JP2906081B2 - 光雨量計 - Google Patents
光雨量計Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は，自然界の雨滴の粒径の分布及び降雨量を計
測するための光雨量計に関する。
測するための光雨量計に関する。
［従来の技術］ 従来，大気中から地上に落下する雨の降雨量を測定す
る雨量計のうちで，個々の雨滴について，その径を測定
することができ，雨滴径分布を求めることのできる雨量
計として，例えば，雨滴によって生じる光のシンチレー
ションを用い光伝搬路上の平均降水量と粒径分布しを逆
算する光雨量計が知られている（村山信彦，“これから
の気象観測",p44,東京堂出版（1983年）参照）。この光
雨量計では，数mWのHe−Neレーザビームを遮って雨滴よ
って生じるシンチレーションパターンの落下速度を，光
風速計と同様の方法で求めている。
る雨量計のうちで，個々の雨滴について，その径を測定
することができ，雨滴径分布を求めることのできる雨量
計として，例えば，雨滴によって生じる光のシンチレー
ションを用い光伝搬路上の平均降水量と粒径分布しを逆
算する光雨量計が知られている（村山信彦，“これから
の気象観測",p44,東京堂出版（1983年）参照）。この光
雨量計では，数mWのHe−Neレーザビームを遮って雨滴よ
って生じるシンチレーションパターンの落下速度を，光
風速計と同様の方法で求めている。
上述の光雨量計では，地上付近の雨滴の大きさと終速
度の関係から，伝搬路上の平均降水量と粒径分布を逆算
することが可能である。また，雨滴による光強度変化か
ら同様に雨滴径を求めることが可能である。
度の関係から，伝搬路上の平均降水量と粒径分布を逆算
することが可能である。また，雨滴による光強度変化か
ら同様に雨滴径を求めることが可能である。
ところが，一般に，光強度変化で雨滴径を求める場合
には，アナログ量で計測しているから高精度の検出がで
きず，さらに，長期にわたる雨滴計測においては，シス
テム全体の安定性（アンプ等のゲインの変動を少なくす
る）が要求され，高価なシステムになる欠点がある。
には，アナログ量で計測しているから高精度の検出がで
きず，さらに，長期にわたる雨滴計測においては，シス
テム全体の安定性（アンプ等のゲインの変動を少なくす
る）が要求され，高価なシステムになる欠点がある。
上述の欠点を解消するための雨滴測定装置として，
特願平１−134544号明細書及び（平行光を用いる装置）
特願平１−139218号（収束光を用いる装置）明細書記
載の雨滴測定装置がある。これらの雨滴測定装置では，
雨滴に光を照射した時に，雨滴により散乱される反射光
と該雨滴を透過する屈折光との２つの輝点の間の距離を
検出して幾何工学的な計算により雨滴径を求めている。
特願平１−134544号明細書及び（平行光を用いる装置）
特願平１−139218号（収束光を用いる装置）明細書記
載の雨滴測定装置がある。これらの雨滴測定装置では，
雨滴に光を照射した時に，雨滴により散乱される反射光
と該雨滴を透過する屈折光との２つの輝点の間の距離を
検出して幾何工学的な計算により雨滴径を求めている。
ここで，第３図を参照して，上述の雨滴測定装置にお
ける検出方法について具体的に説明する。
ける検出方法について具体的に説明する。
この検出方法は，各液滴７に平行光線を照射すること
によって得られる反射光及び透過屈折光が夫々輝点とな
って液滴から出射することを利用したものである。ここ
で，各液滴７から得られる反射光及び透過屈折光の液滴
中心からの距離は夫々R1及びR2とすると，両輝点間の距
離は，R1及びR2とすると，両輝点間の距離は，R1＋R2と
なる。
によって得られる反射光及び透過屈折光が夫々輝点とな
って液滴から出射することを利用したものである。ここ
で，各液滴７から得られる反射光及び透過屈折光の液滴
中心からの距離は夫々R1及びR2とすると，両輝点間の距
離は，R1及びR2とすると，両輝点間の距離は，R1＋R2と
なる。
一方，両輝点位置は液滴の屈折率及び入射光の液滴に
