[發(fā)明專利]調(diào)速旋轉(zhuǎn)式降水粒子標(biāo)準(zhǔn)裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310330819.X
• 申請(qǐng)日: 2013-07-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103439759A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-12-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉西川;高太長(zhǎng);劉磊;趙世軍;翟東力
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01W1/18
• 分類號(hào): G01W1/18
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種可模擬真實(shí)降水粒子微物理特征的調(diào)速旋轉(zhuǎn)式降水粒子標(biāo)準(zhǔn)裝置，主要用于氣象自動(dòng)化測(cè)量的標(biāo)定中，為降水粒子微物理特征測(cè)量提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、可控的、與真實(shí)降水相一致的參考環(huán)境。

背景技術(shù)

氣象學(xué)中對(duì)降水現(xiàn)象的描述可以分為宏觀量和微觀量?jī)煞N，其中降水量、降水強(qiáng)度、降水時(shí)數(shù)及其時(shí)空分布屬于宏觀量，降水粒子的大小、形狀、速度、相態(tài)、構(gòu)成、譜分布等屬于微觀量。準(zhǔn)確觀測(cè)降水的宏觀量和微觀量，對(duì)于氣象科學(xué)研究、災(zāi)害性降水監(jiān)測(cè)與預(yù)警、人工影響天氣、土壤侵蝕和山體滑坡等有著重要的意義。

降水特征量的標(biāo)準(zhǔn)裝置是檢驗(yàn)降水測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)確度、保證測(cè)量精度的重要基礎(chǔ)，因此其精度必須高于降水測(cè)量?jī)x器的精度。目前，流量式標(biāo)準(zhǔn)雨量檢定裝置是對(duì)翻斗式雨量計(jì)、稱重式雨量計(jì)等電子式雨量傳感器進(jìn)行檢定的主要裝置，利用先進(jìn)的步進(jìn)電機(jī)精確控制活塞進(jìn)行抽水和放水，但只能控制水流的總量和流速，而無(wú)法控制雨滴的大小和速度，不具備對(duì)光學(xué)降水傳感器定標(biāo)的能力。對(duì)于降水微觀量，目前大多采用與雨滴性質(zhì)相近的玻璃球模擬降水粒子，但不能模擬速度。德國(guó)的二維灰度光電陣列探測(cè)器（2D-Grey?Optical?Array?Probe）采用將電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)透明玻璃盤(pán)，玻璃盤(pán)上固定72個(gè)位置放置不透明圓點(diǎn)來(lái)對(duì)粒子圖像的尺度及其速度進(jìn)行定標(biāo)，但是最大直徑僅有0.5mm，不能覆蓋全尺度降水粒子；瑞士的降水粒子速度與形狀探測(cè)器（Hydrometeor?Velocity?and?Shape?Detector）采用類似原理，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)塑膠玻璃盤(pán)，某一位置固定一透明條，其上有一實(shí)心球，這兩種方法均只能模擬圓球，而無(wú)法模擬其他形狀和透明度的降水粒子。目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的Joss-Waldvogel雨滴譜儀、OTT?PARSIVEL激光雨滴譜儀等均沒(méi)有模擬標(biāo)準(zhǔn)裝置。目前尚沒(méi)有能夠模擬真實(shí)降水粒子的尺度、速度及其譜分布的標(biāo)準(zhǔn)裝置，是導(dǎo)致雨滴譜儀測(cè)量精度難以判斷的主要原因。

隨著天氣雷達(dá)地面標(biāo)定、人工影響天氣作業(yè)評(píng)估、強(qiáng)降水監(jiān)測(cè)與預(yù)警等方面對(duì)降水微物理特征的需求不斷增加，各種雨滴譜儀廣泛應(yīng)用于氣象、水文等領(lǐng)域。但是難以評(píng)估多種儀器對(duì)降水微物理特征的測(cè)量一致性和準(zhǔn)確性，迫切需要能夠模擬真實(shí)降水粒子的形狀、尺度、速度及其譜分布等微物理特征的降水粒子標(biāo)準(zhǔn)裝置。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是：克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種能夠模擬真實(shí)降水粒子的形狀、尺度、速度等微物理特征的調(diào)速旋轉(zhuǎn)式降水粒子標(biāo)準(zhǔn)裝置，為降水粒子微物理特征的測(cè)量提供標(biāo)準(zhǔn)參考。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：包括模擬降水粒子單元和降水粒子控制單元，模擬降水粒子單元由一組與真實(shí)降水粒子透射性質(zhì)一致的模擬降水粒子貼片組成，模擬降水粒子貼片取自于不同大小的雨滴、不同形狀的雪花和冰雹等形成的圖像；降水粒子控制單元包括微控制器、底座平臺(tái)、支架、旋轉(zhuǎn)軸臂、步進(jìn)電機(jī)、透明盤(pán)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)透明盤(pán)繞旋轉(zhuǎn)軸臂旋轉(zhuǎn)、繞旋轉(zhuǎn)軸臂由支架支承；模擬降水粒子單元固定在透明盤(pán)上，在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下以可調(diào)節(jié)的一定速度旋轉(zhuǎn)，降水粒子的運(yùn)動(dòng)速度由降水粒子的位置和透明盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度決定。模擬降水粒子固定在透明盤(pán)上，在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下以可調(diào)節(jié)的一定速度旋轉(zhuǎn)，降水粒子的運(yùn)動(dòng)速度由降水粒子的位置和旋轉(zhuǎn)速度決定，此外，降水粒子的形狀和尺度由模擬降水粒子單元決定，從而綜合實(shí)現(xiàn)對(duì)降水粒子的形狀、尺度、速度等微物理特征的精確模擬和控制。光學(xué)降水測(cè)量?jī)x器的定標(biāo)時(shí)直接以模擬降水粒子單元的模擬降水粒子貼片給出的圖像為準(zhǔn)。

如圖1所示。其中核心部件是與真實(shí)降水性質(zhì)相一致的模擬降水粒子單元。模擬降水粒子具有不同的大小和形狀，將其固定到透明盤(pán)的不同位置，在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下以一定的角速度旋轉(zhuǎn)，降水粒子的位置和旋轉(zhuǎn)速度決定了降水粒子的運(yùn)動(dòng)速度。通過(guò)選擇不同大小、不同形狀和不同密度的降水粒子，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)降水粒子的尺度、形狀、密度、速度等微物理特征的模擬與控制。

進(jìn)一步的，模擬降水粒子貼片不僅限于透明圓球，更包括不同大小、不同形狀、不同透明度的雨滴、雪花、冰雹等復(fù)雜類型降水粒子。

進(jìn)一步的，模擬降水粒子的尺度介于0.1mm～10mm之間，可以固定在透明盤(pán)任意位置，精確控制模擬降水粒子的位置。

進(jìn)一步的，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由微控制器發(fā)出的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制，帶動(dòng)透明盤(pán)和模擬降水粒子傳動(dòng)，精確控制模擬降水粒子的切線速度。

進(jìn)一步的，支架底部置于平行基座軌道上，在基座軌道內(nèi)自由滑動(dòng)，可精確控制模擬降水粒子在采樣空間內(nèi)的水平位置。