專利名稱：一種激光雨滴譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及氣象信息技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)是一種獲取雨滴譜的方法和裝 置，用于不同類型降雨的測(cè)量和檢測(cè)，包括對(duì)毛毛雨、大雨、冰雹、雪花和各種介于雪花和冰 雹之間的降水。
背景技術(shù)：
雨滴是云形成過程的最終產(chǎn)物。雨滴譜的研究，對(duì)云發(fā)展過程、降水形成的物理過 程以及降水形成的機(jī)制等方面的研究很有價(jià)值，對(duì)研究流域洪水預(yù)報(bào)、微波通信、自然現(xiàn)象 模擬、人工增雨條件、人工催化技術(shù)、雷達(dá)定量測(cè)量降水和效果檢驗(yàn)等方面也有很重要的意 義。傳統(tǒng)的雨滴譜資料獲取主要采用動(dòng)力學(xué)方法、濾紙色斑法、照相法、雷達(dá)觀測(cè)法 等。一般可分為直接法與間接法。直接法可用涂有染料的吸水紙暴露在降水環(huán)境中取樣， 也可用蓖麻油取樣，它具有原理明確，設(shè)備簡(jiǎn)單，費(fèi)用低，但該方法不能連續(xù)進(jìn)行觀測(cè)，處理 資料繁復(fù)耗時(shí)，難以大量取樣，且雨滴譜檢定的可靠性存在問題。目前廣泛使用的是濾紙斑 點(diǎn)法。對(duì)不同性質(zhì)，不同批次的濾紙，同批次濾紙的不同存放條件、不同存放時(shí)間，都對(duì)取樣 結(jié)果有影響；同批次、同樣存放時(shí)間、同樣存放條件的濾紙，在不同的環(huán)境中使用，對(duì)同樣大 小的滴形成的斑點(diǎn)也是不同的。一般使用斑點(diǎn)法取樣，對(duì)一批或某一個(gè)廠生產(chǎn)的濾紙只作 一次性實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)檢定，檢定曲線一般只作近紙面的固定體積實(shí)驗(yàn)，故取樣的可靠性存 在疑問。傳統(tǒng)的測(cè)量方法工作量大，勞動(dòng)強(qiáng)度高，無(wú)法自動(dòng)完成測(cè)量分類工作，不適合對(duì)大 量數(shù)據(jù)分析尋找規(guī)律。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種激光雨滴譜儀， 利用激光實(shí)現(xiàn)對(duì)雨滴譜的連續(xù)自動(dòng)觀測(cè)。本實(shí)用新型解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案本實(shí)用新型激光雨滴譜儀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是采用激光束源，所述激光束源經(jīng)過第一透鏡形成一組水平的平行光陣列，設(shè)置在 信號(hào)接收端的光電耦合接收器CCD通過第二透鏡測(cè)量平行光陣列的光強(qiáng)信號(hào)；在所述第一 透鏡和第二透鏡之間形成雨滴檢測(cè)區(qū)域，分別測(cè)量雨滴粒子在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)下落過程中經(jīng)過 平行光陣列所遮擋的光電耦合接收器CCD的像素個(gè)數(shù)，以及雨滴粒子在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)下落過 程中經(jīng)過平行光陣列時(shí)的CCD像素光信號(hào)減少的持續(xù)時(shí)間；設(shè)置由DSP和可編程邏輯器件FPGA構(gòu)成的控制系統(tǒng)，以所述FPGA控制A/D轉(zhuǎn)換 器完成光陣列接收器CCD中的每個(gè)像素的數(shù)據(jù)采集，利用圖像邊緣檢測(cè)法獲得關(guān)于雨滴大 小，單位時(shí)間內(nèi)個(gè)數(shù)和速度信息，所述雨滴信息存儲(chǔ)在外部雙口 RAM中；由所述DSP根據(jù)外 部雙口 RAM中的雨滴信息信息進(jìn)行雨滴譜參數(shù)的分析計(jì)算，并由所述DSP定時(shí)通過CAN總 線將雨滴譜參數(shù)上傳到上位機(jī)。
