CN102879835A - 一种激光降水天气现象的测量方法和激光降水天气现象仪 - Google Patents

Abstract

一种激光降水天气现象的测量方法和激光降水天气现象仪，在光源发射端安装了具有双折射特性的方解石晶体，使光源发射端产生的两条精确平行的水平测量光带，当下落降水粒子通过测量光带，对光起到阻挡、衰减的作用，在接收端光电探测器上产生了双峰形状的测量信号，通过测量双峰信号的峰峰间隔和积分值，可以得到降水粒子的下落速度和粒径的信息，实现降水天气现象判断，并可以提供降水强度、雨滴谱等数据。

Description

一种激光降水天气现象的测量方法和激光降水天气现象仪

技术领域

本发明涉及一种激光降水天气现象的测量方法和测量装置，属于气象探测技术领域。

背景技术

降水天气现象是气象观测中的常规项目，该项目的观测对多种学科研究具有重要意义。降水类型的准确判别为气象、水文、农业和资源环境等科学的研究提供了重要的依据，对农业生产、交通运输和防灾减灾等领域有重大的实用价值。

根据国际气象组织对降水天气现象的定义，降水是从云中降落或从大气沉降到地面的液态或固态的水汽凝结物，包括：降雨（毛毛雨、小雨、中雨、大雨、暴雨）、降雪（小雪、大雪）、雨夹雪、霰、冰雹等。

近年来，降水天气现象的自动测量技术发展很快。在光学方法上，主要有光闪烁法、光阻法等测量方法，这些测量方法可以得到各种降水天气现象的信息：如降水类型、粒径谱和降水强度等。

其中，光闪烁法原理是当光束在降水过程中传播时，由于降水粒子的下落运动，在接收平面上形成各个衍射条纹的移动，引起探测器上光强变化，称为光闪烁，通过测量闪烁光强的信息可以计算出降水类型及强度。

光阻法的测量原理主要是利用Bougure定律，其结构原理如图1所示。一般光阻法测量方法是用激光光源产生一个平行光带，当下落的降水粒子通过光带时，对照射到探测器上的光起到阻挡、衰减的作用，探测器把粒子对测量光强的衰减变化转化成电信号，如图2所示。测量电信号变化的强度和持续时间可以计算出降水粒子粒径大小和末速度，粒子数目是统计衰减信号的次数得到的。对获取上述量值进行计算分析可得到降水类型、雨滴谱、降水强度等信息。

现有技术的问题为：（1）在光阻法仪器测量中，要准确测量降水粒子信息，测量光带的厚度应该是均匀的（实际中1mm左右），即标准的平行光带，保证降水粒子落在光带不同位置上的产生的信号具有一致性。通常是通过激光二极管发射的激光通过凸透镜准直后，再通过窄缝形成的平行光带。但是在实际应用中，其平行度的精确度受到透镜精度、安装精度等因素的影响，出射光的平行度易于产生变化，比如：存在发散，宽度慢慢变宽的情况，如图3所示。这种情况下，会给测量带来误差。如图3所示，在位置1、2，相同粒径、速度的降水粒子会有不同的测量结果，即图2中测量脉冲信号的宽度、高度都是不同的，经过计算得到不同的粒径、速度数据；（2）理论上，雨滴的形状是圆形的，但实际中是有形变的，特别是较大尺寸的降水粒子。雨滴发生形变时，一般以f=a/b表示，f称为变形因子，a、b分别称为变形雨滴的长半轴、短半轴，当变形的雨滴以不同的空间位置通过光带时，产生的测量信号的持续时间是不一致的，会影响粒子下落速度测量的准确性。

发明内容

针对上述提出的问题，提出一种激光降水天气现象的测量方法和激光降水天气现象仪，实现对降水天气现象的连续自动观测，能准确测量粒子的下落速度、粒径，并能提供降水强度、雨滴谱等参数。

