本发明涉及光学设备领域，尤其是涉及一种下落粒子的直径测量方法及激光雨滴谱仪。
背景技术：
激光雨滴谱仪(也有称为降水现象仪)用于利用激光技术，对雨滴、雪花或者冰雹等下落粒子的直径进行测量，而下落粒子的直径对降水量等参数的计算具有重要意义。
一种常见的激光雨滴谱仪包括激光发射端和激光接收端，并且利用激光强度的突变量测量下落粒子的直径，具体的测量过程包括：激光发射端发射平行激光，在激光发射端和激光接收端之间形成测量区域，当下落粒子经过测量区域时会对平行激光造成遮挡，使得激光接收端接收到的激光产生激光强度的突变，激光接收端根据激光强度的突变量与下落粒子的直径之间的正比例关系，计算出下落粒子的直径。
然而，发明人发现，目前的激光雨滴谱仪在利用激光强度的突变量测量下落粒子的直径时，测量误差往往较大，进而导致降水量等参数的测量误差也比较大，尤其是当降水量较大时，测量误差甚至能够达到15％以上。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题在于提供一种下落粒子的直径测量方法及激光雨滴谱仪，以实现在测量雨滴、雪花或者冰雹等下落粒子时能够减少测量误差，提高测量准确度。
为此，本发明解决技术问题的技术方案是：
本发明提供了一种激光雨滴谱仪，包括：激光发射端、带狭缝的遮挡装置以及激光接收端；
所述激光发射端用于发射平行激光；
所述带狭缝的遮挡装置设置在所述激光发射端的前端，与所述激光接收端之间形成测量区域；所述遮挡装置上的狭缝设置在所述平行激光的发射面上，使得所述平行激光穿过所述狭缝并在所述平行激光的厚度方向上被部分遮挡；其中，所述狭缝的其中一端或者两端的宽度大于所述狭缝的中间的宽度；
所述激光接收端用于接收穿过所述狭缝的平行激光，并检测接收的平行激光的激光强度，当判断出所述激光强度发生突变时，根据所述激光强度的突变量计算下落粒子的直径。
在一些可能的实施方式中，所述狭缝的其中一端的宽度大于所述狭缝的另一端的宽度，其中，所述其中一端相比于所述另一端，与所述平行激光的点光源之间的距离更远。
在一些可能的实施方式中，所述遮挡装置包括遮挡片和固定片，所述狭缝设置在所述遮挡片上，所述固定片用于对所述遮挡装置进行固定。
在一些可能的实施方式中，所述遮挡装置与所述平行激光的发射面之间具有可调的角度。
在一些可能的实施方式中，所述狭缝的长度大于所述平行激光的宽度。
在一些可能的实施方式中，所述激光发射端包括：光电转换模块和处理模块；
所述光电转换模块用于接收穿过所述狭缝的平行激光，对接收的平行激光进行光电转换，将转换后的电信号发送至处理模块；
所述处理模块用于根据所述电信号检测接收的平行激光的激光强度，当判断出所述激光强度发生突变时，根据所述激光强度的突变量计算下落粒子的直径。
此外，本发明还提供了一种带狭缝的遮挡装置，用于激光雨滴谱仪中，所述激光雨滴谱仪还包括激光发射端和激光接收端；
所述遮挡装置设置在所述激光发射端的前端，与激光接收端之间形成测量区域；所述遮挡装置上的狭缝设置在所述平行激光的发射面上，使得所述平行激光穿过所述狭缝并在所述平行激光的厚度方向上被部分遮挡；其中，所述狭缝的其中一端或者两端的宽度大于所述狭缝的中间的宽度。
在一些可能的实施方式中，所述狭缝的其中一端的宽度大于所述狭缝的另一端的宽度，其中，所述其中一端相比于所述另一端，与所述平行激光的点光源之间的距离更近。
在一些可能的实施方式中，所述遮挡装置包括遮挡片和固定片，所述狭缝设置在所述遮挡片上，所述固定片用于对所述遮挡装置进行固定。
在一些可能的实施方式中，所述遮挡装置与所述平行激光的发射面之间具有可调的角度。
在一些可能的实施方式中，所述狭缝的长度大于所述平行激光的宽度。
另外，本发明还提供了一种下落粒子的直径测量方法，用于上述激光雨滴谱仪中，所述方法包括：
所述激光发射端发射的平行激光穿过所述狭缝，并在所述平行激光的厚度方向上被部分遮挡；
