CN100585433C - 被动式冲量法测量降水目标运动方向的方法及其测量装置 - Google Patents

Abstract

被动式冲量法测量降水目标运动方向的方法及其测量装置，涉及一种在气象领域对降水等目标运动方向进行精确测量的技术和方法。当降水粒子(雨滴、雪粒、冰粒、冰雹)下降过程中撞击探测面互成夹角d的两个传感器时，通过对垂直于两个传感器探测面正向冲量F_Z1和F_Z2(可转化为声音或压力)的测量与比较，计算出降水粒子运动方向与两个传感器平面的垂直角度关系(a₁，a₂)，从而可通过组建一个测量阵列，满足降水等目标任意运动方向其角度的测量。该方法主要应用于气象领域对降水等目标小范围运动方向(角度)进行精确测量的场合。

Description

被动式冲量法测量降水目标运动方向的方法及其测量装置

技术领域

本发明涉及一种在气象领域对降水等目标运动方向(角度)进行精确测量的技术和方法。

背景技术

在气象领域为了对气象目标(降雨、降雪、冰雹等)运动方向进行探测，目前一般使用气象雷达特别是多普勒天气雷达来测量(也有用风廓线雷达或声雷达来感知的)。多普勒天气雷达通过发射高稳定度的电磁波，测量回波频率的变化，应用多普勒效应估算出每一个距离单元(取样体积)中降水粒子群相对雷达的平均径向速度。

由于受以下几点测量体制和技术的限制，多普勒天气雷达也无法精确测量小范围内目标的运动特性，特别是无法测量当降水等目标快到地面时的运动方向(角度)。

1、多普勒天气雷达测量的是体目标中粒子对于雷达的径向(发射电磁波方向)运动速度的平均量，用单部多普勒天气雷达探测三维流场是有困难的，不得不做若干假定后，推测流场分布。多部多普勒天气雷达从理论上可克服上述缺点，但是在处理探测资料上很复杂，技术上也不成熟，目前主要用于少数实验和研究工作中。

2、测量精度受雷达脉冲宽度和雷达天线波束宽度等因素的影响。1μs的脉冲宽度距离单元最小只能达到150m(实际工作时为了满足精度要求，还要信号处理系统做距离积分，距离库最小也要600m)，X波段2.5m的天线波束宽度约1°，因此对于小范围降水测量而言精度不高，无法对小范围降水雨滴的运动方向进行定量测量。

3、由于受地球曲率的影响，雷达探测存在探测盲区，无法对远处接近地面的目标进行探测。而且，接近地面的降水受地面风的影响很大，不同降水量的目标受风的影响又不一致，因此无法用风向来代替降水运动的方向。

另外，风廓线雷达或声雷达的探测原理还是雷达探测原理，即发射无线电波或声信号，接收反射回来的信号进行处理、分析。对云雨目标虽能感知，但探测精度更差，无法克服雷达技术固有的上述缺陷。

所以就目前技术和方法而言，还无法做到对小范围特别是超低空(接近地面)降水等目标进行其运动特性的有效探测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种被动式冲量法测量降水目标运动方向的方法及其测量装置，以解决对小范围、接近地面的超低空降水等目标运动方向的精确测量与实时测量问题。

按照本发明提供的技术方案，被动式冲量法测量降水目标运动方向的方法包括：将至少两个冲量传感器组合在一起，并使每个冲量传感器的探测面互成一定的夹角，组建一个测量阵列；每个冲量传感器包括一个探测面及一个封闭的空间，探测面形成于构成封闭空间的一个平面上，在封闭的空间内设置传感装置；当降水粒子下降过程中撞击冲量传感器的探测面时，由每个传感装置测量垂直于探测面的正向冲量，并分别输送至由单片机或微机构成的测量系统；由测量系统比较每个传感装置的测量值，计算出降水粒子的运动方向与探测面的角度关系，以此确定降水粒子的运动方向。

所述降水粒子为雨滴或雪粒或冰粒或冰雹。

上述方法所用的设备包括：至少两个组合在一起的冲量传感器，每个冲量传感器的探测面互成一定的夹角；每个冲量传感器包括一个探测面及一个封闭的空间，并且，探测面形成于构成封闭空间的一个平面上，在封闭的空间内设置传感装置。

