一种激光降水现象滴谱检测仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种激光降水现象滴谱检测仪。该检测仪由激光发射部件、光电接收部件、U型支撑结构、数据采集处理器组成，激光发射部件和光电接收部件分别安置在U型支撑结构的两端，数据采集处理器与U型支撑结构底部固定连接，与激光发射部件、光电接收部件通信连接。本实用新型具有测量降水信息丰富，仪器工作稳定可靠性强，仪器控制处理电路数字化程度高，功耗低，应用维护方便等优点。非接触性测量，无机械磨损，U型结构及传感器防溅设计以及采用窗口玻璃加热控制技术，满足了设备的数据采集、低功耗和太阳能直流供电的需求，也降低了设备安装成本及周边设施的雷电防护风险。
【专利说明】
一种激光降水现象滴谱检测仪
技术领域
[0001]本实用新型涉及降水现象检测仪器，具体涉及一种利用激光技术测量降水现象滴谱的仪器。
【背景技术】
[0002]降水现象:是指空气中的水汽冷凝并降落到地表的现象，它包括两部分，一是大气中水汽直接在地面或地物表面及低空的凝结物，如霜、露、雾和雾淞，又称为水平降水;另一部分是由空中降落到地面上的水汽凝结物，如雨、毛毛雨、雪、雨夹雪、冰雹等，又称为垂直降水。在中国，国家气象局地面观测规范规定，降水现象仅指的是垂直降水，本实用新型涉及的降水现象为垂直降水。
[0003]降水现象滴谱:是指单位体积内各种降水粒子的数量随其直径和速度的分布。
[0004]随着社会经济的发展，对降水天气现象的实时监测在气象、水文、国防、交通、农业、林业、国土资源、环境监测、安全监测等领域起着越来越重要的作用。水文监测领域主要应用降水现象滴谱检测仪对高分辨率面雨量雷达监测系统的面雨量数据进行校准，其采集的数据是否合理有效直接关系到区域面雨量监测输出数据的准确性，从而进行洪涝灾害的预警及水土流失状况的监测与治理;气象、国防等领域根据降水的监测分析天气形势以及进行人工影响天气作业效果评估;江、海航运、航空、铁路、公路等交通领域根据降水天气状况制定各种应急预案;农业、林业领域根据降水天气状况进行农作物墒情和森林、园林、苗木墒情判断；国土资源领域根据局地降水天气状况对露天采矿场、尾矿库坝、渣山堆场的安全做出预警;环保、安监领域可根据降水天气状况做出环保和安全防范预警等等。可以说对降水现象的监测，已经成为国民经济和人民日常生活的一个重要组成部分。
[0005]目前，降水现象的监测主要以翻斗式机械雨量筒为主。采用雨量筒测量降水现象，主要存在以下问题:首先，只能监测降水量的累计值，不能够对降水类型(雨、雪、冰雹)进行有效区分，更不能对降水滴谱微物理结构，比如降水颗粒的大小和下降速度及数量进行实时监测;其次，在固态降水情况下，比如降雪或者冰雹，翻斗式雨量筒的监测就无能为力了；第三，由于野外应用环境比较恶劣，沙尘的沉降、鸟粪以及树枝、树叶的累积，易将雨量筒堵塞，影响正常使用，解决这一问题需要大量的人力物力对设备进行定期的维护。以上几点都非常不利于对降水现象的实时、有效、准确监测。
[0006]当前国际上对降水现象探测还可采用声波探测、雷达探测和光学探测等多种探测技术。应用光学测量方法探测降水现象是近几年在国外发展起来的先进技术，尤其是激光探测技术具有精度高、速度快、抗干扰能力强、监测降水信息丰富等优点而受到越来越多的重视。
[0007]雨滴的下落速度与雨滴尺寸有很大关系，按照一定规律进行分布。同样，雪片的下落速度也与本身尺寸相关，雪花的形状十分多样，但其整个下落速度空间比较固定。冰雹一般尺寸比较大，下落速度比较快。因此，用光学探测降水现象主要是利用下落降水粒子对光的散射或者消光信号进行分析，测量出降水粒子的尺寸、速度，便可以判定降水类型。再根据单位时间内的颗粒数量进行统计，计算分析出降水强度、累计降水量及雷达反射因子等
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【实用新型内容】
[0008]本实用新型的目的是提供一种能够连续自动监测降水现象的激光降水现象滴谱检测仪，解决传统机械式雨量筒只能测量累计降雨量，不能够对降水类型(雨、雪、冰雹)进行有效区分，更不能对降水滴谱微物理结构，比如降水颗粒的大小和下降速度进行实时监测，且应用维护不便等问题。
