CN114660679A - 一种新型雨量传感系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种新型雨量传感系统，由光源阵列(1)、驱动电路阵列(2)、光电探测器(3)、跨阻放大器(4)、参考信号模块(5)、混频器(6)、低通滤波器(7)和信号处理系统(8)组成。本发明实现对挡风玻璃外表面降雨量的测量，可广泛应用于汽车、气象和水文等领域。

Description

一种新型雨量传感系统
技术领域
本发明涉及的是一种新型雨量传感系统，本发明可应用于汽车、气象和水文等领域。属于光电技术领域。
背景技术
自动雨刮器是安装在汽车挡风玻璃上的重要附件，它的作用是扫除风挡玻璃上妨碍驾驶员视线的雨水，它对于行车安全具有重要的作用。
自动雨刮器的核心部件是雨量传感器，它的作用是感知挡风玻璃外表面的雨水情况，并根据测量结果输出相应的控制信号使得雨刮器以相应的速度和间歇工作。光学式雨量传感器是根据光的折射和光的全反射原理制成，其主要包括了发射模块、挡风玻璃和接收模块组成。发射模块发射的光线以固定的入射角投射到挡风玻璃的内表面上，然后光线经过挡风玻璃反射至接收模块。传统的雨量传感器的接收模块为光电二极管，当挡风玻璃外表面有雨水时，反射到接收模块的光线的强度将会减少，引起光电二极管输出光电流的减少，通过对接收模块输出光电流的测量实现对风挡玻璃外表面雨量的检测。但是，环境光的变化会对传统的基于光电二极管的雨量传感器造成影响，环境光的变化会引起光电二极管输出电流的变化，这使得传统的雨量传感器难以实现全天候和环境光突变情况(例如，汽车驶出隧道环境光突然增强或者汽车在高架桥的匝道行驶时，太阳入射角不断变化导致雨量传感器区域的光强一直在变化。) 下的雨量检测。此外，传统的雨量传感器难以实现对挡风玻璃多位置点的测量。
为了解决该问题，本发明公开了一种新型雨量传感系统，本发明可应用于汽车、气象和水文等领域。该系统设置多个输出不同频率的正弦调制光信号至挡风玻璃，经过挡风玻璃反射的调制光信号被系统中的光电探测器接收并转换为光电流信号，之后被跨阻放大器放大为电压信号。电压信号和扫频信号经过混频器混频后，通过低通滤波器滤除高频信号，只输出直流电压信号；反射的调制光信号强度决定了直流电压的大小，通过对直流电压信号处理可以得到挡风玻璃上雨量的大小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型雨量传感系统，本发明可应用于汽车、气象和水文等领域。
一种新型雨量传感系统，由光源阵列(1)、驱动电路阵列(2)、光电探测器(3)、跨阻放大器(4)、参考信号模块(5)、混频器(6)、低通滤波器(7)和信号处理系统(8)组成。
本发明是这样实现的：驱动电路阵列(2)连接并输出调制信号至光源阵列(1)，调制信号驱动光源阵列(1)输出调制光信号；光信号经挡风玻璃反射至光电探测器(3)，光电探测器(3)接收光信号后进行光电转换输出光电流至跨阻放大器(4)，跨阻放大器(4)对光电流进行跨阻放大为电压信号；参考信号模块(5)输出的参考信号和跨阻放大器(4)输出的电压信号通过混频器(6)进行混频，混频后的信号经过低通滤波器(7)滤掉高频信号，后经信号处理系统进行处理。
所述驱动电路阵列(2)中的驱动电路的数量与光源阵列(1)中的光源数量一致；每个驱动电路的输出驱动信号以依次为：sin(ω1t)，sin(ω2t)，……， sin(ωnt)；光源阵列(1)用于测量风挡玻璃的不同位置的雨量时，光源阵列(1) 中光源的位置和光源的发射角由测量点的位置和光电探测器(3)的位置决定。光源阵列(1)采用工作在近红外波段的激光二极管或者垂直腔面发射激光器，挡风玻璃上的设置多个均匀分布的测量点，光源阵列(1)中光源的数量决定了测量点的数量；光源阵列(1)中每个光源依次发出的光信号为Asin(ω1t)， Asin(ω2t)，……，Asin(ωnt)，这些近红外光信号入射到风挡玻璃内表面；近红外光信号经过反射后被光电探测器(3)接收到到的光信号为A1sin(ω1t)+A2sin(ω2t)+……+Ansin(ωnt)+Ib，Ib为光电探测器(3)接收到的环境光强。