冲量传感器接受冲击的探测面所用的材料为防水并有利发声的材料；冲量传感器的其它面所用的材料为防水与隔音的材料，并在其它面的内壁设置吸音材料。传感装置为声音传感器，用于检测降水粒子撞击探测面的撞击声。传感装置为压力传感器，用于检测降水粒子撞击探测面的正向压力。

冲量传感器如图1所示，将两个冲量传感器的探测面构成一定的夹角(如图2)，通过测量降水粒子下降过程中撞击两个传感器探测面上的正向冲量(垂直于探测面)，计算出降水粒子运动方向与两个传感器探测平面的垂直夹角。若分别设置两组这样的传感器，一组为方位轴，另外一组为俯仰轴，组成一个探测阵列，则通过测量与计算可得到降水等目标运动的方位角与俯仰角。

由于该测量方法本身对被测物没发出任何信号，只是通过被测物的冲击来测量角度的，因此可称为“被动式冲量法测量降水目标运动方向的方法”。

本发明的有益效果是，解决了气象领域一个复杂的角度测量问题，能够实时、精确测量降水等气象目标到达地面前的运动方向。在气象观测中雨量、雨强测量的准确与否直接会影响到国民经济生活各个方面，目前主要通过雨量(雨强)计来观测。然而，雨量(雨强)计的观测精度受降水方向的影响很大，本发明通过对降水方向的有效测量，可以较好地修正这方面的误差，让雨量、雨强的测量更准确。

附图说明

图1：降水粒子R以矢量冲击冲量传感器探测面的示意图。

分解成

三个正交的分量：

为与探测表面平行的两个正交分量，

为与探测表面垂直的分量。a为降水粒子R的运动轨迹与探测平面的垂直夹角。

图2：冲量传感器测量降水粒子入射角的原理示意图。

相互平行的降水粒子R以冲量

冲击两个“冲量传感器”，两个“冲量传感器”的探测平面互成夹角d。

图3：图2的矢量分析等效图。

g为两个探测平面夹角的中轴线与参考面的夹角，α为降水粒子R的运动轨迹与参考面的等效夹角。

图4：冲量传感器阵列俯视示意图(8×2方案)。分上下两层：下层冲量传感器编号从1-1到1-8，上层“冲量传感器”编号从2-1到2-8。

图5：冲量传感器阵列侧视示意图。(图4的侧视图)。

图6：冲量传感器阵列中对角线上传感器的示意图(以2-7与2-3等为例)。

图7：用声音法测量正向冲量的冲量传感器示意图。

图8：用正向压力法测量正向冲量的“冲量传感器”示意图。

具体实施方式

下面先描述计算公式的推导过程：

如图1，当降水粒子R以一定速度冲向一物体表面时，它的冲量可以用矢量

表示，它可以分解成与物体表面平行的两个正交分量：

与

以及与物体表面垂直的分量

由于

与物体表面平行，所以不会对物体表面产生冲击，产生冲击的只有垂直的分量

${\stackrel{\→}{F}}_Z=\stackrel{\→}{F}\×\sin a$ (a：降水粒子与接触平面的垂直夹角)

当用两个这样的传感器构成一组，让其探测表面成一定的夹角d(如图2)，对于小范围内的降水可以认为降水粒子相互间是平行的，假定两个平行的降水粒子以相同的冲量

冲击这两个平面时，降水粒子对两个面产生的正向冲量分别为：

其测量值用电压来表示分别为v₁i、v₂i。

图3为图2的矢量分析等效图。分析相互间的关系，可以得到以下方程组：

${\stackrel{\→}{F}}_{Z1}=\stackrel{\→}{F}\×\sin a1=v1i$ (式1)

${\stackrel{\→}{F}}_{Z2}=\stackrel{\→}{F}\×\sin a2=v2i$ (式2)

a1+a2＝d    (式3)

解上述方程组可得：

$a1=f(\mathrm{vi}1,\mathrm{vi}2)=\mathrm{arctg}\frac{k_v\×\sin d}{1+k_v\×\cos d}$ (式4)

$a2=f(\mathrm{vi}1,\mathrm{vi}2)=\mathrm{arctg}\frac{\sin d}{k_v+\cos d}$ (式5)

