CN108761573B - 一种基于全息技术的双光路光学雨量计 - Google Patents
一种基于全息技术的双光路光学雨量计 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种基于全息技术的双光路光学雨量计,包括半导体激光器Ⅰ、扩束准直***Ⅰ、平行片光全息干板Ⅰ、上层采样区、线阵光电探测器Ⅰ、半导体激光器Ⅱ、扩束准直***Ⅱ、平行片光全息干板Ⅱ、下层采样区、线阵光电探测器Ⅱ、计算机,本发明为减小单光路雨量计的测量误差,并增大雨量计的采样区间,在该光路***的下方搭建第二套平行片光采样光路,该光路与其上方的采样光路对等,采样片光相互平行,传播方向相反,用全息再现法获得平行片状光束,不仅改善了采样光束质量,而且有利于整个检测仪器的小型化。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于全息技术的双光路光学雨量计,属于光学全息技术领域。
背景技术
目前普遍使用的遮挡式光学雨量计在结构上多为单光路的一维和二维检测,而传统的一维遮挡式单光路光学雨量计仍使用光学透镜产生平行片光,由于光学透镜本身及光路结构的限制,需要很大的空间距离才能生成平行片光,无法实现整个检测仪器的小型化,同时雨滴在靠近探测器的一侧测量误差较小,在靠近光源一侧测量误差较大,使得雨滴在采样区中从探测器到光源的测量误差逐渐增大,这就降低了雨滴测量精度,在靠近光源一侧的采样区,因测量误差较大,已无法满足检测需要,所以这部分采样区在检测中不可用,而靠近探测器一侧的采样区测量误差较小,可满足检测需要,因此在实际检测中可用的只有靠近探测器一侧的采样区,这就使得传统光学雨量计存在采样区较小、可靠性较差的缺陷。
如何有效的提高一维光学雨量计的测量精度、增加雨滴的采样区间以及尽可能的实现设备的小型化,是工程技术人员急需解决的问题。
发明内容
针对现有技术的不足及缺点,并尽可能实现光学雨量计的小型化,本发明提供了一种基于全息技术的双光路光学雨量计,该装置不仅可以有效提高测量精度,增加采样区间,改善采样光束质量,同时还实现了装置小型化的目的。
本发明通过以下技术方案实现:
一种基于全息技术的双光路光学雨量计,包括半导体激光器Ⅰ1、扩束准直***Ⅰ2、平行片光全息干板Ⅰ3、上层采样区4、线阵光电探测器Ⅰ5、半导体激光器Ⅱ6、扩束准直***Ⅱ7、平行片光全息干板Ⅱ8、下层采样区9、线阵光电探测器Ⅱ10、计算机11;所述半导体激光器Ⅰ1发出的光束经扩束准直***Ⅰ2后形成与平行片光全息干板Ⅰ3夹角为10°的平行光,该平行光照射平行片光全息干板Ⅰ3衍射再现发出沿x轴正方向传播的、在y方向上厚度小于1mm的平行片光并照射在线阵光电探测器Ⅰ5上,该平行片光构成上层采样区4,线阵光电探测器Ⅰ5与计算机11连接;半导体激光器Ⅱ6发出的光束经扩束准直***Ⅱ7后形成与平行片光全息干板Ⅱ8夹角为10°的平行光,该平行光照射平行片光全息干板Ⅱ8衍射再现发出沿x轴负方向传播的、在y方向上厚度小于1mm的平行片光并照射在线阵光电探测器Ⅱ10上,该平行片光构成下层采样区9,线阵光电探测器Ⅱ10与计算机11连接,雨滴12通过上层采样区4、下层采样区9对平行片光形成遮挡,计算机11得到雨滴12阴影图像,用于测量雨滴12落速、雨滴12的尺寸。
所述上层采样区4、下层采样区9长度相同,上层采样区4、下层采样区9的片光相互平行,传播方向相反。
