CN202814847U

CN202814847U - 一种雨滴参数的测量装置

Info

Publication number: CN202814847U
Application number: CN 201220197483
Authority: CN
Inventors: 凌进中; 王文娜; 韩朝霞; 黄元申; 张大伟; 庄松林
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-05-02
Filing date: 2012-05-02
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2022-05-02

Abstract

本实用新型公开了一种雨滴参数的测量装置，包括：激光器、准直扩束透镜组、分束镜、至少一个反射镜、测量空间、光电探测器、数据采集卡和计算机；激光器依次经过准直扩束镜和分束镜，形成两束宽光束，再由反射镜折转后在测量空间形成干涉条纹。当雨滴经过测量区域时对光线散射，一部分散射光被汇聚透镜收集，照在PIN光电二极管上，再由数据采集卡将光电二极管的电流信号采集、A/D转换并送入计算机中，由计算机进行数据处理和结果分析。本实用新型能够实时、准确地测量雨滴的降落速度、雨滴的直径、降水动能的气象参数。

Description

一种雨滴参数的测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种雨滴参数的测量装置，具体涉及到以多普勒频移效应为基础的雨滴下落速度的测量方法，可应用于气象监测、环境监测和农业监测等技术领域。

背景技术

传统的降水测量装置为翻斗式雨量筒和称重式雨量筒，这类机械装置能够测量较长时间段内的降水量，但是无法实时监测降水量的大小，无法测量降水颗粒的直径、速度等天气参数，因此该类装置已经无法满足当前气象监测的需求。

随着光电检测技术和的激光测量技术的不断进步，新的光学雨量传感器也不断问世，如OTT公司的Parsivel光学降水量传感器，根据降水颗粒对光路的遮挡来测量降水颗粒的直径和降落速度。然而该仪器价格昂贵，数据处理复杂，并且无法区分雨滴重叠情况。

上述测量装置是基于雨滴对平行光束的遮挡作用，其使用范围受限由雨滴尺寸，当雨滴直径小于0.1mm时，遮挡效应不再明显，衍射现象明显，无法由光线遮挡的方法来测量雨滴直径。

因此，新的雨滴测量装置亟需提出。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种雨滴参数的测量装置，本实用新型旨在提出一种更加准确、更加快捷、更易实现、更低成本的雨滴速度等参数的测量方法。不同于现有产品和相关技术，本实用新型使用雨滴的多普勒效应来检测雨滴的降落速度，进而根据经验公式计算雨滴直径、降水动能等气象参数。

本实用新型所需要解决的技术问题，可以通过以下技术方案来实现：

一种雨滴参数的测量装置，包括：激光器、准直扩束透镜组、分束镜、至少一个反射镜、测量空间、汇聚透镜、光电探测器、数据采集卡和计算机；其中，所述激光器射出光束；所述准直扩束透镜组将所述激光器射出的所述光束变成平行宽光束；所述分束镜将所述准直扩束透镜组发出的所述平行宽光束分为等强度两束光路；至少一个所述反射镜将所述分束镜分出的所述两束光路反射至所述测量空间，并在测量空间交汇，形成干涉场和干涉条纹；所述测量空间为雨滴降落过程中经过的区域，所述雨滴经过所述两束光路的干涉区域切割所述干涉条纹，对光线散射，所述散射光线的光强受到干涉场光强分布的调制，所述雨滴的速度与所述散射光线的电流变化正相关；所述汇聚透镜收集所述散射光线，照在所述光电探测器上；所述光电探测器采集所述测量空间内的所述散射光线，探测所述雨滴的散射光线光强的电流信号，并将所述电流信号输入到所述数据采集卡；所述数据采集卡采集所述散射光线的电流信号，并将所述电流信号进行模数转换，成为数字信号，再经过数字信号放大以及噪声滤除，然后传入计算机；以及所述计算机计算出气象参数。

进一步，本实用新型的雨滴参数的测量装置还可以具有这样的特征：其中，所述激光器为He-Ne激光器，射出高斯光束。

进一步，本实用新型的雨滴参数的测量装置还可以具有这样的特征：其中，所述反射镜为两个，两个所述反射镜分别将所述分束镜分出的所述两束光路反射至所述测量空间，并所述测量空间交汇，形成干涉场和干涉条纹。

进一步，本实用新型的雨滴参数的测量装置还可以具有这样的特征：其中，所述干涉条纹成水平分布。

进一步，本实用新型的雨滴参数的测量装置还可以具有这样的特征：所述汇聚透镜设置于所述测量空间与所述光电探测器之间，提高所述光电探测器采集所述测量空间内的所述散射光线的效率。汇聚透镜有利于微弱的散射光探测。

进一步，本实用新型的雨滴参数的测量装置还可以具有这样的特征：所述光电探测器采用PIN光电二极管。

进一步，本实用新型的雨滴参数的测量装置还可以具有这样的特征：其中，所述气象参数为雨滴的速度、雨滴直径和降水动能。本实用新型的有益效果：本实用新型采用多普勒测速原理，能够实时、准确地测量雨滴的降落

速度，并且能够识别雨滴的个数，从而能够根据经验公式计算出雨滴的直径、统计出单位时间的降水量、提供其他气象参数，如降水动能等。

附图说明

图1为基于多普勒效应的雨滴降落速度测量光路示意图。图2为单个雨滴经过干涉条纹区域时散射光电流信号。附图标记：

1．激光器，2．准直扩束透镜组，3．分束镜，4．反射镜，5．反射镜，6.测量空间，7.汇聚透镜，8.PIN光电二极管，9.数据采集卡，10.计算机。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本实用新型作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本实用新型而非用于限定本实用新型的范围。