其中： $k_v=\frac{v1i}{v2i}$

在实际测量过程中，降水粒子肯定是有大有小、有疏有密，为了提高探测精度可测量冲击的平均功率，则式1、式2改成：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\→}{F}}_{Z1i}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}C\·{\stackrel{\→}{F}}_i\·\stackrel{2}{\sin a1}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}v1i$ (式1-1)

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\→}{F}}_{Z2i}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}C\·{\stackrel{\→}{F}}_i\·\stackrel{2}{\sin a2}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}v2i$ (式2-1)

其中C为常数，通过式3同样可解得：

$a1=f(\mathrm{vi}1,\mathrm{vi}2)=\mathrm{arctg}\frac{k_p\×\sin d}{1+k_p\×\cos d}$ (式4-1)

$a2=f(\mathrm{vi}1,\mathrm{vi}2)=\mathrm{arctg}\frac{\sin d}{k_p+\cos d}$ (式5-1)

其中： $k_p=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}v1i/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}v2i}$

由a1、a2的解(式4)、(式5)及(式4-1)、(式5-1)可以看出，当d≠0°和180°时，方程解有意义。即：只要两个探测平面的夹角不为0°和180°时，可通过测量不同探测平面上降水粒子的垂直冲量，来测量其运动轨迹与探测面的垂直夹角(即相对于平面的入射角)。由(式3)可看出测量的范围受两个测量面夹角d的限制，合理选取夹角d值，有利于提高测量精度。

当两个探测面的相对位置对于参考面(比如水平地面)固定时，如图3所示：两个探测面夹角的中轴线与参考面夹角为g，则可推导出降水粒子与参考面的入射角α为：

$\mathrm{\α}=g-\frac{d}{2}+a1=g+\frac{d}{2}-a2$ (式-6)

当参考面为水平地面时，可测量降水等气象目标的俯仰角；当参考面垂直于水平地面时，可测量降水等气象目标的方位角。

为了测量降水等气象目标全方位的方位角与俯仰角，要在两个轴线上分别设置互成一定探测夹角的“冲量传感器”。为了提高测量精度，可适当增加传感器的数量，如图4所示为测量阵列的俯视图，图5为测量阵列的侧视图(以8×2方案为例)。

图4显示的是8×2方案：兼顾到俯仰角的测量及方位角本身的测量精度要求，方位角传感器分两层布置，每层各8个，下层从1-1到1-8；上层从2-1到2-8。每一层上8个传感器都满足任何方位角的测量要求，分两层主要是为了适应不同仰角降水条件下方位角测量精度的要求，同时又构成俯仰角的测量阵列。

图6为阵列中对角线上传感器的相对位置示意图(以2-7与2-3等为例)，这种布置可以保证不同的方位上均有四个传感器用于俯仰角的测量，因此，完全可以满足在不同方位角降水条件下任何俯仰角的测量要求。

当然，只要满足上述测量原理，针对不同的测量精度要求可在上述方案基础上适当增加或减少传感器的数量。

具体测量时先寻找输出信号相对最大的传感器，分别与它相邻的方位轴与俯仰轴传感器进行比较和计算。比如，当巡检后发现传感器2-7输出最大，那么可以比较2-7与2-6以及2-7与2-8来测量方位角；同时可以比较2-7与1-7以及2-7与2-3来测量俯仰角。

根据上述的测量方法，需要把探测面上的垂直冲量转化为可测量的电信号，应合理设计“冲量传感器”：当探测面采用易于发声的材料时，探测面在降水粒子以矢量

的冲击下必然会产生声音，声音的大小与垂直分量

的大小对应。所以，通过测量声音就相当于测量

图7为被动式声音传感器的示意图：该声音传感器接受冲击的声音探测面11应选取防水并有利发声的材料；声音传感器的侧面13不仅也要防水，而且更主要的还要隔音，以防降水粒子冲击到侧面发出声音来干扰正面的检测，侧面13的内壁及底部内壁均设置吸音材料，这样有利于减少测量误差。传感器内部设置一个声音传感器12：拾音器(MIC)，对声音探测面11的撞击声进行检测，图中15为安装声音传感器12的支架，14为封闭的空间。

