久久一区二区免费播放,国产在线欧美日韩一区二区,国产综合色在线视频,精品伊人久久久香线蕉,精品视频麻豆网站,玖玖国产,国内精品久久久久影,在线观看精品视频一区二区三区,午夜久久影院,国产精品一区久久

一種激光檢測(cè)雨量的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光學(xué)遮擋法的激光檢測(cè)雨量的方法及裝置，包括滿足一定波長(zhǎng)及功率要求的激光光源、基于特定的發(fā)生方法的平行片光光束發(fā)生系統(tǒng)、兩束在水平方向上垂直交叉的平行片光所形成的二維降水粒子雙方向采樣測(cè)量區(qū)域、線陣傳感器以及雨量檢測(cè)數(shù)據(jù)處理與信息反饋系統(tǒng)。本發(fā)明大幅度提高了檢測(cè)光的恒穩(wěn)特性，減小了因光源功率波動(dòng)所造成的測(cè)量誤差。采用實(shí)時(shí)濕度/氣象參數(shù)傳感臨界啟動(dòng)方法。由于標(biāo)定和校準(zhǔn)是在檢測(cè)前進(jìn)行，因此能夠最大限度地降低系統(tǒng)工作點(diǎn)漂移所造成的測(cè)量誤差，同時(shí)降低測(cè)量系統(tǒng)的能耗。本發(fā)明能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確并且連續(xù)的觀測(cè)雨量、雨強(qiáng)以及雨滴譜，可應(yīng)用于氣象、水文、高速公路路況、機(jī)場(chǎng)起降等雨量觀測(cè)及預(yù)報(bào)的相關(guān)領(lǐng)域。
【專利說明】一種激光檢測(cè)雨量的方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣象觀測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】的一種雨量、雨滴譜檢測(cè)方法及裝置，特別是涉及一種從光學(xué)檢測(cè)方面提高檢測(cè)精度的激光檢測(cè)雨量的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)降水的實(shí)時(shí)觀測(cè)在氣象、高速公路、機(jī)場(chǎng)、水文等領(lǐng)域起著越來越重要的作用。氣象領(lǐng)域根據(jù)降水的觀測(cè)分析天氣形勢(shì)以及統(tǒng)計(jì)各地的氣候特點(diǎn)；機(jī)場(chǎng)、高速等交通部門根據(jù)降水狀況制定各種應(yīng)急措施；水文部門根據(jù)降水信息進(jìn)行水土流失方面的監(jiān)測(cè)和治理等等，可以說對(duì)降水的觀測(cè)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾M成部分。
[0003]現(xiàn)有的雨量計(jì)主要分為機(jī)械式和光學(xué)式兩大類。國(guó)內(nèi)各氣象觀測(cè)站和無人氣象站對(duì)降水的監(jiān)測(cè)主要以翻斗式、稱重式雨量計(jì)等機(jī)械式雨量計(jì)為主。機(jī)械式雨量計(jì)經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展，雖然其系統(tǒng)和技術(shù)等各方面較為完善，但由于其機(jī)械性原理的局限，使其存在一些難以解決的問題。比如采用翻斗式雨量計(jì)進(jìn)行降水量的觀測(cè)時(shí)主要存在以下問題:首先野外應(yīng)用環(huán)境比較惡劣，由于沙塵的沉降、鳥糞以及樹枝、樹葉的累積，很容易將雨量筒堵塞，影響儀器的正常使用，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行有人維護(hù)，無法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期無人自動(dòng)觀測(cè)。其次，翻斗式雨量計(jì)所測(cè)雨量要達(dá)到一定的降水累積值才能被計(jì)數(shù)，在雨量非常小的情況下無法對(duì)降水有無和降水量進(jìn)行有效觀測(cè)，無法實(shí)現(xiàn)雨量觀測(cè)零啟動(dòng)。另外使用雨量筒不能夠?qū)邓愋瓦M(jìn)行區(qū)分，更不能對(duì)降水的微物理結(jié)構(gòu)，如降水粒子的大小分布情況進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。在降雪或者冰雹等固態(tài)降水情況下，雨量筒對(duì)雨量的觀測(cè)具有很大的時(shí)間滯后性。