3[0009]本實(shí)用新型激光雨滴譜儀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于所述DSP采用TMS320F28335，通過CAN總線接口 A外接CAN總線收發(fā)器 SN65HVD235與上位機(jī)進(jìn)行通信；所述DSP通過外部總線接口，并利用片選CS6與權(quán)利要求1 所述的外部雙口 RAM連接。所述FPGA采用EP1C3T144C8，所述A/D轉(zhuǎn)換器采用TLC5540，所述光電耦合接收器 CCD采用TLS1402，所述雙口 RAM采用IDT70V28L ；所述CCD連接成串行方式，F(xiàn)PGA通過143 腳和144腳產(chǎn)生CXD的時(shí)序驅(qū)動(dòng)信號(hào)，CXD輸出信號(hào)通過高速運(yùn)放THS4001緩沖后送入到 所述A/D的模擬量輸入端。FPGA通過1腳產(chǎn)生所述A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘信號(hào)，A/D的八位數(shù)字量 輸出連接到所述FPGA的八個(gè)IO端；FPGA通過IO 口模擬所述雙口 RAM的總線時(shí)序，完成對(duì) 它的讀寫操作；FPGA通過引腳P140，P141，P142與權(quán)利要求2中所述DSP的IO 口連接，實(shí) 現(xiàn)FPGA與DSP之間的握手操作。本實(shí)用新型利用激光束源產(chǎn)生一組平行光束，光電耦合器件C⑶置于接收端，通 過轉(zhuǎn)換成電信號(hào)來(lái)測(cè)量光強(qiáng)度。當(dāng)一個(gè)水滴粒子從光束中穿過時(shí)，部分區(qū)域接收信號(hào)強(qiáng)度 減少，水滴粒子的直徑通過減小幅度的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)來(lái)計(jì)算，水滴粒子的降落速度由減少信 號(hào)的持續(xù)時(shí)間決定。采用DSP和可編程邏輯器件FPGA相結(jié)合，由FPGA完成光電耦合器CCD 的光陣列中的每個(gè)像素的數(shù)據(jù)采集，依靠FPGA的并行計(jì)算能力、利用圖像邊緣檢測(cè)算法獲 得雨滴粒子的大小，個(gè)數(shù)和速度的雨滴信息；由DSP根據(jù)雨滴信息進(jìn)行雨滴譜參數(shù)的分析 計(jì)算并定時(shí)將雨滴譜參數(shù)上傳到上位機(jī)。與已有技術(shù)相比，本實(shí)用新型有益效果體現(xiàn)在1、本實(shí)用新型方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)雨滴譜的連續(xù)自動(dòng)觀測(cè)。2、本實(shí)用新型設(shè)備可實(shí)現(xiàn)連續(xù)采集、直接存儲(chǔ)，并能根據(jù)不同的需要開發(fā)相應(yīng)的 處理程序，對(duì)數(shù)據(jù)直接進(jìn)行加工、處理，取樣操作簡(jiǎn)單。3、本實(shí)用新型設(shè)備可以采用單元化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)中最為復(fù)雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分都以芯 片內(nèi)部邏輯的形式實(shí)現(xiàn)，取代了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中大量的分立器件，使系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性大 幅度提高。

圖1為本實(shí)用新型雨滴譜儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本實(shí)用新型一維圖像邊緣信號(hào)。圖3為本實(shí)用新型雨滴數(shù)據(jù)采集處理單元電路。圖4為本實(shí)用新型雨滴譜儀主控單元電路。
具體實(shí)施方式
參見圖1，本實(shí)施例中的雨滴譜儀由激光束發(fā)生裝置、數(shù)據(jù)采集處理單元、通信系 統(tǒng)和雨滴譜參數(shù)分析計(jì)算單元構(gòu)成。激光束發(fā)生裝置，由激光束源產(chǎn)生一組平行光束，采用波長(zhǎng)為785nm的非可見紅 外光。帶有透鏡的光電耦合接收器CCD置于接收端，通過將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)來(lái)測(cè)量光 強(qiáng)度。當(dāng)一個(gè)雨滴粒子從光束中穿過時(shí)，部分區(qū)域接收信號(hào)強(qiáng)度減少，粒子的直徑通過
