[发明专利]一种激光降水天气现象的测量方法和激光降水天气现象仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光降水天气现象的测量方法和测量装置，属于气象探测技术领域。

背景技术

降水天气现象是气象观测中的常规项目，该项目的观测对多种学科研究具有重要意义。降水类型的准确判别为气象、水文、农业和资源环境等科学的研究提供了重要的依据，对农业生产、交通运输和防灾减灾等领域有重大的实用价值。

根据国际气象组织对降水天气现象的定义，降水是从云中降落或从大气沉降到地面的液态或固态的水汽凝结物，包括：降雨（毛毛雨、小雨、中雨、大雨、暴雨）、降雪（小雪、大雪）、雨夹雪、霰、冰雹等。

近年来，降水天气现象的自动测量技术发展很快。在光学方法上，主要有光闪烁法、光阻法等测量方法，这些测量方法可以得到各种降水天气现象的信息：如降水类型、粒径谱和降水强度等。

其中，光闪烁法原理是当光束在降水过程中传播时，由于降水粒子的下落运动，在接收平面上形成各个衍射条纹的移动，引起探测器上光强变化，称为光闪烁，通过测量闪烁光强的信息可以计算出降水类型及强度。

光阻法的测量原理主要是利用Bougure定律，其结构原理如图1所示。一般光阻法测量方法是用激光光源产生一个平行光带，当下落的降水粒子通过光带时，对照射到探测器上的光起到阻挡、衰减的作用，探测器把粒子对测量光强的衰减变化转化成电信号，如图2所示。测量电信号变化的强度和持续时间可以计算出降水粒子粒径大小和末速度，粒子数目是统计衰减信号的次数得到的。对获取上述量值进行计算分析可得到降水类型、雨滴谱、降水强度等信息。

现有技术的问题为：（1）在光阻法仪器测量中，要准确测量降水粒子信息，测量光带的厚度应该是均匀的（实际中1mm左右），即标准的平行光带，保证降水粒子落在光带不同位置上的产生的信号具有一致性。通常是通过激光二极管发射的激光通过凸透镜准直后，再通过窄缝形成的平行光带。但是在实际应用中，其平行度的精确度受到透镜精度、安装精度等因素的影响，出射光的平行度易于产生变化，比如：存在发散，宽度慢慢变宽的情况，如图3所示。这种情况下，会给测量带来误差。如图3所示，在位置1、2，相同粒径、速度的降水粒子会有不同的测量结果，即图2中测量脉冲信号的宽度、高度都是不同的，经过计算得到不同的粒径、速度数据；（2）理论上，雨滴的形状是圆形的，但实际中是有形变的，特别是较大尺寸的降水粒子。雨滴发生形变时，一般以f=a/b表示，f称为变形因子，a、b分别称为变形雨滴的长半轴、短半轴，当变形的雨滴以不同的空间位置通过光带时，产生的测量信号的持续时间是不一致的，会影响粒子下落速度测量的准确性。

发明内容

针对上述提出的问题，提出一种激光降水天气现象的测量方法和激光降水天气现象仪，实现对降水天气现象的连续自动观测，能准确测量粒子的下落速度、粒径，并能提供降水强度、雨滴谱等参数。

本发明的技术解决方案之一：一种激光降水天气现象的测量方法，采用双端对射式的测量结构，一端为光源发射端，另一端为信号接收端，光源发射端和信号接收端水平相对；光源发射端产生两束能量相等、相互平行的水平光带，照射到信号接收端，光源发射端和信号接收端之间作为采样区；下落降水粒子在垂直方向上经过所述两束能量相等、相互平行的光带，引起信号接收端光信号的强度变化，通过信号接收端的探测器进行光电转换后，产生双峰形状的测量信号，通过所述测量信号的两个峰峰之间的时间间隔，计算出粒子下落速度；对所述测量信号进行积分，得到粒子粒径的大小；通过对粒子下落速度、粒径和数目信息的分析，判断出降水天气类型；同时能够计算出降水强度和雨滴谱信息。

所述光源通过凸透镜准直后照射到旋光器上，再经过狭缝形成一条平行的光带，最后通过方解石双折射晶体后，得到两束能量相等、相互平行的光带。

所述光源发射端采用二极管激光器作为光源，波长为785nm。

所述光源采用2.4k频率的方波信号进行调制，并采用APC功率控制电路达到恒功率输出。

所述信号接收端采用硅PIN光电探测器，在硅PIN光电探测器前端放置滤光片、凸透镜，凸透镜汇聚发射端发射的光信号，经过滤光片后滤除杂散光，照射到探测器表面，进行光电转化。