射，光線最終從設(shè)計的收光點射出，在此模型中光線射出角被設(shè)計成與收光器垂直，有利于光能量的探測。
[0059]當(dāng)有雨滴滴在導(dǎo)光器表面時，由于導(dǎo)光器折射率與水十分接近，光線幾乎不改變方向入射到雨滴中，而雨滴與空氣的界面是不規(guī)則的，導(dǎo)致部分光發(fā)生向空氣折射及散射現(xiàn)象，使光在導(dǎo)光器傳輸過程中發(fā)生泄露，收光元件接收到的光能減少，雨滴與導(dǎo)光器接觸的面積大小直接影響到光能減少的幅度，即通過減少的幅度值即可間接計算出雨滴大小，根據(jù)光能幅度變化的頻率，計算出雨滴數(shù)量。
[0060]光信號具有一定的截面積(可理解為若干條平行光)，故光在導(dǎo)光器上發(fā)生折射的點是具有一定寬度的，再加上合理、多變的導(dǎo)光器邊界面角度設(shè)計，以實現(xiàn)光在傳播過程中可以經(jīng)過導(dǎo)光器的所有表面，從而實現(xiàn)了全面域的雨滴均會對光傳播的能量構(gòu)成影響的目的。
[0061]導(dǎo)光器設(shè)計的核心要求為:
[0062]1.在所有光線可到達(dá)的折射面上，光線入射角要大于導(dǎo)光器材料的全反射角，避免導(dǎo)光器自身發(fā)生漏光。
[0063]2.導(dǎo)光器與空氣的折射面應(yīng)該是一系列角度漸變的面，以使光線發(fā)生盡可能多次數(shù)的全反射，達(dá)到全面域探測的目的。漸變直徑的弧面能達(dá)到更好的效果。
[0064]3.導(dǎo)光器形狀、結(jié)構(gòu)沒有固定不變的形式和外觀，要根據(jù)發(fā)光點、收光點位置以及導(dǎo)光器材料的實際折光率、全反射角等實際參數(shù)來設(shè)計。
[0065]4.導(dǎo)光器可以是實心體，也可以是中空體，前提是要符合上述光線傳播要求。
[0066]5.導(dǎo)光器折射角參數(shù)與雨水十分接近，以使光線能順利入射到雨滴內(nèi)。
[0067]6.導(dǎo)光器的透光性能要盡量好，以減少傳播路徑上的光能損失。
[0068]7.為使雨滴能夠迅速滑離導(dǎo)光器，導(dǎo)光器表面形狀應(yīng)盡量平滑豎直。
[0069]束光器:束光器的作用是將發(fā)散的發(fā)射、接收光匯集，提高光的定向傳播性能，提高光能探測精度。束光器可以為不透光的環(huán)形，也可以是一系列透鏡組，或是兩種方式的組入口 ο
[0070]中央控制器:與程控光源、光能幅頻探測器、輔助功能模塊、接口模塊連接，完成發(fā)射光源控制、降雨速率計算、接口控制等功能。
[0071]程控光源:由中央控制器控制的光發(fā)射裝置模塊。
[0072]光能幅頻探測器:內(nèi)部由光敏元件、信號調(diào)理、信號輸出幾部分組成，完成經(jīng)導(dǎo)光器傳來的程控光源能量及頻率探測、環(huán)境光探測功能，最后將結(jié)果信號傳輸給中央控制器。
[0073]輔助功能模塊:包括使降雨探測能夠正常、高性能完成的檢測、處理單元，(如外部是否有水、外部降水PH值檢測等)。
[0074]接口模塊:包括參數(shù)配置接口、與翻斗雨量計兼容的結(jié)點開閉脈沖接口、可控制外部功率器件的繼電輸出接口、用于輸出降雨速率及強(qiáng)度的模擬量接口等。
[0075]密封機(jī)構(gòu):本裝置幾部分之間的密封，減少水氣向裝置內(nèi)部侵入。導(dǎo)光器與底座之間、底座接口處均有。
[0076]底座:與導(dǎo)光器共同形成封閉腔體，用于放置探測電路。本裝置的安裝孔也位于底座上。
[0077]光學(xué)雨量探測裝置的測量原理