4減小幅度的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)來(lái)計(jì)算，雨滴粒子的降落速度由減少信號(hào)的持續(xù)時(shí)間決定?？梢栽?檢測(cè)區(qū)域設(shè)置加熱模塊，用來(lái)防止冰封、蒸汽或其它干擾；在FPGA控制下產(chǎn)生CXD和高速 A/D轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)時(shí)序，實(shí)時(shí)將CCD輸出數(shù)據(jù)采集到FPGA內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩存單元，由FPGA實(shí) 時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，并將計(jì)算得到的粒子直徑和速度信息存儲(chǔ)到外部大容量 的雙口 RAM中。FPGA每次累計(jì)60秒的雨滴粒子信息，當(dāng)?shù)?0秒時(shí)，F(xiàn)PGA通知DSP從外部 雙口 RAM中讀取粒子信息，進(jìn)行進(jìn)一步分析計(jì)算；通信系統(tǒng)和雨滴譜參數(shù)分析計(jì)算單元，由DSP每60秒接收到一次FPGA輸出的使 能信號(hào)，DSP根據(jù)FPGA提供的雨滴數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元區(qū)域信號(hào)flagl，從外部RAM中取出60秒 中系統(tǒng)檢測(cè)的所有粒子直徑和速度信息，并進(jìn)行進(jìn)一步分析計(jì)算，得到雨量，雨強(qiáng)等雨滴譜 參數(shù)，然后將其通過CAN總線傳送至上位機(jī)。雨滴大小是利用雨滴在下落過程中經(jīng)過平行光束所遮擋住的CXD像素個(gè)數(shù)來(lái)測(cè)量的。一般而言，自然降水中大于6mm的雨滴很少觀測(cè)到，而直徑介于0. 28 1. Omm的 雨滴在下落過程中就會(huì)發(fā)生形變。但仍可近似為球形，直徑大于Imm的雨滴則會(huì)發(fā)生明顯 的形變。若以f = b/a，其中a和b分別為變形雨滴的長(zhǎng)半軸和短半軸(單位為mm)代表雨 滴形變因子，Pruppacher和Beard通過風(fēng)洞試驗(yàn)建立了球形雨滴等效直徑D和f之間的函 數(shù)關(guān)系f = 1. 03-0. 062D ； (Imm 彡 D 彡 9mm) (1)儀器測(cè)得的雨滴大小是2a，利用(1)式和等效球形雨滴直徑D之間的關(guān)系D = 2 (a2/3b1/3)(2)得到對(duì)應(yīng)的等效直徑D。測(cè)量雨滴短軸直徑，采用直線擬合線陣CCD圖像邊緣檢測(cè)法，理想的邊緣信號(hào)是 一階躍函數(shù)，灰度圖如圖2(a)所示。雨滴下落經(jīng)過平行光束時(shí)，在CCD光敏元件上成像， CCD采集到的實(shí)際邊緣信號(hào)實(shí)際上是一個(gè)連續(xù)漸變的信號(hào)，灰度圖如圖2(b)所示。可以選 取中間較直的部分作直線擬合，然后將邊緣點(diǎn)的灰度值代入所得的直線方程就可以得到邊 緣的像素位置值。為避免CCD輸出的原始數(shù)據(jù)中帶有高頻噪聲對(duì)邊緣檢測(cè)產(chǎn)生影響，采用 中值濾波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以消除噪聲，為圖像邊緣精確定位作好準(zhǔn)備。中值濾波的特點(diǎn) 是它不依賴于樣本中那些與典型值差別很大的值，因此它能夠在去除高頻噪聲的同時(shí)保留 圖像邊緣的細(xì)節(jié)。如圖2(b)所示，圖像邊緣過渡區(qū)間從a點(diǎn)開始到b點(diǎn)結(jié)束，靠近a、b兩點(diǎn)附近的 灰度變化緩慢，曲線形狀偏離直線較遠(yuǎn)；中間部分較直，是用于直線擬合的部分，可以通過 設(shè)定灰度域值來(lái)確定參與擬合的邊緣范圍。