[0004]除了機(jī)械式雨量計(jì)之外，現(xiàn)有的降水的觀測(cè)方法還有光學(xué)探測(cè)、聲波探測(cè)和雷達(dá)探測(cè)等多種類型的探測(cè)技術(shù)，其中以光學(xué)原理為基礎(chǔ)的天氣現(xiàn)象識(shí)別技術(shù)研究最為廣泛。具有代表性的光學(xué)雨量計(jì)主要基于以下幾種原理:光強(qiáng)閃爍法、粒子降速測(cè)量法、光散射技術(shù)及光強(qiáng)衰減多要素判斷法。這些檢測(cè)方法及裝置從不同的技術(shù)角度出發(fā)都實(shí)現(xiàn)了對(duì)降水等天氣現(xiàn)象的自動(dòng)觀測(cè)，并在一些地區(qū)的氣象觀測(cè)中得到了應(yīng)用，但也存在一定的問題和局限性。例如，Parsivel雨滴譜儀，采樣空間受到接收端光電陣列的限制，空間分辨力過低，不能探測(cè)小雨、毛毛雨；利用消光散射原理的FD12P雨量計(jì)，消光系數(shù)作為低通信號(hào)進(jìn)行傳輸會(huì)受到電磁場(chǎng)干擾(機(jī)場(chǎng))；Schonhuber等研制出的2DVD 二維成像雨量計(jì)線掃描相機(jī)僅采用了 512個(gè)光電探測(cè)元件，因而其對(duì)于小粒子的分辨力較低，數(shù)字網(wǎng)格的物理分辨力為0.25mm，實(shí)際上對(duì)于小于0.5mm的降水粒子無法測(cè)量。此外，現(xiàn)有的光學(xué)雨量計(jì)還存在一些共通性的問題:①有風(fēng)時(shí)雨滴形狀為非對(duì)稱，一維檢測(cè)無法準(zhǔn)確測(cè)量非對(duì)稱雨滴的大小，雨滴形狀按球形假設(shè)計(jì)算造成較大誤差光源多采用近紅外光，波長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)，因此光衍射造成測(cè)量誤差較大；③由于采樣區(qū)域內(nèi)片光光束的薄厚在光行進(jìn)方向上片光光束薄厚不同，使得對(duì)于同樣大小的下落雨滴，在距離線陣探測(cè)器位置不同時(shí)測(cè)量結(jié)果不同，造成誤差；④由于探測(cè)光源在使用過程中會(huì)受到環(huán)境等外界條件的影響，其輸出功率會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，必然引起成像發(fā)生相應(yīng)的變化，造成檢測(cè)誤差；⑤線陣探測(cè)器行掃描頻率低，使得掃描測(cè)量的時(shí)間間隔過大，致使無法采集測(cè)量到雨滴的代表性尺度，造成測(cè)量精度不夠；⑥線陣探測(cè)器像元尺寸過大、測(cè)量分辨率過低。
[0005]為了提高光學(xué)雨量計(jì)的檢測(cè)精度，有必要對(duì)現(xiàn)有的光學(xué)雨量計(jì)存在諸多問題進(jìn)行改進(jìn)。比如線陣CCD掃描速度不夠需要采用高速線陣掃描的方法提高采樣精度和分辨率，增加毛毛雨等微小降水粒子的識(shí)別能力，為改善光源的穩(wěn)定輸出加入光源恒穩(wěn)控制，同時(shí)，要改進(jìn)現(xiàn)有的光學(xué)雨量計(jì)在對(duì)降水粒子形態(tài)的測(cè)量，如降水粒子的形狀、下落角度等，建立更精確的數(shù)學(xué)模型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種以激光為檢測(cè)光的雨量傳感裝置及檢測(cè)方法，利用激光光源、各種光學(xué)元件組合及傳感器等對(duì)雨量實(shí)時(shí)連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)。
[0007]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:該方法基于光學(xué)遮擋法測(cè)量雨滴大小、雨滴譜分布及降雨量，具體步驟是使用滿足一定波長(zhǎng)及功率要求的激光光源發(fā)出的平行激光線光束分別射入平行片光光束發(fā)生系統(tǒng)轉(zhuǎn)經(jīng)整形變成平行片光光束后輸出后，經(jīng)整形的兩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個(gè)二維降水粒子尺寸的雙方向采樣測(cè)量區(qū)域，穿過采樣區(qū)域后的兩束平行片光分別射入線陣傳感器進(jìn)行光電變換，根據(jù)降水粒子遮擋測(cè)量光束的寬度，按照一定的線陣探測(cè)器掃描方法采集降水粒子遮擋測(cè)量光束的寬度，并按照一定的雨滴體積計(jì)算方法對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出雨滴尺寸信息，進(jìn)而計(jì)算出每個(gè)雨滴的體積及降雨量，同時(shí)還采用光源功率恒穩(wěn)控制機(jī)制，對(duì)光源的發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)負(fù)反饋調(diào)控，用實(shí)時(shí)氣象參數(shù)傳感臨界啟動(dòng)系統(tǒng)，地面氣象參數(shù)低于降水臨界值時(shí)系統(tǒng)處于休眠待機(jī)狀態(tài)，當(dāng) 地面氣象參數(shù)達(dá)到某一臨界值時(shí)，喚醒并啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)施系統(tǒng)的標(biāo)定和校準(zhǔn)。