所述光电探测器(3)基于工作在近红外波段的光电二极管或雪崩光电二极管的任何一种；光电探测器(3)将接收到的近红外光转换为光电流信号，光电探测器(3)的输出连接跨阻放大器(4)的输入，跨阻放大器(4)将输入的光电流信号跨阻放大为电压信号；光电探测器(3)接收到到的光信号： A1sin(ω1t)+A2sin(ω2t)+……+Ansin(ωnt)+Ib，经过光电转换和放大为电压信号： K[A1sin(ω1t)+A2sin(ω2t)+……+Ansin(ωnt)+Ib]，K为比例系数。
所述参考信号模块(5)输出用于扫频的正弦信号，扫频信号依次为 sin(ω1t)，sin(ω2t)，……，sin(ωnt)；参考信号模块(5)输出的扫频信号和跨阻放大器(4)输出的电压信号输入至混频器(6)进行混频，混频后的信号分别为sin(ω1t)·K[A1sin(ω1t)+A2sin(ω2t)+……+Ansin(ωnt)+Ib]，sin(ω2t)· K[A1sin(ω1t)+A2sin(ω2t)+……+Ansin(ωnt)+Ib]，……，sin(ωnt)·K[A1sin(ω1t)+A2sin(ω2t)+……+Ansin(ωnt)+Ib]，即A1·K/2-A1·K·cos(2ω1t)/2+sin(ω1t)·K[A2sin(ω2t)+……+Ansin(ωnt)+Ib]，A2·K/2-A2·K·cos(2ω2t)/2+sin(ω2t)· K[A1sin(ω1t)+A3sin(ω3t)+……+Ansin(ωnt)+Ib]，……，An·K/2-An·K·cos(2ωnt)/2+sin(ωnt)·K[A1sin(ω1t)+A2sin(ω2t)+……+An-1sin(ωn-1t)+Ib]；之后混频后的信号被传输到低通滤波器(7)中进行处理。
所述低通滤波器(7)的截至频率需要低于混频器(6)输出信号的频率，使得混频信号(6)输出后的混频信号经过低通滤波器(7)后输出为直流信号，不含交流分量；混频器(6)输出的混频信号：A1·K/2-A1·K·cos(2ω1t)/2+sin(ω1t)·K[A2sin(ω2t)+……+Ansin(ωnt)+Ib]，A2·K/2-A2·K·cos(2ω2t)/2+sin(ω2t)·K[A1sin(ω1t)+A3sin(ω3t)+……+Ansin(ωnt)+Ib]，……，An·K/2- An·K·cos(2ωnt)/2+sin(ωnt)·K[A1sin(ω1t)+A2sin(ω2t)+……+An-1sin(ωn-1t)+Ib]，经过低通滤波器处理(7)后变为A1·K/2，A2·K/2，……，An·K/2的直流电压信号，光电探测器(3)接收到的环境光强Ib经过混频器(7)和低通滤波器(6)处理被滤除掉，系统不受环境光强变化的影响，能够实现全天候和环境光突变情况下的雨量检测。
所述信号处理模块(8)将低通滤波器(7)输出的直流电压信号进行处理并转换成光电探测器(3)接收到的光强信号的振幅：A1，A2，……，An；如果风挡玻璃外表面没有雨滴处于干燥的状态，则几乎全部的近红外光信号被反射，如果风挡玻璃外表面有雨滴，反射回来的近红外光信号幅度将会减少，信号处理模块(8)计算光源阵列(1)输出光强信号的振幅A与光电探测器(3) 接收到的光强信号的振幅：A1，A2，……，An的差值，得到的差值ΔA1＝A-A1，ΔA2＝A-A2，……，ΔAn＝A-An用来表征风挡玻璃不同位置上的雨量大小。
附图说明
图1是新型雨量传感系统的示意图。它由光源阵列(1)、驱动电路阵列(2)、光电探测器(3)、跨阻放大器(4)、参考信号模块(5)、混频器 (6)、低通滤波器(7)和信号处理系统(8)组成。
图2是新型雨量传感系统的实施例示意图。它由1*5光源阵列(1)、 1*5驱动电路阵列(2)、光电探测器(3)、跨阻放大器(4)、参考信号模块 (5)、混频器(6)、低通滤波器(7)和信号处理系统(8)组成。
具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
图2给出了新型雨量传感系统实施例，由1*5光源阵列(1)、1*5驱动电路阵列(2)、光电探测器(3)、跨阻放大器(4)、参考信号模块(5)、混频器(6)、低通滤波器(7)和信号处理系统(8)组成。