C⑶獲得的圖像信號(hào)要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)然后進(jìn)行進(jìn)一步的處理， 本實(shí)施例采用8位的A/D轉(zhuǎn)換器，圖像灰度的變化范圍是從0至255，設(shè)灰度的上限值為Yh， 下限值為Y1，截取Yh和Yl之間的邊緣信號(hào)進(jìn)行直線擬合，其中取Yh為192，Yl為64。從 a點(diǎn)沿邊緣區(qū)向b點(diǎn)搜索，找到大于Yl的第一個(gè)點(diǎn)Ii1 ；從b點(diǎn)沿邊緣區(qū)向a點(diǎn)搜索，找到小 于Yh的第一個(gè)點(diǎn)n2，則從Ii1到Ii2的點(diǎn)的灰度值介于Yl和Yh之間。選取從Ii1到n2點(diǎn)作為 擬合窗口進(jìn)行直線擬合。設(shè)用于邊緣信號(hào)擬合的直線方程為Y(n) =k*n+b，邊緣圖像的實(shí) 測(cè)灰度值為y (η)，采用最小二乘原理求取參數(shù)k和b，使誤差平方和e2最小。[0034]e2 =Y^yin)-kn-b-\2(3)將e2分別對(duì)k，b求偏微分，并分別令其偏微分為零，得^rY^Vy^-kn-b}2 =0(4)
CTC=Q(5)由式⑷，(5)得k^y + b^y = nY\g(n)(6)O + b(n2-η,-l) =(7)由式(6)和式(7)可以得到邊緣擬合窗口的擬合直線方程Y (η) = k-n+b的兩個(gè) 參數(shù)k和b。采用閾值比較法，設(shè)邊緣位置為n3，對(duì)應(yīng)的灰度值為128，即有128 = kn3+b，從 而可以求出邊緣點(diǎn)n3 = (128-b)/k。雨滴從高空豎直落到地面的過程中，由于空氣阻力的作用，雨滴在下落一段距離 后就做勻速運(yùn)動(dòng)，即雨滴落地時(shí)已做勻速運(yùn)動(dòng)。雨滴速度是利用雨滴經(jīng)過平行光束時(shí)，記錄 CXD像素光信號(hào)減少的持續(xù)時(shí)間t，通公式(1)和(2)計(jì)算出雨滴長(zhǎng)軸距離b，雨滴速度ν = b/t。雨滴的短軸直徑和時(shí)間t的測(cè)量由圖3中的電路完成，圖3中的CCD器件采 用TSL1402，它是由兩個(gè)獨(dú)立的128X1的像素陣列構(gòu)成一個(gè)256X 1的像素陣列，每?jī)蓚€(gè) 像素的中心間距是63.5 μ m，最高操作時(shí)鐘頻率達(dá)8MHz，具有良好的線性模擬信號(hào)輸出。 TSL1402的兩個(gè)獨(dú)立的128X1的像素陣列可并行工作也可串行工作，本電路采用串行工 作模式，因此最大的橫向檢測(cè)區(qū)域是16. 19mm(255X63. 5μπι = 16. 19mm)。TSL1402輸出 的模擬信號(hào)經(jīng)過高速運(yùn)放緩沖后送入到8位高速A/D轉(zhuǎn)換器TLC5540的模擬信號(hào)輸入端， TSL1402和TLC5540的驅(qū)動(dòng)信號(hào)都由FPGA產(chǎn)生，在單進(jìn)程MOOR狀態(tài)機(jī)的控制下，F(xiàn)PGA由 143腳輸出TSL1402的啟動(dòng)信號(hào)Si，由144引腳輸出一個(gè)8MHZ的時(shí)鐘信號(hào)clk_ccd作為 TSL1402的時(shí)鐘，當(dāng)SI有效以后，TSL1402會(huì)在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿輸出一個(gè)像素的模擬量， 于此同時(shí)，外部的高速A/D使能，F(xiàn)PGA由1腳輸出一個(gè)與TSL1402相同的時(shí)鐘信號(hào)clk_ad 作為TLC5540的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘。由于TLC5540是在每個(gè)時(shí)鐘的下降沿采樣模擬量，延遲2. 