上垂直交叉的平行片光所形成的二维降水粒子双方向采样测量区域、线阵传感器以及雨量检测数据处理与信息反馈系统。本发明大幅度提高了检测光的恒稳特性，减小了因光源功率波动所造成的测量误差。采用实时湿度/气象参数传感临界启动方法。由于标定和校准是在检测前进行，因此能够最大限度地降低系统工作点漂移所造成的测量误差，同时降低测量系统的能耗。本发明能够实时、准确并且连续的观测雨量、雨强以及雨滴谱，可应用于气象、水文、高速公路路况、机场起降等雨量观测及预报的相关领域。
【专利说明】一种激光检测雨量的方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及气象观测【技术领域】的一种雨量、雨滴谱检测方法及装置，特别是涉及一种从光学检测方面提高检测精度的激光检测雨量的方法及装置。
【背景技术】
[0002]随着社会经济的发展，对降水的实时观测在气象、高速公路、机场、水文等领域起着越来越重要的作用。气象领域根据降水的观测分析天气形势以及统计各地的气候特点；机场、高速等交通部门根据降水状况制定各种应急措施；水文部门根据降水信息进行水土流失方面的监测和治理等等，可以说对降水的观测已经成为人们日常生活的重要组成部分。
[0003]现有的雨量计主要分为机械式和光学式两大类。国内各气象观测站和无人气象站对降水的监测主要以翻斗式、称重式雨量计等机械式雨量计为主。机械式雨量计经过长期的发展，虽然其系统和技术等各方面较为完善，但由于其机械性原理的局限，使其存在一些难以解决的问题。比如采用翻斗式雨量计进行降水量的观测时主要存在以下问题:首先野外应用环境比较恶劣，由于沙尘的沉降、鸟粪以及树枝、树叶的累积，很容易将雨量筒堵塞，影响仪器的正常使用，需要对设备进行有人维护，无法实现长期无人自动观测。其次，翻斗式雨量计所测雨量要达到一定的降水累积值才能被计数，在雨量非常小的情况下无法对降水有无和降水量进行有效观测，无法实现雨量观测零启动。另外使用雨量筒不能够对降水类型进行区分，更不能对降水的微物理结构，如降水粒子的大小分布情况进行实时观测。在降雪或者冰雹等固态降水情况下，雨量筒对雨量的观测具有很大的时间滞后性。
[0004]除了机械式雨量计之外，现有的降水的观测方法还有光学探测、声波探测和雷达探测等多种类型的探测技术，其中以光学原理为基础的天气现象识别技术研究最为广泛。具有代表性的光学雨量计主要基于以下几种原理:光强闪烁法、粒子降速测量法、光散射技术及光强衰减多要素判断法。这些检测方法及装置从不同的技术角度出发都实现了对降水等天气现象的自动观测，并在一些地区的气象观测中得到了应用，但也存在一定的问题和局限性。例如，Parsivel雨滴谱仪，采样空间受到接收端光电阵列的限制，空间分辨力过低，不能探测小雨、毛毛雨；利用消光散射原理的FD12P雨量计，消光系数作为低通信号进行传输会受到电磁场干扰(机场)；Schonhuber等研制出的2DVD 二维成像雨量计线扫描相机仅采用了 512个光电探测元件，因而其对于小粒子的分辨力较低，数字网格的物理分辨力为0.25mm，实际上对于小于0.5mm的降水粒子无法测量。此外，现有的光学雨量计还存在一些共通性的问题:①有风时雨滴形状为非对称，一维检测无法准确测量非对称雨滴的大小，雨滴形状按球形假设计算造成较大误差光源多采用近红外光，波长相对较长，因此光衍射造成测量误差较大；③由于采样区域内片光光束的薄厚在光行进方向上片光光束薄厚不同，使得对于同样大小的下落雨滴，在距离线阵探测器位置不同时测量结果不同，造成误差；④由于探测光源在使用过程中会受到环境等外界条件的影响，其输出功率会随时间发生变化，必然引起成像发生相应的变化，造成检测误差；⑤线阵探测器行扫描频率低，使得扫描测量的时间间隔过大，致使无法采集测量到雨滴的代表性尺度，造成测量精度不够；⑥线阵探测器像元尺寸过大、测量分辨率过低。
[0005]为了提高光学雨量计的检测精度，有必要对现有的光学雨量计存在诸多问题进行改进。比如线阵CCD扫描速度不够需要采用高速线阵扫描的方法提高采样精度和分辨率，增加毛毛雨等微小降水粒子的识别能力，为改善光源的稳定输出加入光源恒稳控制，同时，要改进现有的光学雨量计在对降水粒子形态的测量，如降水粒子的形状、下落角度等，建立更精确的数学模型。