[0078]如圖11、圖12所示，光學(xué)雨量探測裝置內(nèi)的發(fā)光單元本實施例中為程控光源向?qū)Ч馄鞯闹付ㄎ恢眠M(jìn)行光發(fā)射，光線經(jīng)導(dǎo)光器向收光位置即收光元件所在的位置進(jìn)行折射，當(dāng)導(dǎo)光器外表面沒有雨滴時，收光單元收到較強(qiáng)的光能量，而當(dāng)導(dǎo)光器表面有雨滴時，雨滴破壞了導(dǎo)光器的幾何結(jié)構(gòu)，使一部分光發(fā)生泄露，導(dǎo)致收光單元收到的光強(qiáng)度減弱，從而實現(xiàn)基本的降雨檢測。
[0079]另外，通過光能幅頻探測器的光能調(diào)理單元，可實現(xiàn)對接收光的波動頻率檢測和波動幅度檢測。波動頻率決定了落到導(dǎo)光器上雨滴的多少和快慢，波動幅度則決定了雨滴的大小(體積越大，光泄露越多)，接收光強(qiáng)度波動頻率與波動幅度配以合理的計算方法，即可計算出發(fā)生降雨時的降雨速率和降雨量。
[0080]這里的導(dǎo)光器具有一定的表面積，位于導(dǎo)光通路表面任意一點的雨滴均能引起接收光的能量變化，是全面域監(jiān)測，這一點有別于目前已廣泛應(yīng)用的紅外式汽車擋風(fēng)玻璃雨滴探測，汽車上是對單點進(jìn)行探測，精度很差，只能做為降雨小、中、大定性探測，而不能做到精度較高的降雨量定量探測。參見圖13。
[0081]本實施例中入射光經(jīng)導(dǎo)光器全面域進(jìn)行多次全反射是有別于當(dāng)前紅外式雨量探測器的最大結(jié)構(gòu)上的不同，也就是說雨滴只要落在導(dǎo)光器的外表面上，就會探測到，將原來單點探測換為了面探測，單點式探測只能測量出降雨的小、中、大，而面探測的方法大大提高了探測精度，使其可以用于精度要求較高的氣象、環(huán)境部門或相關(guān)領(lǐng)域。
[0082]為了減少環(huán)境光對發(fā)、收光的影響，發(fā)射端即程控光源可發(fā)射紅外光、接收端即收光元件與導(dǎo)光器之間增加紅外濾光片。
[0083]為了減少外界強(qiáng)光源的隨機(jī)干擾，宜采用頻率可控的調(diào)制發(fā)、收光機(jī)制，發(fā)射端發(fā)送固定頻率的光，接收方收到后進(jìn)行頻率判斷，若接收頻率與發(fā)送頻率不符則認(rèn)為有強(qiáng)光干擾，此次探測過程作廢或降低其在采集數(shù)據(jù)集中的權(quán)重，參見圖7、圖8。
[0084]導(dǎo)光器理論上可以是符合定向?qū)Ч獾娜魏螏缀涡螤?如方形、凸形、凹形等)，但為了使雨滴能夠順利滑落不致對光傳播產(chǎn)生持久影響，導(dǎo)光器外表面應(yīng)為平直的斜面或平滑的外凸面(如向下的半圓形)。
[0085]為實現(xiàn)降雪測量，本裝置內(nèi)部可進(jìn)一步安裝溫濕度檢測和加熱裝置，進(jìn)行智能加熱，雪融化成水后進(jìn)行降雪量探測。
[0086]為防止外界非降雨引起的光線變化導(dǎo)致的測量錯誤，本裝置還配備有外部液體檢測裝置，用于判斷是否真正發(fā)生降雨。
[0087]進(jìn)一步，本裝置可安裝具有液體PH值測量功能的傳感器，在測量降雨同時測量雨水的酸堿度。
[0088]本裝置接口部分預(yù)留有多種輸入輸出端子，可用于連接其它類型傳感器，組成多參數(shù)氣象站或多功能雨量監(jiān)測站。
[0089]為與傳統(tǒng)翻斗式雨量計接口兼容，本裝置接口具備一路開關(guān)結(jié)點輸出，由中央控制器根據(jù)降雨量值輸出脈沖式結(jié)點閉合信號。
[0090]為實現(xiàn)與降雨有關(guān)的外部功率器件控制，本裝置具備一路繼電輸出接口(如自動窗簾、自動車庫的電機(jī)等的控制)。
