雨滴三維尺度檢測裝置及利用該裝置計算雨滴體積的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種雨滴三維尺度檢測裝置及利用該裝置計算雨滴體積的方法，屬于氣象觀測【技術(shù)領(lǐng)域】。該雨滴三維尺度檢測裝置，包括激光器Ⅰ、光束整形系統(tǒng)Ⅰ、下層檢測區(qū)、線陣光電探測器Ⅰ、激光器Ⅱ、光束整形系統(tǒng)Ⅱ、線陣光電探測器Ⅱ、激光器Ⅲ、光束整形系統(tǒng)Ⅲ、上層檢測區(qū)和線陣光電探測器Ⅲ；利用該裝置計算雨滴體積的方法為通過將雨滴建模為橢球形或饅頭形，然后根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)求出該雨滴的近似體積。該裝置采用三維方向上高速線陣掃描的方法提高雨滴尺度采樣精度和分辨率，增加毛毛雨等微小降水粒子的識別率，同時，改進(jìn)現(xiàn)有的光學(xué)雨量計在對降水粒子形態(tài)的測量，如降水粒子的形狀、下落角度等，建立更精確的數(shù)學(xué)模型，誤差較小。
【專利說明】雨滴三維尺度檢測裝置及利用該裝置計算雨滴體積的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種雨滴三維尺度檢測裝置及利用該裝置計算雨滴體積的方法，屬于氣象觀測【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)測量雨滴直徑的方法有濾紙色斑法，高速攝影法，雷達(dá)觀測法，激光全息攝影法，光學(xué)雨量計法，面粉團(tuán)法等。工作量大，勞動強(qiáng)度高，無法自動完成自動分類統(tǒng)計測量工作，不適合對大量數(shù)據(jù)分析尋找規(guī)律。傳統(tǒng)的雨量計有翻斗式雨量計，虹吸式雨量計，稱重式雨量計等，雖然結(jié)構(gòu)原理簡單，但無法獲得雨滴的粒徑大小、雨滴降落速度，不能準(zhǔn)確反映降雨的起、止時間和獲取瞬間降雨強(qiáng)度信息。
[0003]現(xiàn)有遮擋式光學(xué)雨量計在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上多采用一維或二維檢測，一維遮擋式光學(xué)雨量計采樣區(qū)間面積較小，只能實測降水粒子的一維橫向粒子尺度，然后根據(jù)靜風(fēng)狀態(tài)下粒子豎軸對稱假設(shè)(粒子較小時假設(shè)為球體，粒子較大時假設(shè)為橫長橢球或下扁平圓型饅頭狀等)建立降水粒子橫向尺度與粒子體積間換算的數(shù)學(xué)模型，計算降水粒子的有效粒徑和體積，這種方式存在的主要問題是由于一維尺度檢測，且探測器像元數(shù)較少，造成實測信息量少。而軸對稱計算模型在有風(fēng)條件下與實際情況偏差較大，容易造成雨量計算誤差。而且采用光學(xué)遮擋法檢測下落雨滴體積時需要知道雨滴的直徑，通常情況下下落雨滴體積的計算會采用實際掃描到的最長線作為實際雨滴的等效直徑，但是由于受線陣光電探測器采集行頻的限制，特別是當(dāng)雨滴尺寸很小時，很難采集到等于雨滴直徑的最長線，造成誤差；如果在采集時因某種原因出現(xiàn)漏采，也會造成無法彌補(bǔ)的較大誤差。當(dāng)下落雨滴為橢球時，橢球的體積計算需要知道橢球的三個軸長，傳統(tǒng)一維或二維檢測無法滿足，而且數(shù)據(jù)處理相對復(fù)雜，影響處理速度。當(dāng)雨滴直徑較大時，雨滴由于在垂直方向、迎風(fēng)方向都受到力的作用，形狀趨于不規(guī)則，因此采用傳統(tǒng)一維或二維檢測均無法較為準(zhǔn)確反應(yīng)雨滴的信息。