【发明内容】

[0006]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种以激光为检测光的雨量传感装置及检测方法，利用激光光源、各种光学元件组合及传感器等对雨量实时连续自动检测。
[0007]本发明所采用的技术方案是:该方法基于光学遮挡法测量雨滴大小、雨滴谱分布及降雨量，具体步骤是使用满足一定波长及功率要求的激光光源发出的平行激光线光束分别射入平行片光光束发生系统转经整形变成平行片光光束后输出后，经整形的两束平行片光在水平方向上即X方向和Y方向垂直交叉形成一个二维降水粒子尺寸的双方向采样测量区域，穿过采样区域后的两束平行片光分别射入线阵传感器进行光电变换，根据降水粒子遮挡测量光束的宽度，按照一定的线阵探测器扫描方法采集降水粒子遮挡测量光束的宽度，并按照一定的雨滴体积计算方法对检测数据进行处理得出雨滴尺寸信息，进而计算出每个雨滴的体积及降雨量，同时还采用光源功率恒稳控制机制，对光源的发光强度进行实时负反馈调控，用实时气象参数传感临界启动系统，地面气象参数低于降水临界值时系统处于休眠待机状态，当 地面气象参数达到某一临界值时，唤醒并启动测量系统，实施系统的标定和校准。
[0008]所述的平行片光光束发生系统采用以下方法及步骤进行光束整形:①半导体激光器发出的激光光束经准直透镜变为平行线光束之后射入直径5_以下的园柱镜做垂直方向的压缩及水平方向展宽；③之后射入鲍威尔棱镜变形为分布均匀、具有一定水平发散角平行发散片光；④之后射入宽度(与柱面镜母线相垂直方向的宽度)大于采样空间宽度的大柱面镜整形为平行片光之后射入母线水平设置的底角小于5°的三角棱镜，出射后的光束为本发明所使用的均一分布高聚光平行片光光束。
[0009]所述所述的光源功率恒稳控制机制采用以下方法及步骤进行:①在像素数为η的线阵传感器中取第1、第η两个像素点作为观测基准点启动激光光源，将其工作电压及注入电流调整至工作点，此时激光器有一定值的光强输出；③对①所述的两个像素观测基准点的输出值进行5分钟间隔的24小时取值，每个观测基准点得到288个观测值，
分别计算各观测基准点的平均值A2和标准偏差值O1 O2并保存备用在雨量
观测系统启动后进行激光输出功率恒稳控制，即当两个观测基准点的输出值Op O2满足
Q5x^q+q!)-(A1+ig>(q+qi)时，反向调整工作电压或注入电流，使其输出值最接近平均
值 A!、A2。
[0010]所述的气象参数传感系统临界启动系统采用以下方法及步骤进行:①使用相对湿度传感器及气压传感器实时测量湿度值及气压值；②当相对湿度测量值大于当地当月平均值且呈现上升趋势时，同时气压值低于当地当月平均气压值、且气压值呈现下降趋势时启动光学雨量计系统，所述的一定的线阵探测器扫描方法是线阵探测器的扫描行频为一定值，且不低于25KHz。
[0011]所述的雨滴体积计算按如下方法及步骤进行:①当行扫描频率为fs时，某个雨滴在X、Y两个方向分别受到η次扫描，分别测得两组数值X1、Yi,各组的最大值Xmax和Ymax ?’②
以
【权利要求】
1.一种激光检测雨量的方法，其特征在于:该方法基于光学遮挡法测量雨滴大小、雨滴谱分布及降雨量，具体步骤是使用满足一定波长及功率要求的激光光源发出的平行激光线光束分别射入平行片光光束发生系统转经整形变成平行片光光束后输出后，经整形的两束平行片光在水平方向上即X方向和Y方向垂直交叉形成一个二维降水粒子尺寸的双方向采样测量区域，穿过采样区域后的两束平行片光分别射入线阵传感器进行光电变换，根据降水粒子遮挡测量光束的宽度，按照一定的线阵探测器扫描方法采集降水粒子遮挡测量光束的宽度，并按照一定的雨滴体积计算方法对检测数据进行处理得出雨滴尺寸信息，进而计算出每个雨滴的体积及降雨量，同时还采用光源功率恒稳控制机制，对光源的发光强度进行实时负反馈调控，用实时气象参数传感临界启动系统，地面气象参数低于降水临界值时系统处于休眠待机状态，当地面气象参数达到某一临界值时，唤醒并启动测量系统，实施系统的标定和校准。
