CN108227044B - 一种基于双线阵的雨滴测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双线阵的雨滴测量装置及方法,所述装置包括光学***、双线光电二极管阵列、光电信号采集处理电路和数据处理模块;所述光学***用于输出一准直、光强分布均匀的激光光束,直接照射于双线光电二极管阵列上;并用于对双线光电二极管阵列捕捉的雨滴进行成像;所述双线光电二极管阵列为在一块光电传感元件上封装平行设置的两列规格和性能完全一致的光电二极管阵列单元;所述光电信号采集处理电路用于对接收到的计时脉冲信号进行处理,计算出雨滴的落速,并更新雨滴图像的采样率,对雨滴在光电二极管阵列上所成的像进行采集和处理,获取雨滴的直径和真实图像;所述数据处理模块用于根据雨滴直径、速度和图像的扁平度计算降水参数。
Description
技术领域
本发明涉及粒子测量领域,具体涉及一种基于双线阵的雨滴测量装置及方法。
背景技术
对雨滴进行测量是云降水物理学研究的一种重要观测实验手段。通过对雨滴测量获取雨滴谱信息,利用雨滴谱可以计算各种降水物理参量(如粒子数密度、雨水含量、雨强和雷达反射率因子)以及雨滴对微波的衰减、建立雷达反射率因子和降水强度之间的经验关系等。
传统的测量雨滴谱的方法主要有滤纸色斑法、动力学法、面粉球法、快速摄影法和浸润法等。这些传统的方法都需要大量的人工参与,无法完成对雨滴谱的自动测量,因此测量效率很低。
目前雨滴谱自动测量的主要方法是利用激光对粒子进行测量,具体可分为基于光学散射的测量技术和基于光学成像的测量技术。基于光学散射的测量技术可以测量雨滴的大小,但是无法获取降水粒子的具体形状信息,而且测量的粒径范围有限。光学成像的测量技术不仅能够测量降水粒子的大小,还能够记录降水粒子的影像,根据降水粒子的影像就可以获取降水粒子的形状信息。
光学成像的雨滴测量技术主要有基于单线阵的降水粒子成像测量装置和基于CCD相机的降水粒子成像测量装置。基于CCD相机的粒子成像测量装置能够对粒子的大小和形状进行准确成像,但是无法对粒子速度进行测量;此外,CCD相机由于其成帧速率有限,限制了其在高密度高速度场景的应用。基于单线阵的粒子成像测量装置,可以对粒子大小、形状和速度进行测量,但是由于其粒子图像的采样率是预制的,无法与粒子的落速进行匹配,导致其所测得的粒子图像会发生很大的偏差,这也严重地影响到其测量粒子物理参数的准确性。目前也有利用两个单线阵进行降水粒子落速的测量,但是利用两个单线阵的粒子落速测量,由于两个线阵是分离的,使得两个线阵因元件本身的限制,安装的距离较远,两个线阵之间的距离存在一定的误差且测量时极易受到外界环境,比如风的影响,导致粒子落速测量的准确性有限,精度不高。
发明内容
本发明的目的在于克服目前的光学成像测量技术在雨滴落速测量上存在的精度不高的缺陷,设计了一种基于双线阵的雨滴测量装置,该装置不仅可以对雨滴进行成像,而且采用在一块传感器件上集成两组光电二极管阵列,能够准确有效测量雨滴的落速。
为了实现上述目的,本发明提供了一种基于双线阵的雨滴测量装置,所述装置包括:光学***、双线光电二极管阵列、光电信号采集处理电路和数据处理模块;
所述光学***,用于输出一准直、光强分布均匀的激光光束,直接照射于双线光电二极管阵列上;并用于对双线光电二极管阵列捕捉的雨滴进行成像;
所述双线光电二极管阵列为在一块光电传感元件上封装平行设置的两列规格和性能完全一致的光电二极管阵列单元;当有雨滴经过时,输出通过两个光电二极管阵列单元的计时脉冲信号到光电信号采集处理电路进行处理;