所述平行片光全息干板Ⅰ3、平行片光全息干板Ⅱ8相同,通过全息干涉记录方式单独制作,制作过程中物光为片状平行光,垂直照明全息干板,参考光为平行光,与全息干板夹10°角斜照明全息干板,物光和参考光在全息干版上干涉产生干涉条纹,片状平行物光被记录在全息干板上,得到平行片光全息干板Ⅰ3、Ⅱ8,所记录全息图为离轴全息图。
所述半导体激光器Ⅰ1、半导体激光器Ⅱ6为同型号的激光器。
所述线阵光电探测器Ⅰ5、线阵光电探测器Ⅱ10为同型号的CMOS探测器。
一种基于全息技术的双光路光学雨量计,雨滴12通过上层采样区4遮挡平行片光形成阴影,线阵光电探测器Ⅰ5接收到因遮挡而造成光束强度变化的平行片光,线阵光电探测器Ⅰ5按设定的频率扫描雨滴12,可得到雨滴12的阴影图片;当雨滴12通过下层采样区9遮挡平行片光形成阴影,线阵光电探测器Ⅱ10接收到因遮挡而造成的光束强度变化的平行片光,线性光电探测器Ⅱ10按设定的频率扫描雨滴12,可得到雨滴12的阴影图片,计算机11通过雨滴12的阴影图片即可得到雨滴12的落速、尺寸。
本发明的有益效果:
(1)本发明基于全息技术的双光路光学雨量计,采用全息衍射再现的方法生成检测所需平行片光,但传统光学雨量计仍使用光学透镜的方法生成平行片光,由于透镜本身结构的限制(即透镜焦距f)需要较长的空间距离生成平行光,检测设备不得不留出一大部分空间用于光束的扩束准直生成检测用平行光,这就额外增加了检测设备的体积,使得光学雨量计过大,不利于实际使用,而使用平行光斜照射平行片光全息干板生成检测光束的方法,可以有效减小所需空间距离,则可以减小检测设备的体积,有利于光学雨量计设备的小型化。
(2)搭建光束传播方向相反的双层光路增加了可用的采样区间,提高了测量精度。
(3)本发明同时采用上、下两层采样区检测雨滴尺度信息,同时也可用于测量雨滴落速等信息。
附图说明
图1是本发明实施例1基于全息技术的双光路光学雨量计的结构示意图;
图2是本发明实施例1基于全息技术的双光路光学雨量计的上层采样区示意图;
图3是本发明实施例1基于全息技术的双光路光学雨量计的下层采样区示意图;
图4是本发明实施例1基于全息技术的双光路光学雨量计的雨滴上、下层采样区测量误差曲线示意图;
图中:1-半导体激光器Ⅰ,2-扩束准直***Ⅰ,3-平行片光全息干板Ⅰ,4-上层采样区,5-线阵光电探测器Ⅰ,6-半导体激光器Ⅱ,7-扩束准直***Ⅱ,8-平行片光全息干板Ⅱ,9-下层采样区,10-线阵光电探测器Ⅱ,11-计算机,12-雨滴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式,对本发明作进一步说明。
实施例1
一种基于全息技术的双光路光学雨量计,如图1所示,包括半导体激光器Ⅰ1、扩束准直***Ⅰ2、平行片光全息干板Ⅰ3、上层采样区4、线阵光电探测器Ⅰ5、半导体激光器Ⅱ6、扩束准直***Ⅱ7、平行片光全息干板Ⅱ8、下层采样区9、线阵光电探测器Ⅱ10、计算机11。
