[發明專利]脈沖照明光學雨量測量方法與雨量計

有效

• 申請號: 201110394923.6
• 申請日: 2011-12-02
• 公開（公告）號: CN102436015A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: 翟東力
• 申請（專利權）人: 南京英恩特環境技術有限公司
• 主分類號: G01W1/14
• 分類號: G01W1/14
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 陳建和

技術領域

本發明涉及氣象學降水測量領域，特別是涉及一種用光學手段同時測量降水量、降水強度、降水類型的方法與設備。

背景技術

氣象學意義上的降水量是指降落至地面未經蒸發、滲透或流失而積聚的水層深度。降水強度是指單位時間內的降水量，降水類型是指降水現象的天氣現象分類，如：雨夾雪、毛毛雨、冰雹等等。

雨量計是測定降水量和降水強度的氣象儀器，目前常用的有雨量筒、翻斗式雨量計、虹吸式雨量計等。雨量筒是將雨水匯集到容器內，然后由人工進行計量；翻斗式雨量計是將雨水匯集均流后流入翻斗，通過翻斗的失衡翻轉來計量雨量；虹吸式雨量計則是由雨水的液面上升來推動浮子進行雨水計量，容器滿了后發生虹吸浮子會再回零。這幾種雨量計普遍存在測量誤差大、感應速度慢(少量降水無反應)、無法獲得降水類型等缺點。

光學雨量計具有反應速度快，非接觸測量，環境適應性好等優點，因而具有替代傳統雨量計的潛力。目前光學雨量計往往還具備直接測量單個降水粒子從而獲得雨滴譜和降水類型的能力。已有的光學雨量計可分為單點型、線陣型兩類，它們往往都使用平行光源進行照明。單點型光學雨量計的接收器往往是一個光電管，所接收的信號是降水粒子通過采樣區時引起的閃爍信號，對這些閃爍信號進行時域或頻域的分析就可得到有關降水的相應信息。顯而易見的是單點型光學雨量計對于采樣空間存在多個降水粒子的情形是無法區分的，同時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別。為了克服單點型光學雨量計的缺點，后來又出現了線陣型光學雨量計，其特點是將多個光電敏感單元排成一條水平線來進行感應，例如使用光電二極管陣列或線陣CCD。當降水粒子通過這一條感應線時會得到這個粒子的多條擋光剖面信息，從而可重建粒子形狀，當然也可以識別出多個降水粒子。但采用線陣法測量降水對采集速度提出了很高的要求，以1024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達到6行，則行頻需為25kHz，點頻需要25兆。無疑，如此高速的數據流其后續的數據采集和處理成本是很大的，這就對降低成本并推廣應用形成了障礙。另外，即使采用線陣法，也并不能得到精確的下落末速度，因為可得到的僅僅是度越時間，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對稱的。因此線陣型光學雨量計也不能徹底解決尺度譜和末速度譜的同時測量問題。

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器件來對降水粒子進行直接拍攝，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，顯然，基于高速攝像的方案是無法進行低成本推廣的。

發明內容

本發明的目的是：提出一種使用脈沖照明并結合視頻圖像來進行降水粒子形狀和降落速度測量的方法及相應的儀器。尤其是可以采用普通幀速的CCD面陣器件來進行降水粒子的測量。

本發明的技術方案是：脈沖照明光學雨量測量方法，將持續照明的光源用可控的脈沖光源(LED或半導體激光器)替換，并將脈沖光的發射與圖像視頻信號的幀同步信號相一致，在每一幀的曝光時間(電子快門)內，間隔一定的時間T進行兩次脈沖光的發射。這樣所獲得的每一幀圖像實際上就是對降水粒子進行了兩次曝光得到的，由于脈沖光的發射持續時間很短，因而每一次的曝光都將會得到一個清晰的降水粒子圖像，而兩次曝光則使得粒子出現在同一幀圖像兩個不同的位置，通過測量每一幀圖像上粒子在T時間內移動的距離就可同時計算得到粒子的速度。根據測量降水粒子圖像中降水粒子的粒徑可計算粒子體積，結合采樣面積就可以計算得到瞬時降水量，積分上述瞬時的雨量值得到總雨量，瞬時的雨量值和積分的雨量值可以通過實測雨量進行校正。根據降水粒子的圖像以及滴譜分布和速度等參數也可辨別雨、雪或雹等等。

本發明的有益效果是：不僅實現了對于粒子大小和降落速度的同時測量，還非常經濟，因為采用普通的面陣攝像器件而不是昂貴的線陣或高速攝像技術就可實現本方案。

附圖說明

圖1為本發明的構成結構示意圖；

圖2為信號波形圖。

具體實施方式

圖中1表示脈沖光發射器件；2表示脈沖照明平行光源系統；3表示降水粒子；4表示接收光學系統；5表示與發射光波長相匹配的濾光片；6表示二維圖像傳感器。圖2信號波形圖中，7表示場同步信號；8表示電子快門信號，高電平為持續曝光；9表示脈沖照明控制，每一場有兩次照明，間隔為T。