[0008]所述的平行片光光束發(fā)生系統(tǒng)采用以下方法及步驟進(jìn)行光束整形:①半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡變?yōu)槠叫芯€光束之后射入直徑5_以下的園柱鏡做垂直方向的壓縮及水平方向展寬；③之后射入鮑威爾棱鏡變形為分布均勻、具有一定水平發(fā)散角平行發(fā)散片光；④之后射入寬度(與柱面鏡母線相垂直方向的寬度)大于采樣空間寬度的大柱面鏡整形為平行片光之后射入母線水平設(shè)置的底角小于5°的三角棱鏡，出射后的光束為本發(fā)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穩(wěn)控制機(jī)制采用以下方法及步驟進(jìn)行:①在像素?cái)?shù)為η的線陣傳感器中取第1、第η兩個(gè)像素點(diǎn)作為觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)啟動(dòng)激光光源，將其工作電壓及注入電流調(diào)整至工作點(diǎn)，此時(shí)激光器有一定值的光強(qiáng)輸出；③對(duì)①所述的兩個(gè)像素觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)的輸出值進(jìn)行5分鐘間隔的24小時(shí)取值，每個(gè)觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)得到288個(gè)觀測(cè)值，
分別計(jì)算各觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)的平均值A(chǔ)2和標(biāo)準(zhǔn)偏差值O1 O2并保存?zhèn)溆迷谟炅?br> 觀測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)行激光輸出功率恒穩(wěn)控制，即當(dāng)兩個(gè)觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)的輸出值Op O2滿足
Q5x^q+q!)-(A1+ig>(q+qi)時(shí)，反向調(diào)整工作電壓或注入電流，使其輸出值最接近平均
值 A!、A2。
[0010]所述的氣象參數(shù)傳感系統(tǒng)臨界啟動(dòng)系統(tǒng)采用以下方法及步驟進(jìn)行:①使用相對(duì)濕度傳感器及氣壓傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量濕度值及氣壓值；②當(dāng)相對(duì)濕度測(cè)量值大于當(dāng)?shù)禺?dāng)月平均值且呈現(xiàn)上升趨勢(shì)時(shí)，同時(shí)氣壓值低于當(dāng)?shù)禺?dāng)月平均氣壓值、且氣壓值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)時(shí)啟動(dòng)光學(xué)雨量計(jì)系統(tǒng)，所述的一定的線陣探測(cè)器掃描方法是線陣探測(cè)器的掃描行頻為一定值，且不低于25KHz。
[0011]所述的雨滴體積計(jì)算按如下方法及步驟進(jìn)行:①當(dāng)行掃描頻率為fs時(shí)，某個(gè)雨滴在X、Y兩個(gè)方向分別受到η次掃描，分別測(cè)得兩組數(shù)值X1、Yi,各組的最大值Xmax和Ymax ?’②
以
【權(quán)利要求】