所述激光接收端接收穿过所述狭缝的平行激光，并检测接收的平行激光的激光强度，当判断出所述激光强度发生突变时，根据所述激光强度的突变量计算下落粒子的直径。
通过上述技术方案可知，本发明实施例中在激光雨滴谱仪的激光发射端和激光接收端之间设置了带狭缝的遮挡装置，遮挡装置上的狭缝设置在所述平行激光的发射面上，使得所述平行激光穿过所述狭缝并在所述平行激光的厚度方向上被部分遮挡；其中，所述狭缝的其中一端或者两端的宽度大于所述狭缝的中间的宽度，也就是说狭缝采用的是两端或者一端相对于中间更宽的结构。
经过发明人研究发现，现有技术中的激光雨滴谱仪在利用激光强度的突变量计算时，之所以会存在测量误差较大的问题，是因为在计算下落粒子的直径时，基于的是平行激光的激光强度为线性分布的假设，然而在实际应用过程中，平行激光的激光强度并非是线性分布，而实际上是如图1所示的非对称的抛物线分布。通过在激光发射端和激光接收端之间设置了带狭缝的遮挡装置，使得平行激光在厚度方向上被部分遮挡，并且狭缝的其中一端或者两端的宽度更大，因此遮挡的部分更小，而狭缝的中间的宽度更小，因此遮挡的部分更大，狭缝的这种特殊结构能够使得平行激光穿过狭缝后，激光强度的线性度更好，从而使得下落粒子的测量误差更小。经过实验表明，这种方式能够使得测量误差降低到5％以内，甚至能够降低至1％。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为现有激光雨滴谱仪中平行激光的激光强度的非对称的抛物线分布示意图；
图2为现有的激光雨滴谱仪的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的狭缝两端宽度相等的激光雨滴谱仪的一具体实施例的结构示意图；
图4为本申请实施例中狭缝的一示例性结构示意图；
图5为本申请实施例中带狭缝的遮挡装置302的一示例性结构示意图；
图6为本申请实施例中固定片501与平行激光的发射面之间构成角度的示意图；
图7为本申请实施例提供的狭缝两端宽度不等的激光雨滴谱仪一具体实施例的结构示意图；
图8为本申请实施例中一种下落粒子的直径测量方法的流程示意图。
具体实施方式
现有的激光雨滴谱仪(也有称为降水现象仪)，通常采用如图2所示的结构来测量雨滴、雪花或者冰雹等下落粒子的大小。其中，该激光雨滴谱仪中包括激光发射端201以及激光接收端202，激光发射端201与激光接收端202之间间隔预设距离。理论上，激光雨滴谱仪进行工作的过程中，激光发射端201会发射出一束宽度和厚度固定并且激光强度呈线性分布的平行激光，比如激光发射端201会向激光接收端202发射一束宽度30mm、厚度1mm的平行激光，并且该束激光会被激光接收端202所接收到，从而在激光发射端201与激光接收端202之间形成测量区域。其中，激光发射端201通常会与激光接收端202正对着，以使得激光接收端202接收到的激光强度最大。
激光接收端202通过检测接收到的平行激光的激光强度，可以确定测量区域中是否出现下落粒子。具体的，当不存在下落粒子经过测量区域时，激光接收端202接收到的平行激光的激光强度变化微小，可以近似看作基本不会发生变化，并且此时激光接收端202接收到的平行激光的激光强度可以作为基准激光强度；但是当存在下落粒子(如雨滴)经过测量区域时，下落粒子会遮挡测量区域的部分平行激光，使得激光接收端202接收到的平行激光的激光强度发生突变式下降。也就是说，当激光接收端202检测接收到的平行激光的激光强度与基准激光强度相比突然下降时，就可以确定测量区域内存在下落粒子，并且该下落粒子遮挡了激光发射端201向激光接收端202发射的部分平行激光。
激光接收端202在确定测量区域中出现下落粒子后，可以根据接收到的平行激光的激光强度、该平行激光的激光强度突变量以及基准激光强度，计算得到下落粒子的直径。具体的，当激光发射端201发射的平行激光，受到下落粒子的遮挡时，可以近似有其中，d为下落粒子的直径，r为没有下落粒子遮挡平行激光时激光接收端202接收到的平行激光的宽度(通常与激光发射端201发射的平行激光的宽度相等)，P1为基准激光强度，ΔP为激光接收器202接收到的平行激光的激光强度突变量，即与基准激光强度之间的差值。因此，激光接收端202可以计算出下落粒子的直径为