対する入射角によって，一義的に定まるから，距離R1＋
R2から液滴の径を求めることができる。実際には，液滴
からの反射光及び透過屈折光は，光学結像系により拡大
されて，一次元センサに与えられる。
対する入射角によって，一義的に定まるから，距離R1＋
R2から液滴の径を求めることができる。実際には，液滴
からの反射光及び透過屈折光は，光学結像系により拡大
されて，一次元センサに与えられる。
一次元センサ上の反射光及び透過屈折光の２つの輝点
間の距離r1＋r2は，反射光及び透過屈折光の夫々の入射
角θ1，θ2及び光学結像系の倍率ｍとから得られ，液滴
の半径Ｒ（＝r/m）は，次式（１）により算出される。
間の距離r1＋r2は，反射光及び透過屈折光の夫々の入射
角θ1，θ2及び光学結像系の倍率ｍとから得られ，液滴
の半径Ｒ（＝r/m）は，次式（１）により算出される。
但し，θ1，θ2は， θ1＝（π−θ）/2 （２） θ2＝（θ＋２φ）/2 （３） より算出される。
（r1＋r2）は，一次元光センサからの信号で得られる
ので，真球とみなした時の雨滴の半径Ｒを（１）式から
求めることができる。また，個々の雨滴の半径Riが得ら
れれば，雨滴の全体の体積Ｖは， Ｖ＝（4/3）・πΣRi3 （５） として求めることができる。
ので，真球とみなした時の雨滴の半径Ｒを（１）式から
求めることができる。また，個々の雨滴の半径Riが得ら
れれば，雨滴の全体の体積Ｖは， Ｖ＝（4/3）・πΣRi3 （５） として求めることができる。
この上述の検出方法では，前述の光雨量計と異なり，
輝点間距離を求めている。つまり，散乱光量や光強度変
化というアナログ量を用いていないから，高精度な検出
が可能となる。
輝点間距離を求めている。つまり，散乱光量や光強度変
化というアナログ量を用いていないから，高精度な検出
が可能となる。
（発明が解決しようとする課題） しかし，上述の雨滴測定装置においては，光源として
平行光や収束光を用いる必要があるため，光源が大きく
なり，しいては装置全体が大型化し，かつ高価になる場
合がある。
平行光や収束光を用いる必要があるため，光源が大きく
なり，しいては装置全体が大型化し，かつ高価になる場
合がある。
［課題を解決するための手段］ 本発明によれば，落下する雨滴に光を照射する光発生
部と，該雨滴により散乱される反射光と該雨滴と透過す
る屈折光との２つの輝点間の距離を検出する検出部と，
該検出部により検出された輝点間の距離の値に基づい
て，雨滴径及び降雨量を演算する処理部とを有し，前記
光発生部は拡散光を発生することを特徴とする光雨量計
が得られる。
部と，該雨滴により散乱される反射光と該雨滴と透過す
る屈折光との２つの輝点間の距離を検出する検出部と，
該検出部により検出された輝点間の距離の値に基づい
て，雨滴径及び降雨量を演算する処理部とを有し，前記
光発生部は拡散光を発生することを特徴とする光雨量計
が得られる。
また，本発明によれば，前記検出部は，一次元光セン
サと，該一次元光センサと光軸を合わせて連結され，前
記輝点を所定の倍率をもって結像させる光学結像系とを
有し，前記光発生部は前記一次元光センサの光軸に対し
て互いに対称となる位置に配され，前記光軸に対して互
いに等しい角度で交差するような拡散光を発生する第１
及び第２の光源を有し，前記処理部は前記輝点の距離と
所定の倍率とに基づいて前記雨滴径及び降雨量を演算す
ることを特徴とする光雨量計が得られる。
サと，該一次元光センサと光軸を合わせて連結され，前
記輝点を所定の倍率をもって結像させる光学結像系とを
有し，前記光発生部は前記一次元光センサの光軸に対し
て互いに対称となる位置に配され，前記光軸に対して互
いに等しい角度で交差するような拡散光を発生する第１
及び第２の光源を有し，前記処理部は前記輝点の距離と
所定の倍率とに基づいて前記雨滴径及び降雨量を演算す
ることを特徴とする光雨量計が得られる。
更に，本発明によれば，拡散光を用いることによる光
量の低下をさけるように，光発生部は鉛直方向に延びる
