CN203745670U - 雨滴三维尺度检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种雨滴三维尺度检测装置，属于气象观测技术领域。该雨滴三维尺度检测装置，包括激光器Ⅰ、光束整形系统Ⅰ、下层检测区、线阵光电探测器Ⅰ、激光器Ⅱ、光束整形系统Ⅱ、线阵光电探测器Ⅱ、激光器Ⅲ、光束整形系统Ⅲ、上层检测区和线阵光电探测器Ⅲ。该装置采用三维方向上高速线阵扫描的方法提高雨滴尺度采样精度和分辨率，增加毛毛雨等微小降水粒子的识别率，同时，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，误差较小。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种雨滴三维尺度检测装置，属于气象观测技术领域。
背景技术
传统测量雨滴直径的方法有滤纸色斑法，高速摄影法，雷达观测法，激光全息摄影法，光学雨量计法，面粉团法等。工作量大，劳动强度高，无法自动完成自动分类统计测量工作，不适合对大量数据分析寻找规律。传统的雨量计有翻斗式雨量计，虹吸式雨量计，称重式雨量计等，虽然结构原理简单，但无法获得雨滴的粒径大小、雨滴降落速度，不能准确反映降雨的起、止时间和获取瞬间降雨强度信息。
现有遮挡式光学雨量计在产品结构上多采用一维或二维检测，一维遮挡式光学雨量计采样区间面积较小，只能实测降水粒子的一维横向粒子尺度，然后根据静风状态下粒子竖轴对称假设（粒子较小时假设为球体，粒子较大时假设为横长椭球或下扁平圆型馒头状等）建立降水粒子横向尺度与粒子体积间换算的数学模型，计算降水粒子的有效粒径和体积，这种方式存在的主要问题是由于一维尺度检测，且探测器像元数较少，造成实测信息量少。而轴对称计算模型在有风条件下与实际情况偏差较大，容易造成雨量计算误差。而且采用光学遮挡法检测下落雨滴体积时需要知道雨滴的直径，通常情况下下落雨滴体积的计算会采用实际扫描到的最长线作为实际雨滴的等效直径，但是由于受线阵光电探测器采集行频的限制，特别是当雨滴尺寸很小时，很难采集到等于雨滴直径的最长线，造成误差；如果在采集时因某种原因出现漏采，也会造成无法弥补的较大误差。当下落雨滴为椭球时，椭球的体积计算需要知道椭球的三个轴长，传统一维或二维检测无法满足，而且数据处理相对复杂，影响处理速度。当雨滴直径较大时，雨滴由于在垂直方向、迎风方向都受到力的作用，形状趋于不规则，因此采用传统一维或二维检测均无法较为准确反应雨滴的信息。另外，一维和二维检测存在雨滴粒子间相互遮挡，现有检测方式难以进一步提高检测精度。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本实用新型提供一种雨滴三维尺度检测装置。该装置采用高速线阵扫描的方法提高采样精度和分辨率，增加毛毛雨等微小粒子的识别率，同时，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，通过该方法计算得到的雨滴体积误差较小，本实用新型通过以下技术方案实现。
一般而言，当雨滴较小时（如等效粒径小于1mm），表面张力占主导地位，此时的雨滴在表面张力的作用下，形状为球形；当雨滴较大时，受空气阻力作用，雨滴形状略微变扁，为椭球形；当雨滴尺寸进一步增大时，静水压强和空气动压强的数值逐渐增大，成为主要控制因素，并且可发现，空气动压强的增长速率要快于静水压强的增长速率，此时雨滴的形状不再是球形，雨滴底部受气流压迫，变为“馒头”形状；当雨滴再进一步变大时，在驻点处，很可能会使曲率变成负值，表面向里凹陷，最终很可能贯穿雨滴，这时较大的雨滴就会破裂成许多小雨滴。