但是申请人经研究发现，激光发射端201发送的平行激光的激光强度并非是线性分布，而是如图1所示的非对称抛物线分布(类似于高斯分布)，即，激光发射端201发射的平行激光的中间部分的激光强度，会比平行激光的两端部分的激光强度要大。因此，由于平行激光的激光强度呈非线性的抛物线分布在平行激光的宽度方向上，基于中间测量区域的平行激光所计算得到的下落粒子的直径较为准确，基于左右两端测量区域的平行激光所计算得到的下落粒子的直径，与该下落粒子的实际直径之间存在较大误差。其中，图1中的横坐标为激光线长，是指激光发射端201发射出的平行激光在宽度方向上从一端到另一端的位置坐标。实验表明，在利用如图2所示的激光雨滴谱仪测量下落粒子的直径时，累计降水量的测量误差通常能够达到10％以上，进而导致降水量等参数的测量误差也比较大，尤其是当降水强度较大时，平行激光在左右两端累积误差较大，导致降水量测量误差甚至可能达到15％以上。
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种用于测量下落粒子的激光雨滴谱仪及下落粒子的直径测量方法，以减少下落粒子的测量直径与其实际直径之间的误差。具体的，该激光雨滴谱仪包括激光发射端，带狭缝的遮挡装置以及激光接收端。其中，激光发射端用于发射平行激光；带狭缝的遮挡装置，设置在激光发射端的前端，与激光接收端之间形成测量区域，该遮挡装置上的狭缝设置在平行激光的发射面上，使得平行激光穿过狭缝并在平行激光的厚度方向上被部分遮挡，其中，狭缝的其中一端或者两端的宽度大于狭缝的中间的宽度；激光接收端用于接收穿过狭缝的平行激光，并检测接收到的平行激光的激光强度，当判断出激光强度发生突变时，根据激光强度的突变量计算下落粒子的直径。
可见，虽然激光发射端发射的平行激光的激光强度呈非对称的抛物线分布，即平行激光的中间部分的激光强度较高，两端部分的激光强度较低，但是激光发射端发射的平行激光会穿过遮挡装置的狭缝，并且狭缝的一端或者两端的宽度大于狭缝中间的宽度，使得穿过狭缝的平行激光的中间部分的厚度会小于其一端或者两端部分的厚度，相应的，穿过狭缝的平行激光的中间部分的强度得到一定程度地减小，而其一端或者两端部分的激光强度可以基本保持不变，从而使得该平行激光的激光强度能够具有更好的线性度。因此，利用穿过狭缝的平行激光来测量下落粒子的直径，能够使得下落粒子的测量误差会更小。实验表明，利用穿过狭缝的平行激光来测量下落粒子的直径，一般情况下测量误差可以降低在2％左右，即便是降水量比较大时也能够降低至5％，当多次降水量超过50毫米时，测量误差能够降低至1％左右，大大减少了下落粒子直径的测量误差。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
请一并参阅图3，图3示出了本申请实施例中的激光雨滴谱仪的一种装置实施例。其中，该激光雨滴谱仪包括激光发射端301、带狭缝的遮挡装置302以及激光接收端303。
激光发射端301用于发射平行激光。该平行激光的激光强度分布可以为如图1所示的非对称抛物线分布，近似为高斯分布。
带狭缝的遮挡装置302设置在激光发射端301的前端，与激光接收端303之间构成的平行激光区域，为该激光雨滴谱仪的测量区域，当下落粒子穿过遮挡装置302与激光接收端303之间的测量区域时，激光雨滴谱仪可以计算出该下落粒子的直径。