所述光电信号采集处理电路,用于对接收到的双线光电二极管阵列输出的计时脉冲信号进行处理,计算出雨滴的落速,并实时根据雨滴落速和光电二极管阵列像素尺寸,更新雨滴图像的采样率,对雨滴在光电二极管阵列上所成的像进行采集和处理,获取雨滴的直径和真实图像;然后将处理后的数据上传至数据处理模块;
所述数据处理模块,用于根据测量到雨滴直径和雨滴速度计算降水量、降雨强度和雷达反射率偏振度中的一个或多个参数。
作为上述装置的一种改进,所述光学成像***包括:光源、激光光束整形模块和成像光学模块;
所述光源是一个半导体激光器,输出一光强分布均匀的圆形激光束;
所述激光光束整形模块为一个透镜,用于将光源输出的激光光束准直为一平行的激光束;
所述成像光学模块,用于通过配置不同参数的透镜,实现对粒子不同分辨率的成像。
作为上述装置的一种改进,所述雨滴测量装置还包括加热模块;用于对所述光源的出光口进行加热;所述雨滴测量装置还包括多个防雨部件;各个防雨部件的顶部为尖端圆弧形状,所述多个防雨部件分别设置于所述激光光束整形模块、成像光学模块和光电信号采集处理电路的顶部。
作为上述装置的一种改进,所述成像光学模块采用凸透镜和凹透镜组合的形式,图像和粒子大小的比例为1:1。
作为上述装置的一种改进,所述成像光学模块采用双凸透镜的组合形式,第一个凸透镜实现等比例放大,第二个凸透镜实现4倍放大倍率。
作为上述装置的一种改进,所述双线光电二极管阵列包括第一光电二极管阵列单元和第二光电二极管阵列单元;所述第一光电二极管阵列单元和第二光电二极管阵列单元的距离s固定,s的取值范围为1mm~10mm;所述光电二极管阵列单元由N个光电二极管组成,其中,32≤N≤512;所述光电二极管的受光面为正方形,其边长尺寸范围为25μm~200μm。
作为上述装置的一种改进,所述光电信号采集处理电路包括:前端信号调理电路和FPGA控制电路;
所述前端信号调理电路,用于对双线光电二极管阵列生成的微弱瞬变信号进行快速响应处理,提供给后端的FPGA控制电路一个二值信号;
所述FPGA控制电路包括FPGA芯片,用于对双线光电二极管阵列第一次出现雨滴时计算出雨滴的速度,并根据速度更新采样率,对雨滴图像进行采集,获取雨滴的直径,并将采集到的雨滴图像数据和参数信息进行压缩存储,当存满一帧后采集三路监测电压值,连同压缩的图像数据通过网络上传至数据处理模块。
作为上述装置的一种改进,所述前端信号调理电路包括:互阻放大电路U1、后级信号放大电路U2、分压射随电路U3和比较电路U4;
所述互阻放大电路U1,用于将双线光电二极管阵列输出的电流信号转换为电压信号;
所述后级信号放大电路U2,用于将互阻放大电路U1的输出的电压信号进行放大;
所述分压射随电路U3,用于为比较电路U4提供一个进行比较的阈值参考电平;
所述比较电路U4,用于对输入信号与电压阈值参考电平进行比较,其输出电压只有两种:高电平或者低电平,如果用1表示高电平,用0表示低电平,则比较电路U4的输出正好和雨滴是否出现遮挡的状态对应起来。
本发明还提供了一种基于上述的测量装置实现的雨滴测量方法,所述方法包括:
步骤1)当有雨滴经过所述光源输出的激光束时,先经过第一光电二极管阵列单元时,该单元会输出一个脉冲指示信号给FPGA芯片,此时FPGA芯片会记录下接收到该脉冲的时间t1;当雨滴继续下落,到达第二光电二极管阵列单元时,该单元同样会输出一个脉冲指示信号给FPGA芯片,FPGA芯片会将该时刻记为时间t2;经计算后能够获取雨滴的落速:
步骤2)所述装置根据该速度计算雨滴图像的采样频率;并更新FPGA芯片的采样率,对雨滴图像进行采集,获取雨滴直径信息,并对采集和处理后雨滴图像和参数信息采用游程编码压缩算法进行压缩;
步骤3)将压缩后的雨滴图像和参数数据进行打包,然后通过网络将雨滴图像数据传送到所述数据处理及显示模块;