5個(gè)時(shí) 鐘周期后輸出數(shù)字量，通過FPGA的狀態(tài)機(jī)控制可保證TSL1402在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿輸出一 個(gè)像素的模擬量，而在下降沿對(duì)其采樣，F(xiàn)PGA將采集到的每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值按順序存儲(chǔ) 到其內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖單元中，經(jīng)過256個(gè)時(shí)鐘周期后便可完成CCD的256個(gè)像素點(diǎn)的灰度 值采樣，即采集一幀數(shù)據(jù)。FPGA內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖單元是采用Altera公司的IP core生成工 具-MegaWizardPlug-In Manager生成的一個(gè)512*8bit的雙口 RAM，并通過mif文件將其中 各單元內(nèi)容初始化為0。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與處理，將512個(gè)字節(jié)的雙口 RAM分為高 低兩個(gè)256字節(jié)的區(qū)域，這樣便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的乒乓操作，即當(dāng)CCD各個(gè)像素點(diǎn)的灰度值向低 256字節(jié)單元存儲(chǔ)時(shí)，F(xiàn)PGA內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理單元可從高256字節(jié)單元中讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 反之從低256字節(jié)單元中讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由于高低256字節(jié)存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)是交替 更新的，這也就要求FPGA內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理單元必須在數(shù)據(jù)更新前完成計(jì)算，否則數(shù)據(jù)將被 覆蓋。設(shè)計(jì)中為保證算法的執(zhí)行效率采取了三項(xiàng)措施，一是數(shù)據(jù)處理單元采用了 3 5級(jí)流水線技術(shù)；二是充分發(fā)揮FPGA的并行計(jì)算能力；三是將數(shù)據(jù)處理單元的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)采集 單元時(shí)鐘分開，即高速處理，低速采樣，CDD采樣時(shí)鐘為8MHZ，數(shù)據(jù)處理單元時(shí)鐘為80MHZ。 FPGA外部采用16MHZ的有源時(shí)鐘輸入，經(jīng)內(nèi)部2分頻可得到8MHZ的時(shí)鐘clk2，經(jīng)內(nèi)部鎖相 環(huán)5倍頻可得到80MHZ的時(shí)鐘clkl。數(shù)據(jù)處理單元與數(shù)據(jù)采集單元由于采用不同的時(shí)鐘， 且采樣數(shù)據(jù)隨機(jī)變化，處理時(shí)間可能長(zhǎng)，可能短，二者不能實(shí)現(xiàn)同步，但是在最壞的情況下， 也要保證處理時(shí)間小于或等于采樣時(shí)間。數(shù)據(jù)處理單元與數(shù)據(jù)采集單元之間是通過握手信 號(hào)start和flag2進(jìn)行通信的，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后數(shù)據(jù)采集單元便開始采樣數(shù)據(jù)，當(dāng)一幀數(shù)據(jù)采 集結(jié)束后便產(chǎn)生一個(gè)有效的start信號(hào)，這時(shí)數(shù)據(jù)處理單元接收到有效信號(hào)start后，便 根據(jù)flag2的狀態(tài)決定是從高還是低256字節(jié)數(shù)據(jù)緩沖單元中讀取數(shù)據(jù)(flag2為0表示 數(shù)據(jù)采集單元正向低256字節(jié)數(shù)據(jù)緩沖單元存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，此時(shí)數(shù)據(jù)處理單元應(yīng)從高256字節(jié) 數(shù)據(jù)緩沖單元讀取數(shù)據(jù)處理，反之從低256字節(jié)數(shù)據(jù)緩沖單元讀取數(shù)據(jù)處理)，數(shù)據(jù)處理單 元采用中值濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后利用直線擬合線陣CCD圖像邊緣檢測(cè)方法進(jìn) 行邊緣檢測(cè)，由于同一個(gè)雨滴在經(jīng)過平行光速時(shí)，要被采樣多次，這取決與雨滴的速度和大 小。