光源を有することを特徴とする光雨量計が得られる。
量の低下をさけるように，光発生部は鉛直方向に延びる
光源を有することを特徴とする光雨量計が得られる。
更に，本発明によれば，前記一次元光センサの焦点面
近傍に雨滴を導く雨滴落下用穴を有することを特徴とす
る光雨量計が得られる。
近傍に雨滴を導く雨滴落下用穴を有することを特徴とす
る光雨量計が得られる。
［作用］ 本発明の雨滴粒径分布測定装置は，光発生部と，検出
部と，処理部とを有する。
部と，処理部とを有する。
光発生部は，落下する雨滴に光を照射する。
検出部は，この雨滴により散乱される反射光とこの雨
滴を透過する屈折光との２つの輝点間の距離を検出す
る。
滴を透過する屈折光との２つの輝点間の距離を検出す
る。
処理部は，検出部により検出された輝点間の距離の値
に基づいて雨滴径を演算する。
に基づいて雨滴径を演算する。
更に，前記検出部は，一次元光センサと，この一次元
光センサと光軸を合わせて連結され，前記輝点を所定の
倍率をもって結像させる光学結像系とを有する。
光センサと光軸を合わせて連結され，前記輝点を所定の
倍率をもって結像させる光学結像系とを有する。
また，前記光発生部は第１及び第２の光源を有しても
よく，この場合，第１及び第２の光源は，前記一次元光
センサの光軸に対して互いに対称となる位置に配され，
発生する光は，光軸に対して互いに等しい角度で交差す
るように拡散光を発生する。
よく，この場合，第１及び第２の光源は，前記一次元光
センサの光軸に対して互いに対称となる位置に配され，
発生する光は，光軸に対して互いに等しい角度で交差す
るように拡散光を発生する。
そして，処理部は前記所定の倍率と，前記輝点間の距
離の値とに基づいて雨滴径やその分布を演算処理する。
離の値とに基づいて雨滴径やその分布を演算処理する。
また，光発生部を鉛直方向に延びる光源とすれば，散
乱光量の低下をさけることができる。
乱光量の低下をさけることができる。
更に，一次元光センサの焦点面近傍に雨滴を導く雨滴
落下用穴を設ければ，散乱光の検出精度を増すことがで
きる。
落下用穴を設ければ，散乱光の検出精度を増すことがで
きる。
（実施例） 次に，第1,2,4,5,6図を参照して本発明の実施例につ
いて説明する。
いて説明する。
第１図に示す様に，拡散光として，第１の光源４及び
／または第２の光源５が，雨滴落下用穴６の鉛直方向下
部の水平面を照明している。各々の光源は，一次元光セ
ンサ２の光学結像系１の光軸に対し，θなる角度を成る
ように配置されている。上記の雨滴落下孔６は筐体（図
示せず）の上面に形成されている。つまり，雨滴落下孔
６は第１及び第２の光源４及び５と光学結像系１の光軸
とを含む平面の鉛直上方に設けられ，この形成位置は，
光学結像系１の焦点面に孔６の中心が位置するように設
定されている。このように雨滴落下孔６を形成すること
によって一次元光センサ２の焦点面近傍に雨滴を導くこ
とができる。
／または第２の光源５が，雨滴落下用穴６の鉛直方向下
部の水平面を照明している。各々の光源は，一次元光セ
ンサ２の光学結像系１の光軸に対し，θなる角度を成る
ように配置されている。上記の雨滴落下孔６は筐体（図
示せず）の上面に形成されている。つまり，雨滴落下孔
６は第１及び第２の光源４及び５と光学結像系１の光軸
とを含む平面の鉛直上方に設けられ，この形成位置は，
光学結像系１の焦点面に孔６の中心が位置するように設
定されている。このように雨滴落下孔６を形成すること
によって一次元光センサ２の焦点面近傍に雨滴を導くこ
とができる。
一次元光センサ２は，散乱光の強度を電気信号に変換
してデータ処理装置３に送る。データ処理装置３は後述
する算出方法で雨滴の径，体積，単位時間当たりの降雨
量等を計算して表示する。
してデータ処理装置３に送る。データ処理装置３は後述
する算出方法で雨滴の径，体積，単位時間当たりの降雨
量等を計算して表示する。
第２図に示す様に，拡散光としては，種々のものが使
用できる。第２図（ａ）では，光源の大きさ自体は小さ
いが，光源自体が拡がりを持つものであり，半導体レー