[0091]本裝置具有幕色探測功能(即環(huán)境光強(qiáng)探測)，結(jié)合上述繼電輸出接口，可實現(xiàn)具有日照周期性需要的應(yīng)用控制。
[0092]—體化集成度較高，具有開閉結(jié)點輸出，兼容目前大量使用的翻斗式雨量計數(shù)據(jù)；雨量探測電路板上有定位孔，用于與導(dǎo)光器精準(zhǔn)定位安裝；測量精度與探測面域有直接關(guān)系，故外形尺寸可大可小?？赏饨与姌O，用于判斷是否有水；可外接PH值電極，檢測雨水酸度；有可擴(kuò)展功能或性能的接口模塊。
[0093]優(yōu)選實例一
[0094]根據(jù)本專利的降雨探測原理，設(shè)計了一套完整的高精度光學(xué)面域式雨量計。
[0095]導(dǎo)光器:如圖3所示，導(dǎo)光器外形基本為半球形，內(nèi)部有導(dǎo)光定向的幾何斜面，使光線可以精準(zhǔn)的傳輸?shù)焦鈴?qiáng)接收部分。組裝時，程控光源位于A點，光能幅頻探測器位于B點，以使光線能按導(dǎo)光器設(shè)計折射角正確傳輸。
[0096]導(dǎo)光器還可以包括一延伸面，延伸面沿半球形開口側(cè)向下延伸，當(dāng)導(dǎo)光器外凸的曲面呈半球面時，延伸面為圓柱面；當(dāng)外凸的曲面為球冠面時，延伸面為圓臺面；外凸曲面還可以是半徑漸變的弧形形成的旋轉(zhuǎn)曲面，此時的延伸面為圓臺面。入射面和出射面可設(shè)置成水平面、斜面或垂直面等平面。
[0097]光線探測物理機(jī)制:采用了兩路光線探測的機(jī)制，參見圖6，包括兩個程控光源(參見圖6中Ap A2)和兩個收光元件(參見圖6中BpB2)，一路入射光經(jīng)A1發(fā)出經(jīng)導(dǎo)光器2后出射至B1，另一路入射光經(jīng)A2發(fā)出經(jīng)導(dǎo)光器2后出射至B 2，這種設(shè)計至少有以下幾個優(yōu)占.V.
[0098]1.充分利用了導(dǎo)光器的圓形結(jié)構(gòu)，使導(dǎo)光器大部分區(qū)域都可以探測，增大了測雨面積。
[0099]2.兩路獨立使用時，對探測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比處理，有利于提高精度。
[0100]3.兩路之間的能量差值可得到充分利用，從根本上克服了環(huán)境光強(qiáng)弱引起的接收光強(qiáng)變化影響。
[0101]光能幅頻探測器:主要作用是實現(xiàn)接收光能量的變化頻率及變化幅值轉(zhuǎn)換，基本處理流程見圖14。
[0102]所選用的光敏收光元件為電流型光敏感二極管，當(dāng)外部光線強(qiáng)度變化時引起光敏二極管內(nèi)部電流變化，光線越強(qiáng)電流越大。此電流信號十分微弱，一般為HiA或uA級，故需將電流信號進(jìn)行I/V變換及放大處理。
[0103]本實例中，本部分的輸出接口可輸出的信息有:
[0104]1.單獨某路光線的變化頻率、變化幅度。
[0105]2.兩路光線接收強(qiáng)度差值的變化頻率、變化幅度。兩路差值的引入解決了導(dǎo)光器外表面部分污損對光路的影響的問題，如果兩路的差值是固定不變的，則可判斷其中一路光路受到了持久性影響，不會引起有雨的誤探。
[0106]3.配合中央控制器控制程控光源，實現(xiàn)有光發(fā)射和無光發(fā)射時的上述單獨某路光線的變化頻率、變化幅度、兩路光線接收強(qiáng)度差值的變化頻率、變化幅度的數(shù)據(jù)輸出，當(dāng)無光時即為環(huán)境光強(qiáng)度，可用于進(jìn)行幕色檢測