CN205229461U - 激光雨雪粒子成像探测仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型激光雨雪粒子成像探测仪，公开了一种激光雨雪粒子成像探测仪系统，其技术要点是：使用衍射光学元件将激光器发射光束整形为光强分布均匀的平顶光束，因而照射到阵列光电探测器的各个单元上的光强分布均匀，阵列光电探测器各单元输出信号电压相同，因此当粒子穿过光束，经显微光学系统成像到阵列光电探测器上之后，判断各单元是否被覆盖的阀值相同。所以信号放大电路对光电探测器各单元的放大增益相同，因此可以使用串行阵列光电探测器。采用这样的系统，只需一路信号放大电路、一路信号比较判断电路和一路信号处理模块就可以完成，降低了系统对模拟电路和数字信号处理电路的要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及气象监测技术领域，具体的讲是激光雨雪粒子成像探测仪。
背景技术
降水是大气水循环的主要环节，反映了地球大气的动力、热力、水汽等多种要素的相互作用。其中，雨滴是降水粒子的最主要形式，雨滴在空气中受重力作用的降落过程中，由于受到表面张力、空气动力、内部压力、湍流等多种力的相互作用，其尺度、形状、速度、轴比、摆动和空间取向及其谱分布等微物理性质呈现不同的特征。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。
目前国际上能够实现降水粒子形状显示即成像的地面气象监测仪器仅有两种仪器，分别是采用高速线阵扫描模式的2D视频雨滴谱仪(2D-VIDEO-DISTROMETER，2DVD)和采用并行阵列探测模式的气象粒子谱仪(MeteorologicalParticleSpectrometer，MPS)。2D视频雨滴谱仪由奥地利JoanneumResearch公司开发，系统是通过两个正交的摄像头对运动物体进行线形扫描，以定性定量记录降水过程、监测降雨详细情况的精密仪器，可测定降水总量、大小、强度、雨滴运动速度、雨滴大小、形状及雨滴分布等。2DVD由室外传感器单元、室外电子单元和室内用户终端三个部件组成，重量约80kg。气象粒子谱仪由美国DropletMeasurementTechnology公司开发，该公司将其机载降水粒子成像仪(CloudImageProbe，CIP)工作原理应用于地面降水粒子探测，系统可实现降水粒子形状、大小、下降速度的直接测量，通过后处理得到降水强度等结果，通过图像分辨是雨滴还是固态降水。由于MPS技术方案来源于CIP，因此系统与CIP一样采用柱面镜压缩激光束一个方向的发散角形成条带光斑照射，信号探测采用的是64单元并行光电探测器。
以上两种探测仪中，2DVD存在如下问题：首先降水粒子穿过上下2个光束的时间不匹配，会导致速度计算误差；当有水平风存在时，粒子穿过测量区域会发生水平位移，从而导致粒子图像的变形；且2DVD围栏的形状也会导致有风条件下小粒子的数量误差。其次2DVD的扫描探测方式导致后处理方式复杂，电子电路单元过于庞大，系统体积大。MPS存在如下问题：采用柱面镜压缩激光束的方式可以充分利用激光能量，但是不能解决高斯光束光强分布不均匀的问题，照射在每个探测器单元上的光束强度不一，使得每一单元的信号放大电路增益不一致，调试麻烦。另外并行光电探测器适用于探测高速运动目标，对于低速的地面降水粒子探测不是最优选择，由于并行探测器的每一个单元需单独的放大电路、采集电路等后续处理电路，结构复杂，调试难度大。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题，就是提供一种激光雨雪粒子成像探测仪,采用串行阵列光电探测器，降低系统对模拟电路和数字信号处理电路的要求。
本实用新型为解决以上问题提供的技术方案是，激光雨雪粒子成像探测仪，包括激光器驱动电路、激光发射器、光学镜片、衍射光学元件、一号反射镜、二号反射镜、显微成像光学模块、阵列光电探测器、信号放大电路、信号比较判断电路和信号处理模块，其中所述激光器驱动电路控制激光发射器发射激光，激光经过光学镜片扩束准直后被衍射光学元件整形为光强均匀的平顶光束，平顶光束照射到一号反射镜经反射水平照射到二号反射镜，二号反射镜将平顶光束再次反射后传递至显微成像光学模块，被光束穿过的粒子由显微成像光学模块成像到阵列光电探测器，阵列光电探测器为一维线性串行阵列光电探测器，输出信号经过信号放大电路放大后进入信号比较判断电路判断阵列光电探测器中光束图像是否存在被粒子遮挡，所述信号比较判断电路将判断后的信息传递至信号处理模块。使用衍射光学元件将激光器发射光束整形为光强分布均匀的平顶光束，因而照射到阵列光电探测器的各个单元上的光强分布均匀，阵列光电探测器各单元输出信号电压一致，所述信号比较判断电路各单元是否被粒子阴影覆盖的标准相同，信号放大电路对阵列光电探测器各单元的放大电路增益倍数相同，信号比较判断电路判断电路阈值相同。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，后处理只需一路信号放大电路、一路信号比较判断电路和一路信号处理模块就可以完成，降低了系统对模拟电路和数字信号处理电路的要求。