ザなどが適している。第２図（ｂ）では，小さなビーム
径の平行光を拡げるもので，平行光としては例えばHe−
Neレーザ光源やそれを光ファイバーに導いたものを用い
ることができる。また，ビームを拡げるのには，ロッド
レンズや，組み合わせレンズが用いられる。第２図
（ｃ）では通常の電球等の発光源をレンズを通してスリ
ット面に結像して拡散光としたものである。
用できる。第２図（ａ）では，光源の大きさ自体は小さ
いが，光源自体が拡がりを持つものであり，半導体レー
ザなどが適している。第２図（ｂ）では，小さなビーム
径の平行光を拡げるもので，平行光としては例えばHe−
Neレーザ光源やそれを光ファイバーに導いたものを用い
ることができる。また，ビームを拡げるのには，ロッド
レンズや，組み合わせレンズが用いられる。第２図
（ｃ）では通常の電球等の発光源をレンズを通してスリ
ット面に結像して拡散光としたものである。
ここで，第４図を参照して，雨滴７に入射するのは拡
散光であり，このため，前述の第３図の場合の２つの平
行光に対して角度α，βだけずれた光が入射するものと
する。第３図の場合と同様に，反射光，透過屈折光につ
いて考えると，幾何光学の関係により， θ3＝（π−θ−α）２ （６） θ4＝（２φ2＋θ＋β）/2 （７） ここで，液体の気体に対する相対屈折率をｎとすると， sinθ4/sinφ2＝ｎ （８） である。
散光であり，このため，前述の第３図の場合の２つの平
行光に対して角度α，βだけずれた光が入射するものと
する。第３図の場合と同様に，反射光，透過屈折光につ
いて考えると，幾何光学の関係により， θ3＝（π−θ−α）２ （６） θ4＝（２φ2＋θ＋β）/2 （７） ここで，液体の気体に対する相対屈折率をｎとすると， sinθ4/sinφ2＝ｎ （８） である。
前述した（２）式と（６）式，（３）式と（７）式と
を比較して明らかなように，第３図の平行光は，拡散光
の場合の（６）式，（７）式におけるα，βが０となる
特別な場合を示すことが理解でよう。
を比較して明らかなように，第３図の平行光は，拡散光
の場合の（６）式，（７）式におけるα，βが０となる
特別な場合を示すことが理解でよう。
さて，雨滴の径の算出は，前述したように雨滴からの
反射光，透過屈折光の形成する２つの輝点を，光学結像
系を用いて一次元光センサに結像させ，これら２つの輝
点を電気信号に変換して２つの輝点間の距離を算出する
ことにより行われる。
反射光，透過屈折光の形成する２つの輝点を，光学結像
系を用いて一次元光センサに結像させ，これら２つの輝
点を電気信号に変換して２つの輝点間の距離を算出する
ことにより行われる。
ここで，第４図で説明したように，一次元光センサ２
上の２つの輝点間の距離を（r1＋r2）とすると，雨滴の
半径Ｒは（１）式と同様に， Ｒ＝1/m・（r1＋r2）／（sinθ3＋sinθ4） （９） として求めることができる。
上の２つの輝点間の距離を（r1＋r2）とすると，雨滴の
半径Ｒは（１）式と同様に， Ｒ＝1/m・（r1＋r2）／（sinθ3＋sinθ4） （９） として求めることができる。
しかし，θ3,θ4,にはそれぞれ，角度α，βが含まれ
ているので，（９）式でけでは半径Ｒは算出できない。
ているので，（９）式でけでは半径Ｒは算出できない。
次に，第５図を参照して角度α，βの算出方法につい
て説明する。
て説明する。
まず，拡散光と一次元光センサとを直線で結び、雨滴
から錐直を下ろし，それぞれの直線の長さをL1，L2,Yと
する。すると， tanα≒tanβ＝Y/L1 （10） tanθ＝Y/L2 （11） となる。したがって， tanα≒tanβ＝L2tnaθ／L1 （12） となる。ここで，L1，L2は機器配置によりあらかじめ決
まっており，角度θは一次元光センサ上の雨滴像の位置
により求まるので，角度α，βを求めることができる。
から錐直を下ろし，それぞれの直線の長さをL1，L2,Yと
する。すると， tanα≒tanβ＝Y/L1 （10） tanθ＝Y/L2 （11） となる。したがって， tanα≒tanβ＝L2tnaθ／L1 （12） となる。ここで，L1，L2は機器配置によりあらかじめ決