另夕卜，一維和二維檢測存在雨滴粒子間相互遮擋，現(xiàn)有檢測方式難以進(jìn)一步提高檢測精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題及不足，本發(fā)明提供一種雨滴三維尺度檢測裝置及利用該裝置計算雨滴體積的方法。該裝置采用高速線陣掃描的方法提高采樣精度和分辨率，增加毛毛雨等微小粒子的識別率，同時，改進(jìn)現(xiàn)有的光學(xué)雨量計在對降水粒子形態(tài)的測量，如降水粒子的形狀、下落角度等，建立更精確的數(shù)學(xué)模型，通過該方法計算得到的雨滴體積誤差較小，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)。
[0005]一般而言，當(dāng)雨滴較小時(如等效粒徑小于1mm)，表面張力占主導(dǎo)地位，此時的雨滴在表面張力的作用下，形狀為球形；當(dāng)雨滴較大時，受空氣阻力作用，雨滴形狀略微變扁，為橢球形；當(dāng)雨滴尺寸進(jìn)一步增大時，靜水壓強(qiáng)和空氣動壓強(qiáng)的數(shù)值逐漸增大，成為主要控制因素，并且可發(fā)現(xiàn)，空氣動壓強(qiáng)的增長速率要快于靜水壓強(qiáng)的增長速率，此時雨滴的形狀不再是球形，雨滴底部受氣流壓迫，變?yōu)椤梆z頭”形狀；當(dāng)雨滴再進(jìn)一步變大時，在駐點(diǎn)處，很可能會使曲率變成負(fù)值，表面向里凹陷，最終很可能貫穿雨滴，這時較大的雨滴就會破裂成許多小雨滴。
[0006]一種雨滴三維尺度檢測裝置，包括激光器I 1、光束整形系統(tǒng)I 2、下層檢測區(qū)3、線陣光電探測器I 4、激光器II 5、光束整形系統(tǒng)II 6、線陣光電探測器II 7、激光器1118、激光光束整形系統(tǒng)III 9、上層檢測區(qū)10和線陣光電探測器III 11，所述激光器I I發(fā)出的發(fā)散光經(jīng)光束整形系統(tǒng)I 2后變換為與xy平面平行并沿X方向傳播、在y方向有寬度、在垂直方向的厚度小于Imm的平行片光光束，并照射在線陣光電探測器I 4上，激光器II 5發(fā)出的發(fā)散光經(jīng)光束整形系統(tǒng)II 6后變換為與xy平面平行、并沿y方向傳播、在χ方向具有寬度、在垂直方向的厚度小于Imm的平行片光光束，并照射在線陣光電探測器II 7上，沿X方向傳播的平行片光光束與沿y方向傳播的平行片光光束垂直交叉重合部分構(gòu)成下層檢測區(qū)3，當(dāng)有降水粒子至上落下穿過檢測區(qū)3時，會對x、y兩個方向的平行片光光束產(chǎn)生遮擋形成陰影，使得入射到探測器的平行片光光束的強(qiáng)度發(fā)生改變，線陣光電探測器I 4、II 7可以根據(jù)陰影部分平行片光光束強(qiáng)度的變化，得到該方向上下落雨滴的尺度基本形態(tài)信息，該二維光路用于降水粒子水平兩個方向的尺度大小檢測，激光器III8位于激光器I I正上端，激光器III 8發(fā)出的發(fā)散光經(jīng)光束整形系統(tǒng)III 9后變換為與xy平面平行、并沿χ方向傳播、在y方向有寬度、在垂直方向的厚度小于1_的平行片光光束，并照射在線陣光電探測器III11上，該平行片光光束構(gòu)成上層檢測區(qū)10，該光路與下層y方向光路用于測量雨滴落速和粒子鉛直方向的尺度大小。
[0007]所述線陣光電探測器I 4、線陣光電探測器II 7、線陣光電探測器III 11包括具有4096象元數(shù)、7 μ m*7 μ m象元尺度、24KHz采集行頻的線陣(XD。
[0008]一種利用上述的雨滴三維尺度檢測裝置計算雨滴體積的方法，該方法為:將雨滴按照其等效尺度大小建模，當(dāng)雨滴等效尺度小于3_時將雨滴建模為橢球形；當(dāng)雨滴等效尺度大于或等于3mm時將雨滴建模為饅頭形；