进一步的，信号处理模块与外围信息模块连接。外围信息模块包括温度和湿度检测器、GPS定位器、电子罗盘和陀螺仪，分别用于获取激光雨雪粒子成像探测仪所处的环境温度数据、湿度数据、地理位置信息、激光雨雪粒子成像探测仪姿态信息。
进一步的，激光发射器输出单模红色可见光波长激光。
进一步的，光学镜片为扩束准直镜片，通过扩束增加光束束腰半径，通过准直压缩减小光束的发散角。
进一步的，信号处理模块包含有数据通讯单元，可通过3G、4G和WIFI等无线传输途径将激光雨雪粒子成像探测仪探测结果传输至数据终端。
本实用新型的有益效果是，通过使用衍射光学元件激光器发射光束整形为光强分布均匀的平顶光束，从而只需一路信号放大电路、一路信号比较判断电路和一路信号处理模块就可以完成，降低了系统对模拟电路和数字信号处理电路的要求。
下面结合附图对本实用新型进一步说明，以使本领域技术人员能够实现本实用新型。
附图说明
图1为激光雨雪粒子成像探测仪结构示意图；
图中标记：1为激光器驱动电路、2为激光发射器、3为光学镜片、4为衍射光学元件、5为一号反射镜、6为二号反射镜、7为显微成像光学模块、8为阵列光电探测器、9为信号放大电路、10为信号比较判断电路、11为信号处理模块、12为外围信息模块。
具体实施方式
本实用新型测量雨雪粒子的原理是：基于单粒子计数的基本原则，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。当探测区域无粒子通过时，光源始终均匀照射在探测器阵列上。当被测粒子通过探测区域时，经由显微成像光学模块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粒子的一个影像切片并被存储，这样当粒子通过采样区时，将会按照时间顺序依次存储各个影像切片，将此影像切片根据粒子下落速度抽样组合便可以得到完整的粒子二维图像。每个探测器单元有一定的尺度，正比于一定的粒子尺寸，单个粒子所有影像切片组合的最大值即对应粒子的直径。
如图1所示，激光雨雪粒子成像探测仪结构示意图，包括激光器驱动电路1、激光发射器2、光学镜片3、衍射光学元件4、一号反射镜5、二号反射镜6、显微成像光学模块7、阵列光电探测器8、信号放大电路9、信号比较判断电路10、信号处理模块11和外围信息模块12。其中所述激光器驱动电路1控制激光发射器2发射激光，激光经过光学镜片3扩束准直后被衍射光学元件4整形为光强均匀的平顶光束，平顶光束照射到一号反射镜5经反射水平照射到二号反射镜6，二号反射镜6将平顶光束再次反射后传递至显微成像光学模块7，被光束穿过的粒子由显微成像光学模块7成像到阵列光电探测器8，阵列光电探测器8输出信号经过信号放大电路9放大后进入信号比较判断电路10判断阵列光电探测器8中光束图像是否存在被粒子遮挡，信号比较判断电路10将判断后的信息传递至信号处理模块11。信号处理模块11与外围信息模块12连接，外围信息模块12包括温度和湿度检测器、GPS定位器、电子罗盘和陀螺仪，分别用于获取激光雨雪粒子成像探测仪所处的环境温度数据、湿度数据、地理位置信息、激光雨雪粒子成像探测仪姿态信息。
激光器驱动电路1驱动激光发射器2输出合适功率的激光，激光器输出功率mW量级。激光发射器2带尾纤输出激光，激光为红色可见光波长，单横模输出。激光发射器2输出激光经准直扩束光学镜片3准直后发散角和光斑大小满足衍射光学元件4输入要求。衍射光学元件4将准直光束整形为强度分布均匀的光束发射出去。
根据雨雪粒子的大小、像放大倍率及探测仪结构尺寸的要求，设计一号反射镜5和二号反射镜6形成180°转折光路以缩短系统总长，两个反射镜之间的区域为雨雪粒子探测的采样区。采样区长度根据自然界雨滴的密度分布设计，保证采集足够的样本数量。然后通过调节显微成像光学模块7放大倍率，使雨雪粒子放大后成像在阵列光电探测器8上，且像斑清晰。阵列光电探测器8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，一次全部单元信号串行输出时间为微秒级。显微成像光学模块7的放大倍数由单元探测器的宽度和探测仪分辨率决定，如单元探测器的宽度为300μm，对应探测最小直径为100μm的雨雪粒子，则显微成像光学模块7的放大倍数调节为3倍。