假設(shè)N次，記錄下N次中檢測(cè)到的最大短軸長(zhǎng)度和次數(shù)N，用次數(shù)N便可計(jì)算出雨滴經(jīng) 過平行光速時(shí)所用時(shí)間t，t等于次數(shù)N乘以每幀數(shù)據(jù)采樣的總時(shí)間。系統(tǒng)以8MHZ的時(shí)鐘 頻率對(duì)CXD的個(gè)像素點(diǎn)采樣，采集256個(gè)點(diǎn)的時(shí)間是32 μ s，為了保證CXD的有效積分時(shí)間， 當(dāng)256個(gè)點(diǎn)采樣結(jié)束后又延長(zhǎng)5. 5 μ s，這樣采樣一幀數(shù)據(jù)的總時(shí)間就是37. 5 μ s，由此可計(jì) 算出雨滴經(jīng)過平行光速時(shí)所用時(shí)間t位37. 5Νμ S。圖3中IDT70V28L是一個(gè)64KX16bit的高速雙口 RAM，用來(lái)存儲(chǔ)一分鐘內(nèi)檢測(cè) 到的雨滴個(gè)數(shù)和每個(gè)雨滴的短軸直徑和N值。它一個(gè)端口連接到FPGA，另一個(gè)端口連接 到DSP。設(shè)計(jì)將IDT70V28L分為高低兩個(gè)32K的存儲(chǔ)區(qū)域，這樣DSP和FPGA便可實(shí)現(xiàn)對(duì) IDT70V28L的乒乓操作。本實(shí)用新型實(shí)時(shí)檢測(cè)雨滴，當(dāng)一個(gè)雨滴完全經(jīng)過光束后便將這個(gè)雨 滴累加計(jì)數(shù)η (雨滴個(gè)數(shù))，然后將其短軸直徑和N值存儲(chǔ)到IDT70V28L的高32Κ或低32Κ 存儲(chǔ)區(qū)域的第中η個(gè)單元中，其中短軸直徑和N值分別用8位二進(jìn)制表示，合并在一起就是 一個(gè)16位二進(jìn)制，而雨滴個(gè)數(shù)η則存儲(chǔ)在高32Κ或低32Κ的第0個(gè)單元中。雨滴譜參數(shù)計(jì)算由DSP數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335完成，電路如圖4所 示。TMS320F28335DSP具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元；片內(nèi)內(nèi)置 256K*16位FLASH，可存放用戶程序，F(xiàn)LASH可加密；內(nèi)置34K*16位SRAM，2路CAN2. 0接口， 方便組網(wǎng)通信。DSP和FPGA對(duì)IDT70V28L進(jìn)行乒乓操作，圖3中DSP的3個(gè)IO 口 J2與圖4 中FPGA的3個(gè)IO 口相連，作為握手信號(hào)。系統(tǒng)啟動(dòng)后，DSP通過握手信號(hào)啟動(dòng)FPGA工作， 啟動(dòng)后，每隔一分鐘FPGA將內(nèi)采集到的雨滴信息乒乓式存儲(chǔ)到外部雙口 RAM中，然后通過 握手信號(hào)通知DSP到相應(yīng)的雙口 RAM區(qū)域中讀取雨滴信息進(jìn)行雨滴譜參數(shù)計(jì)算。DSP讀取 出雨滴信息后，首先根據(jù)公式(1)、(2)計(jì)算出每個(gè)雨滴的等效直徑Di,然后根據(jù)公式(8)、 (9)、(10)、(11)、(12)計(jì)算雨強(qiáng)，雨量等參數(shù)。 η/' = η/ /Vi(個(gè)·πΓ3) (9)
7 其中，η,是某一尺度雨滴的個(gè)數(shù)，n/是某一尺度雨滴平面濃度，S雨滴譜儀的有 效取樣面積，t是取樣時(shí)間，Di是某一尺度雨滴的直徑，I是雨強(qiáng)，Q是空間含水量。D是雨 滴的平均直徑。本實(shí)用新型采用CAN總完成雨滴譜儀與上位機(jī)的通信，電路如圖4所示，DSP通過 CAN總線接口外接CAN總線收發(fā)器SN65HVD235進(jìn)行通信。