步骤4)所述数据处理根据测量到雨滴直径和雨滴速度计算降水量、降雨强度、降水能见度和雷达反射率。
作为上述方法的一种改进,所述步骤2)的根据该速度计算雨滴图像的采样频率f的公式为:
f=vRes
其中,Res是光学***的分辨率。
本发明的优势在于:
1、本发明的测量装置通过在单个感光元件上集成两组的光电二极管阵列,大大减小两组光电二极管阵列的距离,可在对雨滴的大小和形状进行成像测量的同时,还可对雨滴落速进行准确地测量。
2、本发明的测量装置通过计算得到的雨滴的速度,计算出FPGA芯片采集图像的最优采用率并进行更新,能够使雨滴图像更加清晰。
附图说明
图1为本发明的测量装置的原理图;
图2为本发明装置的测速示意图;
图3为本发明的测量装置的示意图;
图4为本发明的光学***的示意图;
图5为本发明的光学成像模块的等比例的光学透镜组的示意图;
图6为本发明的光学成像模块的放大4倍的光学透镜组的示意图;
图7为本发明的前端信号调理电路的示意图;
图8为本发明的FPGA控制电路的示意图;
图9为采用本发明的装置重构的降水粒子图像。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细地说明。
本发明的基于双线阵的雨滴测量装置的测量原理为:利用一束准直、光强分布较为均匀的激光经光学成像***后直接照射于具有两列光电二极管阵列的感光元件上,两列光电二极管阵列平行分布,距离固定。当有粒子经过激光光束区时会挡住激光光束并经光学***成像于具有两列光电二极管阵列的感光元件上,以一定的频率对两列光电二极管阵列同时进行扫描,将扫描后的信号利用后续的电路进行处理后,选择任一光阵信号进行组合便可获取完整的粒子图像,如图1所示。此外,雨滴经过两个光电二极管阵列时具有一定的时间差,而两个光电二极管阵列的距离是固定的,如图2所示,因此通过测量这一时间差就可以获取粒子穿过仪器采样区的速度,如式(1)所示:
如图3所示,一种基于双线阵的雨滴测量装置,所述装置包括光学***、双线光电二极管阵列、光电信号采集处理电路和数据处理及显示模块。
如图4所示,所述光学***包括:光源、激光光束整形模块和成像光学模块;所述光源是一个波长为660nm的半导体激光器,经过光学整形后,该激光器输出一准直、光强分布均匀的圆形激光束,该光束经成像光学模块直接照射于双线光电二极管阵列上。
其中,所述光源是一个波长为660nm的半导体激光器,输出一准直、光强分布均匀的圆形激光束;所述激光光束整形模块为一个透镜,用于将半导体激光器的激光光束准直为一平行的激光束;所述光学成像模块采用开普勒望远镜的光学成像原理,在从激光器输出到探测器元件接收面的光路上通过选取适当参数的凸透镜,使得以采样区中心,即两探测臂中间点为物面,在其上的物体都能够清晰地在以探测器接收面为像面的平面上成像,而且成像无失真。在整个光程固定的情况下,通过配置不同参数的透镜,可以实现对物体不同分辨率的成像。实际应用中,可以选择两套不同参数的透镜组合,分别实现了对粒子的等比例成像和4倍放大成像。根据雨滴图像能够获取到雨滴的大小,形状等参数。
如图5所示,所述成像光学模块采用凸透镜和凹透镜组合的形式,凸透镜实现了缩小,凹透镜实现了放大,最后图像和粒子大小的比例为1:1。
如图6所示,所述成像光学模块采用双凸透镜的组合方案,第一个凸透镜实现等比例放大,第二个凸透镜实现4倍放大倍率。
所述光电信号采集处理电路包括:前端信号调理电路和FPGA控制电路;所述双线光电二极管阵列输出一与激光光强成比例的电流信号,该电流信号经过前端信号调理电路后会转换为可直接由FPGA控制电路采集的二值信号,该二值信号经FPGA控制电路处理后会以一定的数据格式进行压缩,通过千兆以太网口,压缩后的数据会被上传至数据处理及显示模块进行处理、显示和存储。所述数据处理及显示模块在上位机上运行。