[0009]为了达到上述目的，本实用新型有如下技术方案:
[0010]—种激光降水现象滴谱检测仪，由激光发射部件、光电接收部件、U型支撑结构、数据采集处理器组成，激光发射部件和光电接收部件分别安置在U型支撑结构的两端，这种“U”型结构能够保正发射器和接收器光路主轴重合，并且可以减少雨滴碰撞飞溅的影响，数据采集处理器与U型支撑结构底部固定连接，与激光发射部件、光电接收部件通信连接；
[0011]激光发射部件由激光发射器、狭缝、窗口一、壳体一、防溅罩一组成，激光发射器、狭缝安置在壳体一内；窗口一设置在壳体一的侧面，位于激光发射器前方;狭缝位于激光发射器与窗口一之间；防派罩一安装在壳体一上;窗口一以30-50度角倾斜朝下，以避免激光反射光线进入采样区及降低窗口灰尘的累积污染。
[0012]光电接收部件由光电接收器、高速A/D转换器、窗口二、壳体二、防溅罩二组成，光电接收器、高速A/D转换器安置在壳体二内，窗口二设置在壳体二侧面，位于光电接收器前方;高速A/D转换器与光电接收器连接，防溅罩二安装在壳体二上面，窗口二以30-50度角倾斜朝下，以避免激光反射光线进入采样区及降低窗口灰尘的累积污染。
[0013]窗口一和窗口二均粘接有加热装置，针对性的只对窗口通光区域进行低功耗加热，以防止窗口水汽凝结影响测量。方法是在窗口玻璃内侧设计粘接在玻璃表面的小型加热装置，发射和接受器窗口峰值加热功率小于2W，仪器最大功率可控制在6W以内，功耗很小，太阳能直流供电完全可以满足仪器需求。较之对传感器进行整体的高功耗加热方式需要采用交流市电供电有很大的优势。传感器整体高功耗加热方式需要敷设市电供电线路，增设防雷设备，检测位置受限，投资成本增加，且仪器又极易受野外雷电的干扰和破坏。因此，采用这种方式避免了仪器产生较大功耗，既解决了窗口水汽凝结问题又解决了野外应用适应性问题，且大大降低了设备安装成本和雷电干扰的风险。
[0014]防溅罩一与防溅罩二均为多孔结构，孔直径小于0.3mm，目数大于50，以降低和消除雨水溅落引起的非正常降水粒子的影响。
[0015]所述狭缝的水平宽度为30mm，高为1mm。
[0016]激光发射器采用半导体激光模块作为发射光源，再经过Imm厚度，30mm宽度水平狭缝形成一条水平激光光带。激光发射器与光电接收器之间的光带区域为降水采样区，当有降水粒子通过降水采样区时，其对光带信号产生消光作用；降水颗粒的大小与消光信号的变化量成正比，降水颗粒的下降速度与消光信号持续的时间成反比，通过分析消光信号的变化量和持续时间，即可计算出降水粒子的尺寸和速度参数。数据采集器产生高频方波信号作为调制信号对光源进行调制，以克服测量过程中外界杂散光的影响；高速调频的水平激光光带被与激光发射器相距一定距离放置的光电接收器所接收，光电接收器将激光信号汇聚到高速响应的光电探测模块上进行光信号的光电转换，转换后的电信号由高速A/D转换器进行实时模数转换，再将转换后的数字信号通过SPI接口传输给数据采集器，由数据采集器对测量数据进行分析处理;从而分析判定降水粒子的尺寸、速度和粒子个数，再统计计算出降水类型、降水强度、累计降水量、雷达反射因子等信息，结果由RS232或RS485通讯串口输出给上位机。
[0017]本实用新型的有益效果在于:
[0018]第一，采用激光光学探测降水技术不仅能监测累计降水量，还能监测降水类型、雷达反射因子、降水滴谱分布信息等，具有监测降水信息丰富等优点；
[0019]第二，相比机械式雨量筒，激光降水滴谱检测仪的采样区是开放的空间，不会受异物堵塞，环境影响小;机械式雨量筒靠内置的盛雨翻斗进行机械运动触发干簧管吸合进行雨量测量，机械磨损频繁，需要定期更换，而本实用新型采用激光光电探测方式，非接触、无活动部件，可靠性更高；
[0020]第三，本实用新型采用U型结构支撑，这样保证仪器的垂直迎雨面积最小，同时激光发射器与光电接收器外壳上具有特殊设计的防溅罩，可最大限度的减少降水粒子对支撑结构和传感器头的碰撞飞溅，大大降低仪器碰溅引起的非正常降水粒子，提供真实可靠的测量条件，同时，这样的光路结构简单可靠，容易实现，对应结构支撑上容易保证；
