[发明专利]一种激光检测雨量的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及气象观测技术领域的一种雨量、雨滴谱检测方法及装置，特别是涉及一种从光学检测方面提高检测精度的激光检测雨量的方法及装置。

背景技术

随着社会经济的发展，对降水的实时观测在气象、高速公路、机场、水文等领域起着越来越重要的作用。气象领域根据降水的观测分析天气形势以及统计各地的气候特点；机场、高速等交通部门根据降水状况制定各种应急措施；水文部门根据降水信息进行水土流失方面的监测和治理等等，可以说对降水的观测已经成为人们日常生活的重要组成部分。

现有的雨量计主要分为机械式和光学式两大类。国内各气象观测站和无人气象站对降水的监测主要以翻斗式、称重式雨量计等机械式雨量计为主。机械式雨量计经过长期的发展，虽然其系统和技术等各方面较为完善，但由于其机械性原理的局限，使其存在一些难以解决的问题。比如采用翻斗式雨量计进行降水量的观测时主要存在以下问题：首先野外应用环境比较恶劣，由于沙尘的沉降、鸟粪以及树枝、树叶的累积，很容易将雨量筒堵塞，影响仪器的正常使用，需要对设备进行有人维护，无法实现长期无人自动观测。其次，翻斗式雨量计所测雨量要达到一定的降水累积值才能被计数，在雨量非常小的情况下无法对降水有无和降水量进行有效观测，无法实现雨量观测零启动。另外使用雨量筒不能够对降水类型进行区分，更不能对降水的微物理结构，如降水粒子的大小分布情况进行实时观测。在降雪或者冰雹等固态降水情况下，雨量筒对雨量的观测具有很大的时间滞后性。

    除了机械式雨量计之外，现有的降水的观测方法还有光学探测、声波探测和雷达探测等多种类型的探测技术，其中以光学原理为基础的天气现象识别技术研究最为广泛。具有代表性的光学雨量计主要基于以下几种原理：光强闪烁法、粒子降速测量法、光散射技术及光强衰减多要素判断法。这些检测方法及装置从不同的技术角度出发都实现了对降水等天气现象的自动观测，并在一些地区的气象观测中得到了应用，但也存在一定的问题和局限性。例如，Parsivel雨滴谱仪，采样空间受到接收端光电阵列的限制，空间分辨力过低，不能探测小雨、毛毛雨；利用消光散射原理的FDl2P雨量计，消光系数作为低通信号进行传输会受到电磁场干扰(机场)；Schonhuber等研制出的2DVD二维成像雨量计线扫描相机仅采用了512个光电探测元件，因而其对于小粒子的分辨力较低，数字网格的物理分辨力为0.25mm，实际上对于小于0.5mm的降水粒子无法测量。此外，现有的光学雨量计还存在一些共通性的问题：①有风时雨滴形状为非对称，一维检测无法准确测量非对称雨滴的大小，雨滴形状按球形假设计算造成较大误差；②光源多采用近红外光，波长相对较长，因此光衍射造成测量误差较大；③由于采样区域内片光光束的薄厚在光行进方向上片光光束薄厚不同，使得对于同样大小的下落雨滴，在距离线阵探测器位置不同时测量结果不同，造成误差；④由于探测光源在使用过程中会受到环境等外界条件的影响，其输出功率会随时间发生变化，必然引起成像发生相应的变化，造成检测误差；⑤线阵探测器行扫描频率低，使得扫描测量的时间间隔过大，致使无法采集测量到雨滴的代表性尺度，造成测量精度不够；⑥线阵探测器像元尺寸过大、测量分辨率过低。

为了提高光学雨量计的检测精度，有必要对现有的光学雨量计存在诸多问题进行改进。比如线阵CCD扫描速度不够需要采用高速线阵扫描的方法提高采样精度和分辨率，增加毛毛雨等微小降水粒子的识别能力，为改善光源的稳定输出加入光源恒稳控制，同时，要改进现有的光学雨量计在对降水粒子形态的测量，如降水粒子的形状、下落角度等，建立更精确的数学模型。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种以激光为检测光的雨量传感装置及检测方法，利用激光光源、各种光学元件组合及传感器等对雨量实时连续自动检测。