まっており，角度θは一次元光センサ上の雨滴像の位置
により求まるので，角度α，βを求めることができる。
以上のようにして個々の雨滴の径Riが算出されると，
単位時間内に測定エリアを通過するＮ個の雨滴の体積Ｖ
は前述の式（５）により算出される。
単位時間内に測定エリアを通過するＮ個の雨滴の体積Ｖ
は前述の式（５）により算出される。
なお，以上の計算においては個々の雨滴が真球である
と仮定しているが，雨滴は降雨時の空気力学的な抵抗に
より多きな雨滴ほど形状が偏平なものに変わることが知
られている。（H.R.Pruppacher and R.L.Pitter,J.Atom
s.Sci.28，（1971）86.参照） 本発明では，真球からずれて場合には水平方向最大径
（水平方向に断面をとった時の最大径）が計測できるの
で，式（９）で得られたRiに対し，予め変形による影響
分を除くように補正することにより，式（５）の体積Ｖ
の青銅を向上できる。
と仮定しているが，雨滴は降雨時の空気力学的な抵抗に
より多きな雨滴ほど形状が偏平なものに変わることが知
られている。（H.R.Pruppacher and R.L.Pitter,J.Atom
s.Sci.28，（1971）86.参照） 本発明では，真球からずれて場合には水平方向最大径
（水平方向に断面をとった時の最大径）が計測できるの
で，式（９）で得られたRiに対し，予め変形による影響
分を除くように補正することにより，式（５）の体積Ｖ
の青銅を向上できる。
また，単位時間内に測定エリア面積Ｓを体積Ｖの雨滴
が通過する時の降雨量は,V/Sで表される。
が通過する時の降雨量は,V/Sで表される。
以上の計算はすべてデータ処理部３で行われることは
言うまでも無い。
言うまでも無い。
なお，上記説明ではα≒tanβとしたが，より正確に
は一次元光センサ上の輝点位置をもとに計算することで
求められる。しかし，実際の使用に際しては，α＝βと
しても差支えない。
は一次元光センサ上の輝点位置をもとに計算することで
求められる。しかし，実際の使用に際しては，α＝βと
しても差支えない。
また，拡散光の位置は，第２図（ａ）の場合は光源の
位置，第２図（ｂ）の場合はレンズの焦点位置，第２図
（ｃ）の場合は，スリット位置にとればよい。さらに，
第２図（ｂ）の場合では近似的にはレンズの中心として
も良い。
位置，第２図（ｂ）の場合はレンズの焦点位置，第２図
（ｃ）の場合は，スリット位置にとればよい。さらに，
第２図（ｂ）の場合では近似的にはレンズの中心として
も良い。
第６図に本発明の他の実施例を示す。
ここでは，拡散光としてライン状光源を用いている。
ライン状光源には，直線フィラメント電球や直流点灯式
蛍光灯が使用できる。ライン状光源を用いた場合には，
一次元光センサ上には，雨滴７の移動につれて輝点位置
が動いていくが，垂直方向に長い像が形成されるので，
積分効果によって，輝点の光量が増加する。第６図には
１つのライン状光源を示すが，第１図に示す様に，一次
元光センサの光軸に対して互いに対称となる位置に２つ
のライン状光源を配置するのも好ましい。
ライン状光源には，直線フィラメント電球や直流点灯式
蛍光灯が使用できる。ライン状光源を用いた場合には，
一次元光センサ上には，雨滴７の移動につれて輝点位置
が動いていくが，垂直方向に長い像が形成されるので，
積分効果によって，輝点の光量が増加する。第６図には
１つのライン状光源を示すが，第１図に示す様に，一次
元光センサの光軸に対して互いに対称となる位置に２つ
のライン状光源を配置するのも好ましい。
［発明の効果］ 以上説明したように，本発明によれば，拡散光源を用
いることにより，光源の大きさを小さくでき，かつ装置
全体を小型化し，光軸調整を容易にできる。
いることにより，光源の大きさを小さくでき，かつ装置
全体を小型化し，光軸調整を容易にできる。
また，本発明によれば，光源を垂直方向に長くするこ
とにより，光が拡散することによる光量の低下をさける