[0021]第四，本实用新型采用太阳能直流供电窗口玻璃加热控制技术，完全满足了仪器的设计需求，在确保探测数据精度的前提下设备整体功耗得到了有效的控制。避免了因交流供电在电缆布设、防雷工程以及设备内部三级防雷电气的投入，大大降低了设备安装成本;也降低了设备安装选址难度和构成系统时对设备供电及周边设备的要求。
[0022]第五，信号采集处理电路数字化程度较高，工作稳定可靠。
【附图说明】
[0023]图1是本实用新型的结构组成示意图；
[0024]图2是本实用新型的激光发射部件的结构示意图；
[0025]图3是本实用新型的光电接收部件的结构示意图；
[0026]图4是本实用新型的系统工作示意图。
[0027]图1-图4中:1、激光发射部件，2、光电接收部件，3、U型支撑结构，4、数据采集处理器，5、激光发射器，6、狭缝，7、窗口一，8、防派罩一，9、光电接收器，10、高速A/D转换器，11、窗口二，12、防派罩二，13、壳体一，14、壳体二。
【具体实施方式】
[0028]以下实施例用于说明本实用新型及其用途，但不用来限制本实用新型的保护范围。
[0029]如图1所示，本实用新型的一种激光降水现象滴谱检测仪，由激光发射器部件1、光电接收器部件2、U型支撑结构3、数据采集处理器4四部分组成。激光发射器I和光电接收器2分别安置在U型结构3的两端，这种U型结构能够保正发射器和接收器光路主轴重合，并且可以减少雨滴碰撞数据采集处理器4飞溅到采样区。
[0030]如图2所示，本实用新型中的激光发射部件I由激光发射器5、狭缝6、窗口一7、壳体一13、防派罩一8组成，激光发射器5、狭缝6安置在壳体一 13内，窗口一7设置在壳体一13侧面，位于激光发射器5前方，狭缝6位于激光发射器5与窗口一7之间，防派罩一8安装在壳体一 13上;窗口一7以30-50度角倾斜朝下;激光发射器5产生的水平准直激光后通过狭缝6，再通过安装有加热装置的窗口一7发射出去;狭缝6的水平宽度为30mm，高1_，因此出射激光可形成水平宽度为30mm，厚度Imm的水平激光光带。在激光发射器5与防溅罩二 12的边沿之间形成的激光光带即为本实用新型的光学采样区。窗口一7以30-50度角倾斜朝下，这样设计的优点有二:其一，由于激光光强度高，其通过窗口玻璃会有很强的反射，反射光线需要绝对避免进入采样区，否则会引起降水粒子消光信号测量的准确性;其二，可降低窗口灰尘的累积污染。安装有加热装置的窗口一 3能防止窗口水汽凝结影响测量。防溅罩一 8可以大大降低和消除雨水溅落引起的非正常降水粒子的数量，以确保降水粒子的真实有效性，保证系统测量准确性。
[0031]如图3所示，本实用新型中的光电接收部件由光电接收器9、高速A/D转换器10、窗口二 11、壳体二 14、防溅罩二 12组成，光电接收器9、高速A/D转换器10安置在壳体二 14内，窗口二11设置在壳体二14侧面，位于光电接收器9前方；高速A/D转换器10与光电接收器9连接，防溅罩二 12安装在壳体二 14上面，光电接收器9接收通过水平光学采样区的激光信号，激光信号经过安装有加热器的窗口二 11照射到光电接收器9上，光电接收器9将此激光信号聚焦到内部的光敏元件上，光电转换后的电信号直接输出到高速A/D转换器10进行模数转换。窗口二 11以30-50度角倾斜朝下，设计优点同激光发射器;安装有加热装置的窗口二 11具有加热功能，以防止窗口水汽凝结影响测量。防溅罩二 12可以大大降低和消除雨水溅落引起的非正常降水粒子的数量，以确保降水粒子的真实有效性，保证系统测量准确性。
[0032]如图4所示，本实用新型的系统工作技术程序说明如下:激光发射器由DC/DC供电系统供电，时序控制电路产生10KHz调制信号，激光发射模块在调制信号的调制驱动下，持续产生10KHz的脉冲激光信号，此光学信号进入光电接收器，被其内的光电接收模块所探测并转换为电信号，此信号中携带降水粒子的消光信息，当降水粒子下落穿过光学采样区，对激光起到了消光作用，降水颗粒的大小与消光信号的变化量成正比，降水颗粒的下降速度与消光信号持续的时间成反比，通过分析消光信号的变化量和持续时间，即可计算出降水粒子的尺寸和速度参数。同时，进行单位时间的粒子个数的记录，通过对降水粒子的尺寸、速度分析便可以判定降水类型、降水天气现象，再根据单位时间内的颗粒数量进行统计计算分析出降水强度、累计降水量、雷达反射因子等信息。