CN103809224B - 光学降水测量仪器中的杂散光干扰联合抑制装置 - Google Patents

Abstract

光学降水测量仪器中的杂散光干扰联合抑制装置，其特征是包括光发射器和光接收器，在光发射器和光接收器光路上加装遮光罩或光发射器和光接收器上方均加装遮光罩；根据光接收器的张角范围，将遮光罩设计为环形结构或不对称结构，其中发射器遮光罩大于接收器遮光罩，发射器遮光罩为环形结构；光接收器位置遮光罩的大小取决于接收角的范围，保证遮光罩覆盖接收器的接收角范围；遮光罩的纵截面为圆锥曲线或半卵形。2、根据权利要求1所述的光学降水测量仪器中的杂散光干扰联合抑制装置，其特征是对于不对称结构遮光罩则罩上半部长度长于下半部。本发明有效消除外界背景杂散光随机变化对光学器件的干扰和影响，保证仪器的准确采样和测量。

Description

光学降水测量仪器中的杂散光干扰联合抑制装置

技术领域

本发明涉及气象自动化测量技术领域内的一种光学气象观测仪器的部件，尤其是光学降水测量仪器的重要部件。

背景技术

根据大气物理和大气探测领域的技术要求，对降水的观测内容主要有降水量、降水强度、降水类型、降水时数等宏观量和降水粒子大小、形状、速度、相态、谱分布等微观量。宏观量的测量仪器主要有雨量筒和雨量计等，微观量的测量仪器主要有撞击式雨滴谱仪、光学式雨滴谱仪等。

雨量筒、翻斗式雨量计、虹吸式雨量计、称重式雨量计等通过将雨水汇集到容器可以测量降雨量和降雨强度，但是承水口易被树叶、沙子等杂物堵塞，而且其精度易受风的影响；光学雨量计通过测量降水粒子对光束的散射、闪烁等特征可以测量降水强度，但是对累积降水量的测量误差较大；撞击式雨滴谱仪利用感知撞击到敏感探头上的雨滴动能可以测量雨滴的大小及其谱分布，但是无法测量雨滴的形状和速度，无法测量固态降水，而且易受环境噪声的影响；光学式雨滴谱仪采用平行光束为采样空间，光电管阵列为接收传感器，光电管阵列自动记录穿越采样空间的降水粒子的宽度和穿越时间，据此测量降水粒子的尺度、速度及其谱分布，是目前国内外应用最为广泛的雨滴谱测量仪器。

光学式降水传感器的平行光源、光电管阵列或CCD传感器接收光路并非理想的绝对平行，而是存在一定的发散角，发散角之内的背景光照会被光电管阵列或CCD传感器所接收，导致原有的光学特性改变。该类仪器在野外自然条件下长期工作时，自然光照存在随机变化，尤其是晴天下太阳光强比较强，所形成的的背景杂散光变化会对降水粒子采样有较大影响，导致一定误差，严重时导致仪器无法正常工作。因此需要提高对平行光源和接收光路的技术指标和相应工艺，将背景杂散光干扰抑制到最小水平，保证对降水粒子的准确采样和测量。

发明内容

本发明的目的是：提出一种光学降水测量仪器中的杂散光干扰联合抑制装置，用于消除外界自然光随机变化对光学器件的干扰和影响，实现对降水粒子的准确测量。

本发明的技术方案为：光学降水测量仪器中的杂散光干扰联合抑制装置，包括光发射器和光接收器，在光发射器和光接收器光路上加装遮光罩或光发射器和光接收器上方均加装遮光罩；

进一步，根据光接收器的张角范围，将遮光罩设计为环形结构或不对称结构，其中发射器遮光罩大于接收器遮光罩，发射器遮光罩为环形结构；光接收器位置的遮光罩的大小取决于接收角的范围，保证遮光罩覆盖接收器的接收角范围；遮光罩的纵截面为圆锥曲线（抛物线、椭圆、圆）或半卵形；对于不对称结构遮光罩则罩上半部长度长于下半部；

遮光罩内壁均由消光材料涂黑，防止外界杂散光和反射光进入接收端。光接收器的接收镜头后端设置一固定大小的光束限制窗，只允许这一空间之内的光束穿过，屏蔽其他位置来源的杂散光。光接收器的集束透镜之前设置一窄带滤光片，屏蔽其他波段的杂散光。在光接收器内，将CCD图像传感器放置于集束透镜的焦点之后，在集束透镜焦点和CCD中间设置一光阑，限制其他角度来源的杂散光。通过四种方法与装置的联合作用，有效消除背景杂散光随机变化的影响，保证光学降水测量仪器在野外自然条件下长期可靠工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明所提出的光学降水测量仪器中的杂散光干扰联合抑制装置以及密闭箱体的设计，不仅可以有效消除外界自然光随机变化对光学器件的干扰和影响，尤其是罩体设计极为重要，本发明罩体可大大减低天空杂散光背景对测量的影响，使信噪比明显提高，噪声背景可以降低近一个dB，保证光学降水测量仪器对降水粒子的准确采样和测量，而且装置的体积并不增加多少、加工工艺要求不高，硬件成本较低，便于实现和推广应用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