1.一種激光檢測(cè)雨量的方法，其特征在于:該方法基于光學(xué)遮擋法測(cè)量雨滴大小、雨滴譜分布及降雨量，具體步驟是使用滿足一定波長(zhǎng)及功率要求的激光光源發(fā)出的平行激光線光束分別射入平行片光光束發(fā)生系統(tǒng)轉(zhuǎn)經(jīng)整形變成平行片光光束后輸出后，經(jīng)整形的兩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個(gè)二維降水粒子尺寸的雙方向采樣測(cè)量區(qū)域，穿過采樣區(qū)域后的兩束平行片光分別射入線陣傳感器進(jìn)行光電變換，根據(jù)降水粒子遮擋測(cè)量光束的寬度，按照一定的線陣探測(cè)器掃描方法采集降水粒子遮擋測(cè)量光束的寬度，并按照一定的雨滴體積計(jì)算方法對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出雨滴尺寸信息，進(jìn)而計(jì)算出每個(gè)雨滴的體積及降雨量，同時(shí)還采用光源功率恒穩(wěn)控制機(jī)制，對(duì)光源的發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)負(fù)反饋調(diào)控，用實(shí)時(shí)氣象參數(shù)傳感臨界啟動(dòng)系統(tǒng)，地面氣象參數(shù)低于降水臨界值時(shí)系統(tǒng)處于休眠待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)?shù)孛鏆庀髤?shù)達(dá)到某一臨界值時(shí)，喚醒并啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)施系統(tǒng)的標(biāo)定和校準(zhǔn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光檢測(cè)雨量的方法，其特征在于:所述的平行片光光束發(fā)生系統(tǒng)采用以下方法及步驟進(jìn)行光束整形:①半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡變?yōu)槠叫芯€光束；②之后射入直徑5mm以下的園柱鏡做垂直方向的壓縮及水平方向展寬;③之后射入鮑威爾棱鏡變形為分布均勻、具有一定水平發(fā)散角平行發(fā)散片光;④之后射入寬度(與柱面鏡母線相垂直方向的寬度)大于采樣空間寬度的大柱面鏡整形為平行片光之后射入母線水平設(shè)置的底角小于5°的三角棱鏡，出射后的光束為本發(fā)明所使用的均一分布高聚光平行片光光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光檢測(cè)雨量的方法，其特征在于:所述所述的光源功率恒穩(wěn)控制機(jī)制采用 以下方法及步驟進(jìn)行:①在像素?cái)?shù)為η的線陣傳感器中取第1、第η兩個(gè)像素點(diǎn)作為觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)啟動(dòng)激光光源，將其工作電壓及注入電流調(diào)整至工作點(diǎn)，此時(shí)激光器有一定值的光強(qiáng)輸出；③對(duì)①所述的兩個(gè)像素觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)的輸出值進(jìn)行5分鐘間隔的24小時(shí)取值，每個(gè)觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)得到288個(gè)觀測(cè)值，分別計(jì)算各觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)的平均值A(chǔ)l, S3和標(biāo)準(zhǔn)偏差值?2并保存?zhèn)溆?；④在雨量觀測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)行激光輸出功率恒穩(wěn)控制，即當(dāng)兩個(gè)觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)的輸出值Op O2滿足Q5x〖ci+cg-也+jg>(q+4時(shí)，反向調(diào)整工作電壓或注入電流，使其輸出值最接近平均值A(chǔ)p A2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光檢測(cè)雨量的方法，其特征在于:所述的氣象參數(shù)傳感系統(tǒng)臨界啟動(dòng)系統(tǒng)采用以下方法及步驟進(jìn)行:①使用相對(duì)濕度傳感器及氣壓傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量濕度值及氣壓值；②當(dāng)相對(duì)濕度測(cè)量值大于當(dāng)?shù)禺?dāng)月平均值且呈現(xiàn)上升趨勢(shì)時(shí)，同時(shí)氣壓值低于當(dāng)?shù)禺?dāng)月平均氣壓值、且氣壓值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)時(shí)啟動(dòng)光學(xué)雨量計(jì)系統(tǒng)，所述的一定的線陣探測(cè)器掃描方法是線陣探測(cè)器的掃描行頻為一定值，且不低于25KHz。