光电接收部件中的高速A/D转换器采用高速高精度AD7674转换芯片，具有18位分辨率、800KSPS速率和SPI高速串行数据接口，此芯片由时序控制电路产生的同步解调信号控制，按照激光发射器脉冲光的闪烁频率同步进行信号采样，然后将数据通过SPI接口输出到信号处理器;信号处理器采用PIC24H系列芯片，具有I6位宽数据总线，24位宽指令，可寻址最大4M指令字的线性程序存储空间和最大64KB的线性数据存储空间，最高40MIPS的工作速度的特点，高速处理器对每秒100K数据进行实时分析和运算，并将每个工作周期运算的数据存储到数据存储单元，同时，信号处理器每间隔一段时间采集一次温度传感器信号，此温度信号参与到降水类型识别算法里，例如温度大于7°C为雨，小于-4°C为雪，从而减少降水类型的误判，更加精确地进行降水测量。信号处理器还负责对窗口加热的启停控制。
[0033]数据分析处理过程如下:
[0034]计算降水粒子的粒径D:计算公式D=KX，K是常数，X是降水粒子消光信号；
[0035]粒子的下落速度V:V=(H+D)/t，其中，11是光带的厚度，t是降水粒子通过激光光带的消光信号持续时间，D是降水粒子的粒径。可以通过公式计算出粒子的下落速度V。
[0036]记录单位时间内降水粒子的粒径、速度及数目，雨、雪、雨夹雪、冰雹等降水现象识别均依据降水粒子下降速度V (m/s)及粒子直径D (mm)来综合判定和分析。
[0037]本实用新型对降水粒子粒径的测量范围为0.2_30mm，并将测得的粒径分为32个等级。
[0038]本实用新型对降水粒子速度的测量范围为0.2-20m/s，并将测得的速度分为32个等级。
[0039]本实用新型按照降水粒子的粒径和速度划分的等级形成二维粒径-速度分布矩阵，矩阵内容为降水粒子数量，从而形成32 X 32 = 1024个降水滴谱原始数据。
[0040]降水强度、累计降水量及雷达反射因子的测量:降雨强度的测量采用在单位时间内对采集到的降水粒子的体积进行计算和累加，然后再计算成单位时间单位面积的降水高度，通过公式:降水强度I =31/6 X Σ Di3W(S*T)，累计降水量R = I*h，h为累计降水时间；雷达反射因子Z=16X X(1/(SXT) X(DiVVi))。其中，P是降水颗粒密度，与降水类型有关，Di为每个粒子的直径，Vi为每个粒子的降落速度，S是本实用新型的测量面积，即采样区面积，T为米样时间。
[0041 ] 计算出的结果，通过RS232或RS485串行通讯端口上传到上位机。
[0042]显然，本实用新型的上述实例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。
【主权项】
1.一种激光降水现象滴谱检测仪，其特征在于:由激光发射部件、光电接收部件、U型支撑结构、数据采集处理器组成，激光发射部件和光电接收部件分别安置在U型支撑结构的两端，数据采集处理器与U型支撑结构底部固定连接，与激光发射部件、光电接收部件通信连接； 激光发射部件由激光发射器、狭缝、窗口一、壳体一、防溅罩一组成，激光发射器、狭缝安置在壳体一内，窗口 一设置在壳体一侧面，位于激光发射器前方，狭缝位于激光发射器与窗口 一之间，防溅罩一安装在壳体一上;窗口一以30-50度角倾斜朝下； 光电接收部件由光电接收器、高速A/D转换器、窗口二、壳体二、防溅罩二组成，光电接收器、高速A/D转换器安置在壳体二内，窗口 二设置在壳体二侧面，位于光电接收器前方;高速A/D转换器与光电接收器连接，防溅罩二安装在壳体二上面，窗口二以30-50度角倾斜朝下。2.根据权利要求1所述的激光降水现象滴谱检测仪，其特征在于:窗口一和窗口二均粘接有加热装置。3.根据权利要求1所述的激光降水现象滴谱检测仪，其特征在于:防溅罩一与防溅罩二均为多孔结构，孔直径小于0.3_。4.根据权利要求1所述的激光降水现象滴谱检测仪，其特征在于:所述狭缝的水平宽度为30mm，高为1mm。
【文档编号】G01W1/14GK205643752SQ201620338275
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】沙广军
【申请人】洛阳阿舒尔光电科技有限公司