发射器密闭箱体1、点光源2、扩束透镜3、扩束透镜4、发射器窗口5、发射器遮光罩6、接收器遮光罩7、接收器窗口8、光束限制窗9、窄带滤光片10、集束透镜11、光阑12、CCD图像传感器13、接收器密闭箱体14。

具体实施方式

设有光发射器密闭箱体和光接收器密闭箱体，光发射器密闭箱体内设有点光源、扩束透镜、保护窗，光接收器密闭箱体设有保护窗、滤光片、光束限制窗、集束透镜、光阑和CCD图像传感器。保护窗采用高透明度玻璃（光学玻璃）制造，并镀增透膜，保证光强最低程度的损耗。点光源形成的光束经过扩束透镜的扩束后形成平行光束，经保护窗发射到接收器端，经接收器保护窗、光束限制窗、窄带滤光片、集束透镜的汇聚后投影到CCD图像传感器上。通过多种装置的联合作用来抑制杂散光的干扰影响，保证光学降水测量仪器在野外自然条件下长期可靠工作。在上述密闭箱体之间形成的光路上设有遮光罩、即光发射器光路上依次为点光源、扩束透镜、保护窗，光接收器光路上依次为保护窗、滤光片、光束限制窗、集束透镜、光阑和CCD图像传感器。遮光罩的纵截面为抛物线、半椭圆、半圆或半卵形均可；对于不对称结构遮光罩则罩上半部长度长于下半部更好。遮光罩内壁由消光材料涂黑，防止外界杂散光和反射光的干扰。

选择轻质塑钢材料制造发射器密闭箱体1和接收器密闭箱体14，用于密封和保护光学发射器和接收器，防止雨、雾、水汽、沙尘等因素的影响。箱体上分别设有保护窗5和8，采用高透明度玻璃制造，并镀增透膜，保证光强最低程度的损耗。

在接收镜头后设置光束限制窗，只允许该窗体空间的光束通过，消除其他位置来源的杂散光影响。

在集束透镜之前设置一窄带滤光片，只允许窄带波段内的光束通过，消除其他波段的杂散光影响。

集束透镜的焦点与CCD图像传感器之间设置一光阑，消除其他角度来源的杂散光影响。

点光源2形成的光束经过扩束透镜3和4的扩束后形成平行光束，经保护窗5发射到接收器端，经接收器保护窗8、光束限制窗9、窄带滤光片10、集束透镜11的汇聚后投影到CCD图像传感器13上。

发射器遮光罩6大于接收器遮光罩7，遮光罩6的大小能够覆盖接收器的接收角范围，内壁由消光材料涂黑，避免背景杂散光变化及其反射对接收器测量效果的影响。

光束限制窗9位于保护窗8之后，只允许该窗体空间的光束通过，消除其他位置来源的杂散光影响。

窄带滤光片10介于光束限制窗9和集束透镜11之间，只允许窄带内的光束通过，消除其他波段的杂散光影响。

光阑12介于集束透镜11的焦点和CCD图像传感器13之间，消除其他角度来源的杂散光影响。

虽然上述说明描述完整的实施例，但并不限于上述举例。本领域的技术人员，在本发明的实质范围，做出的变型、修改或替换，都应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.光学降水测量仪器中的杂散光干扰联合抑制装置，其特征在于：

包括：光发射器和光接收器，在光发射器和光接收器上方均加装遮光罩；

根据光接收器的张角范围，将光发射器上方加装的遮光罩设计为环形结构，将光接收器上方加装的遮光罩设计为不对称结构，光发射器上方加装的遮光罩大于光接收器上方加装的遮光罩；

光发射器上方加装的遮光罩的纵截面为半卵形，光接收器上方加装的遮光罩的上半部长度长于下半部长度；

光接收器上方加装的遮光罩的大小取决于接收角的范围，保证光接收器上方加装的遮光罩覆盖光接收器的接收角范围；

遮光罩内壁均由消光材料涂黑；

而且，还包括：光发射器的密闭箱体、光接收器的密闭箱体；

光发射器的密闭箱体内依次设有点光源、扩束透镜、光发射器保护窗；

光接收器的密闭箱体内依次设有光接收器保护窗、光束限制窗、窄带滤光片、集束透镜、光阑和CCD图像传感器；

窄带滤光片设置集束透镜之前，屏蔽其他波段的杂散光；

CCD图像传感器放置于集束透镜的焦点之后，光阑设置在集束透镜焦点和CCD图像传感器中间；

其中，光发射器保护窗、光接收器保护窗采用高透明度玻璃制造并镀增透膜，保证光强最低程度的损耗；

点光源形成的光束经过扩束透镜的扩束后形成平行光束，经光发射器保护窗发射到光接收器端，经光接收器保护窗、光束限制窗、窄带滤光片、集束透镜的汇聚后投影到CCD图像传感器上。