雨滴三维尺度检测装置及利用该装置计算雨滴体积的方法
【专利摘要】本发明涉及一种雨滴三维尺度检测装置及利用该装置计算雨滴体积的方法，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；利用该装置计算雨滴体积的方法为通过将雨滴建模为椭球形或馒头形，然后根据采集到的数据求出该雨滴的近似体积。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。
【专利说明】雨滴三维尺度检测装置及利用该装置计算雨滴体积的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种雨滴三维尺度检测装置及利用该装置计算雨滴体积的方法，属于气象观测【技术领域】。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。另夕卜，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】
[0004]针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种雨滴三维尺度检测装置及利用该装置计算雨滴体积的方法。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，本发明通过以下技术方案实现。
[0005]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。
[0006]一种雨滴三维尺度检测装置，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1118、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 I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Imm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χ方向具有宽度、在垂直方向的厚度小于Imm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，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I 4、II 7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I I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χ方向传播、在y方向有宽度、在垂直方向的厚度小于1_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。
[0007]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、7 μ m*7 μ m象元尺度、24KHz采集行频的线阵(XD。
[0008]一种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3_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；
(O当雨滴建模为椭球形时，对该椭球形模拟建立分别平行于χ轴、y轴、z轴的近似轴
长?、b、c，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α ,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(dpdy…、(V^dn)及相邻两条弦之间的间距(hph2、…、tv"、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Cl1U2Uphph2，然后按照方程组:
【权利要求】
1.一种雨滴三维尺度检测装置，其特征在于:包括激光器I (I)、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111(8)、激光光束整形系统111(9)、上层检测区(10)和线阵光电探测器III(11)，所述激光器I (I)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Imm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1_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I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111(8)位于激光器I (I)正上端，激光器111(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χ方向传播、在y方向有宽度、在垂直方向的厚度小于Imm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IIK11)包括具有4096象元数、7 μ m*7 μ m象元尺度、24KHz采集行频的线阵CCD。
3.一种利用权利要求1所述的雨滴三维尺度检测装置计算雨滴体积的方法，其特征在于该方法为:将雨滴按照其等效尺度大小建模，当雨滴等效尺度小于3_时将雨滴建模为椭球形；当雨滴等效尺度大于或等于3_时将雨滴建模为馒头形； (O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轴的近似轴长沒、b、c，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α ,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(dpdy…、(V^dn)及相邻两条弦之间的间距(hph2、…、tv"、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Cl1U2Uphph2，然后按照方程组:
【文档编号】G01B11/00GK103852813SQ201410017340
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年1月15日 优先权日:2014年1月15日
【发明者】吴尚谦, 刘爱英, 皇甫张棣, 薛拓 申请人:昆明理工大学