所述前端信号调理电路主要是对光电二极管阵列所生成的微弱瞬变信号进行快速响应处理,并提供给后端的FPGA控制电路一个二值信号。
如图7所示,所述前端信号调理电路包括:互阻放大电路U1、后级信号放大电路U2、分压射随电路U3和比较电路U4。
其中,所述互阻放大电路U1用于将光电二极管输出的电流信号转换为电压信号;所述后级信号放大电路U2用于将互阻放大电路U1的输出的电压信号进行放大,以符合后续处理需要;所述分压射随电路U3用于为比较电路U4提供一个进行比较的阈值参考电平;所述比较电路U4用于对输入信号电压进行比较,其输出电压只有两种可能状态,高电平或者低电平,如果用1表示高电平,用0表示低电平,则比较电路U4的输出正好和粒子是否出现遮挡的状态对应起来。本实施例中,当激光直照时,双线光电二极管阵列接收到的光强产生的电压值的一半作为该传感器支路单元比较电路的阈值电压,即以双线光电二极管阵列接收到的激光光强被减弱一半以上时表示粒子出现事件。
所述FPGA控制电路选用FPGA芯片EP2C35F672C6N作为整个电路的核心单元,并完成粒子落速和粒子图像数据压缩编码等高速运算。整个FPGA控制电路框图如图8所示。配置模块PROM EPCS16存储***的配置信息,ADC芯片TLC549用于读入仪器的工作状态,两个线阵各64bits信息经排阻电平转换后依次输入FPGA芯片,由FPGA芯片进行采集。当有粒子出现时,所述装置会对双线光电二极管阵列第一次出现粒子时刻做运算计算出粒子的落速,并更新采样率对粒子图像进行采集,并将采集到的粒子图像数据进行压缩存储,当存满一帧后会采集三路监测电压值,连同图像数据以网络传输方式往上位机传输。
所述双线光电二极管阵列为在一块光电传感元件上封装出两列规格和性能完全一致的光电二极管阵列单元,包括第一光电二极管阵列单元和第二光电二极管阵列单元;两个光电二极管阵列单元的距离s固定,s的取值范围为1mm~10mm,所述光电二极管阵列单元由N个光电二极管组成;其中,32≤N≤512。所述光电二极管的受光面为正方形,其边长尺寸范围为25μm~200μm。当成像光学模块的放大倍数为1时,仪器的分辨率Res即为100μm,此时仪器的测量范围是100~6400μm;当成像光学模块的放大倍数为4时,仪器的分辨率Res为25μm,仪器的测量粒子大小范围为25~1600μm。当粒子由上而下穿过第一光电二极管阵列单元时,该阵列因光强降低会输出一个脉冲信号给FPGA芯片,FPGA芯片会将该时刻记为时间t1;当粒子继续下落,到达第二光电二极管阵列单元时,该阵列同样会输出一个脉冲指示信号给FPGA芯片,FPGA芯片会将该时刻记为时间t2。
作为降水过程重要的微物理属性,降水粒子大小、形状以及落速的测量对于降水过程的理解及其在天气与气候模式中的参数化中具有重要的意义。基于双线光电二极管阵列的地面降水粒子及其落速测量主要是利用一准直,光强分布比较均匀的激光光束直接照射到传感器光电二极管阵列上,该激光束光斑经成像光学模块后能完全覆盖住整个光电二极管阵列。在激光束照射下,各传感单元均会产生一个与其自身所接收到的激光光强成正比的电流值。当有粒子穿过激光光束区时,照射到传感单元上的激光强度由于粒子遮挡发生了变化,从而使得传感单元产生的电流值发生变化,引起每个单元变化的光能量变化值:
式中:E为无粒子遮挡时阵列单元输出恒定信号的光能量,a为粒子的投影面积,A为阵列单元的有效接收面积。由于粒子对光的遮挡,主要是对光的散射和吸收,即消光引起的。引入消光系数可得:
式(3)中,Ke为颗粒消光系数。根据Mie散射理论,当粒子直径大于2μm左右的时候,式(3)中的消光系数Ke一般取其近似值2。因此当时,ΔE=0,这时可以认为该阵列单元被完全遮挡。因此,以粒子出现,光电二极管单元所接收的光能衰减50%以上为阈值。当任一单元出现满足光能衰减阈值情况时,该单元所输出的电流经前端信号调理电路处理后会形成一脉冲信号由FPGA控制电路采集感知。在感知到有粒子经过仪器采样区后,FPGA芯片会以一定频率f对传感器阵列上每个光电二极管的电流进行检测并对检测出的信号进行处理。
将每处理一次所获取的一组信号称为1条线(slice),当把采样获取的多条线(slice)信号按照获取顺序拼接在一起时,便可重构出雨滴的图像并测得雨滴的大小,如图9所示,Nx和Ny分别是雨滴在两个垂直轴向上所占的最大的单元数,将单元数乘上仪器的分辨率就可以获取雨滴在不同方向上的粒径大小。对粒子粒径进行计算后还可以获取粒子轴比、雨强和雷达反射率等重要的参数信息。对光阵信号进行采样的采样频率f由下式决定:
f=v/Res (4)
其中,Res是仪器的分辨率。因此对雨滴落速的精准测量决定了仪器的采样频率的准确性,而仪器采样频率是否准确又决定了所测降水粒子图像是否准确,进而影响到仪器对降水粒子物理参数测量的准确性。由于降水粒子的大小形状不一,测量时大气环境状况也不尽相同,导致每一个降水粒子的落速也不尽相同,因此需要对每一个降水粒子的落速进行准确测量以确定其合适的采样频率。
雨滴速度的测量方法的步骤为:
步骤1)所述测量装置通电后,进入初始化状态;
步骤2)当有雨滴经过装置采样区时,依次会经过两列光电二极管阵列单元;当它先经过第一光电二极管阵列单元时,该单元会输出一个脉冲指示信号给FPGA芯片,此时FPGA芯片会记录下接收到该脉冲的时间t1;当雨滴继续下落,到达第一光电二极管阵列单元时,该单元同样会输出一个脉冲指示信号给FPGA芯片,FPGA芯片会将该时刻记为时间t2。经计算后能够获取雨滴的落速,根据该速度可以自动调整雨滴图像的采样频率;
步骤3)所述装置调整图像采样频率,对雨滴图像进行采集和处理,并对采集和处理后的信号采用游程编码压缩算法进行压缩;
步骤4)压缩后的数据会进行打包,然后通过网线,以UDP的网络传输方式,将雨滴图像数据传送到所述数据处理及显示模块;
步骤5)所述数据处理及显示模块会对上传的数据进行统计处理、显示和存储。
最后所应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于双线阵的雨滴测量装置,其特征在于,所述装置包括光学***、双线光电二极管阵列、光电信号采集处理电路和数据处理模块;
所述光学***,用于输出一准直、光强分布均匀的激光光束,直接照射于双线光电二极管阵列上;并用于对双线光电二极管阵列捕捉的雨滴进行成像;
所述双线光电二极管阵列为在一块光电传感元件上封装平行设置的两列规格和性能完全一致的光电二极管阵列单元;当有雨滴经过时,输出通过两个光电二极管阵列单元的计时脉冲信号到光电信号采集处理电路进行处理;
所述光电信号采集处理电路,用于对接收到的双线光电二极管阵列输出的计时脉冲信号进行处理,计算出雨滴的落速,并实时根据雨滴落速和光电二极管阵列像素尺寸,更新雨滴图像的采样率,对雨滴在光电二极管阵列上所成的像进行采集和处理,获取雨滴的直径和真实图像;然后将处理后的数据上传至数据处理模块;
所述数据处理模块,用于根据测量到雨滴直径、雨滴速度计算降水量、降雨强度和雷达反射率偏振度中的一个或多个参数。
2.根据权利要求1所述的基于双线阵的雨滴测量装置,其特征在于,所述光学***包括:光源、激光光束整形模块和成像光学模块;
所述光源是一个半导体激光器,输出一光强分布均匀的圆形激光束;
所述激光光束整形模块为一个透镜,用于将光源输出的激光光束准直为一平行的激光束;
所述成像光学模块,用于通过配置不同参数的透镜,实现对粒子不同分辨率的成像。