本发明的技术解决方案之一：一种激光降水天气现象的测量方法，采用双端对射式的测量结构，一端为光源发射端，另一端为信号接收端，光源发射端和信号接收端水平相对；光源发射端产生两束能量相等、相互平行的水平光带，照射到信号接收端，光源发射端和信号接收端之间作为采样区；下落降水粒子在垂直方向上经过所述两束能量相等、相互平行的光带，引起信号接收端光信号的强度变化，通过信号接收端的探测器进行光电转换后，产生双峰形状的测量信号，通过所述测量信号的两个峰峰之间的时间间隔，计算出粒子下落速度；对所述测量信号进行积分，得到粒子粒径的大小；通过对粒子下落速度、粒径和数目信息的分析，判断出降水天气类型；同时能够计算出降水强度和雨滴谱信息。

所述光源通过凸透镜准直后照射到旋光器上，再经过狭缝形成一条平行的光带，最后通过方解石双折射晶体后，得到两束能量相等、相互平行的光带。

所述光源发射端采用二极管激光器作为光源，波长为785nm。

所述光源采用2.4k频率的方波信号进行调制，并采用APC功率控制电路达到恒功率输出。

所述信号接收端采用硅PIN光电探测器，在硅PIN光电探测器前端放置滤光片、凸透镜，凸透镜汇聚发射端发射的光信号，经过滤光片后滤除杂散光，照射到探测器表面，进行光电转化。

本发明技术解决方案之二，一种激光降水天气现象仪，包括：光源发射端、信号接收端、信号调理单元、DSP数字信号处理单元；采用双端对射式的测量结构，一端为光源发射端，另一端为信号接收端，光源发射端和信号接收端水平相对；信号接收端与信号调理单元相连接；在光源发射端，光源发射端产生两束能量相等、相互平行的水平光带，照射到信号接收端；光源发射端和信号接收端之间作为采样区；下落降水粒子在垂直方向上经过所述两束能量相等、相互平行的光带引起信号接收端光信号的变化，通过信号接收端中的探测器进行光电转换后，得到双峰形状的测量信号；所述测量信号通过信号调理单元进行信号调理，调理后的测量信号输入至DSP数字信号处理单元；DSP数字信号处理单元对所述测量信号进行模数转换，并对测量数据进行处理，计算所述测量信号中两个峰峰之间的时间间隔，计算出粒子下落速度；然后对所述测量信号进行积分，得到粒子粒径的大小，并记录粒子的数目；通过相应算法判断出降水类型，计算出降水强度和雨滴谱。

在光源发射端，所述光源通过凸透镜准直后照射到旋光器上，再经过狭缝形成一条平行的光带，最后通过方解石双折射晶体后，得到两束能量相等、相互平行的光带。

在光源发射端还包括光源调制电路；由DSP数字信号处理单元控制光源调制电路产生2.4k的方波信号作为调制信号对光源进行调制，克服测量过程中外界杂散光的影响；同时采用APC控制电路，稳定光源输出功率。

所述光源发射端采用二级管激光器作为光源，其光源波长在785nm波段上。

在光源发射端的光束，先经过接收端的凸透镜后再聚汇到探测器表面，在探测器前安装滤光片，滤除不在光源波段上的杂散光。

在信号接收端的探测器前安装滤光片，滤除不在光源波段上的杂散光。

所述探测器采用硅PIN光电探测器。

所述信号调理单元包括前置放大器、相敏检波器、带通滤波器、二级放大器；探测器将探测到的光信号转换为电信号，通过前置放大器放大后，通过相敏检波器进行相敏检波，完成双峰形状的测量信号的解调；解调后的信号通过带通滤波器滤波、二级放大器放大后输入DSP数字信号处理单元中。

所述通过相应算法判断出降水类型，计算出降水强度和雨滴谱的过程如下：

1）测量信号经过AD转换化后，通过极值算法得到双峰信号的两个峰峰值的采样点序号，得到其间的采样点数n，T是采样周期，其时间差Δt＝n*T，已知两个光带中心的间距是L,可以通过公式计算出粒子的下落速度V；