一种雨滴三维尺度检测装置，包括激光器Ⅰ1、光束整形系统Ⅰ2、下层检测区3、线阵光电探测器Ⅰ4、激光器Ⅱ5、光束整形系统Ⅱ6、线阵光电探测器Ⅱ7、激光器Ⅲ8、激光光束整形系统Ⅲ9、上层检测区10和线阵光电探测器Ⅲ11，所述激光器Ⅰ1发出的发散光经光束整形系统Ⅰ2后变换为与xy平面平行并沿x方向传播、在y方向有宽度、在垂直方向的厚度小于1mm的平行片光光束，并照射在线阵光电探测器Ⅰ4上，激光器Ⅱ5发出的发散光经光束整形系统Ⅱ6后变换为与xy平面平行、并沿y方向传播、在x方向具有宽度、在垂直方向的厚度小于1mm的平行片光光束，并照射在线阵光电探测器Ⅱ7上，沿x方向传播的平行片光光束与沿y方向传播的平行片光光束垂直交叉重合部分构成下层检测区3，当有降水粒子至上落下穿过检测区3时，会对x、y两个方向的平行片光光束产生遮挡形成阴影，使得入射到探测器的平行片光光束的强度发生改变，线阵光电探测器Ⅰ4、Ⅱ7可以根据阴影部分平行片光光束强度的变化，得到该方向上下落雨滴的尺度基本形态信息，该二维光路用于降水粒子水平两个方向的尺度大小检测，激光器Ⅲ8位于激光器Ⅰ1正上端，激光器Ⅲ8发出的发散光经光束整形系统Ⅲ9后变换为与xy平面平行、并沿x方向传播、在y方向有宽度、在垂直方向的厚度小于1mm的平行片光光束，并照射在线阵光电探测器Ⅲ11上，该平行片光光束构成上层检测区10，该光路与下层y方向光路用于测量雨滴落速和粒子铅直方向的尺度大小。
所述线阵光电探测器Ⅰ4、线阵光电探测器Ⅱ7、线阵光电探测器Ⅲ11包括具有4096象元数、7μm*7μm象元尺度、24KHz采集行频的线阵CCD。
该利用上述的雨滴三维尺度检测装置计算雨滴体积的方法，该方法为：将雨滴按照其等效尺度大小建模，当雨滴等效尺度小于3mm时将雨滴建模为椭球形；当雨滴等效尺度大于或等于3mm时将雨滴建模为馒头形；
（1）当雨滴建模为椭球形时，对该椭球形模拟建立分别平行于x轴、y轴、z轴的近似轴长 、、，计算该椭球形雨滴体积的具体步骤如下：
步骤1：计算近似轴长，通过线阵光电探测器Ⅰ（4）采集到该椭球形在下层的椭圆形图形、组成该椭圆形的每一条弦的弦长（d1、d2、…、di…、dn）及相邻两条弦之间的间距（h1、h2、…、hi…、hm），按比例去除上下边缘误差较大的弦，随机选取三条弦长和三条弦间的两个间距，分别记为d1、d2、d3、h1、h2，然后按照方程组：
求得近似轴长，根据采集到雨滴的有效行数分别获得近似轴长、...、；
步骤2：计算近似轴长，通过线阵光电探测器Ⅱ（7）采集到该椭球形在xy面的椭圆形图形、组成该椭圆形的每一条弦的弦长（d1、d2、…、di…、dn）及相邻两条弦之间的间距（h1、h2、…、hi…、hm），按比例去除上下边缘误差较大的弦，随机选取三条弦长和三条弦间的两个间距，分别记为d1、d2、d3、h1、h2，然后按照方程组：
求得近似轴长，根据采集到雨滴的有效行数分别获得近似轴长、...、；
步骤3：计算近似轴长，通过线阵光电探测器Ⅰ（4）和线阵光电探测器Ⅲ（11）采集到同一雨滴的同一条弦的时间为和，求得时间差t，已知线阵光电探测器Ⅰ（4）和线阵光电探测器Ⅲ（11）位置之间的间距为、两个线阵光电探测器Ⅰ、Ⅲ（4、11）行频一定因此每次的采集时间为为定值、雨滴下落采集到的行数为，根据方程组、=/t计算出近似轴长，其中雨滴的落速；
步骤4：近似轴长、去除大偏差数值处理，将步骤（1）获得的、...、，步骤（2）获得的、...、计算出平均值和，当｜-︱<n时，=；当｜-︱<n时，=，再求出及的平均值、；
步骤5：根据公式 ，求得该椭球形雨滴的近似体积；
（2）当雨滴为馒头形时，由于在垂直方向受空气阻力等作用、在迎风方向受到风力的作用，综合作用的结果使得雨滴形状趋于不规则，同时雨滴尺度较大，在同样线阵探测器采集行频条件下，可采集到的数据足够多，因此采用三维体积积分的方法计算雨滴体积，由于采集到的图像是实际馒头形雨滴的倒像，但是该倒像最后一条采集弦底部缺失，该缺失的部分是雨滴的顶部，具体步骤如下：