權(quán)利要求一種激光雨滴譜儀，其特征是采用激光束源，所述激光束源經(jīng)過第一透鏡形成一組水平的平行光陣列，設(shè)置在信號(hào)接收端的光電耦合接收器CCD通過第二透鏡測(cè)量平行光陣列的光強(qiáng)信號(hào)；在所述第一透鏡和第二透鏡之間形成雨滴檢測(cè)區(qū)域，分別測(cè)量雨滴粒子在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)下落過程中經(jīng)過平行光陣列所遮擋的光電耦合接收器CCD的像素個(gè)數(shù)，以及雨滴粒子在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)下落過程中經(jīng)過平行光陣列時(shí)的CCD像素光信號(hào)減少的持續(xù)時(shí)間；設(shè)置由DSP和可編程邏輯器件FPGA構(gòu)成的控制系統(tǒng)，以所述FPGA控制A/D轉(zhuǎn)換器完成光陣列接收器CCD中的每個(gè)像素的數(shù)據(jù)采集，利用圖像邊緣檢測(cè)法獲得關(guān)于雨滴大小，單位時(shí)間內(nèi)個(gè)數(shù)和速度信息，所述雨滴信息存儲(chǔ)在外部雙口RAM中；由所述DSP根據(jù)外部雙口RAM中的雨滴信息信息進(jìn)行雨滴譜參數(shù)的分析計(jì)算，并由所述DSP定時(shí)通過CAN總線將雨滴譜參數(shù)上傳到上位機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光雨滴譜儀，其特征是所述DSP采用TMS320F28335，通過 CAN總線接口 A外接CAN總線收發(fā)器SN65HVD235與上位機(jī)進(jìn)行通信；所述DSP通過外部總 線接口，并利用片選CS6與權(quán)利要求1所述的外部雙口 RAM連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光雨滴譜儀，所述FPGA采用EP1C3T144C8，所述A/D轉(zhuǎn)換 器采用TLC5540，所述光電耦合接收器CCD采用TLS1402，所述雙口 RAM采用IDT70V28L ；所 述CXD連接成串行方式，F(xiàn)PGA通過143腳和144腳產(chǎn)生CXD的時(shí)序驅(qū)動(dòng)信號(hào)，CXD輸出信 號(hào)通過高速運(yùn)放THS4001緩沖后送入到所述A/D的模擬量輸入端；FPGA通過1腳產(chǎn)生所述 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘信號(hào)，A/D的八位數(shù)字量輸出連接到所述FPGA的八個(gè)IO端；FPGA通過IO 口 模擬所述雙口 RAM的總線時(shí)序，完成對(duì)它的讀寫操作；FPGA通過引腳P140，P141，P142與權(quán) 利要求2中所述DSP的IO 口連接，實(shí)現(xiàn)FPGA與DSP之間的握手操作。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種能夠連續(xù)自動(dòng)觀測(cè)的激光雨滴譜儀，其特征是利用光陣排列法連續(xù)檢測(cè)雨滴的大小、個(gè)數(shù)和速度；根據(jù)測(cè)量的雨滴粒子信息進(jìn)行雨量、雨強(qiáng)等雨滴譜參數(shù)計(jì)算。設(shè)置由DSP和可編程邏輯器件FPGA構(gòu)成的控制系統(tǒng)，其中FPGA負(fù)責(zé)完成CCD光陣列中的每個(gè)像素的數(shù)據(jù)采集，并發(fā)揮FPGA的并行計(jì)算能力利用圖像邊緣檢測(cè)算法進(jìn)行雨滴大小，個(gè)數(shù)和速度計(jì)算；DSP根據(jù)雨滴的大小、個(gè)數(shù)和速度信息進(jìn)行雨滴譜參數(shù)分析計(jì)算并定時(shí)通過CAN總線將雨滴譜參數(shù)上傳到上位機(jī)。
文檔編號(hào)G01N21/31GK201689044SQ20102020424
公開日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月24日
發(fā)明者凌六一, 唐超禮, 曲立國(guó), 邢立坤, 黃友銳 申請(qǐng)人:安徽理工大學(xué)