[實用新型]激光雨雪粒子成像探測儀

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201521103210.X
• 申請日: 2015-12-24
• 公開（公告）號: CN205229461U
• 公開（公告）日: 2016-05-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 伍波;卿光弼
• 申請（專利權(quán)）人: 成都上甲光電科技有限公司
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89;G01S17/95;G01D21/02
• 代理公司: 成都宏順專利代理事務所(普通合伙) 51227
• 代理人: 李順德

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及氣象監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體的講是激光雨雪粒子成像探測儀。

背景技術(shù)

降水是大氣水循環(huán)的主要環(huán)節(jié)，反映了地球大氣的動力、熱力、水汽等多種要素的相互 作用。其中，雨滴是降水粒子的最主要形式，雨滴在空氣中受重力作用的降落過程中，由于 受到表面張力、空氣動力、內(nèi)部壓力、湍流等多種力的相互作用，其尺度、形狀、速度、軸 比、擺動和空間取向及其譜分布等微物理性質(zhì)呈現(xiàn)不同的特征。雨滴的尺度、形狀、速度及 其譜分布與雷達回波的相關(guān)關(guān)系是天氣雷達定量估計降水的重要基礎(chǔ)。

目前國際上能夠?qū)崿F(xiàn)降水粒子形狀顯示即成像的地面氣象監(jiān)測儀器僅有兩種儀器，分別 是采用高速線陣掃描模式的2D視頻雨滴譜儀(2D-VIDEO-DISTROMETER，2DVD)和采用并 行陣列探測模式的氣象粒子譜儀(MeteorologicalParticleSpectrometer，MPS)。2D視頻雨滴 譜儀由奧地利JoanneumResearch公司開發(fā)，系統(tǒng)是通過兩個正交的攝像頭對運動物體進行 線形掃描，以定性定量記錄降水過程、監(jiān)測降雨詳細情況的精密儀器，可測定降水總量、大 小、強度、雨滴運動速度、雨滴大小、形狀及雨滴分布等。2DVD由室外傳感器單元、室外 電子單元和室內(nèi)用戶終端三個部件組成，重量約80kg。氣象粒子譜儀由美國Droplet MeasurementTechnology公司開發(fā)，該公司將其機載降水粒子成像儀(CloudImageProbe，CIP) 工作原理應用于地面降水粒子探測，系統(tǒng)可實現(xiàn)降水粒子形狀、大小、下降速度的直接測量， 通過后處理得到降水強度等結(jié)果，通過圖像分辨是雨滴還是固態(tài)降水。由于MPS技術(shù)方案來 源于CIP，因此系統(tǒng)與CIP一樣采用柱面鏡壓縮激光束一個方向的發(fā)散角形成條帶光斑照射， 信號探測采用的是64單元并行光電探測器。

以上兩種探測儀中，2DVD存在如下問題：首先降水粒子穿過上下2個光束的時間不匹 配，會導致速度計算誤差；當有水平風存在時，粒子穿過測量區(qū)域會發(fā)生水平位移，從而導 致粒子圖像的變形；且2DVD圍欄的形狀也會導致有風條件下小粒子的數(shù)量誤差。其次2DVD 的掃描探測方式導致后處理方式復雜，電子電路單元過于龐大，系統(tǒng)體積大。MPS存在如 下問題：采用柱面鏡壓縮激光束的方式可以充分利用激光能量，但是不能解決高斯光束光強 分布不均勻的問題，照射在每個探測器單元上的光束強度不一，使得每一單元的信號放大電 路增益不一致，調(diào)試麻煩。另外并行光電探測器適用于探測高速運動目標，對于低速的地面 降水粒子探測不是最優(yōu)選擇，由于并行探測器的每一個單元需單獨的放大電路、采集電路等 后續(xù)處理電路，結(jié)構(gòu)復雜，調(diào)試難度大。

實用新型內(nèi)容

本實用新型所要解決的技術(shù)問題，就是提供一種激光雨雪粒子成像探測儀,采用串行陣列 光電探測器，降低系統(tǒng)對模擬電路和數(shù)字信號處理電路的要求。

本實用新型為解決以上問題提供的技術(shù)方案是，激光雨雪粒子成像探測儀，包括激光器 驅(qū)動電路、激光發(fā)射器、光學鏡片、衍射光學元件、一號反射鏡、二號反射鏡、顯微成像光 學模塊、陣列光電探測器、信號放大電路、信號比較判斷電路和信號處理模塊，其中所述激 光器驅(qū)動電路控制激光發(fā)射器發(fā)射激光，激光經(jīng)過光學鏡片擴束準直后被衍射光學元件整形 為光強均勻的平頂光束，平頂光束照射到一號反射鏡經(jīng)反射水平照射到二號反射鏡，二號反 射鏡將平頂光束再次反射后傳遞至顯微成像光學模塊，被光束穿過的粒子由顯微成像光學模 塊成像到陣列光電探測器，陣列光電探測器為一維線性串行陣列光電探測器，輸出信號經(jīng)過 信號放大電路放大后進入信號比較判斷電路判斷陣列光電探測器中光束圖像是否存在被粒子 遮擋，所述信號比較判斷電路將判斷后的信息傳遞至信號處理模塊。使用衍射光學元件將激 光器發(fā)射光束整形為光強分布均勻的平頂光束，因而照射到陣列光電探測器的各個單元上的 光強分布均勻，陣列光電探測器各單元輸出信號電壓一致，所述信號比較判斷電路各單元是 否被粒子陰影覆蓋的標準相同，信號放大電路對陣列光電探測器各單元的放大電路增益倍數(shù) 相同，信號比較判斷電路判斷電路閾值相同。因此系統(tǒng)可以不需使用并行陣列光電探測器， 而采用只有一路信號輸出的串行輸出陣列光電探測器，后處理只需一路信號放大電路、一路 信號比較判斷電路和一路信號處理模塊就可以完成，降低了系統(tǒng)對模擬電路和數(shù)字信號處理 電路的要求。