专利名称：脉冲照明光学雨量测量方法与雨量计的制作方法
技术领域：
本发明涉及气象学降水测量领域，特别是涉及一种用光学手段同时测量降水量、 降水强度、降水类型的方法与设备。
背景技术：
气象学意义上的降水量是指降落至地面未经蒸发、渗透或流失而积聚的水层深度。降水强度是指单位时间内的降水量，降水类型是指降水现象的天气现象分类，如雨夹雪、毛毛雨、冰雹等等。雨量计是测定降水量和降水强度的气象仪器，目前常用的有雨量筒、翻斗式雨量计、虹吸式雨量计等。雨量筒是将雨水汇集到容器内，然后由人工进行计量；翻斗式雨量计是将雨水汇集均流后流入翻斗，通过翻斗的失衡翻转来计量雨量；虹吸式雨量计则是由雨水的液面上升来推动浮子进行雨水计量，容器满了后发生虹吸浮子会再回零。这几种雨量计普遍存在测量误差大、感应速度慢(少量降水无反应)、无法获得降水类型等缺点。光学雨量计具有反应速度快，非接触测量，环境适应性好等优点，因而具有替代传统雨量计的潜力。目前光学雨量计往往还具备直接测量单个降水粒子从而获得雨滴谱和降水类型的能力。已有的光学雨量计可分为单点型、线阵型两类，它们往往都使用平行光源进行照明。单点型光学雨量计的接收器往往是一个光电管，所接收的信号是降水粒子通过采样区时引起的闪烁信号，对这些闪烁信号进行时域或频域的分析就可得到有关降水的相应信息。显而易见的是单点型光学雨量计对于采样空间存在多个降水粒子的情形是无法区分的，同时对于粒子的形状也无法得到，其所得到的信息量对于精确确定雨滴谱和降水类型是不足的。例如对于雨夹雪、毛毛雨等降水类型就较难识别。为了克服单点型光学雨量计的缺点，后来又出现了线阵型光学雨量计，其特点是将多个光电敏感单元排成一条水平线来进行感应，例如使用光电二极管阵列或线阵CCD。当降水粒子通过这一条感应线时会得到这个粒子的多条挡光剖面信息，从而可重建粒子形状，当然也可以识别出多个降水粒子。但采用线阵法测量降水对采集速度提出了很高的要求，以IOM单元的CCD线阵为例，3mm直径的雨滴或冰粒的下降速度为12m/S，若要对该粒子的有效扫描行数达到6行，则行频需为 25kHz,点频需要25兆。无疑，如此高速的数据流其后续的数据采集和处理成本是很大的， 这就对降低成本并推广应用形成了障碍。另外，即使采用线阵法，也并不能得到精确的下落末速度，因为可得到的仅仅是度越时间，垂直方向的精确几何尺寸是得不到的，而降水粒子往往并不是球对称的。因此线阵型光学雨量计也不能彻底解决尺度谱和末速度谱的同时测量问题。为了获得更丰富的降水粒子信息，也有人研究采用面阵光学器件来对降水粒子进行直接拍摄，然而由于粒子降落速度和粒子本身的尺度比很大，若采用普通帧速的摄像方法只能得到粒子的满屏拖尾图像，无法对到粒子清晰成像。所以只得求助于高速或超高速摄像机，显然，基于高速摄像的方案是无法进行低成本推广的。
发明内容
本发明的目的是提出一种使用脉冲照明并结合视频图像来进行降水粒子形状和降落速度测量的方法及相应的仪器。尤其是可以采用普通帧速的CCD面阵器件来进行降水粒子的测量。本发明的技术方案是脉冲照明光学雨量测量方法，将持续照明的光源用可控的脉冲光源(LED或半导体激光器)替换，并将脉冲光的发射与图像视频信号的帧同步信号相一致，在每一帧的曝光时间(电子快门)内，间隔一定的时间T进行两次脉冲光的发射。这样所获得的每一帧图像实际上就是对降水粒子进行了两次曝光得到的，由于脉冲光的发射持续时间很短，因而每一次的曝光都将会得到一个清晰的降水粒子图像，而两次曝光则使得粒子出现在同一帧图像两个不同的位置，通过测量每一帧图像上粒子在T时间内移动的距离就可同时计算得到粒子的速度。根据测量降水粒子图像中降水粒子的粒径可计算粒子体积，结合采样面积就可以计算得到瞬时降水量，积分上述瞬时的雨量值得到总雨量，瞬时的雨量值和积分的雨量值可以通过实测雨量进行校正。根据降水粒子的图像以及滴谱分布和速度等参数也可辨别雨、雪或雹等等。本发明的有益效果是不仅实现了对于粒子大小和降落速度的同时测量，还非常经济，因为采用普通的面阵摄像器件而不是昂贵的线阵或高速摄像技术就可实现本方案。
图1为本发明的构成结构示意图；图2为信号波形图。