半导体激光器Ⅰ1发出的光束经扩束准直***Ⅰ2后形成与平行片光全息干板Ⅰ3夹角为10°的平行光束,该平行光照射平行片光全息干板Ⅰ3衍射再现发出沿x轴正方向传播的、在y方向上厚度小于1mm的平行片光并照射在线阵光电探测器Ⅰ5上,该平行片光构成上层采样区4,线阵光电探测器Ⅰ5与计算机11连接;半导体激光器Ⅱ6发出的光束经扩束准直***Ⅱ7后形成与平行片光全息干板Ⅱ8夹角为10°的平行光束,该平行光照射平行片光全息干板Ⅱ8衍射再现发出沿x轴负方向传播的、在y方向上厚度小于1mm的平行片光并照射在线阵光电探测器Ⅱ10上,该平行片光构成下层采样区9,线阵光电探测器Ⅱ10与计算机11连接,雨滴12通过上层采样区4、下层采样区9对平行片光形成遮挡,计算机11得到雨滴12阴影图像,两层光路也可用于测量雨滴12落速;如图2、3所示,上层采样区4、下层采样区9的长度相同,上层采样区4、下层采样区9的片光相互平行,传播方向相反;平行片光全息干板Ⅰ3、平行片光全息干板Ⅱ8相同,通过全息干涉记录方式单独制作,制作过程中物光为片状平行光,垂直照明全息干板,参考光为平行光,与全息干板夹10°角斜照明全息干板,物光和参考光在全息干板上干涉产生干涉条纹,片状平行物光此时就被记录在全息干板上,得到平行片光全息干板Ⅰ3、平行片光全息干板Ⅱ8,所记录全息图为离轴全息图;半导体激光器Ⅰ1、半导体激光器Ⅱ6为同型号的激光器,型号为YD-D532P30-18-75;线阵光电探测器Ⅰ5、线阵光电探测器Ⅱ10为同型号的CMOS探测器,型号为ral2048-48gm。
使用时,雨滴12通过上层采样区4遮挡平行片光形成阴影,线阵光电探测器Ⅰ5接收到因遮挡而造成光束强度变化的平行片光,线阵光电探测器Ⅰ5按设定的频率扫描雨滴12,可得到雨滴12的阴影图片;当雨滴12通过下层采样区9遮挡平行片光形成阴影,线阵光电探测器Ⅱ10接收到因遮挡而造成的光束强度变化的平行片光,线性光电探测器Ⅱ10按设定的频率扫描雨滴12,可得到雨滴12的阴影图片,线阵光电探测器Ⅰ5和线性光电探测器Ⅱ10将图片数据反馈给计算机11。
雨滴横向尺寸检测:
雨滴横向尺寸检测:雨滴横向尺寸大小对应雨滴12遮挡的线阵光电探测器Ⅰ5、线阵光电探测器Ⅱ10的CMOS探测器像素数量,CMOS探测器的像素尺寸大小为LO×LO(um),设雨滴12横向遮挡的CMOS像素个数为N,则雨滴12的横向尺寸大小为:
L横向=N×LO(um)
如果是单层光路的雨量计的话,雨滴12远离线阵光电探测器Ⅰ5时,测量误差逐渐增大,所以通常情况下,是求检测的平均值,本实施例双层双光路的雨量计,在上层采样区4,雨滴12从平行片光全息干板Ⅰ3逐渐向线阵光电探测器Ⅰ5靠近时,雨滴12的横向尺寸测量误差逐渐减小,在下层采样区9,雨滴12从线阵光电探测器Ⅱ10逐渐向平行片光全息干板Ⅱ8靠近时,雨滴12的横向尺寸测量误差逐渐变大;在上层采样区4,将上层采样区4分为等长的两部分,靠***行片光全息干板Ⅰ3的半部分和靠近线阵光电探测器Ⅰ5的半部分,靠***行片光全息干板Ⅰ3的这部分雨滴横向尺寸测量误差较大,靠近线阵光电探测器Ⅰ5的这部分雨滴横向尺寸测量误差较小;在下层采样区9,将下层采样区9分为等长的两部分,靠近线阵光电探测器Ⅱ10的半部分和靠***行片光全息干板Ⅱ8的半部分,靠近线阵光电探测器Ⅱ10的部分雨滴横向尺寸测量误差较小,靠***行片光全息干板Ⅱ8的部分雨滴横向尺寸测量误差较大。
如图4所示,做出上层采样区4、下层采样区9两个过程中的雨滴横向尺寸测量误差曲线AB和曲线CD,从图4可以看出曲线AB和曲线CD相交于O点,O点出现在上层采样区4、下层采样区9的中点附近,对于上层采样区4,曲线CO对应靠***行片光全息干板Ⅰ3的半部分,测量误差较大,该采样区不可用,曲线OD对应靠近线阵光电探测器Ⅰ5的半部分,测量误差较小,该采样区可用;对于下层采样区9,曲线AO对应靠近线阵光电探测器Ⅱ10的半部分,测量误差较小,该采样区可用,曲线OB对应靠***行片光全息干板Ⅱ8的半部分,测量误差较大,该采样区不可用,这就导致上、下光路只有一半采样区可用。