2.根据权利要求1所述的一种激光检测雨量的方法，其特征在于:所述的平行片光光束发生系统采用以下方法及步骤进行光束整形:①半导体激光器发出的激光光束经准直透镜变为平行线光束；②之后射入直径5mm以下的园柱镜做垂直方向的压缩及水平方向展宽;③之后射入鲍威尔棱镜变形为分布均匀、具有一定水平发散角平行发散片光;④之后射入宽度(与柱面镜母线相垂直方向的宽度)大于采样空间宽度的大柱面镜整形为平行片光之后射入母线水平设置的底角小于5°的三角棱镜，出射后的光束为本发明所使用的均一分布高聚光平行片光光束。
3.根据权利要求1所述的一种激光检测雨量的方法，其特征在于:所述所述的光源功率恒稳控制机制采用 以下方法及步骤进行:①在像素数为η的线阵传感器中取第1、第η两个像素点作为观测基准点启动激光光源，将其工作电压及注入电流调整至工作点，此时激光器有一定值的光强输出；③对①所述的两个像素观测基准点的输出值进行5分钟间隔的24小时取值，每个观测基准点得到288个观测值，分别计算各观测基准点的平均值Al, S3和标准偏差值?2并保存备用；④在雨量观测系统启动后进行激光输出功率恒稳控制，即当两个观测基准点的输出值Op O2满足Q5x〖ci+cg-也+jg>(q+4时，反向调整工作电压或注入电流，使其输出值最接近平均值Ap A2。
4.根据权利要求1所述的一种激光检测雨量的方法，其特征在于:所述的气象参数传感系统临界启动系统采用以下方法及步骤进行:①使用相对湿度传感器及气压传感器实时测量湿度值及气压值；②当相对湿度测量值大于当地当月平均值且呈现上升趋势时，同时气压值低于当地当月平均气压值、且气压值呈现下降趋势时启动光学雨量计系统，所述的一定的线阵探测器扫描方法是线阵探测器的扫描行频为一定值，且不低于25KHz。
5.根据权利要求1所述的一种激光检测雨量的方法，其特征在于:所述的雨滴体积计算按如下方法及步骤进行:①当行扫描频率为fs时，某个雨滴在X、Y两个方向分别受到η次扫描，分别测得两组数值X1、Yi,各组的最大值Xmax和Ymax ;②以+ YmJ为降水粒子的等效直径，从事先测得的降水粒子等效直径与雨滴下降末速度的关系求出每个雨滴通过采样空间的末速度值V ;③为雨滴在两次扫描间隔中下落的距离；@两次扫描间隔中通过采样空间的体积为
6.一种激光检测雨量的装置，其特征在于包括:激光光源、平行片光光束发生系统、二维降水采样区域、线阵传感器以及雨量检测数据处理系统与信息反馈系统；信息反馈系统包括湿度/气象参数传感控制自启动装置、雨量检测系统标定程序和光源功率恒稳控制器，雨量检测数据处理系统与信息反馈系统包括雨量检测数据处理、装置自启动系统、系统标定程序以及光源功率恒稳控制。
7.根据权利要求6所述的一种激光检测雨量的装置，其特征在于:所述激光光源可以采用一个激光光源，其发出的平行的激光线光束经过1:1分束镜后一分为二，分别射入Χ、y两个方向上的平行片光光束发生系统，做为二维检测的光源； 或不使用分束镜，而在两个方向上各使用一个同型号激光光源，分别射入X、Y两个方向上的平行片光光束发生系统。
8.根据权利要求6所述的一种激光检测雨量的装置，其特征在于:所述激光光源为体积较小的半导体激光器，发出高斯光束，激光光源采用波长为350nm-450nm的紫蓝光区，激光光源功率不低于5mW。
9.根据权利要求6所述的一种激光检测雨量的装置，其特征在于:所述平行片光光束发生系统使用与柱面镜母线相垂直方向的宽度大于采样空间宽度的大柱面镜，柱面镜与母线垂直方向的宽度IOcm,焦距为10-15cm，母线方向的的宽度为2cm以上；三角棱镜的宽度为Icm以上，底角角度为5°以下； 所述线阵传感器为高速线阵传感器，可用于高速连续实时采集，像元数大于1024，每个象元大小在3 μ m— 20 μ m之间，象元形状为方形。
10.根据权利要求6所述的一种激光检测雨量的装置，其特征在于所述雨量检测数据处理系统组成方法为:包含有高速采集卡、计算机以及相关的算法程序，其中高速采集卡用于接收传感器收集到的信息的雨量检测数据处理系统； 所述的雨量检测系统标定程序在启动检测时，根据检测装置所提供的标准检测物测得的结果，自动对系统的测量进行校正和补偿。
【文档编号】G01W1/14GK103869385SQ201410130638
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】吴尚谦, 皇甫张棣, 刘爱英, 薛拓 申请人:昆明理工大学