该遮挡装置302上的狭缝设置在平行激光的发射面上，使得激光发射端301发射的平行激光穿过该狭缝并在该平行激光的厚度方向上被部分遮挡，其中，该狭缝两端的宽度均大于该狭缝的中间的宽度，也就是说，该狭缝大致上呈两端宽中间窄的结构。需要说明的是，该狭缝可以是不规则的结构，例如图4所示。此外，该狭缝的具体结构可以通过实验进行测定，例如，不断改变狭缝的结构，并且测量穿过狭缝的平行激光的激光强度分布，当根据激光强度分布确定出平行激光的线性度较好时(这里可以根据下落粒子的测量误差是否在预设范围内确定线性度是否较好)，得到狭缝的最终结构。
如图3所示，激光发射端301发射出宽度为m，厚度为n的平行激光，该平行激光在穿过带狭缝的遮挡装置302时，并不是平行激光全部都能穿过该遮挡装置302，而是只有没被遮挡的平行激光能够穿过。具体的，在厚度方向上，由于狭缝中间的宽度小于两端的宽度，穿过遮挡装置302的平行激光的中间部分的厚度，会小于两端部分的厚度，也即小于激光发射端301发射的平行激光的厚度n。也就是说，激光发射端301发射的平行激光在穿过遮挡装置302时，会在该平行激光的厚度方向上被部分遮挡。
一般情况下，遮挡装置302上的狭缝可以改变穿过遮挡装置302上的狭缝后的平行激光的厚度，而并不改变平行激光的宽度，即穿过狭缝后的平行激光的宽度与激光发射端301发射的平行激光的宽度一致。因此，为了保证遮挡装置上的狭缝不改变平行激光的宽度，可以设定狭缝的长度大于激光发射端301发射的平行激光的宽度，比如，平行激光的宽度为30mm，则狭缝的长度可以是31mm、32mm等等。
在一些可能的实施方式中，狭缝可以设置在遮挡装置302上的遮挡片上。具体的，请一并参阅图5，图5示出了遮挡装置302的一种示例性结构示意图，遮挡装置302包括固定片501和遮挡片502，狭缝设置在遮挡片502上，而固定片501用于对该遮挡装置进行固定。
遮挡装置可以与平行激光的发射面之间具有可调的角度。以图5所示的遮挡装置为例，该遮挡装置上的遮挡片502和激光发射端301发射的平行激光的发射面之间具有角度，如图6所示，遮挡片502与平行激光的发射面之间构成了角度α。在一些可能的实施方式中，该角度α可以在0-180°(不包括0°和180°)之间进行调节，例如，该角度为90°时，遮挡片502与平行激光的发射面垂直。其中，该可调的角度α可以是激光雨滴谱仪在出厂时就已经被预先设定好的，也可以是由相关技术人员根据实际情况的需要进行自主调节，在一些场景下，还可以是由激光雨滴谱仪根据环境因素等自动进行调节。
实际应用中，为了保证多个激光雨滴谱仪的测量精度的一致性，通常可以让各个激光雨滴谱仪的测量区域的平行激光的激光强度保持一致。在一些可能的实施方式中，可以通过调整遮挡片502与平行激光的发射面之间的角度，使得各个激光雨滴谱仪的测量区域的平行激光的激光强度保持一致。
激光接收端303，用于接收穿过狭缝的平行激光，并检测接收的平行激光的激光强度，当判断出该激光强度发生突变时，根据该激光强度的突变量计算下落粒子的直径。
在一种示例性的具体实施方式中，激光接收端303包括光电转换模块和处理模块。激光接收端303中的光电转换模块接收到穿过狭缝的平行激光，并对接收到的平行激光进行光电转换以得到转换后的电信号，然后将该电信号发送至处理模块；处理模块根据接收到转换后的电信号，检测接收到的平行激光的激光强度，当判断出激光强度发生突变时，根据激光强度的突变量计算下落粒子的直径。具体过程可以为：判断该平行激光的激光强度与基准激光强度之间的差值是否大于预设值，如果是，表明存在下落粒子经过测量区域，则可以根据计算出下落粒子的直径其中，ΔP为该平行激光的激光强度与基准激光强度的差值，P1为基准激光强度，r穿过狭缝的平行激光的宽度。
本实施例中，激光发射端301发射的平行激光会穿过遮挡装置302的狭缝，并且狭缝的两端的宽度均大于狭缝中间的宽度，使得穿过狭缝的平行激光的中间部分的厚度会小于两端部分的厚度，则穿过狭缝的平行激光的中间部分的强度得到一定程度地减小，而两端部分的激光强度基本保持不变，从而使得该平行激光的激光强度能够具有更好的线性度。此时，利用具有更好线性度的平行激光来测量下落粒子的直径，能够使得下落粒子的测量误差更小。