实施例中1*5驱动电路阵列(2)中每个驱动电路的输出驱动信号以依次为：sin(ω1t)，sin(ω2t)，……，sin(ω5t)用来驱动1*5光源阵列(1)，1*5 光源阵列(1)用于测量风挡玻璃的5个位置的雨量。光源阵列(1)采用工作在近红外波段的激光二极管，挡风玻璃上的设置5个均匀分布的测量点。1*5 光源阵列(1)中每个光源依次发出的光信号为Asin(ω1t)，Asin(ω2t)，……， Asin(ω5t)，这些近红外光信号入射到风挡玻璃内表面；近红外光信号经过反射后被光电探测器(3)接收到到的光信号为A1sin(ω1t)+A2sin(ω2t)+……+A5sin(ω5t)+Ib，Ib为光电探测器(3)接收到的环境光强。光电探测器(3)采用工作在近红外波段雪崩光电二极管，光电探测器(3)将接收到的近红外光转换为光电流信号，光电探测器(3)的输出连接跨阻放大器(4)的输入，跨阻放大器(4)将输入的光电流信号跨阻放大为电压信号；光电探测器(3)接收到到的光信号：A1sin(ω1t)+A2sin(ω2t)+……+A5sin(ω5t)+Ib，经过光电转换和放大为电压信号：K[A1sin(ω1t)+A2sin(ω2t)+……+A5sin(ω5t)+Ib]，K为比例系数。参考信号模块(5)输出用于扫频的正弦信号，扫频信号依次为sin(ω1t)， sin(ω2t)，……，sin(ω5t)；
参考信号模块(5)输出的扫频信号和跨阻放大器(4)输出的电压信号输入至混频器(6)进行混频，混频后的信号分别为sin(ω1t)·K[A1sin(ω1t)+A2sin(ω2t)+……+A5sin(ω5t)+Ib]，sin(ω2t)·K[A1sin(ω1t)+A2sin(ω2t)+…… +A5sin(ω5t)+Ib]，……，sin(ω5t)·K[A1sin(ω1t)+A2sin(ω2t)+……+A5sin(ω5t)+Ib]，即A1·K/2-A1·K·cos(2ω1t)/2+sin(ω1t)·K[A2sin(ω2t)+……+A5sin(ω5t)+Ib]，A2·K/2-A2·K·cos(2ω2t)/2+sin(ω2t)·K[A1sin(ω1t)+A3sin(ω3t)+…… +A5sin(ω5t)+Ib]，……，A5·K/2-A5·K·cos(2ω5t)/2+sin(ω5t)·K[A1sin(ω1t)+ A2sin(ω2t)+……+A4sin(ω4t)+Ib]；之后混频后的信号被传输到低通滤波器(7) 中进行处理。低通滤波器(7)的截至频率需要低于混频器(6)输出信号的频率，使得混频信号(6)输出后的混频信号经过低通滤波器(7)后输出为直流信号，不含交流分量；混频器(6)输出的混频信号，经过低通滤波器处理(7) 后变为A1·K/2，A2·K/2，……，A5·K/2的直流电压信号，光电探测器(3)接收到的环境光强Ib经过混频器(7)和低通滤波器(6)处理被滤除掉，系统不受环境光强变化的影响，能够实现全天候和环境光突变情况下的雨量检测。信号处理模块(8)将低通滤波器(7)输出的直流电压信号进行处理并转换成光电探测器(3)接收到的光强信号的振幅：A1，A2，……，A5；如果风挡玻璃外表面没有雨滴处于干燥的状态，则几乎全部的近红外光信号被反射，如果风挡玻璃外表面有雨滴，反射回来的近红外光信号幅度将会减少，信号处理模块(8)计算光源阵列(1)输出光强信号的振幅A与光电探测器(3)接收到的光强信号的振幅：A1，A2，……，A5的差值，得到的差值ΔA1＝A-A1，Δ A2＝A-A2，……，ΔA5＝A-A5用来表征风挡玻璃5个位置上的雨量大小。

Claims (6)

1.一种新型雨量传感系统，由光源阵列(1)、驱动电路阵列(2)、光电探测器(3)、跨阻放大器(4)、参考信号模块(5)、混频器(6)、低通滤波器(7)和信号处理系统(8)组成；其特征是：驱动电路阵列(2)连接并输出调制信号至光源阵列(1)，调制信号驱动光源阵列(1)输出调制光信号；光信号经挡风玻璃反射至光电探测器(3)，光电探测器(3)接收光信号后进行光电转换输出光电流至跨阻放大器(4)，跨阻放大器(4)对光电流进行跨阻放大为电压信号；参考信号模块(5)输出的参考信号和跨阻放大器(4)输出的电压信号通过混频器(6)进行混频，混频后的信号经过低通滤波器(7)滤掉高频信号，后经信号处理系统进行处理。