ことができる。
とにより，光が拡散することによる光量の低下をさける
ことができる。
さらに，本発明によれば，雨滴落下穴６を設けること
により，測定精度を高く維持できる。
により，測定精度を高く維持できる。
第１図は本発明の第一の実施例の概略構成図，第２図は
本発明における光発生部の拡散光を発生する概略構成
図，第３図は本発明者により既に提案されている雨滴の
測定装置における雨滴による光の散乱，屈折を説明する
ための図，第４図は，本発明における雨滴による光の散
乱，屈折を説明するための図，第５図は本発明により雨
滴の径を算出するための方法を説明するための図，第６
図は，本発明の第二の実施例の概略構成図である。 図中,1は光学結像系,2は一次元光センサ,3はデータ処理
装置,4は第１の光源,5は第２の光源,6は雨滴落下用穴,7
は雨滴。
本発明における光発生部の拡散光を発生する概略構成
図，第３図は本発明者により既に提案されている雨滴の
測定装置における雨滴による光の散乱，屈折を説明する
ための図，第４図は，本発明における雨滴による光の散
乱，屈折を説明するための図，第５図は本発明により雨
滴の径を算出するための方法を説明するための図，第６
図は，本発明の第二の実施例の概略構成図である。 図中,1は光学結像系,2は一次元光センサ,3はデータ処理
装置,4は第１の光源,5は第２の光源,6は雨滴落下用穴,7
は雨滴。
Claims (5)
- 【請求項１】落下する雨滴に光を照射する光発生部と，
該雨滴により散乱される発射光と該雨滴を透過する屈折
光との２つの輝点間の距離を検出する検出部と，該検出
部により検出された輝点間の距離の値に基づいて雨滴径
及び降雨量を演算する処理部とを有し，前記光発生部は
拡散光を発生することを特徴とする光雨量計。 - 【請求項２】請求項第１項において，前記検出部の焦点
面近傍に雨滴を導く雨滴落下用穴を有することを特徴と
する光雨量計。 - 【請求項３】請求項第１項において，前記検出部は，一
次元光センサと，該一次元光センサと光軸を合わせて連
結され，前記輝点を所定の倍率をもって結像させる光学
結像系とを有し，前記光発生部は前記一次元光センサの
光軸に対して互いに対称となる位置に配され，前記光軸
に対して互いに等しい角度で交差するような拡散光を発
生する第１及び第２の光源を有し，前記処理部は，前記
輝点の距離と前記所定の倍率とに基づいて前記雨滴径及
び降雨量を演算することを特徴とする光雨量計。 - 【請求項４】第１乃至第３の請求項記載の光雨量計にお
いて，前記光発生部は鉛直方向に配置されたライン状光
源を有することを特徴とする光雨量計。 - 【請求項５】第３乃至第４の請求項記載の光雨量計にお
いて，前記一次元光センサの焦点面近傍に雨滴を導く雨
滴落下用穴を有することを特徴とする光雨量計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22663890A JP2906081B2 (ja) | 1990-08-30 | 1990-08-30 | 光雨量計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22663890A JP2906081B2 (ja) | 1990-08-30 | 1990-08-30 | 光雨量計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04110692A JPH04110692A (ja) | 1992-04-13 |
| JP2906081B2 true JP2906081B2 (ja) | 1999-06-14 |
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- 1990-08-30 JP JP22663890A patent/JP2906081B2/ja not_active Expired - Lifetime
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