需要说明的是，上述实施例中遮挡装置302上的狭缝的两端的宽度均大于中间的宽度，在其它实施例中，遮挡装置也可以是其中任意一端的宽度大于中间的宽度，本申请实施例对此并不加以限定，具体实现方式与上述实施例类似，可参照理解，在此不再赘述。
通常情况下，激光雨滴谱仪采用点光源来产生平行激光，该平行激光的其中一端相比于另一端，距离点光源的距离更远，激光强度也更小。因此，针对于上述特点，可以对遮挡装置上的狭缝两端的宽度进行适应性调整，使得所述其中一端的宽度大于所述另一端的宽度。这样可以使得穿过狭缝的平行激光中，距离点光源近的一端的激光的厚度较小，距离点光源远的一端的激光的厚度较大，进一步使得穿过狭缝的平行激光的激光强度的线性度更好。
例如，激光发射端所发射的平行激光中，B端与点光源之间的距离更近，A端与点光源之间的距离更远，狭缝可以如图7所示，A＇处的宽度比B＇处的宽度大，相应的，通过狭缝A＇处的激光的厚度，比通过狭缝B＇处的厚度大。
此外，本申请还提供了带狭缝的遮挡装置的一种具体实施例，应用于激光雨滴谱仪中，该激光雨滴谱仪还包括激光发射端和激光接收端。
该遮挡装置设置在激光发射端的前端，与激光接收端之间形成测量区域。该遮挡装置上的狭缝设置在平行激光的发射面上，使得平行激光穿过狭缝并在平行激光的厚度方向上被部分遮挡；其中，该狭缝的一端或者两端的宽度大于狭缝的中间的宽度。
激光发射端用于发射平行激光。
激光接收端用于接收穿过该遮挡装置上的狭缝的平行激光，并检测接收到的平行激光的激光强度，当判断出该激光强度发生突变时，根据激光强度的突变量计算下落粒子的直径。
在一些可能的实施方式中，遮挡装置上的狭缝的其中一端的宽度大于该狭缝的另一端的宽度，其中，该其中一端相比于另一端，与平行激光的点光源之间的距离更近。
在一些可能的实施方式中，该遮挡装置还包括遮挡片和固定片，狭缝设置在该遮挡片上，固定片用于对该遮挡装置进行固定。
在一些可能的实施方式中，该遮挡装置上的固定片与激光发射端发射的平行激光的发射面之间具有可调的角度。
在一些可能的实施方式中，该狭缝的长度大于激光发射端发射的平行激光的宽度。
本实施例中，带狭缝的遮挡装置能够对激光发射端发射的平行激光进行部分遮挡，使得穿过狭缝的平行激光的中间部分的厚度会小于两端部分的厚度，则穿过狭缝的平行激光的中间部分的强度得到大幅度减小，而两端部分的激光强度基本保持不变，从而使得该平行激光的激光强度具有更好的线性度。此时，利用具有更好线性度的平行激光来测量下落粒子的直径，能够使得下落粒子的测量误差更小。
本实施例中的遮挡装置请参见上述实施例中对遮挡装置的相关描述，这里不再赘述。
另外，本申请实施例还提供了下落粒子的直径测量方法的一种具体实施例。请一并参阅图8，图8示出了本申请实施例中下落粒子的直径测量方法的一种流程示意图。该方法具体可以包括：
S801：激光发射端发射的平行激光穿过遮挡装置上的狭缝，并在平行激光的厚度方向上被部分遮挡。
S802：激光接收端接收穿过该狭缝的平行激光，并检测接收的平行激光的激光强度，当判断出该激光强度发生突变时，根据该激光强度的突变量计算下落粒子的直径。
本实施例中的所述方法可以用于本发明的激光雨滴谱仪的任一种实施例中。
本实施例中，带狭缝的遮挡装置能够对激光发射端发射的平行激光进行部分遮挡，使得穿过狭缝的平行激光的中间部分的厚度会小于两端部分的厚度，则穿过狭缝的平行激光的中间部分的强度得到一定程度的减小，而两端部分的激光强度基本保持不变，从而使得该平行激光的激光强度具有更好的线性度。此时，利用具有更好线性度的平行激光来测量下落粒子的直径，能够使得下落粒子的测量误差更小。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的带狭缝的遮挡装置、方法的具体实施过程，可以参考前述激光雨滴谱仪的装置实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。