2.根据权利要求1所述的一种新型雨量传感系统，其特征是：驱动电路阵列(2)中的驱动电路的数量与光源阵列(1)中的光源数量一致；每个驱动电路的输出驱动信号以依次为：sin(ω1t)，sin(ω2t)，……，sin(ωnt)；光源阵列(1)用于测量风挡玻璃的不同位置的雨量时，光源阵列(1)中光源的位置和光源的发射角由测量点的位置和光电探测器(3)的位置决定。光源阵列(1)采用工作在近红外波段的激光二极管或者垂直腔面发射激光器，挡风玻璃上的设置多个均匀分布的测量点，光源阵列(1)中光源的数量决定了测量点的数量；光源阵列(1)中每个光源依次发出的光信号为Asin(ω1t)，Asin(ω2t)，……，Asin(ωnt)，这些近红外光信号入射到风挡玻璃内表面；近红外光信号经过反射后被光电探测器(3)接收到到的光信号为A1sin(ω1t)+A2sin(ω2t)+……+Ansin(ωnt)+Ib，Ib为光电探测器(3)接收到的环境光强。
3.根据权利要求1所述的一种新型雨量传感系统，其特征是：光电探测器(3)基于工作在近红外波段的光电二极管或雪崩光电二极管的任何一种；光电探测器(3)将接收到的近红外光转换为光电流信号，光电探测器(3)的输出连接跨阻放大器(4)的输入，跨阻放大器(4)将输入的光电流信号跨阻放大为电压信号；光电探测器(3)接收到到的光信号：A1sin(ω1t)+A2sin(ω2t)+……+Ansin(ωnt)+Ib，经过光电转换和放大为电压信号：K[A1sin(ω1t)+A2sin(ω2t)+……+Ansin(ωnt)+Ib]，K为比例系数。
4.根据权利要求1所述的一种新型雨量传感系统，其特征是：参考信号模块(5)输出用于扫频的正弦信号，扫频信号依次为sin(ω1t)，sin(ω2t)，……，sin(ωnt)；参考信号模块(5)输出的扫频信号和跨阻放大器(4)输出的电压信号输入至混频器(6)进行混频，混频后的信号分别为sin(ω1t)·K[A1sin(ω1t)+A2sin(ω2t)+……+Ansin(ωnt)+Ib]，sin(ω2t)·K[A1sin(ω1t)+A2sin(ω2t)+……+Ansin(ωnt)+Ib]，……，sin(ωnt)·K[A1sin(ω1t)+A2sin(ω2t)+……+Ansin(ωnt)+Ib]，即A1·K/2-A1·K·cos(2ω1t)/2+sin(ω1t)·K[A2sin(ω2t)+……+Ansin(ωnt)+Ib]，A2·K/2-A2·K·cos(2ω2t)/2+sin(ω2t)·K[A1sin(ω1t)+A3sin(ω3t)+……+Ansin(ωnt)+Ib]，……，An·K/2-An·K·cos(2ωnt)/2+sin(ωnt)·K[A1sin(ω1t)+A2sin(ω2t)+……+An-1sin(ωn-1t)+Ib]；之后混频后的信号被传输到低通滤波器(7)中进行处理。
5.根据权利要求1所述的一种新型雨量传感系统，其特征是：低通滤波器(7)的截至频率需要低于混频器(6)输出信号的频率，使得混频信号(6)输出后的混频信号经过低通滤波器(7)后输出为直流信号，不含交流分量；混频器(6)输出的混频信号：A1·K/2-A1·K·cos(2ω1t)/2+sin(ω1t)·K[A2sin(ω2t)+……+Ansin(ωnt)+Ib]，A2·K/2-A2·K·cos(2ω2t)/2+sin(ω2t)·K[A1sin(ω1t)+A3sin(ω3t)+……+Ansin(ωnt)+Ib]，……，An·K/2-An·K·cos(2ωnt)/2+sin(ωnt)·K[A1sin(ω1t)+A2sin(ω2t)+……+An-1sin(ωn-1t)+Ib]，经过低通滤波器处理(7)后变为A1·K/2，A2·K/2，……，An·K/2的直流电压信号，光电探测器(3)接收到的环境光强Ib经过混频器(7)和低通滤波器(6)处理被滤除掉，系统不受环境光强变化的影响，能够实现全天候和环境光突变情况下的雨量检测。
6.根据权利要求1所述的一种新型雨量传感系统，其特征是：信号处理模块(8)将低通滤波器(7)输出的直流电压信号进行处理并转换成光电探测器(3)接收到的光强信号的振幅：A1，A2，……，An；如果风挡玻璃外表面没有雨滴处于干燥的状态，则几乎全部的近红外光信号被反射，如果风挡玻璃外表面有雨滴，反射回来的近红外光信号幅度将会减少，信号处理模块(8)计算光源阵列(1)输出光强信号的振幅A与光电探测器(3)接收到的光强信号的振幅：A1，A2，……，An的差值，得到的差值ΔA1＝A-A1，ΔA2＝A-A2，……，ΔAn＝A-An用来表征风挡玻璃不同位置上的雨量大小。
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