CN103869385A - 一种激光检测雨量的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
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
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。
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。
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FDl2P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；②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。
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
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。
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。
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；⑤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。
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n的线阵传感器中取第1、第n两个像素点作为观测基准点；②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 
和标准偏差值
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O1、O2满足
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A1、A2。
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。
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n次扫描，分别测得两组数值Xi、Yi，各组的最大值Xmax和Ymax；②以
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；④两次扫描间隔中通过采样空间的体积为
；⑤雨滴的体积为 。
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。
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X、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。
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。
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10cm,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1cm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3μm—20μm之间，象元形状为方形。
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。
本发明有以下几个优点及效果：
1）如附图1所示，整套激光检测雨量装置采用了一个二维的检测光路，实现了对雨量的实时采集，能够降低在有风时雨滴形状非对称所造成的检测误差。图4中的左图为X方向的测量结果，图4中的右图为Y方向的测量结果，很明显这两个结果形状不同，说明与一维模式相比二维检测能够提高检测精度。
2）采用激光作为光源，使得最终产生的采样区域的探测光质量更好。现有的光学雨量计大多采用LED、红光波长的激光光源，而本发明采用350nm—450nm的短波长紫蓝激光光源，激光功率大于5mW。通过实验发现，采用此短波长激光有效的减少了光绕过被测物体（雨滴）的衍射产生的影响。附图5所示的结果是对固定位置放置一物体进行扫描采集到的灰度值分布图，其中横坐标表示像元位置，纵坐标表示每个像元的灰度值。其上图为采用405nm紫光光源时的测量结果，下图为采用632nm红光光源时的测量结果，可以看出采用405nm波长的光源明显提高了测量的精度。
3）平行片光光束发生系统所采用的柱镜、鲍威尔棱镜、柱面平凸透镜、三角棱镜组合，保证了采样区间内探测光在水平方向的平行性和分布均一性。而采用的小底角三角棱镜，将平行片光整合成为高质量片光检测区。相比于传统的片光检测区，经三角棱镜的片光在空间垂直方向上保证了光束的平行性以及光能量的高度集中且分布均一。平行片光经过三角棱镜，使得被采样物体（雨滴）在采样区域的各个位置上都保证采样结果相同。如附图7（a）及（b）所示。附图7（a）表示了传统片光发生方法所面临的问题，图中的虚线表示片光在垂直方向上逐渐收缩，图中的实线则表示片光在垂直方向上逐渐发散，无论是哪一种情况，当同样大小的雨滴在不同位置落下时测量结果都不同；附图7（b）所表示的是本发明采用的光束整合系统由于所发生的片光能量集中且分布均匀，所以当同样大小的雨滴在不同位置落下时测量结果都一样。附图7（c）上图所表示的是传统方法发生的片光在不同位置上的能量分布，附图7（c）上图所表示的是本发明采用的平行片光光束发生系统发生的片光在不同位置上的能量分布，附图8为本发明采用的平行片光光束发生系统发生的片光在水平方向上的分布情况，由此可以看出本发明的效果。
4）系统中采用了光源功率恒稳控制，选取线阵探测器左、右两端的像元灰度瞬时值与24小时5分钟间隔的平均值A1、A2进行比对，当两个观测基准点的输出值O1、O2满足 时,即两个基准点的平均变化值大于2倍标准偏差值时，反向调整工作电压或注入电流，使其输出值最接近平均值A1、A2。这里2倍标准偏差值
是一个明显有意的变化，已经超出了正常的波动范围，有必要做反向调整，以确保检测精度。
5）装置中的自启动系统，可使装置只在需要检测雨量时开启，而不必全天候运行，这样既减少光源、线阵传感器等通电运行时间，延长装置使用寿命减缓系统老化，同时节省能源。选取湿度值和气压值以及其变化趋势能够如实地反映天气的变化趋势。
6）装置启动后进入系统标定程序时，由装置自带的已知被测物为标准检测物，线阵传感器开始对其进行扫描测量，而后将检测数据送入数据处理系统进行处理得出被测物大小，再与已知的值进行比较，计算出光路的平行度订正因子，进而对测量结果进行一次校正与补偿。相较于传统的光学雨量计的直接测量计算得出数据，此标定程序提高了装置的检测精度，简单而有效。
7） 本发明采用的高速线阵传感器以及高速采集卡使得采集速度大大提升。如图9所示，根据实测结果可知，随着雨滴粒径的增大，下落速度也逐渐加大，而速度随粒径分布曲线的斜率即为所必须的最小扫描行频，即对雨滴至少扫描一次所需要的行频。从图9下边的曲线可以看出，小雨滴需要更高的扫描行频，最小扫描行频的极大值约为5 kHz，也就是说5 kHz的扫描行频对所有雨滴都至少可以扫描一次。而通过扫描要得到的是雨滴在某一方向上的最大值（直径），从这一点考虑，在小雨滴上要至少扫描5条线才有可能捕捉到其最大值，因此线阵探测器的扫描行频应在25 kHz以上。采样速度过慢往往导致在扫描的两行时间间隔中会遗漏下落的粒子扫描，不仅造成遗漏和误差，在后期处理计算时也会增加计算分析的难度，影响测量结果的精度。更快的采集速度在雨滴下落速度较大或者雨滴较小的时候，能保证扫描到的图像有更多的行数，极大的减少了粒子的漏采，同时高速采集卡保证了采集数据更快的接收和处理。传统的线阵传感器像元尺寸过大，测量分辨率低，现采用的线阵传感器的像元大小在3μm—20μm，增强检测的分辨率，比如对小雨、毛毛雨的分辨。
8）本发明采用的雨滴体积计算方法具有如下优点：首先将X、Y两个方向上的测量结果都用于雨滴体积的计算，避免了一个方向检测的片面性；用两个方向上测得的最大值的平均值做为雨滴的等效直径，利用现有的测量结果反演出雨滴的落速值；其次由落速值和线阵探测器采集行频可以计算出两次扫描间隔中雨滴下落的距离，再将雨滴的水平切面看做椭圆，积分求得雨滴的体积。算法简洁合理，计算误差小。
9） 所述的整套装置，相较于传统检测雨量的装置（如翻斗式、虹吸式），对雨量的检测零启动量，更实时准确，在应付极端天气条件如暴雨冰雹以及细小的毛毛雨，有优良的适应性。整套发明装置免维护时间长，也更易于维护。
附图说明
图1为本发明整套激光检测雨量装置示意图。
图2为本发明平行片光光束发生系统。
图3为本发明激光雨量检测系统工作流程图。
图4为本发明对实施例1进行测试采集到的图样。
图5为本发明激光光源不同波长下同一位置探测结果对比。
图6为本发明三角棱镜底角与高聚光平行片光光束范围关系。
图7为本发明三角棱镜作用图。
图8为本发明片光水平方向分布。
图9为本发明雨滴落速与最小扫描行频。
图10为本发明不同行扫频率下对同一小球采集图。
图11为本发明系统标定工作流程。
图12为本发明光源功率恒稳控制工作流程。
具体实施方式
下面结合附图用实施例对本发明进行详细的描述。
本发明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。
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；⑤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。
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n的线阵传感器中取第1、第n两个像素点作为观测基准点；②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和标准偏差值并保存备用；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O1、O2满足
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A1、A2。
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。
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n次扫描，分别测得两组数值Xi、Yi，各组的最大值Xmax和Ymax；②以
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；④两次扫描间隔中通过采样空间的体积为
；⑤雨滴的体积为
。
本发明的激光检测雨量的装置包括：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。
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X、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。
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。
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10cm,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1cm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3μm—20μm之间，象元形状为方形。
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。
实施例1：涉及的光学雨量测量系统的基本构成如附图1所示，包括半导体激光器（采用波长为405nm，功率6mW）1、准直镜2（直径6.0mm，焦距4.7mm的非球面玻璃透镜）、分束镜3（采用光强分为1:1的分束镜）、反射镜4（采用高反射比的镀膜反射镜）、反射镜5（采用高反射比的镀膜反射镜）、平行片光光束发生系统6、平行片光光束发生系统7、片光发生器（柱镜+鲍威尔棱镜）8、片光发生器（柱镜+鲍威尔棱镜）9、柱面平凸透镜10（宽度为10cm,焦距为15cm）、柱面平凸透镜11（宽度为10cm,焦距为15cm）、三角棱镜12、三角棱镜13（长度为12cm，宽度为1cm，底角角度为
）、采样空间14（大小为10cm×10cm）、柱面凸透镜15（宽度为10cm,焦距为12cm）、柱面凸透镜16（宽度为10cm,焦距为12cm）、线阵探测器17（像元数为2048，像元大小为7μm，最高行频为48KHz）、线阵探测器18（像元数为2048，像元大小为7μm，最高行频为48KHz）、雨量检测数据处理与信息反馈系统19。其中，激光器1也可分为两个半导体激光器分别发射至两光束整合系统中；雨量检测数据处理与信息反馈系统19包括雨量检测数据处理20、装置自启动系统21、系统标定程序22以及光源功率恒稳控制23。经反光镜4和反光镜5反射的两束光，在打入各自的光束整合系统后，分别产生的平行片光区，叠加产生平行片光采样区域14。同时，为了保证采样区域14的大小，在探测光经过采样区域14后，再经透镜15与透镜16将探测光分别收入传感器17与18中，最终将各个检测的信息输入雨量检测数据处理与信息反馈系统19中。
本实施例所用系统的工作流程如图3所示。雨量检测装置开机后进入气象参数测量，并对气象条件是否接近降水作出判断。当接近降水气象条件时系统启动，并对激光功率进行自检调整，之后进入系统标定程序，检测装置所自带的已知参数的检测物，线阵传感器进行扫描测量，将采集信息输入雨量检测数据处理系统中，测得物体的尺寸与已知物体的实际参数对比，然后对系统进行标定，具体工作流程如图3所示。
在调整好整套实验仪器后，对一下落椭球进行采集，采集结果如附图4所示，附图4左图（纵向放置为下图）为探测器17采集到的，右图（纵向放置为上图）为探测器18采集到的图像。由图中可以看出，对此椭球进行两个不同方向上的采样，两方向上结果不相同，而在一维模式下是不能分辨出此类不对称物体的具体形状，从而可以看出一维检测系统在精度上不如二维检测系统。
实施例2
本实施例使用与实施例1相同的光学构成，线阵传感器采用2048像素的CMOS高速线阵传感器，象元尺寸10μm×10μm，采集行频为50kHz，光源采用不同波长的激光光源时对测量结果的比较。所用半导体激光器分别采用紫光（波长405nm）和红光（波长650nm）时，对同一位置同一静态物体进行测量比较，得出的两张扫描的灰度廓线图，结果如图5所示。由图中上图显看出，在紫光下测得的结果更接近下落物的实际大小尺寸、结果更精确。而图5的下图表示使用波长较长的红光为检测光源时，光衍射影响明显，测得的结果较实际尺寸偏大，此结果说明采用波长较短的紫光结果精确。因此使用短波长的激光器效果更好。
实施例3
本实施例比较了平行片光发生系统有无三角棱镜所产生的差别，实验使用了与实施例1类似的光学系统构成。
首先考虑到需要三角棱镜产生作用的范围（高聚光平行片光光束范围），实施例1中选用的三角棱镜宽度为1cm，底角为4°是由于以下原因：三角棱镜在宽度一定时，所产生的高聚光平行片光光束范围与其底角角度有一定的函数关系。附图6所示为三角棱镜在宽度为1cm时高聚光平行片光光束范围与其底角角度的曲线关系图。实施例1中所需的采样空间范围为大小为10cm，再考虑到柱面镜的厚度影响，最后我们需要的高聚光平行片光光束范围在12cm以上，由附图6曲线关系得出所采用的底角角度在5°以内，所以本实施例采用了4°的底角。
光源采用450nm的半导体激光器。线阵传感器采用4096像素的CCD高速线阵传感器，象元尺寸10μm×10μm，采集行频为68kHz。首先在平行片光发生系统中不加入三角棱镜，激光在经过不加入三角棱镜的平行片光发生系统后形成片光，然而由于在空间的垂直方向上并不一定平行（发散或收敛），测量结果如图7(a)所示。这样造成在雨滴经过采样空间时，即便对于同一大小雨滴在空间前后平行方向上，由于在垂直方向上遮挡范围不同，测量结果不相同。
如图7(b)左图所示，在平行片光发生系统中采用三角棱镜后，使前后光束为能量集中分布均匀的平行光束，在采样区间中的任意位置，做到光强分布均匀（附图7（b）：以CCD为基准，对检测光区进行垂直方向上由远及近的切面。上图为不使用三角棱镜，对检测光区进行垂直切面时，其光强分布图；下图为加入三角棱镜后，对检测光区垂直切面时其光强分布图。图中横轴O点为片光垂直切面中心线，纵轴为光强）。进而使得，雨滴无论在前后方向哪个位置上，对于CCD探测器来说探测到的结果都保持一致。附图8为经过柱面平凸透镜后测得的片光光强分布，说明本发明所采用的平行片光发生系统效果良好。
实施例4
本实施例使用与实施例1相同的光学构成，线阵传感器采用2048像素的CMOS高速线阵传感器，象元尺寸10μm×10μm，采集最高行频为50KHz。对同一小球在同一高度位置开始的下落运动进行采集，将采集行频分别设置为15kHz和50kHz下分两次采集小球下落图像。结果如附图10所示（小球采集图的边缘轮廓），上图为行频为15kHz时采集到小球图像，下图为行频为50kHz时采集到的小球图像，由采集图明显看出，在高行频时采集到的图像效果更好，从而使采集精度更高。说明提高线阵探测器的扫描行频对增加采集信息、进而提高检测精度有意义。
实施例5
本实施例为实施例1装置中所涉及的系统标定程序22。
由于光学检测雨量系统是由各个精密部件组成，当外界环境影响光源性能或检测装置受到轻微晃动等因素产生时，装置检测准确度会受到干扰对实时的测量造成很大的影响，从而检测结果往往会有较大误差产生。本发明旨在提供一种系统标定方案，以解决此问题。
如附图11所示，图中上方为两个方向的探测光交叉形成的检测区域，即实施例1中采样空间14（大小为10cm×10cm）。在采样空间下放置一牢固平台（大小为8cm×8cm），平台中间有直径
≈ 6mm的圆孔，选取一根竖直的表面光滑的不锈钢圆柱标杆，其直径
= 5mm，能恰好通过平台的圆孔由电动控制上下移动。当装置启动后，进入系统标定程序，标准的不锈钢标杆自动上开关穿过检测光区域，雨量检测系统对标杆进行检测采样。通过线阵探测器的传感输出结果
，与已知真值
之比看做是误差，比值越偏离1误差就越大。可定义一个数值m来表示系统误差：
对于上述误差，可按如下方法订正，即对降水粒子尺度的实测值均除以数值m来加以订正。显然这样可以去除该系统误差。
实施例6
本实施例使用与实施例1同样光学构成。本实施例工作流程如附图12所示。光源采用实施例1中半导体激光器。选取线阵探测器17、18（2048像素，象元尺寸10μm×10μm，行频为40KHz）中每个探测器的第一个和最后一个象元作为专用检测探测光强，所探测到的信息输入光源功率恒稳控制。通过输出的灰度值直观地反应了半导体激光器功率的变化。以一次检测为例，在30分钟内每隔2分钟进行一次探测，测量结果如下表：
| 时间（min） | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 |
| 灰度值（X） | 200 | 198 | 27 | 201 | 203 | 207 | 226 | 211 |
| 时间（min） | 16 | 18 | 20 | 22 | 24 | 26 | 28 | 30 |
| 灰度值（X） | 209 | 182 | 208 | 215 | 217 | 209 | 218 | 210 |
考虑到半导体激光器的工作特性，在使用时间内其功率虽有变化，但不会有过大变化。反映在灰度值上数值变化幅度不超过10%。故在此次检测中第4、12、18分钟，其灰度值27、226、182可能由于遮挡或其他因素影响而使检测有较大变化。所以将这3个数据剔除，对其余测量进行取平均计算：
其变化幅度：
因此反馈电流调节量
作用于激光器，使得LD的驱动电流和光功率达到平衡，实现自动功率控制。
Claims (10)
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；⑤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n的线阵传感器中取第1、第n两个像素点作为观测基准点；②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 
和标准偏差值
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O1、O2满足
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A1、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n次扫描，分别测得两组数值Xi、Yi，各组的最大值Xmax和Ymax；②以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；④两次扫描间隔中通过采样空间的体积为
；⑤雨滴的体积为
。
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X、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10cm,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1cm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3μm—20μm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。
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