(O當(dāng)雨滴建模為橢球形時，對該橢球形模擬建立分別平行于χ軸、y軸、z軸的近似軸
長?、b、c，計算該橢球形雨滴體積的具體步驟如下:
步驟1:計算近似軸長α ,通過線陣光電探測器I (4)采集到該橢球形在下層的橢圓形圖形、組成該橢圓形的每一條弦的弦長(dpdy…、(V^dn)及相鄰兩條弦之間的間距(hph2、…、tv"、hm)，按比例去除上下邊緣誤差較大的弦，隨機(jī)選取三條弦長和三條弦間的兩個間距，分別記為Cl1U2Uphph2，然后按照方程組:
【權(quán)利要求】
1.一種雨滴三維尺度檢測裝置，其特征在于:包括激光器I (I)、光束整形系統(tǒng)I (2)、下層檢測區(qū)(3)、線陣光電探測器I (4)、激光器II (5)、光束整形系統(tǒng)II (6)、線陣光電探測器II (7)、激光器111(8)、激光光束整形系統(tǒng)111(9)、上層檢測區(qū)(10)和線陣光電探測器III(11)，所述激光器I (I)發(fā)出的發(fā)散光經(jīng)光束整形系統(tǒng)I (2)后變換為與xy平面平行并沿X方向傳播、在y方向有寬度、在垂直方向的厚度小于Imm的平行片光光束，并照射在線陣光電探測器I (4)上，激光器II (5)發(fā)出的發(fā)散光經(jīng)光束整形系統(tǒng)II (6)后變換為與xy平面平行、并沿y方向傳播、在X方向具有寬度、在垂直方向的厚度小于1_的平行片光光束，并照射在線陣光電探測器II (7)上，沿X方向傳播的平行片光光束與沿I方向傳播的平行片光光束垂直交叉重合部分構(gòu)成下層檢測區(qū)(3)，激光器111(8)位于激光器I (I)正上端，激光器111(8)發(fā)出的發(fā)散光經(jīng)光束整形系統(tǒng)III(9)后變換為與xy平面平行、并沿χ方向傳播、在y方向有寬度、在垂直方向的厚度小于Imm的平行片光光束，并照射在線陣光電探測器III (11)上，該平行片光光束構(gòu)成上層檢測區(qū)(10 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雨滴三維尺度檢測裝置，其特征在于:所述線陣光電探測器I (4)、線陣光電探測器II (7)、線陣光電探測器IIK11)包括具有4096象元數(shù)、7 μ m*7 μ m象元尺度、24KHz采集行頻的線陣CCD。
3.一種利用權(quán)利要求1所述的雨滴三維尺度檢測裝置計算雨滴體積的方法，其特征在于該方法為:將雨滴按照其等效尺度大小建模，當(dāng)雨滴等效尺度小于3_時將雨滴建模為橢球形；當(dāng)雨滴等效尺度大于或等于3_時將雨滴建模為饅頭形； (O當(dāng)雨滴建模為橢球形時，對該橢球形模擬建立分別平行于X軸、y軸、z軸的近似軸長沒、b、c，計算該橢球形雨滴體積的具體步驟如下: 步驟1:計算近似軸長α ,通過線陣光電探測器I (4)采集到該橢球形在下層的橢圓形圖形、組成該橢圓形的每一條弦的弦長(dpdy…、(V^dn)及相鄰兩條弦之間的間距(hph2、…、tv"、hm)，按比例去除上下邊緣誤差較大的弦，隨機(jī)選取三條弦長和三條弦間的兩個間距，分別記為Cl1U2Uphph2，然后按照方程組:
【文檔編號】G01B11/00GK103852813SQ201410017340
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年1月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月15日
【發(fā)明者】吳尚謙, 劉愛英, 皇甫張棣, 薛拓 申請人:昆明理工大學(xué)