为了消除从采样区边缘通过的粒子的影响，阵列光电探测器8的第1个和最后一个探测单元不用于计算粒子的大小，其余为有效探测单元。探测粒子的分辨率与有效单元数目的乘积就是探测仪的最大量程。阵列光电探测器8每个探测单元有一定的尺度，通过计算被阴影遮挡的单元个数可得到粒子的尺寸大小，探测单元被遮挡与否的量化标准设定为其面积被遮挡的50％，等于或高于此标准即认为被遮挡。无雨雪粒子通过采样区时，激光一直照射在阵列光电探测器8上，各探测单元输出相同幅度的信号。当雨雪粒子穿过光束采样区时，由于遮挡了部分光束，探测器各单元将根据遮挡情况输出不同幅度的信号，各单元组合得到的信号波形与粒子的大小相关。
阵列光电探测器8输出信号经放大电路9放大后送入信号比较判断电路10，信号比较判断电路10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11采集并进一步处理，信号处理模块11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11对采集的信号进行相应计算，计算出粒子的大小，并将不同大小的粒子归入不同粒子尺度通道中，同时将各个时刻的信号按照粒子下落速度抽样组合得到粒子的二维图像信息，并根据粒子谱分布测定降水总量、大小、强度、雨雪粒子运动速度、大小、形状及分布等。信号处理模块11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。
以上技术方案可以实现一种信号处理方便的激光雨雪成像探测仪，可适用于气象监测、气象雷达分析校准、大气物理学研究及交通控制、机场观测、水文地理学等应用领域。
Claims (5)
1.激光雨雪粒子成像探测仪，包括激光器驱动电路(1)、激光发射器(2)、光学镜片(3)、衍射光学元件(4)、一号反射镜(5)、二号反射镜(6)、显微成像光学模块(7)、阵列光电探测器(8)、信号放大电路(9)、信号比较判断电路(10)和信号处理模块(11)，其特征在于：所述激光器驱动电路(1)控制激光发射器(2)发射激光，激光经过光学镜片(3)扩束准直后被衍射光学元件(4)整形为光强均匀的平顶光束，所述平顶光束照射到一号反射镜(5)经反射后水平照射到二号反射镜(6)，所述二号反射镜(6)将平顶光束再次反射后传递至显微成像光学模块(7)，被光束穿过的粒子由显微成像光学模块(7)成像到阵列光电探测器(8)，所述阵列光电探测器(8)为一维线性串行阵列光电探测器，输出信号经过信号放大电路(9)放大后进入信号比较判断电路(10)判断阵列光电探测器(8)中光束图像是否存在被粒子遮挡，所述信号比较判断电路(10)将判断后的信息传递至信号处理模块(11)，所述阵列光电探测器(8)各单元输出信号电压相同，所述信号放大电路(9)对阵列光电探测器(8)各单元输出信号的放大增益相同，所述信号比较判断电路(10)判断阵列光电探测器(8)各单元是否被粒子覆盖使用的阈值相同。
2.根据权利要求1所述的激光雨雪粒子成像探测仪，其特征在于：所述信号处理模块(11)与外围信息模块(12)连接，所述外围信息模块(12)包括温度和湿度检测器、GPS定位器、电子罗盘和陀螺仪，分别用于获取激光雨雪粒子成像探测仪所处的环境温度数据、湿度数据、地理位置信息、激光雨雪粒子成像探测仪姿态信息。
3.根据权利要求1所述的激光雨雪粒子成像探测仪，其特征在于：所述激光发射器(2)输出单模红色可见光波长激光。
4.根据权利要求1所述的激光雨雪粒子成像探测仪，其特征在于：所述光学镜片(3)为扩束准直镜片。
5.根据权利要求1所述的激光雨雪粒子成像探测仪，其特征在于：所述信号处理模块(11)包含有数据通讯单元，可通过3G、4G和WIFI传输激光雨雪粒子成像探测仪探测结果。
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| CN105572688A (zh) * | 2015-12-24 | 2016-05-11 | 成都上甲光电科技有限公司 | 激光雨雪粒子成像探测仪 |
| WO2018076513A1 (zh) * | 2016-10-24 | 2018-05-03 | 深圳市元征科技股份有限公司 | 一种雨量探测方法及装置 |
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2015
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