步骤1：缺失部分按照圆锥体积计算，按照公式求出体积，其中为最后一条弦长的一半，为最后一条弦与倒数第二条弦之间的间距；
步骤2：其它扫描弦按照圆台体积计算，根据公式，
依次求得各对应体积，其中为弦长，为相邻弦长，为两条弦之间的间距，i为1、…、n-1；
步骤3：将步骤1得到的与步骤2得到的累加在一起，即为该馒头形雨滴的近似体积。
通过不同形状及直径的小球寻找该计算方法的最小误差，使该计算方法较为可靠：
（1）将实测直径为1.18mm的规则球体使用该装置对其三维数据进行检测，如图4及图5所示，10次采集数据计算得到的等效直径较为接近，偏差较小，在允许误差范围内；
（2）将实测直径为2.1835mm的小球（球的体积为43.58mm3）使用该装置对其三维数据进行检测，采集到的图像如图6和7所示，以下层检测区采集到的图像所示，线阵光电探测器Ⅰ4和线阵光电探测器Ⅱ7分别采集到其椭圆形的每一条弦长（d1、d2、…、di…、dn）及每条弦之间的间距（h1、h2、…、hi…、hm），由于采集到的弦在靠近上下边缘的位置较短，会增大计算误差，因此应将采集到的弦数据按不同比例去除上下边缘的弦，如图8所示，当去除比例达到35%时，等效直径最为接近实测直径，因此对后续雨滴进行计算时，应将采集到的弦数据以35%比例去除上下边缘的弦（即上边缘去除占总弦数17.5%比例弦，下边缘去除占总弦数17.5%比例弦，若去掉的占总弦数17.5%比例的弦不为整数时采用四舍五入凑成整数）；对保留下来的弦任意选取三条弦长和三条弦间的两个间距计算得到的近似轴长、，然后对、进行去除大偏差数值处理，即当｜-︱<n时，=；当｜-︱<n时，=，如图9所示，当=0.05时，近似轴长最接近真实值，因此对后续雨滴进行计算时，、大偏差数值处理过程中取为0.05；
本实用新型的有益效果是：（1）该装置采用高速线阵扫描的方法提高采样精度和分辨率，增加毛毛雨等微小粒子的识别率，同时，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；（2）通过该方法计算得到的雨滴体积误差较小。
附图说明
图1是本实用新型装置结构示意图；
图2是本实用新型下层检测区3示意图；
图3是本实用新型上层检测区10示意图；
图4是本实用新型直径为1.18mm的小球采集次数等效直径对比图；
图5是本实用新型直径为1.18mm的小球采集次数偏差对比图；
图6是本实用新型直径为2.1835mm的小球在下层检测区3上线阵光电探测器Ⅰ4采集图；
图7是本实用新型直径为2.1835mm的小球在下层检测区3上线阵光电探测器Ⅱ7采集图；
图8是本实用新型直径为2.1835mm的小球不同比例截去边缘线的等效直径对比图；
图9是本实用新型直径为2.1835mm的小球等效直径去大偏差数值对比图；
图10是本实用新型当雨滴等效尺度小于3mm时将雨滴建模为椭球形计算原理示意图；
图11是本实用新型馒头形物体采集图；
图12是本实用新型当雨滴等效尺度等于或大于3mm时将雨滴建模为馒头形原理示意图；
图13是本实用新型当雨滴等效尺度等于或大于3mm时将雨滴建模为馒头形计算原理示意图。
图1至3中：1-激光器Ⅰ，2-光束整形系统Ⅰ，3-下层检测区，4-线阵光电探测器Ⅰ，5-激光器Ⅱ，6-光束整形系统Ⅱ，7-线阵光电探测器Ⅱ，8-激光器Ⅲ，9-光束整形系统Ⅲ，10-上层检测区，11-线阵光电探测器Ⅲ；
图10中：当雨滴等效尺度小于3mm时将雨滴建模为椭球形，d1、d2、d3分别为该椭球形的三条弦的弦长，h1、h2为三条弦间的两个间距；