实施例

图1为基于多普勒效应的雨滴降落速度测量光路示意图，如图1所示，一种雨滴参数的测量装置，包括：

激光器1、准直扩束透镜组2、分束镜3、反射镜4、反射镜5、测量空间6、汇聚透镜7、PIN光电二极管8、数据采集卡9和计算机10；

激光器1为HeNe激光器，射出高斯光束，经过准直扩束透镜组2变成平行宽光束，平行宽光束再由分束镜3分成等强度两束光路。

如图1所示，一束光路由反射镜4反射，另一束光路由反射镜5反射，两路反射光在测量区域6交汇，发生干涉，形成干涉场和干涉条纹，干涉条纹成水平分布。

测量区域6为雨滴降落过程中经过的区域，雨滴经过测量区域6时，切割干涉条纹，对光线散射，散射光线的光强受到干涉场光强分布的调制，即散射的光强信号受到干涉条纹的调制，另外散射光由于多普勒效应产生频移。雨滴的速度与所述散射光线的电流变化正相关。

图2.单个雨滴经过干涉条纹区域时散射光电流信号。如图2所示，单颗雨滴经过干涉区域时散射光的强度变化曲线，干涉区域的光强轮廓为高斯分布，并且受到干涉条纹的调制。雨滴的降落速度可由其切割干涉条纹的频率来计算获得。

两束平行光在交汇的区域产生干涉直条纹，其条纹间距为：

其中λ为激光器的出射光波长；

为两束平行光的夹角之半。当雨滴以速度u垂直经过这些明暗相间的干涉条纹时，雨滴上各位置散射的光强也不同，位于明条纹的微粒散射出的光强较强，而暗条纹散射较弱，因此光电二极管探测到的光强信号也是呈周期变化，其变化频率为：

激光器的出射光束一般为高斯光束，即其光强分布为高斯分布：

I(r)=I₀exp[-(2r/ω₀)²].....................(3)

其中I₀为高斯光束的中心光强；ω₀为高斯光束的束腰半径；r为到中心点的距离。因此单一微粒垂直通过干涉条纹时的散射光强信号I_a为：

其中A为光强信号的振幅系数，由散射系数和激光器输出光强决定；t₀为粒子到达测量区域中心的时间，τ₀为粒子穿过测量区域的总时间。当非等强两束高斯光束干涉时，暗条纹处的光强不为零，有一呈高斯型分布的背景光强I_d，因此实际测量到的光强信号I为：

其中i_a为信号光强系数，而i_d为背景光强系数。由此可以看出，光电探测器接收到的散射光强信号的幅值由激光器的输出功率、高斯光斑束腰、粒子散射系数等因素决定，而散射光强信号的频率仅由粒子的运动速度决定。分析测量信号的频率信息，就能计算出粒子的运动速度。

如图1所示，一部分散射光线被汇聚透镜7收集，照在PIN光电二极管8上，汇聚透镜7能够提高PIN光电二极管8的集光效率，有利于微弱的散射光探测。

光电二极管8将散射光线的光强的变化信号转化为电流信号，由数据采集卡9完成数据采集，将散射光线的电流信号(模拟信号)进行模数转换，转化成数字信号，再经过数字信号放大以及噪声滤除，然后送入计算机10中。

计算机10内置编好的程序进行数据处理，得出雨滴的速度信息，进而计算出雨滴的直径大小，降水动能等气象参数。

最后将将雨量、雨滴直径分布等天气参数实时显示在显示器上。以上对本实用新型的具体实施方式进行了说明，但本实用新型并不以此为限，只要不脱离本实用新型的宗旨，本实用新型还可以有各种变化。

Claims

1.一种雨滴参数的测量装置，其特征在于，包括：

激光器、准直扩束透镜组、分束镜、至少一个反射镜、测量空间、汇聚透镜、光电探测器、数据采集卡和计算机；

其中，所述激光器射出光束；

所述准直扩束透镜组将所述激光器射出的所述光束变成平行宽光束；

所述分束镜将所述准直扩束透镜组发出的所述平行宽光束分为等强度两束光路；

至少一个所述反射镜将所述分束镜分出的所述两束光路反射至所述测量空间，并在测量空间交汇，形成干涉场和干涉条纹；

所述测量空间为雨滴降落过程中经过的区域，所述雨滴经过所述两束光路的干涉区域切割所述干涉条纹，对光线散射，所述散射光线的光强受到干涉场光强分布的调制，所述雨滴的速度与所述散射光线的电流变化正相关；

所述汇聚透镜收集所述散射光线，照在所述光电探测器上；

所述光电探测器采集所述测量空间内的所述散射光线，探测所述雨滴的散射光线光强的电流信号，并将所述电流信号输入到所述数据采集卡；

所述数据采集卡采集所述散射光线的电流信号，并将所述电流信号进行模数转换，成为数字信号，再经过数字信号放大以及噪声滤除，然后传入计算机；以及

所述计算机计算出气象参数。

2.根据权利要求1所述的雨滴参数的测量装置，其特征在于：

其中，所述反射镜为两个，两个所述反射镜分别将所述分束镜分出的所述两束光路反射至所述测量空间，并所述测量空间交汇，形成干涉场和干涉条纹。

3.根据权利要求2所述的雨滴参数的测量装置，其特征在于：

其中，所述干涉条纹成水平分布。

4.根据权利要求1所述的雨滴参数的测量装置，其特征在于：

所述汇聚透镜设置于所述测量空间与所述光电探测器之间，提高所述光电探测器采集所述测量空间内的所述散射光线的效率。

5.根据权利要求4所述的雨滴参数的测量装置，其特征在于：所述光电探测器采用PIN光电二极管。

6.根据权利要求1所述的雨滴参数的测量装置，其特征在于：

其中，所述气象参数为雨滴的速度、雨滴直径和降水动能。