專利名稱：脈沖照明光學(xué)雨量測量方法與雨量計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣象學(xué)降水測量領(lǐng)域，特別是涉及一種用光學(xué)手段同時(shí)測量降水量、 降水強(qiáng)度、降水類型的方法與設(shè)備。
背景技術(shù)：
氣象學(xué)意義上的降水量是指降落至地面未經(jīng)蒸發(fā)、滲透或流失而積聚的水層深度。降水強(qiáng)度是指單位時(shí)間內(nèi)的降水量，降水類型是指降水現(xiàn)象的天氣現(xiàn)象分類，如雨夾雪、毛毛雨、冰雹等等。雨量計(jì)是測定降水量和降水強(qiáng)度的氣象儀器，目前常用的有雨量筒、翻斗式雨量計(jì)、虹吸式雨量計(jì)等。雨量筒是將雨水匯集到容器內(nèi)，然后由人工進(jìn)行計(jì)量；翻斗式雨量計(jì)是將雨水匯集均流后流入翻斗，通過翻斗的失衡翻轉(zhuǎn)來計(jì)量雨量；虹吸式雨量計(jì)則是由雨水的液面上升來推動(dòng)浮子進(jìn)行雨水計(jì)量，容器滿了后發(fā)生虹吸浮子會(huì)再回零。這幾種雨量計(jì)普遍存在測量誤差大、感應(yīng)速度慢(少量降水無反應(yīng))、無法獲得降水類型等缺點(diǎn)。光學(xué)雨量計(jì)具有反應(yīng)速度快，非接觸測量，環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，因而具有替代傳統(tǒng)雨量計(jì)的潛力。目前光學(xué)雨量計(jì)往往還具備直接測量單個(gè)降水粒子從而獲得雨滴譜和降水類型的能力。已有的光學(xué)雨量計(jì)可分為單點(diǎn)型、線陣型兩類，它們往往都使用平行光源進(jìn)行照明。單點(diǎn)型光學(xué)雨量計(jì)的接收器往往是一個(gè)光電管，所接收的信號(hào)是降水粒子通過采樣區(qū)時(shí)引起的閃爍信號(hào)，對這些閃爍信號(hào)進(jìn)行時(shí)域或頻域的分析就可得到有關(guān)降水的相應(yīng)信息。顯而易見的是單點(diǎn)型光學(xué)雨量計(jì)對于采樣空間存在多個(gè)降水粒子的情形是無法區(qū)分的，同時(shí)對于粒子的形狀也無法得到，其所得到的信息量對于精確確定雨滴譜和降水類型是不足的。例如對于雨夾雪、毛毛雨等降水類型就較難識(shí)別。為了克服單點(diǎn)型光學(xué)雨量計(jì)的缺點(diǎn)，后來又出現(xiàn)了線陣型光學(xué)雨量計(jì)，其特點(diǎn)是將多個(gè)光電敏感單元排成一條水平線來進(jìn)行感應(yīng)，例如使用光電二極管陣列或線陣CCD。當(dāng)降水粒子通過這一條感應(yīng)線時(shí)會(huì)得到這個(gè)粒子的多條擋光剖面信息，從而可重建粒子形狀，當(dāng)然也可以識(shí)別出多個(gè)降水粒子。但采用線陣法測量降水對采集速度提出了很高的要求，以IOM單元的CCD線陣為例，3mm直徑的雨滴或冰粒的下降速度為12m/S，若要對該粒子的有效掃描行數(shù)達(dá)到6行，則行頻需為 25kHz,點(diǎn)頻需要25兆。無疑，如此高速的數(shù)據(jù)流其后續(xù)的數(shù)據(jù)采集和處理成本是很大的， 這就對降低成本并推廣應(yīng)用形成了障礙。另外，即使采用線陣法，也并不能得到精確的下落末速度，因?yàn)榭傻玫降膬H僅是度越時(shí)間，垂直方向的精確幾何尺寸是得不到的，而降水粒子往往并不是球?qū)ΨQ的。因此線陣型光學(xué)雨量計(jì)也不能徹底解決尺度譜和末速度譜的同時(shí)測量問題。為了獲得更豐富的降水粒子信息，也有人研究采用面陣光學(xué)器件來對降水粒子進(jìn)行直接拍攝，然而由于粒子降落速度和粒子本身的尺度比很大，若采用普通幀速的攝像方法只能得到粒子的滿屏拖尾圖像，無法對到粒子清晰成像。所以只得求助于高速或超高速攝像機(jī)，顯然，基于高速攝像的方案是無法進(jìn)行低成本推廣的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種使用脈沖照明并結(jié)合視頻圖像來進(jìn)行降水粒子形狀和降落速度測量的方法及相應(yīng)的儀器。