2）通过DSP数字信号处理单元对测量信号的进行积分，计算信号积分值V_o，计算公式：

其中T是对信号的采样周期，n是测量信号采样点的个数，t是采样点的序列号，τ是积分常数，V_i(t)是采样值；

3）计算降水粒子的粒径D,计算公式D＝KV₀+b，K是斜率，b是截距；

4）记录单位时间内降水粒子的粒径、速度及数目，即得到雨滴谱，采用列表法输出；

5）记录单位时间内降水粒子的粒径、速度及数目，通过查表法，对应各种降水天气现象中降水粒子的粒径、速度划分区间，得到当前降水天气现象类型；

6）在降水强度的测量中，降水粒子可以近似为一个等价球体模型。降雨强度的测量采用在单位时间内采集到的降水粒子信息，通过公式：计算，其中，i是对降水粒子在粒径尺度上划分区段的序列号，I是雨强，n_i是第i个尺度区段上粒子的个数，D_i是第i个尺度区段上粒子的平均直径,M是本发明激光降水天气现象仪的测量面积，即测量光带的面积。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明通过光源发射端发射双光带的设计，克服单光带测量方式中由于光路上测量光带不平行带来的误差。

在单光带测量方式中,降水粒子下落的速度V采用公式（1）：

V＝(D+H)/S                        （1）

其中，H是光带的厚度，S是单峰信号持续的时间，D是降水粒子的粒径。如图2所示，通常采用信号峰值计算降水粒子的粒径D的数值。由于光带的发散，如图3所示，光带厚度H在光带前后端的变化，信号峰值也产生了误差，影响了粒径D的测量结果；波形的持续时间S发生了变化，根据公式（1），速度V的测量结果也发生了变化。

在本发明的测量方式中，粒径D是通过测量信号的积分值得到，可以忽略以上影响。因为测量信号是降水粒子在垂直方向上切割光带引起的，同样大小的降水粒子在垂直方向上下落经过测量光带，阻挡光带引起的能量上的变化是一致的，而接收端是对发射端发射的光信号是全接收的，信号的积分值只受到粒径大小的影响。所以通过测量信号的积分值计算粒子的粒径，可以忽略光带发散引起的误差。

本发明中，速度的计算采用公式（2），

$V=\frac{L}{\mathrm{\Δt}}---\left(2\right)$

其中，L是双光带的中心间距，Δt是测量信号峰峰间的时间、即粒子在L距离上的运动时间,如图8所示，不受光带厚度H的影响。只要保持双光带之间的平行性，就能准确测量粒子的下落速度。

（2）本发明的光源发射端的设计中，利用方解石晶体双折射特性，通过一束光带形成两束平行的光带。由于保证了两条光带的平行度，也就保证了粒子通过速度测量的准确性。

（3）在下落的速度测量中，用单光带方式测量方法中，由于雨滴可能存在不规则性，下落时可能是长轴方向水平下落，也可能是短轴方向水平下落，这样也会引起速度上测量误差；采用本发明的测量方法，如公式2所示，与粒子的粒径、形状无关，只测量双峰最高峰值点的时差，可以忽略降水粒子形状带来的影响。

附图说明

图1现有的光阻法降水天气现象仪的测量原理；

图2现有的单光带方式的测量信号；

图3现有的单光带方式中不平行的测量光带；

图4本发明结构系统框图；

图5本发明光源发射单元系统示意图；

图6本发明接收单元系统示意图；

图7本发明的测量原理；

图8本发明中双光带方式的测量信号；

图9降水天气现象类型判别区间划分表；

图10本发明中测量信号的积分值与标准粒子粒径的拟合曲线。

具体实施方式

如图4所示，本发明一种光学降水天气现象仪由光源发射端、信号接收端、信号调理单元、DSP数字信号处理单元组成。一端为光源发射端，另一端为信号接收端，光源发射端和信号接收端水平相对；光源发射端产生两束能量相等、相互平行的水平光带，照射到信号接收端，光源发射端和信号接收端之间作为采样区。

在光源发射端，如图5所示，采用二级管激光器9作为光源，其光源波长在785nm波段上，光源出射光经过凸透镜8准直，通过旋光器7，旋光器7的调节可以改变出射激光的偏振方向，以满足方解石双折射晶体5对偏振方向的要求；在旋光器后放置单狭缝6，使光束变成一束的扁平光带，这一束光带经过方解石晶体5后，由于双折射现象，形成两束平行的光带3、4。

