激光雨雪粒子成像探測儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)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)】
[0002]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(dá)回波的相關(guān)關(guān)系是天氣雷達(dá)定量估計(jì)降水的重要基礎(chǔ)。
[0003]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-VIDE0-DISTR0METER，2DVD)和采用并行陣列探測模式的氣象粒子譜儀(Meteorological Particle Spectrometer ,MPS) 02D視頻雨滴譜儀由奧地利Joanneum Research公司開發(fā)，系統(tǒng)是通過兩個(gè)正交的攝像頭對運(yùn)動物體進(jìn)行線形掃描，以定性定量記錄降水過程、監(jiān)測降雨詳細(xì)情況的精密儀器，可測定降水總量、大小、強(qiáng)度、雨滴運(yùn)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(gè)部件組成，重量約80kg。氣象粒子譜儀由美國DropletMeasurement Technology公司開發(fā)，該公司將其機(jī)載降水粒子成像儀(Cloud ImageProbe，CIP)工作原理應(yīng)用于地面降水粒子探測，系統(tǒng)可實(shí)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(qiáng)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—樣采用柱面鏡壓縮激光束一個(gè)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。
[0004]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(gè)光束的時(shí)間不匹配，會導(dǎo)致速度計(jì)算誤差；當(dāng)有水平風(fēng)存在時(shí)，粒子穿過測量區(qū)域會發(fā)生水平位移，從而導(dǎo)致粒子圖像的變形；且2DVD圍欄的形狀也會導(dǎo)致有風(fēng)條件下小粒子的數(shù)量誤差。其次2DVD的掃描探測方式導(dǎo)致后處理方式復(fù)雜，電子電路單元過于龐大，系統(tǒng)體積大JPS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(qiáng)分布不均勻的問題，照射在每個(gè)探測器單元上的光束強(qiáng)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(yùn)動目標(biāo)，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(gè)單元需單獨(dú)的放大電路、采集電路等后續(xù)處理電路，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試難度大。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)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。
[0006]本實(shí)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(xué)鏡片、衍射光學(xué)元件、一號反射鏡、二號反射鏡、顯微成像光學(xué)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(xué)鏡片擴(kuò)束準(zhǔn)直后被衍射光學(xué)元件整形為光強(qiáng)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(xué)模塊，被光束穿過的粒子由顯微成像光學(xué)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(jìn)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(xué)元件將激光器發(fā)射光束整形為光強(qiáng)分布均勻的平頂光束，因而照射到陣列光電探測器的各個(gè)單元上的光強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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。
[0007]進(jìn)一步的，信號處理模塊與外圍信息模塊連接。外圍信息模塊包括溫度和濕度檢測器、GPS定位器、電子羅盤和陀螺儀，分別用于獲取激光雨雪粒子成像探測儀所處的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)、地理位置信息、激光雨雪粒子成像探測儀姿態(tài)信息。
[0008]進(jìn)一步的，激光發(fā)射器輸出單模紅色可見光波長激光。
[0009]進(jìn)一步的，光學(xué)鏡片為擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡片，通過擴(kuò)束增加光束束腰半徑，通過準(zhǔn)直壓縮減小光束的發(fā)散角。
[0010]進(jìn)一步的，信號處理模塊包含有數(shù)據(jù)通訊單元，可通過3G、4G和WIFI等無線傳輸途徑將激光雨雪粒子成像探測儀探測結(jié)果傳輸至數(shù)據(jù)終端。
[0011]本實(shí)用新型的有益效果是，通過使用衍射光學(xué)元件激光器發(fā)射光束整形為光強(qiáng)分布均勻的平頂光束，從而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。
[0012]下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)本實(shí)用新型。
【附圖說明】
[0013]圖1為激光雨雪粒子成像探測儀結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖中標(biāo)記:I為激光器驅(qū)動電路、2為激光發(fā)射器、3為光學(xué)鏡片、4為衍射光學(xué)元件、5為一號反射鏡、6為二號反射鏡、7為顯微成像光學(xué)模塊、8為陣列光電探測器、9為信號放大電路、10為信號比較判斷電路、11為信號處理模塊、12為外圍信息模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0015]本實(shí)用新型測量雨雪粒子的原理是:基于單粒子計(jì)數(shù)的基本原則，采用紅光半導(dǎo)體激光器為光源，一維線性陣列串行光電探測器接收信號。當(dāng)探測區(qū)域無粒子通過時(shí)，光源始終均勻照射在探測器陣列上。當(dāng)被測粒子通過探測區(qū)域時(shí)，經(jīng)由顯微成像光學(xué)模塊成像到探測器單元上形成陰影。在任一時(shí)刻被遮擋的探測器單元記錄粒子的一個(gè)影像切片并被存儲，這樣當(dāng)粒子通過采樣區(qū)時(shí)，將會按照時(shí)間順序依次存儲各個(gè)影像切片，將此影像切片根據(jù)粒子下落速度抽樣組合便可以得到完整的粒子二維圖像。每個(gè)探測器單元有一定的尺度，正比于一定的粒子尺寸，單個(gè)粒子所有影像切片組合的最大值即對應(yīng)粒子的直徑。
[0016]如圖1所示，激光雨雪粒子成像探測儀結(jié)構(gòu)示意圖，包括激光器驅(qū)動電路1、激光發(fā)射器2、光學(xué)鏡片3、衍射光學(xué)元件4、一號反射鏡5、二號反射鏡6、顯微成像光學(xué)模塊7、陣列光電探測器8、信號放大電路9、信號比較