3.根据权利要求2所述的雨滴测量装置,其特征在于,所述雨滴测量装置还包括加热模块;用于对所述光源的出光口进行加热;所述雨滴测量装置还包括多个防雨部件;各个防雨部件的顶部为尖端圆弧形状,所述多个防雨部件分别设置于所述激光光束整形模块、成像光学模块和光电信号采集处理电路的顶部。
4.根据权利要求2所述的基于双线阵的雨滴测量装置,其特征在于,所述成像光学模块采用凸透镜和凹透镜组合的形式,图像和粒子大小的比例为1:1。
5.根据权利要求2所述的基于双线阵的雨滴测量装置,其特征在于,所述成像光学模块采用双凸透镜的组合形式,第一个凸透镜实现等比例放大,第二个凸透镜实现4倍放大倍率。
6.根据权利要求1所述的基于双线阵的雨滴测量装置,其特征在于,所述双线光电二极管阵列包括第一光电二极管阵列单元和第二光电二极管阵列单元;所述第一光电二极管阵列单元和第二光电二极管阵列单元的距离s固定,s的取值范围为1mm~10mm;所述光电二极管阵列单元由N个光电二极管组成,其中,32≤N≤512;所述光电二极管的受光面为正方形,其边长尺寸范围为25μm~200μm。
7.根据权利要求6所述的基于双线阵的雨滴测量装置,其特征在于,所述光电信号采集处理电路包括:前端信号调理电路和FPGA控制电路;
所述前端信号调理电路,用于对双线光电二极管阵列生成的微弱瞬变信号进行快速响应处理,提供给后端的FPGA控制电路一个二值信号;
所述FPGA控制电路包括FPGA芯片,用于对双线光电二极管阵列第一次出现雨滴时计算出雨滴的速度,并根据速度更新采样率,对雨滴图像进行采集,获取雨滴的直径,并将采集到的雨滴图像数据和参数信息进行压缩存储,当存满一帧后采集三路监测电压值,连同压缩的图像数据通过网络上传至数据处理模块。
8.根据权利要求7所述的基于双线阵的雨滴测量装置,其特征在于,所述前端信号调理电路包括:互阻放大电路U1、后级信号放大电路U2、分压射随电路U3和比较电路U4;
所述互阻放大电路U1,用于将双线光电二极管阵列输出的电流信号转换为电压信号;
所述后级信号放大电路U2,用于将互阻放大电路U1的输出的电压信号进行放大;
所述分压射随电路U3,用于为比较电路U4提供一个进行比较的阈值参考电平;
所述比较电路U4,用于对输入信号与电压阈值参考电平进行比较,其输出电压只有两种:高电平或者低电平,如果用1表示高电平,用0表示低电平,则比较电路U4的输出正好和雨滴是否出现遮挡的状态对应起来。
9.一种基于权利要求7-8之一所述的测量装置实现的雨滴测量方法,所述方法包括:
步骤1)当有雨滴经过所述光源输出的激光束时,先经过第一光电二极管阵列单元时,该单元会输出一个脉冲指示信号给FPGA芯片,此时FPGA芯片会记录下接收到该脉冲的时间t1;当雨滴继续下落,到达第二光电二极管阵列单元时,该单元同样会输出一个脉冲指示信号给FPGA芯片,FPGA芯片会将该时刻记为时间t2;经计算后能够获取雨滴的落速:
步骤2)所述装置根据该速度计算雨滴图像的采样频率;并更新FPGA芯片的采样率,对雨滴图像进行采集,获取雨滴直径信息,并对采集和处理后雨滴图像和参数信息采用游程编码压缩算法进行压缩;
步骤3)将压缩后的雨滴图像和参数数据进行打包,然后通过网络将雨滴图像数据传送到所述数据处理及显示模块;
步骤4)所述数据处理根据测量到雨滴直径和雨滴速度计算降水量、降雨强度、降水能见度和雷达反射率。
10.根据权利要求9所述的雨滴测量方法,其特征在于,所述步骤2)的根据该速度计算雨滴图像的采样频率f的公式为:
f=v/Res
其中,Res是光学***的分辨率。
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