为了增加可用采样区,减少测量误差,取上层采样区4靠近线阵光电探测器Ⅰ5的可用采样区(对应误差曲线OD),取下层采样区9靠近线阵光电探测器Ⅱ10的可用采样区(对应误差曲线AO),将这两部分可用采样区重新组合成一个新的采样区,这个新的采样区是上层采样区4或下层采样区9可用采样区的两倍,即双层光路较单层光路的可用采样区增加了一倍,而这个新的采样区的雨滴横向尺寸测量误差曲线变为A0D,从图4的误差曲线可以看出,新采样区误差曲线AOD的平均误差为6%,上层采样区4曲线CD的平均误差为11%,下层采样区9曲线AB的平均误差为12.5%,故在新采样区雨滴横向尺寸测量误差的平均值较单层光路(上层采样区4或下层采样区9)约下降50%。
同样可计算雨滴12的纵向尺寸大小,设雨滴12纵向遮挡的CMOS像素个数为M,则雨滴12的纵向尺寸大小为:
L纵向=M×LO(um)
型号为ral2048-48gm的CMOS探测器的像素尺寸大小LO×LO为7um×7um。
雨滴落速检测:
第一种方法:雨滴12在上层采样区4、下层采样区9的平均速度:设上层采样区4和下层采样区9之间的距离为H,在上层光路线阵光电探测器Ⅰ5扫描雨滴12下边缘的时间为T1,在下层光路线阵光电探测器Ⅱ10扫描雨滴12下边缘的时间为T2,则雨滴12下落的平均速度为:
H较小,雨滴12下落的平均速度近似等于雨滴落速V。
第二种方法:雨滴12在上层采样区4的平均速度在上层采样区4雨滴12被扫描的次数为m,线阵光电探测器Ⅰ5CMOS探测器扫描一次所用时间为T,雨滴12的纵向尺寸为D1,雨滴12在该扫描时间内的的平均速度/>为:
雨滴12在下层采样区9的平均速度在下层采样区9雨滴12被扫描的次数为n,线阵光电探测器Ⅱ10CMOS探测器扫描一次所用时间为T,雨滴12的纵向尺寸为D2,则雨滴12在该扫描时间内的的平均速度/>为:
则雨滴12下落的平均速度为:
雨滴12下落的平均速度近似等于雨滴落速V,而型号为ral2048-48gm的CMOS探测器的行频F=51khz,则CMOS扫描一次所用时间/>雨滴12的纵向尺寸计算可得,这样可以算出/>
以上结合附图的实施例仅对本发明的技术方案进行说明,而并非对其进行限制,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本领域的普通技术人员仍可以在所具备的知识范围内对本发明实施例进行修改和变更均在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种基于全息技术的双光路光学雨量计雨滴尺寸和落速的测量方法,其特征在于:基于全息技术的双光路光学雨量计包括半导体激光器Ⅰ(1)、扩束准直***Ⅰ(2)、平行片光全息干板Ⅰ(3)、上层采样区(4)、线阵光电探测器Ⅰ(5)、半导体激光器Ⅱ(6)、扩束准直***Ⅱ(7)、平行片光全息干板Ⅱ(8)、下层采样区(9)、线阵光电探测器Ⅱ(10)、计算机(11),半导体激光器Ⅰ(1)发出的光束经扩束准直***Ⅰ(2)后形成与平行片光全息干板Ⅰ(3)夹角为10°的平行光,该平行光照射平行片光全息干板Ⅰ(3)衍射再现发出沿x轴正方向传播的、在y方向上厚度小于1mm的平行片光并照射在线阵光电探测器Ⅰ(5)上,该平行片光构成上层采样区(4),线阵光电探测器Ⅰ(5)与计算机(11)连接;半导体激光器Ⅱ(6)发出的光束经扩束准直***Ⅱ(7)后形成与平行片光全息干板Ⅱ(8)夹角为10°的平行光,该平行光照射平行片光全息干板Ⅱ(8)衍射再现发出沿x轴负方向传播的、在y方向上厚度小于1mm的平行片光并照射在线阵光电探测器Ⅱ(10)上,该平行片光构成下层采样区间(9),线阵光电探测器Ⅱ(10)与计算机(11)连接;