在光源调制电路中，通过DSP数字信号处理单元控制其产生2.4k的方波信号作为调制信号对光源进行调制，克服测量过程中外界杂散光的影响，并采用APC控制电路，稳定激光输出功率。

信号接收端与光源发射端呈对射安装，结构如图6所示，光源发射端出射的光束3、4，经过信号接收端的凸透镜12汇聚到探测器10表面，在探测器前安装滤光片11，滤除不在光源波段上的杂散光。

信号调理单元由前置放大、相敏检波、信号滤波、二级放大等模块组成。探测器采用硅PIN光电探测器，在光源的频段上有较高的灵敏度。探测器将探测到的光信号转换为电信号，通过前置放大器放大后，采用开关式相敏检波器完成信号的解调。在实际测量中，有的降水天气现象中粒子粒径很小，比如：毛毛雨，其雨滴直径只0.2mm，对这类小粒子探测到的信号非常微弱，会淹没在背景噪声中。因此，在本发明中，利用同步检测技术提高信噪比，采用开关式相敏检波器作为测量光信号的锁定放大电路的核心部件，完成信号的鉴幅鉴相，确保能提取小降水颗粒的微弱信号。解调后的信号经过带通滤波器滤波、二级放大器放大后，使其幅值适合于模数转换器的输入，送入数字处理系统中。

DSP数字处理单元采用DSPTMS320F28335作为中央处理单元，对测量信号进行高速AD转换，并对测量数据进行处理。当降水粒子下落有测量信号产生时，在AD采样电路前端的过零检测电路控制AD转化程序启动，将转化的数字信号顺序存储在内存区进行处理：测量双峰信号峰峰的时间差，计算粒子下落速度；计算信号的积分值，得到粒子的粒径；并记录粒子个数。通过相应算法判断出降水类型、计算降雨强度、雨滴谱，结果由通讯串口输出。

本发明中，当降水粒子下落，从两个光带中先后穿过，对光起到了阻挡作用，如图7所示，使探测器探测到的光信号发生变化，经过调理电路的处理，形成了测量信号，如图8所示。可以看到，由于降水粒子穿过了两个光带，最后形成了双峰形状的测量信号。通过在AD采样电路的前端的过零检测电路可以检测到测量信号的产生，控制AD转化程序启动。AD转化后的数字信号顺序存储在内存中，通过测量双峰信号的峰峰间隔，可以得到粒子下落的速度；对双峰信号进行积分，可以计算出粒子的粒径大小。上述数据的处理，都在DSP数字信号处理单元中完成。

DSP数字信号处理单元对测量信号的进行积分，计算降水粒子的粒径，原理如公式（3），其中T是对信号的采样周期，n是采样的点的个数，t是采样点的序列号，τ是积分常数，V_i(t)是采样值，V_o是积分值。在程序中可以用数值的相加和相乘实现信号的积分运算，得到测量信号的积分值。

$V_o=\frac{1}{\mathrm{\τ}}\underset{t=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i\left(t\right)T---\left(3\right)$

计算得到的信号积分与粒子的粒径尺寸可以用公式（4）表示，

D＝KV₀+b                            （4）

其中，D是粒子的粒径，V₀是测量出的积分值，K、b分别是方程的斜率和截距。通过选取不同标准尺寸的粒子，分别测量出该粒子的下落时信号的积分值，采取最小二乘法拟合可以求出参数K、b的值。如图10所示，在实验室中通过测量一组已知标准尺寸的粒子下落时信号的积分值，通过最小二乘法拟合得到的方程系数K、b，相关性到达99.9%，图中纵坐标是标准粒子的尺寸，横坐标是测量信号的积分值。计算降水粒子的下落速度，测量信号经过AD转化后，按数组方式顺序存储在内存中，通过求极值算法得到双峰信号的两个峰值的序号，得到两点之间的采样点数n，通过公式（5）计算出双峰的两个峰峰值的时间差Δt,其中n是之间的采样点数，T是采样周期：

