[发明专利]雨滴三维尺度检测装置及利用该装置计算雨滴体积的方法

权利要求书

1.一种雨滴三维尺度检测装置，其特征在于：包括激光器Ⅰ（1）、光束整形系统Ⅰ（2）、下层检测区（3）、线阵光电探测器Ⅰ（4）、激光器Ⅱ（5）、光束整形系统Ⅱ（6）、线阵光电探测器Ⅱ（7）、激光器Ⅲ（8）、激光光束整形系统Ⅲ（9）、上层检测区（10）和线阵光电探测器Ⅲ（11），所述激光器Ⅰ（1）发出的发散光经光束整形系统Ⅰ（2）后变换为与xy平面平行并沿x方向传播、在y方向有宽度、在垂直方向的厚度小于1mm的平行片光光束，并照射在线阵光电探测器Ⅰ（4）上，激光器Ⅱ（5）发出的发散光经光束整形系统Ⅱ（6）后变换为与xy平面平行、并沿y方向传播、在x方向具有宽度、在垂直方向的厚度小于1mm的平行片光光束，并照射在线阵光电探测器Ⅱ（7）上，沿x方向传播的平行片光光束与沿y方向传播的平行片光光束垂直交叉重合部分构成下层检测区（3），激光器Ⅲ（8）位于激光器Ⅰ（1）正上端，激光器Ⅲ（8）发出的发散光经光束整形系统Ⅲ（9）后变换为与xy平面平行、并沿x方向传播、在y方向有宽度、在垂直方向的厚度小于1mm的平行片光光束，并照射在线阵光电探测器Ⅲ（11）上，该平行片光光束构成上层检测区（10）。

2.根据权利要求1所述的雨滴三维尺度检测装置，其特征在于：所述线阵光电探测器Ⅰ（4）、线阵光电探测器Ⅱ（7）、线阵光电探测器Ⅲ（11）包括具有4096象元数、7μm*7μm象元尺度、24KHz采集行频的线阵CCD。

3.一种利用权利要求1所述的雨滴三维尺度检测装置计算雨滴体积的方法，其特征在于该方法为：将雨滴按照其等效尺度大小建模，当雨滴等效尺度小于3mm时将雨滴建模为椭球形；当雨滴等效尺度大于或等于3mm时将雨滴建模为馒头形； 

（1）当雨滴建模为椭球形时，对该椭球形模拟建立分别平行于x轴、y轴、z轴的近似轴长                                                、、，计算该椭球形雨滴体积的具体步骤如下：

步骤1：计算近似轴长，通过线阵光电探测器Ⅰ（4）采集到该椭球形在下层的椭圆形图形、组成该椭圆形的每一条弦的弦长（d₁、d₂、…、d_i…、d_n）及相邻两条弦之间的间距（h₁、h₂、…、h_i…、h_m），按比例去除上下边缘误差较大的弦，随机选取三条弦长和三条弦间的两个间距，分别记为d₁、d₂、d₃、h₁、h₂，然后按照方程组：

 

 求得近似轴长，根据采集到雨滴的有效行数分别获得近似轴长、...、；

步骤2：计算近似轴长，通过线阵光电探测器Ⅱ（7）采集到该椭球形在xy面的椭圆形图形、组成该椭圆形的每一条弦的弦长（d₁、d₂、…、d_i…、d_n）及相邻两条弦之间的间距（h₁、h₂、…、h_i…、h_m），按比例去除上下边缘误差较大的弦，随机选取三条弦长和三条弦间的两个间距，分别记为d₁、d₂、d₃、h₁、h₂，然后按照方程组：

求得近似轴长，根据采集到雨滴的有效行数分别获得近似轴长、...、；

步骤3：计算近似轴长，通过线阵光电探测器Ⅰ（4）和线阵光电探测器Ⅲ（11）采集到同一雨滴的同一条弦的时间为和，求得时间差t，已知线阵光电探测器Ⅰ（4）和线阵光电探测器Ⅲ（11）位置之间的间距为、两个线阵光电探测器Ⅰ、Ⅲ（4、11）行频一定因此每次的采集时间为为定值、雨滴下落采集到的行数为，根据方程组、=/t计算出近似轴长，其中雨滴的落速；

步骤4：近似轴长、去除大偏差数值处理，将步骤（1）获得的、...、，步骤（2）获得的、...、计算出平均值和，当｜-︱<n时，=；当｜-︱<n时，=，再求出及的平均值、；

步骤5：根据公式，求得该椭球形雨滴的近似体积；

（2）当雨滴为馒头形时，由于在垂直方向受空气阻力等作用、在迎风方向受到风力的作用，综合作用的结果使得雨滴形状趋于不规则，同时雨滴尺度较大，在同样线阵探测器采集行频条件下，可采集到的数据足够多，因此采用三维体积积分的方法计算雨滴体积，由于采集到的图像是实际馒头形雨滴的倒像，但是该倒像最后一条采集弦底部缺失，该缺失的部分是雨滴的顶部，具体步骤如下：

步骤1：缺失部分按照圆锥体积计算，按照公式求出体积，其中为最后一条弦长的一半，为最后一条弦与倒数第二条弦之间的间距；

步骤2：其它扫描弦按照圆台体积计算，根据公式，

依次求得各对应体积，其中为弦长，为相邻弦长，为两条弦之间的间距，i为1、…、n-1；

步骤3：将步骤1得到的与步骤2得到的累加在一起，即为该馒头形雨滴的近似体积。