所述上层采样区(4)、下层采样区(9)的长度相同,上层采样区(4)、下层采样区(9)的片光相互平行,传播方向相反;
所述平行片光全息干板Ⅰ(3)、平行片光全息干板Ⅱ(8)相同,通过全息干涉记录方式单独制作,制作过程中物光为片状平行光,垂直照明全息干板,参考光为平行光,与全息干板夹10o角斜照明全息干板,物光和参考光在全息干板上干涉产生干涉条纹,物光被记录在全息干板上,得到平行片光全息干板Ⅰ(3)、平行片光全息干板Ⅱ(8),所记录全息图为离轴全息图;
所述基于全息技术的双光路光学雨量计的测量方法,具体步骤如下:
雨滴横向尺寸检测:
取上层采样区(4)靠近线阵光电探测器Ⅰ(5)的可用采样区,取下层采样区(9)靠近线阵光电探测器Ⅱ(10)的可用采样区,将这两部分可用采样区重新组合成一个新的采样区进行采样;
雨滴横向尺寸大小对应雨滴(12)遮挡的线阵光电探测器Ⅰ(5)、线阵光电探测器Ⅱ(10)的CMOS探测器像素数量,CMOS探测器的像素尺寸大小为LO×LO(um),设雨滴(12)横向遮挡的CMOS像素个数为N,则雨滴(12)的横向尺寸大小为:
L横向=N×LO(um)
设雨滴(12)纵向遮挡的CMOS像素个数为M,则雨滴(12)的纵向尺寸大小为:
L纵向=M×LO(um);
雨滴落速检测:
第一种方法:雨滴(12)在上层采样区(4)、下层采样区(9)的平均速度:设上层采样区(4)和下层采样区(9)之间的距离为H,在上层光路线阵光电探测器Ⅰ(5)扫描雨滴(12)下边缘的时间为T1,在下层光路线阵光电探测器Ⅱ(10)扫描雨滴(12)下边缘的时间为T2,则雨滴(12)下落的平均速度为:
H较小,雨滴(12)下落的平均速度近似等于雨滴落速V;
第二种方法:雨滴(12)在上层采样区(4)的平均速度在上层采样区(4)雨滴(12)被扫描的次数为m,线阵光电探测器Ⅰ(5)CMOS探测器扫描一次所用时间为T,雨滴(12)的纵向尺寸为D1,雨滴(12)在该扫描时间内的的平均速度/>为:
雨滴(12)在下层采样区(9)的平均速度在下层采样区(9)雨滴(12)被扫描的次数为n,线阵光电探测器Ⅱ(10)CMOS探测器扫描一次所用时间为T,雨滴(12)的纵向尺寸为D2,则雨滴(12)在该扫描时间内的的平均速度/>为:
则雨滴(12)下落的平均速度为:
雨滴(12)下落的平均速度近似等于雨滴落速V,其中CMOS探测器的行频F,计算CMOS扫描一次所用时间/>
2.根据权利要求1所述的测量方法,其特征在于:所述半导体激光器Ⅰ(1)和半导体激光器Ⅱ(6)为同型号的激光器。
3.根据权利要求1所述的测量方法,其特征在于:所述线阵光电探测器Ⅰ(5)、线阵光电探测器Ⅱ(10)为同型号的CMOS探测器。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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