Δt＝n*T                            （5）

已知两个光带中心的间距是L,计算出粒子的下落速度V，通过公式（2），计算出速度V的值。从该公式（2）可以看出，本发明中速度的计算与粒径的大小无关，这样可以忽略由于降水粒子尺寸不规则引起的测量误差。

在测量过程中，DSP数字信号处理单元在内存中记录下单位时间内测量到的降水粒子的粒径、速度、数目，通过查表法（为本领域公知技术，有书籍报导）判断出当前的降水天气现象类型。图9是各种降水天气现象下对应的降水粒子粒径、下落速度的区间划分表。在不同的降水天气现象中，降水粒子的下落速度、粒径范围区间都是不同的，有各自的特征区间。依据这些不同的特征区间划分，查询当前测量到的多数降水粒子下落速度、粒径所在的区间，可以判断出当前对应的降水天气现象。如图9所示，横坐标是粒子粒径，纵坐标是粒子下落速度，降水粒子特征区间落在A区间时表示为毛毛雨；B区间表示下雪；C区间表示雨夹雪混合天气；D区间表示降雨降水；E区间表示霰；F区间表示雹。

在降水强度的测量中，降水粒子可以近似为一个等价球体模型。降雨强度的测量采用在单位时间内采集到的降水粒子信息通过公式（6）得到：

$I=\frac{\mathrm{\Σ}\frac{\mathrm{\π}}{6}{D}_i^3{n}_i}{M}---\left(6\right)$

其中，i是对降水粒子在粒径尺度上划分区段的序列号，I是雨强，n_i是第i个尺度区段上粒子的个数，D_i是第i个尺度区段上粒子的平均直径,M是本发明激光降水天气现象仪的测量面积，即测量光带的面积。本发明中，把粒子尺度从0.1mm-20mm的范围上分为22个区段，计算降水强度时，在单位时间内DSP数字信号处理单元把每个区段内测量到的粒子个数乘以该区段上粒子的平均体积，再在全区段上进行累加，得到了单位时间上降水的总体积，最后除以测量面积，即得到降水强度。

计算出的结果，通过RS232通讯端口上传到上位机。

Claims (15)

1.一种激光降水天气现象的测量方法，其特征在于：采用双端对射式的测量结构，一端为光源发射端，另一端为信号接收端，光源发射端和信号接收端水平相对；光源发射端产生两束能量相等、相互平行的水平光带，照射到信号接收端，光源发射端和信号接收端之间作为采样区；下落降水粒子在垂直方向上经过所述两束能量相等、相互平行的光带，引起信号接收端上光信号强度的变化，通过信号接收端的探测器进行光电转换后，产生双峰形状的测量信号，通过所述测量信号的两个峰峰之间的时间间隔，计算出粒子下落速度；对所述测量信号进行积分，得到粒子粒径的大小；通过对粒子下落速度、粒径和数目信息的分析，判断出降水天气类型；同时能够计算出降水强度和雨滴谱信息。

2.根据权利要求1所述的激光降水天气现象的测量方法，其特征在于：所述光源通过凸透镜准直后照射到旋光器上，再经过狭缝形成一条平行的光带，最后通过方解石双折射晶体后，得到两束能量相等、相互平行的光带。

3.根据权利要求1或2所述的激光降水天气现象的测量方法，其特征在于：所述光源发射端采用二极管激光器作为光源，波长为785nm。

4.根据权利要求1所述的激光降水天气现象的测量方法，其特征在于：所述光源采用2.4k频率的方波信号进行调制，并采用APC功率控制电路达到恒功率输出。

5.根据权利要求1所述的激光降水天气现象的测量方法，其特征在于：所述信号接收端采用硅PIN光电探测器，在硅PIN光电探测器前端放置滤光片、凸透镜，凸透镜汇聚发射端发射的光信号，经过滤光片后滤除杂散光，照射到探测器表面，进行光电转化。