尤其是可以采用普通幀速的CCD面陣器件來進(jìn)行降水粒子的測量。本發(fā)明的技術(shù)方案是脈沖照明光學(xué)雨量測量方法，將持續(xù)照明的光源用可控的脈沖光源(LED或半導(dǎo)體激光器)替換，并將脈沖光的發(fā)射與圖像視頻信號(hào)的幀同步信號(hào)相一致，在每一幀的曝光時(shí)間(電子快門)內(nèi)，間隔一定的時(shí)間T進(jìn)行兩次脈沖光的發(fā)射。這樣所獲得的每一幀圖像實(shí)際上就是對降水粒子進(jìn)行了兩次曝光得到的，由于脈沖光的發(fā)射持續(xù)時(shí)間很短，因而每一次的曝光都將會(huì)得到一個(gè)清晰的降水粒子圖像，而兩次曝光則使得粒子出現(xiàn)在同一幀圖像兩個(gè)不同的位置，通過測量每一幀圖像上粒子在T時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離就可同時(shí)計(jì)算得到粒子的速度。根據(jù)測量降水粒子圖像中降水粒子的粒徑可計(jì)算粒子體積，結(jié)合采樣面積就可以計(jì)算得到瞬時(shí)降水量，積分上述瞬時(shí)的雨量值得到總雨量，瞬時(shí)的雨量值和積分的雨量值可以通過實(shí)測雨量進(jìn)行校正。根據(jù)降水粒子的圖像以及滴譜分布和速度等參數(shù)也可辨別雨、雪或雹等等。本發(fā)明的有益效果是不僅實(shí)現(xiàn)了對于粒子大小和降落速度的同時(shí)測量，還非常經(jīng)濟(jì)，因?yàn)椴捎闷胀ǖ拿骊嚁z像器件而不是昂貴的線陣或高速攝像技術(shù)就可實(shí)現(xiàn)本方案。


圖1為本發(fā)明的構(gòu)成結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為信號(hào)波形圖。
具體實(shí)施例方式圖中1表示脈沖光發(fā)射器件；2表示脈沖照明平行光源系統(tǒng)；3表示降水粒子；4表示接收光學(xué)系統(tǒng)；5表示與發(fā)射光波長相匹配的濾光片；6表示二維圖像傳感器。圖2信號(hào)波形圖中，7表示場同步信號(hào)；8表示電子快門信號(hào)，高電平為持續(xù)曝光；9表示脈沖照明控制，每一場有兩次照明，間隔為T。基于本發(fā)明方法得到所述光學(xué)雨量計(jì)，由脈沖照明平行光源系統(tǒng)2和二維圖像傳感器6構(gòu)成。脈沖光發(fā)射器件1可以是LED發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器等，二維圖像傳感器6可以是CXD面陣或CMOS面陣。由脈沖光發(fā)射器件1所發(fā)出的非平行光通過透鏡形成準(zhǔn)直的平行光通過同步控制照射到降水粒子上。被降水粒子3部分遮擋后進(jìn)入接收光學(xué)系統(tǒng)4，由濾光片5濾除外部雜散光干擾后入射到二維圖像傳感器6上。接收端放置了與發(fā)射波長相匹配的濾光片5。為實(shí)施本發(fā)明，信號(hào)處理系統(tǒng)必須首先檢測場同步信號(hào)7，然后控制電子快門信號(hào) 8，使得持續(xù)曝光時(shí)間要大于兩次照明間隔時(shí)間T。在持續(xù)曝光時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)脈沖光發(fā)射兩次， 兩次間隔為T。T的大小可根據(jù)降水粒子的下落速度由圖像處理程序進(jìn)行選擇以獲得最佳的測速精度(例如暴雨可選擇1ms，下雪時(shí)可選擇IOms)。對采集得到的圖像進(jìn)行處理后可得到粒子形狀大小和速度的具體數(shù)據(jù)。由所測得的數(shù)據(jù)再進(jìn)行計(jì)算就可得到降水量、降水類型、降水強(qiáng)度等等結(jié)果。脈沖照明光學(xué)雨量測量方法中，將持續(xù)照明的光源用可控的脈沖光源(LED或半導(dǎo)體激光器)替換，并將脈沖光的發(fā)射與圖像視頻信號(hào)的幀同步信號(hào)相一致，在每一幀的曝光時(shí)間(電子快門)內(nèi)，間隔一定的時(shí)間T進(jìn)行兩次脈沖光的發(fā)射。