图8为被动式压力传感器的示意图：压力传感器16用于检测压力探测面18上的正向压力。图中的17为压力传导杆，用于将压力探测面上的压力传导至压力传感器16上。当然该方案与图7所示的“被动式声音法”相比在结构上相对较复杂，但从测量原理上看也是可以实现的。

综合以上几个方面，具体实施时首选“被动式声音法”来测量，用上述测量阵列的布置方案(8×2方案)，通过单片机或微机测量系统可较好地完成测量任务。

具体测量步骤和过程如下，参见图4、5、6，

1、用A/D转换器巡回检测传感装置1-1～1-8以及2-1～2-8的输出信号，做数字滤波后分别存入R1.1～R1.8以及R2.1～R2.8等16个存储器中；

2、对R1.1～R1.8以及R2.1～R2.8等16个存储器中的数据进行比较，选取相对最大者。比如编号为m-n传感装置的输出信号Rm.n为最大。(在8×2方案中，m＝1～2；n＝1～8，n的“模数”为8)；

3、俯仰角的计算：

a、当m最小时(在8×2方案中m＝1)，选取Rm.n与Rm+1.n进行比较计算；

b、当m最大时(在8×2方案中m＝2)，选取Rm.n与Rm-1.n和Rm.n与Rm.p进行比较计算，p＝n+0.5×模数(去模后的值)，比如：n＝7，p＝7+0.5×8＝11，去模后p＝3；

比较了两组平面，可得到两组数据，取平均值；

c、对于不是8×2方案(m≥3)，当m不是最大和最小时，选取Rm.n与Rm-1.n和Rm.n与Rm+1.n进行比较计算；同样比较了两组平面，可得到两组数据，取平均值；

4、方位角的计算：(q为n的模值，8×2方案中为q＝8)；

a、当n＝1时，比较Rm.1与Rm.2以及Rm.1与Rm.q；

b、当n＝q时，比较Rm.n与Rm.1以及Rm.n与Rm.n-1；

c、当n≠1和q时，比较Rm.n与Rm.n+1以及Rm.n与Rm.n-1；

以上均比较了两组平面，可得到两组数据，取平均值即可计算出目标方位角与传感装置m-n探测面的入射角a1(参照图3)，对于固定的阵列而言，每个传感器探测面的方位角(含俯仰角)的参数都是已知的，计算出a1后目标与每个探测面的角度关系也因此而明确。目标的真实方位角只需将m-n传感器探测面的方位角减去a1即可。

5、将测量好的方位角和俯仰角显示或传输。

Claims (7)

1、被动式冲量法测量降水目标运动方向的方法，其特征是：将至少两个冲量传感器组合在一起，并使每个冲量传感器的探测面互成一定的夹角，组建一个测量阵列；每个冲量传感器包括一个探测面及一个封闭的空间，探测面形成于构成封闭空间的一个平面上，在封闭的空间内设置传感装置；当降水粒子下降过程中撞击冲量传感器的探测面时，由每个传感装置测量垂直于探测面的正向冲量，并分别输送至由单片机或微机构成的测量系统；由测量系统比较每个传感装置的测量值，计算出降水粒子的运动方向与探测面的角度关系，以此确定降水粒子的运动方向。

2、如权利要求1所述的方法，其特征是：降水粒子为雨滴或雪粒或冰粒或冰雹。

3、如权利要求1所述的方法，其特征是：在一个测量阵列中包含两组冲量传感器，其中一组为方位轴，另外一组为俯仰轴，通过上述测量与计算后，得到降水粒子运动的方位角与俯仰角。

4、一种应用权利要求1所述方法时所用的测量装置，其特征是：有至少两个组合在一起的冲量传感器，每个冲量传感器的探测面互成一定的夹角；每个冲量传感器包括一个探测面及一个封闭的空间，并且，探测面形成于构成封闭空间的一个平面上，在封闭的空间内设置传感装置。

5、如权利要求4所述的测量装置，其特征是：冲量传感器接受冲击的探测面所用的材料为防水并有利发声的材料；冲量传感器的其它面所用的材料为防水与隔音的材料，并在其它面的内壁设置吸音材料。

6、如权利要求4所述的测量装置，其特征是：传感装置为声音传感器，用于检测降水粒子撞击探测面的撞击声。

7、如权利要求4所述的测量装置，其特征是：传感装置为压力传感器，用于检测降水粒子撞击探测面的正向压力。

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