具体实施例方式图中1表示脉冲光发射器件；2表示脉冲照明平行光源系统；3表示降水粒子；4表示接收光学系统；5表示与发射光波长相匹配的滤光片；6表示二维图像传感器。图2信号波形图中，7表示场同步信号；8表示电子快门信号，高电平为持续曝光；9表示脉冲照明控制，每一场有两次照明，间隔为T。基于本发明方法得到所述光学雨量计，由脉冲照明平行光源系统2和二维图像传感器6构成。脉冲光发射器件1可以是LED发光二极管或半导体激光器等，二维图像传感器6可以是CXD面阵或CMOS面阵。由脉冲光发射器件1所发出的非平行光通过透镜形成准直的平行光通过同步控制照射到降水粒子上。被降水粒子3部分遮挡后进入接收光学系统4，由滤光片5滤除外部杂散光干扰后入射到二维图像传感器6上。接收端放置了与发射波长相匹配的滤光片5。为实施本发明，信号处理系统必须首先检测场同步信号7，然后控制电子快门信号 8，使得持续曝光时间要大于两次照明间隔时间T。在持续曝光时间内驱动脉冲光发射两次， 两次间隔为T。T的大小可根据降水粒子的下落速度由图像处理程序进行选择以获得最佳的测速精度(例如暴雨可选择1ms，下雪时可选择IOms)。对采集得到的图像进行处理后可得到粒子形状大小和速度的具体数据。由所测得的数据再进行计算就可得到降水量、降水类型、降水强度等等结果。脉冲照明光学雨量测量方法中，将持续照明的光源用可控的脉冲光源(LED或半导体激光器)替换，并将脉冲光的发射与图像视频信号的帧同步信号相一致，在每一帧的曝光时间(电子快门)内，间隔一定的时间T进行两次脉冲光的发射。这样所获得的每一帧图像实际上是对降水粒子进行了两次曝光得到的，由于脉冲光的发射持续时间很短，因而每一次的曝光都将会得到一个清晰的降水粒子图像，而两次曝光则得到粒子出现在两个不同位置的图像，通过测量每一帧图像上粒子在T时间内移动的距离就可同时计算得到粒子的速度。 测量每幅清晰的降水粒子图像中降水粒子的粒径可计算粒子体积，结合采样面积就可以计算得到瞬时降水量，积分上述瞬时的雨量值得到总雨量。根据降水粒子的图像以及滴谱分布和速度等参数也可辨别雨、雪或雹等等。
权利要求
1.脉冲照明光学雨量测量方法，其特征是采用可控的脉冲光，并将可控的脉冲光的发射与图像视频信号的帧同步信号相一致，在每一帧的曝光时间内，间隔一定的时间T进行两次脉冲光的发射；所获得的每一帧图像实际上是对降水粒子进行两次曝光得到，两次曝光则使得粒子出现在同一帧图像两个不同的位置，通过测量每一帧图像上粒子在T时间内移动的距离就同时计算得到粒子的速度；根据测量的一幅清晰的降水粒子图像中降水粒子的粒径可计算粒子体积，结合采样面积就可以计算得到瞬时的降水值，积分上述瞬时的雨量得到总雨量；根据降水粒子的图像以及滴谱分布和速度等参数也能辨别雨、雪或雹。
2.根据权利要求1所述的采用光学手段进行降水粒子测量的方法，其特征是在接收图像端放置了与发射脉冲光波长相匹配的滤光片。
3.脉冲照明光学雨量计，其特征是包括脉冲照明平行光源系统、接收光学系统、二维图像传感器；脉冲光发射器件是LED发光二极管或半导体激光器，二维图像传感器是CCD面阵或CMOS面阵；由脉冲光发射器件所发出的非平行光通过透镜形成准直的平行光通过同步控制照射到降水粒子上；被降水粒子部分遮挡后进入接收光学系统，入射到二维图像传感器上。
4.根据权利要求3所述的脉冲照明光学雨量计，其特征是接收图像端放置了与发射脉冲光波长相匹配的滤光片。
全文摘要
脉冲照明光学雨量测量方法，采用可控的脉冲光，并将可控的脉冲光的发射与图像视频信号的帧同步信号相一致，在每一帧的曝光时间内，间隔一定的时间T进行两次脉冲光的发射；所获得的每一帧图像实际上是对降水粒子进行两次曝光得到，两次曝光则使得粒子出现在同一帧图像两个不同的位置，通过测量每一帧图像上粒子在T时间内移动的距离就同时计算得到粒子的速度；根据测量的一幅清晰的降水粒子图像中降水粒子的粒径可计算粒子体积，结合采样面积就可以计算得到瞬时的降水值，积分上述瞬时的雨量得到总雨量；根据降水粒子的图像以及滴谱分布和速度等参数也能辨别雨、雪或雹。本发明不仅实现了对于粒子大小和降落速度的同时测量，还非常经济。
文档编号G01W1/14GK102436015SQ20111039492
公开日2012年5月2日 申请日期2011年12月2日 优先权日2011年12月2日
发明者翟东力 申请人:南京英恩特环境技术有限公司