這樣所獲得的每一幀圖像實(shí)際上是對降水粒子進(jìn)行了兩次曝光得到的，由于脈沖光的發(fā)射持續(xù)時(shí)間很短，因而每一次的曝光都將會(huì)得到一個(gè)清晰的降水粒子圖像，而兩次曝光則得到粒子出現(xiàn)在兩個(gè)不同位置的圖像，通過測量每一幀圖像上粒子在T時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離就可同時(shí)計(jì)算得到粒子的速度。 測量每幅清晰的降水粒子圖像中降水粒子的粒徑可計(jì)算粒子體積，結(jié)合采樣面積就可以計(jì)算得到瞬時(shí)降水量，積分上述瞬時(shí)的雨量值得到總雨量。根據(jù)降水粒子的圖像以及滴譜分布和速度等參數(shù)也可辨別雨、雪或雹等等。
權(quán)利要求
1.脈沖照明光學(xué)雨量測量方法，其特征是采用可控的脈沖光，并將可控的脈沖光的發(fā)射與圖像視頻信號(hào)的幀同步信號(hào)相一致，在每一幀的曝光時(shí)間內(nèi)，間隔一定的時(shí)間T進(jìn)行兩次脈沖光的發(fā)射；所獲得的每一幀圖像實(shí)際上是對降水粒子進(jìn)行兩次曝光得到，兩次曝光則使得粒子出現(xiàn)在同一幀圖像兩個(gè)不同的位置，通過測量每一幀圖像上粒子在T時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離就同時(shí)計(jì)算得到粒子的速度；根據(jù)測量的一幅清晰的降水粒子圖像中降水粒子的粒徑可計(jì)算粒子體積，結(jié)合采樣面積就可以計(jì)算得到瞬時(shí)的降水值，積分上述瞬時(shí)的雨量得到總雨量；根據(jù)降水粒子的圖像以及滴譜分布和速度等參數(shù)也能辨別雨、雪或雹。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用光學(xué)手段進(jìn)行降水粒子測量的方法，其特征是在接收圖像端放置了與發(fā)射脈沖光波長相匹配的濾光片。
3.脈沖照明光學(xué)雨量計(jì)，其特征是包括脈沖照明平行光源系統(tǒng)、接收光學(xué)系統(tǒng)、二維圖像傳感器；脈沖光發(fā)射器件是LED發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器，二維圖像傳感器是CCD面陣或CMOS面陣；由脈沖光發(fā)射器件所發(fā)出的非平行光通過透鏡形成準(zhǔn)直的平行光通過同步控制照射到降水粒子上；被降水粒子部分遮擋后進(jìn)入接收光學(xué)系統(tǒng)，入射到二維圖像傳感器上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的脈沖照明光學(xué)雨量計(jì)，其特征是接收圖像端放置了與發(fā)射脈沖光波長相匹配的濾光片。
全文摘要
脈沖照明光學(xué)雨量測量方法，采用可控的脈沖光，并將可控的脈沖光的發(fā)射與圖像視頻信號(hào)的幀同步信號(hào)相一致，在每一幀的曝光時(shí)間內(nèi)，間隔一定的時(shí)間T進(jìn)行兩次脈沖光的發(fā)射；所獲得的每一幀圖像實(shí)際上是對降水粒子進(jìn)行兩次曝光得到，兩次曝光則使得粒子出現(xiàn)在同一幀圖像兩個(gè)不同的位置，通過測量每一幀圖像上粒子在T時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離就同時(shí)計(jì)算得到粒子的速度；根據(jù)測量的一幅清晰的降水粒子圖像中降水粒子的粒徑可計(jì)算粒子體積，結(jié)合采樣面積就可以計(jì)算得到瞬時(shí)的降水值，積分上述瞬時(shí)的雨量得到總雨量；根據(jù)降水粒子的圖像以及滴譜分布和速度等參數(shù)也能辨別雨、雪或雹。本發(fā)明不僅實(shí)現(xiàn)了對于粒子大小和降落速度的同時(shí)測量，還非常經(jīng)濟(jì)。
文檔編號(hào)G01W1/14GK102436015SQ20111039492
公開日2012年5月2日 申請日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月2日
發(fā)明者翟東力 申請人:南京英恩特環(huán)境技術(shù)有限公司