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光檢測(cè)雨量的方法，其特征在于:所述的雨滴體積計(jì)算按如下方法及步驟進(jìn)行:①當(dāng)行掃描頻率為fs時(shí)，某個(gè)雨滴在X、Y兩個(gè)方向分別受到η次掃描，分別測(cè)得兩組數(shù)值X1、Yi,各組的最大值Xmax和Ymax ;②以+ YmJ為降水粒子的等效直徑，從事先測(cè)得的降水粒子等效直徑與雨滴下降末速度的關(guān)系求出每個(gè)雨滴通過采樣空間的末速度值V ;③為雨滴在兩次掃描間隔中下落的距離；@兩次掃描間隔中通過采樣空間的體積為
6.一種激光檢測(cè)雨量的裝置，其特征在于包括:激光光源、平行片光光束發(fā)生系統(tǒng)、二維降水采樣區(qū)域、線陣傳感器以及雨量檢測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與信息反饋系統(tǒng)；信息反饋系統(tǒng)包括濕度/氣象參數(shù)傳感控制自啟動(dòng)裝置、雨量檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定程序和光源功率恒穩(wěn)控制器，雨量檢測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與信息反饋系統(tǒng)包括雨量檢測(cè)數(shù)據(jù)處理、裝置自啟動(dòng)系統(tǒng)、系統(tǒng)標(biāo)定程序以及光源功率恒穩(wěn)控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種激光檢測(cè)雨量的裝置，其特征在于:所述激光光源可以采用一個(gè)激光光源，其發(fā)出的平行的激光線光束經(jīng)過1:1分束鏡后一分為二，分別射入Χ、y兩個(gè)方向上的平行片光光束發(fā)生系統(tǒng)，做為二維檢測(cè)的光源； 或不使用分束鏡，而在兩個(gè)方向上各使用一個(gè)同型號(hào)激光光源，分別射入X、Y兩個(gè)方向上的平行片光光束發(fā)生系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種激光檢測(cè)雨量的裝置，其特征在于:所述激光光源為體積較小的半導(dǎo)體激光器，發(fā)出高斯光束，激光光源采用波長(zhǎng)為350nm-450nm的紫藍(lán)光區(qū)，激光光源功率不低于5mW。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種激光檢測(cè)雨量的裝置，其特征在于:所述平行片光光束發(fā)生系統(tǒng)使用與柱面鏡母線相垂直方向的寬度大于采樣空間寬度的大柱面鏡，柱面鏡與母線垂直方向的寬度IOcm,焦距為10-15cm，母線方向的的寬度為2cm以上；三角棱鏡的寬度為Icm以上，底角角度為5°以下； 所述線陣傳感器為高速線陣傳感器，可用于高速連續(xù)實(shí)時(shí)采集，像元數(shù)大于1024，每個(gè)象元大小在3 μ m— 20 μ m之間，象元形狀為方形。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種激光檢測(cè)雨量的裝置，其特征在于所述雨量檢測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成方法為:包含有高速采集卡、計(jì)算機(jī)以及相關(guān)的算法程序，其中高速采集卡用于接收傳感器收集到的信息的雨量檢測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)； 所述的雨量檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定程序在啟動(dòng)檢測(cè)時(shí)，根據(jù)檢測(cè)裝置所提供的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)物測(cè)得的結(jié)果，自動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量進(jìn)行校正和補(bǔ)償。
【文檔編號(hào)】G01W1/14GK103869385SQ201410130638
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月2日
【發(fā)明者】吳尚謙, 皇甫張棣, 劉愛英, 薛拓 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué)