CN109307645A - 一种三维成像激光雨滴谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维成像激光雨滴谱仪，构成包括两个相同的激光发射模块、两个相同的激光接收模块、一个电子处理模块。所述的激光发射模块包括单模红光半导体激光器、准直镜、鲍威尔棱镜、柱透镜。所述的激光接收模块包括显微成像光学系统、一维线性阵列光电探测器。所述的电子处理模块包括信号放大电路、信号比较电路、信号处理模块。预设距离的一个激光发射模块和一个激光接收模块组成一套二维雨滴图像探测装置，两套二维雨滴图像探测装置互相垂直放置，各自发射的平行线光束垂直相交。所述的信号处理模块分别探测雨滴在两个互相垂直平面的图像，得到两幅二维图像，通过图像匹配，实现雨滴图像的三维重建。

Description

一种三维成像激光雨滴谱仪

技术领域

本发明属于气象水文观测技术领域，具体涉及一种三维成像激光雨滴谱仪。

背景技术

降水粒子特性是大气运动和云内微物理过程的综合结果，降水粒子是气象研究的重要测量对象，对其测量包括降水粒子的大小、数目、速度等信息，最终获得降水量等天气参数。其中，雨滴是降水粒子的最主要形式，雨滴的尺度、形状、速度及其谱分布与雷达回波的相关关系是天气雷达定量估计降水的重要基础，准确测量这些参数在云降水物理及人工影响天气领域有着重要的意义。

目前激光雨滴谱仪产品只有一维雨滴谱仪和二维雨滴谱仪。

德国OTT公司Parsivel雨滴谱仪、德国Thies Clima 雨滴谱仪属于一维雨滴谱仪，只能测量雨滴的大小和速度。能够对雨滴进行形状显示即二维成像的地面气象监测仪器分别是采用高速线阵扫描模式的2D视频雨滴谱仪（2DVD）和采用并行阵列探测模式的气象粒子谱仪（MPS）。

公开号“CN104111485A”的发明专利“基于立体成像的雨滴谱和其它降水微物理特征的观测方法”，通过两个或多个相机对观测区域内的自然下落雨滴进行成像，通过图像匹配，实现雨滴图像的三维重建，此专利的不足之处在于相机在能见度差的条件下难以成像清晰的图像，影响三维重建效果。

公开号“CN103852813A”的发明专利“雨滴三维尺度检测装置及利用该装置计算雨滴体积的方法”，通过三维方向上高速线阵CCD扫描的方法得到雨滴三个方向的尺度用于计算雨滴的大小体积。此专利的不足之处在于不能对雨滴直接成像。

目前未见其它能够对雨滴成像的三维激光雨滴谱仪报道。

例如公开号为CN201689044U的中国专利和公开号为CN103149605B的中国专利都仅能检测雨滴的大小、个数和速度，不能对雨滴成像。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维成像激光雨滴谱仪，探测雨滴等降水粒子的三维图像，提供降水粒子的微物理特征。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种三维成像激光雨滴谱仪，包括两个相同的激光发射模块、两个相同的激光接收模块、以及一个电子处理模块。所述的激光发射模块包括单模红光半导体激光器，单模红光半导体激光器输出光束通过准直镜准直，准直光束通过鲍威尔棱镜发散为均匀的激光线光束，激光线光束通过柱透镜压缩为平行线光束。所述的激光接收模块与激光发射模块之间间隔预设距离，所述的激光接收模块包括接收激光发射模块发射的平行线光束的显微成像光学系统，光束通过显微成像光学系统投射到一维线性阵列光电探测器，一维线性阵列光电探测器输出信号经过放大电路放大后进入信号比较判断电路判断探测器单元是否被遮挡，最后信号送入信号处理模块处理。预设距离的一个激光发射模块和一个激光接收模块组成一套二维雨滴图像探测装置，两套二维雨滴图像探测装置互相垂直放置，各自发射的平行线光束垂直相交，光束重合区域为三维图像探测区，光束不重合区域为二维图像探测区。

本发明对雨滴三维成像的原理是： 采用红光半导体激光器为光源，一维线性阵列串行光电探测器接收信号。当探测区域无雨滴通过时，光源始终均匀照射在探测器阵列上。当被测雨滴通过探测区域时，经由光学系统成像到探测器单元上形成阴影。在任一时刻被遮挡的探测器单元记录雨滴的一个影像切片并被存储，这样当雨滴通过采样区时，将会按照时间顺序依次存储各个影像切片，将此影像切片根据雨滴下落速度抽样组合便可以得到完整的雨滴二维图像。两套互相垂直放置、光路相交的二维雨滴图像探测装置分别得到两个互相垂直平面上的雨滴二维图像，通过图像匹配，实现雨滴图像的三维重建。

本发明相比现有技术有如下有益效果：

（1）本发明具有发射均匀平行线光束的特点，采用鲍威尔棱镜将单模准直光束发散为均匀的激光线光束，线形激光强度均匀，偏差小于30%。

（2）本发明具有信号探测电路、信号处理电路简单的特点。照射到一维线性阵列光电探测器的各个单元上的光强分布均匀，探测器各单元输出信号电压一致，因此当雨滴穿过光束，经显微光学系统成像到阵列光电探测器上之后，判断各单元是否被雨滴阴影覆盖的标准相同。所以系统对光电探测器各单元的放大电路增益倍数相同，比较判断电路阈值相同。因此系统可以不需使用并行阵列光电探测器，而采用只有一路信号输出的串行输出阵列光电探测器，一个串行阵列光电探测器后处理只需要一路放大电路、一路比较判断电路和一路信号采集处理电路就可以完成，降低了系统对模拟电路和数字信号处理电路的要求。

（3）本发明具有结构紧凑、系统体积小的特点。本发明的探测仪的激光发射、光束整形、雨滴探测、信号处理等采用模块化设计，整机一体化设计。

（4）成本较低，采用便宜的鲍威尔棱镜产生线形激光，采用一维串行阵列探测器，对应只需要一路信号放大电路、一路比较判断电路和一路信号采集电路。

附图说明

图1为本发明实施例提供的的系统构造原理图。

上述附图1中，附图标记对应的部件名称如下：

1-第一单模红光半导体激光器，2-第一准直镜，3-第一鲍威尔棱镜，4-第一柱透镜，5-第一显微光学成像系统，6-第一一维线性阵列光电探测器，7-第一信号放大电路，8-第一信号比较电路， 9-第二单模红光半导体激光器，10-第二准直镜，11-第二鲍威尔棱镜，12-第二柱透镜，13-第二显微光学成像系统，14-第二一维线性阵列光电探测器，15-第二信号放大电路，16-第二信号比较电路， 17-信号处理模块

具体实施方式

下面结合附图1和实施例对本发明作进一步说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1所示，一种三维成像激光雨滴谱仪，包括第一单模红光半导体激光器1，第一准直镜2，第一鲍威尔棱镜3，第一柱透镜4，第一显微光学成像系统5，第一一维线性阵列光电探测器6，第一信号放大电路7，第一信号比较电路8，第二单模红光半导体激光器9，第二准直镜10，第二鲍威尔棱镜11，第二柱透镜12，第二显微光学成像系统13，第二一维线性阵列光电探测器14，第二信号放大电路15，第二信号比较电路16，信号处理模块17。

其中，第一单模红光半导体激光器1的输出光束与第一准直镜2输入端连接，第一准直镜2的输出准直光束进入第一鲍威尔棱镜3发散为均匀的激光线光束，激光线光束通过第一柱透镜4压缩为平行线光束，平行线光束穿过预设距离入射到第一显微光学成像系统5，第一显微光学成像系统5将雨滴通过平行线光束遮挡一部分光束形成的阴影成像投影到第一一维线性阵列光电探测器6，第一一维线性阵列光电探测器6为一维线性阵列多元探测器，信号串行输出。各个单元探测器依次输出信号送入到第一信号放大电路7，然后放大的信号传输到第一信号比较电路8，第一信号比较电路8设有判断阈值，高于阈值的信号转换为高电平信号，低于阈值的信号转换为低电平信号。二值化的信号最后被信号处理模块17采集并进一步处理。

同样的，第二单模红光半导体激光器9的输出光束与第二准直镜10输入端连接，第二准直镜10的输出准直光束进入第二鲍威尔棱镜11发散为均匀的激光线光束，激光线光束通过第二柱透镜12压缩为平行线光束，平行线光束穿过预设距离入射到第二显微光学成像系统13，第二显微光学成像系统13将雨滴通过平行线光束遮挡一部分光束形成的阴影成像投影到第二一维线性阵列光电探测器14，第二一维线性阵列光电探测器14为一维线性阵列多元探测器，信号串行输出。各个单元探测器依次输出信号送入到第二信号放大电路15，然后放大的信号传输到第二信号比较电路16，第二信号比较电路16设有判断阈值，高于阈值的信号转换为高电平信号，低于阈值的信号转换为低电平信号。二值化的信号最后被信号处理模块17采集并进一步处理。

其中，第一柱透镜4发射出的平行线光束与第二柱透镜12发射的平行线光束互相垂直相交，光束重叠的区域为雨滴三维成像采集区。

信号处理模块17可以是FPGA处理电路、DSP处理电路或嵌入式计算机等具有信号采集和处理功能的电路模块。信号处理模块17对采集的信号进行相应计算，由在下落中遮挡的探测器单元数目计算出雨滴的大小，并将不同大小的雨滴归入不同尺度通道中，同时将各个时刻的信号按照雨滴下落速度抽样组合得到粒子的二维图像信息。雨滴下落速度由雨滴的大小与雨滴穿过探测器的总时间之商求得。信号处理模块17分别探测雨滴在两个互相垂直平面的图像，得到两幅二维图像，通过图像匹配，实现雨滴图像的三维重建。

进一步，信号处理模块17根据雨滴数量分布测定降水总量、大小、强度等。信号处理模块17同时具有数据通讯功能，能够将相关数据发送到其它数据终端。

下面是实施例中所用到的关键元器件：

第一单模红光半导体激光器1与第二单模红光半导体激光器9均为单横模带光纤输出方式，最大输出功率mW量级。

第一鲍威尔棱镜3和第二鲍威尔棱镜11是线形激光发生透镜，可通过在一个维度上以扇形发散一束准直光而产生一条笔直、均匀的激光线。棱镜的顶部都具有使光功率均匀分布的非球面曲线，使得在线形激光的中心部分光强度变化小于30%。

第一显微光学成像系统5和第二显微光学成像系统13的放大倍数由单元探测器的宽度和探测分辨率决定，如单元探测器的宽度为250μm，对应探测最小直径为100μm的雨滴，则显微成像光学系统7的放大倍数应设计2.5倍。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。

值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种三维成像激光雨滴谱仪，其构成包括两个相同的激光发射模块、两个相同的激光接收模块、以及一个电子处理模块，激光发射模块包括单模红光半导体激光器、准直镜、鲍威尔棱镜、柱透镜，激光接收模块包括显微成像光学系统、一维线性阵列光电探测器，电子处理模块包括信号放大电路、信号比较电路、信号处理模块。

2.根据权利要求1所述的一种三维成像激光雨滴谱仪，其特征是所述的激光发射模块中的单模红光半导体激光器发射的光束首先通过准直镜准直，再通过鲍威尔棱镜发散为均匀的激光线光束，最后通过柱透镜被压缩为平行线光束。

3.根据权利要求1所述的一种三维成像激光雨滴谱仪，其特征是所述的激光接收模块中的显微成像光学系统首先接收激光发射模块发射的平行线光束，然后平行线光束通过显微成像光学系统投射到一维线性阵列光电探测器，一维线性阵列光电探测器输出信号经过信号放大电路放大后进入信号比较电路判断探测器单元是否被遮挡，最后信号送入信号处理模块处理。

4.根据权利要求1所述的一种三维成像激光雨滴谱仪，其特征是所述的激光接收模块与激光发射模块之间间隔预设一段距离，预设距离的一个激光发射模块和一个激光接收模块组成一套二维雨滴图像探测装置。

5.根据权利要求1所述的一种三维成像激光雨滴谱仪，其特征是两套二维雨滴图像探测装置互相垂直放置，各自发射的平行线光束垂直相交，光束非重合区域为二维图像探测区，光束重合区域为三维图像探测区。

6.根据权利要求1所述的一种三维成像激光雨滴谱仪，其特征是所述信号处理模块分别探测雨滴在两个互相垂直平面的图像，得到两幅二维图像，通过图像匹配，实现雨滴图像的三维重建。