6.一种激光降水天气现象仪，其特征在于包括：光源发射端、信号接收端、信号调理单元、DSP数字信号处理单元；采用双端对射式的测量结构，一端为光源发射端，另一端为信号接收端，光源发射端和信号接收端水平相对；信号接收端与信号调理单元相连接；在光源发射端，光源发射端产生两束能量相等、相互平行的水平光带，照射到信号接收端；光源发射端和信号接收端之间作为采样区；下落降水粒子在垂直方向上经过所述两束能量相等、相互平行的光带引起信号接收端上光信号强度的变化，通过信号接收端中的探测器进行光电转换后，得到双峰形状的测量信号；所述测量信号通过信号调理单元进行信号调理，调理后的测量信号输入至DSP数字信号处理单元；DSP数字信号处理单元对所述测量信号进行模数转换，并对测量数据进行处理，计算所述测量信号中两个峰峰之间的时间间隔，计算出粒子下落速度；然后对所述测量信号进行积分，得到粒子粒径的大小，并记录粒子的数目；通过相应算法判断出降水类型，计算出降水强度和雨滴谱。

7.根据权利要求6所述的激光降水天气现象仪，其特征在于：在光源发射端，所述光源通过凸透镜准直后照射到旋光器上，再经过狭缝形成一条平行的光带，最后通过方解石双折射晶体后，得到两束能量相等、相互平行的光带。

8.根据权利要求6所述的激光降水天气现象仪，其特征在于：在光源发射端还包括光源调制电路；由DSP数字信号处理单元控制光源调制电路产生2.4k的方波信号作为调制信号对光源进行调制，克服测量过程中外界杂散光的影响；同时采用APC控制电路，稳定光源输出功率。

9.根据权利要求6所述的激光降水天气现象仪，其特征在于：所述光源发射端采用二级管激光器作为光源，其光源波长在785nm波段上。

10.根据权利要求1所述的激光降水天气现象仪，其特征在于：光源发射端的光束，先经过接收端的凸透镜后再汇聚到探测器表面，在探测器前安装滤光片，滤除不在光源波段上的杂散光。

11.根据权利要求1所述的激光降水天气现象仪，其特征在于：在信号接收端的探测器前安装滤光片，滤除不在光源波段上的杂散光。

12.根据权利要求1所述的激光降水天气现象仪，其特征在于：所述信号调理单元包括前置放大器、相敏检波器、带通滤波器、二级放大器；探测器将探测到的光信号转换为电信号，通过前置放大器放大后，通过相敏检波器进行相敏检波，完成双峰形状的测量信号的解调；解调后的信号通过带通滤波器滤波、二级放大器放大后输入DSP数字信号处理单元中。

13.根据权利要求6所述的激光降水天气现象仪，其特征在于：所述通过相应算法判断出降水类型，计算出降水强度和雨滴谱的过程如下：

（1）测量信号经过AD转换化后，通过极值算法得到双峰信号的两个峰峰值的采样点序号，得到其间的采样点数n，T是采样周期，其时间差Δt＝n*T，已知两个光带中心的间距是L,通过公式

计算出粒子的下落速度V；

（2）通过DSP数字信号处理单元对测量信号的进行积分，计算信号积分值V_o，计算公式：

其中T是对信号的采样周期，n是测量信号采样点的个数，t是采样点的序列号，τ是积分常数，V_i(t)是采样值；

（3）计算降水粒子的粒径D,计算公式：D＝KV₀+b，K是斜率，b是截距；

（4）记录单位时间内降水粒子的粒径、速度及数目，即得到雨滴谱，采用列表法输出；

（5）记录单位时间内降水粒子的粒径、速度及数目，通过查表法对应各种降水天气现象中粒子的粒径、速度划分区间，得到当前的降水天气现象类型；

（6）在降水强度的测量中，降水粒子近似为一个等价球体模型，降雨强度的测量采用在单位时间内采集到的降水粒子信息，通过公式：

计算，其中，i是对降水粒子在粒径尺度上划分区段的序列号，I是雨强，n_i是第i个尺度区段上粒子的个数，D_i是第i个尺度区段上粒子的平均直径,M是本发明激光降水天气现象仪的测量面积，即测量光带的面积。

14.根据权利要求6所述的激光降水天气现象仪，其特征在于：所述探测器采用硅PIN光电探测器。

15.根据权利要求6所述的激光降水天气现象仪，其特征在于：所述光源采用二级管激光器，光源波长在785nm波段上。

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