图12中：当雨滴等效尺度等于或大于3mm时将雨滴建模为馒头形，d1、d2为该馒头形相邻两条扫描弦的长度，h为相邻两条扫描弦的间距；
图13中：当雨滴等效尺度等于或大于3mm时将雨滴建模为馒头形，dn-1为该馒头形采集到的倒数第二条扫描弦的长度，dn为该馒头形采集到的最后一条扫描弦的长度，hn-1为倒数第二条扫描弦与最后一条扫描弦的间距。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型作进一步说明。
实施例1
如图1至13所示，该雨滴三维尺度检测装置，包括激光器Ⅰ1、光束整形系统Ⅰ2、下层检测区3、线阵光电探测器Ⅰ4、激光器Ⅱ5、光束整形系统Ⅱ6、线阵光电探测器Ⅱ7、激光器Ⅲ8、激光光束整形系统Ⅲ9、上层检测区10和线阵光电探测器Ⅲ11，所述激光器Ⅰ1发出的发散光经光束整形系统Ⅰ2后变换为与xy平面平行并沿x方向传播、在y方向有宽度、在垂直方向的厚度小于1mm的平行片光光束，并照射在线阵光电探测器Ⅰ4上，激光器Ⅱ5发出的发散光经光束整形系统Ⅱ6后变换为与xy平面平行、并沿y方向传播、在x方向具有宽度、在垂直方向的厚度小于1mm的平行片光光束，并照射在线阵光电探测器Ⅱ7上，沿x方向传播的平行片光光束与沿y方向传播的平行片光光束垂直交叉重合部分构成下层检测区3，当有降水粒子至上落下穿过检测区3时，会对x、y两个方向的平行片光光束产生遮挡形成阴影，使得入射到探测器的平行片光光束的强度发生改变，线阵光电探测器Ⅰ4、Ⅱ7可以根据阴影部分平行片光光束强度的变化，得到该方向上下落雨滴的尺度基本形态信息，该二维光路用于降水粒子水平两个方向的尺度大小检测，激光器Ⅲ8位于激光器Ⅰ1正上端，激光器Ⅲ8发出的发散光经光束整形系统Ⅲ9后变换为与xy平面平行、并沿x方向传播、在y方向有宽度、在垂直方向的厚度小于1mm的平行片光光束，并照射在线阵光电探测器Ⅲ11上，该平行片光光束构成上层检测区10，该光路与下层y方向光路用于测量雨滴落速和粒子铅直方向的尺度大小。
其中线阵光电探测器Ⅰ4、线阵光电探测器Ⅱ7、线阵光电探测器Ⅲ11包括具有4096象元数、7μm*7μm象元尺度、24KHz采集行频的线阵CCD。
Claims (2)
1.一种雨滴三维尺度检测装置，其特征在于：包括激光器Ⅰ（1）、光束整形系统Ⅰ（2）、下层检测区（3）、线阵光电探测器Ⅰ（4）、激光器Ⅱ（5）、光束整形系统Ⅱ（6）、线阵光电探测器Ⅱ（7）、激光器Ⅲ（8）、激光光束整形系统Ⅲ（9）、上层检测区（10）和线阵光电探测器Ⅲ（11），所述激光器Ⅰ（1）发出的发散光经光束整形系统Ⅰ（2）后变换为与xy平面平行并沿x方向传播、在y方向有宽度、在垂直方向的厚度小于1mm的平行片光光束，并照射在线阵光电探测器Ⅰ（4）上，激光器Ⅱ（5）发出的发散光经光束整形系统Ⅱ（6）后变换为与xy平面平行、并沿y方向传播、在x方向具有宽度、在垂直方向的厚度小于1mm的平行片光光束，并照射在线阵光电探测器Ⅱ（7）上，沿x方向传播的平行片光光束与沿y方向传播的平行片光光束垂直交叉重合部分构成下层检测区（3），激光器Ⅲ（8）位于激光器Ⅰ（1）正上端，激光器Ⅲ（8）发出的发散光经光束整形系统Ⅲ（9）后变换为与xy平面平行、并沿x方向传播、在y方向有宽度、在垂直方向的厚度小于1mm的平行片光光束，并照射在线阵光电探测器Ⅲ（11）上，该平行片光光束构成上层检测区（10）。
2.根据权利要求1所述的雨滴三维尺度检测装置，其特征在于：所述线阵光电探测器Ⅰ（4）、线阵光电探测器Ⅱ（7）、线阵光电探测器Ⅲ（11）包括具有4096象元数、7μm*7μm象元尺度、24KHz采集行频的线阵CCD。
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