大气降水粒子测量装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种大气降水粒子测量装置，包括：筒状主体和设置在筒状主体一端的两个探测臂，探测臂之间形成降水粒子探测区域；筒状主体内部设置激光器、第三反射镜、探测器阵列和信息处理板，筒状主体外部设置外部通讯接口，第一探测臂内设置光束准直模块，第二探测臂内设置成像放大模块；激光器输出激光，经准直模块准直为平行光束，平行光束进入探测区域并作为背景光照射到降水粒子上，经过成像放大模块后被探测器阵列接收并转换为电信号，信息处理板对信号进行处理，统计得到不同直径范围的粒子数，处理结果通过外部通讯接口传送至上位机进行显示和存储。本发明测量范围和准确度高，稳定性好，集成度高，结构紧凑，成本较低，环境适应性高。
【专利说明】
大气降水粒子测量装置
技术领域
[0001]本发明属于云物理、气象预报、人工影响天气等探测技术领域，涉及一种关于测量降水粒子尺寸和浓度的大气降水粒子测量装置。
【背景技术】
[0002]现有测量大气气溶胶粒子的方法是采用激光探测原理，利用微粒对激光的前向米氏散射，对比测量入射到两个相互垂直放置的探测器中的散射光功率，获得粒子大小和分布fg息。
[0003]比如中国专利号CN105115862A公开的名称为“一种云粒子探测方法及探测器”的专利就是通过接收云粒子的前向散射信号，探测云粒子等效光学粒径大小。这种探测器由激光发射模块、激光接收模块、光电探测模块、数据采集模块、系统控制模块组成，其中激光接收模块包括前向散射光收集透镜组、前向散射光准直镜组、前向散射分光棱镜、后向散射光收集透镜组、后向散射光准直镜组、滤光片组和后向散射分光棱镜，光电探测模块包括测量探测器、质量控制探测器、平行型后向散射偏振探测器和垂直型后向散射偏振探测器。它先通过接收云粒子的后向散射信号，探测云粒子对激光的偏退情况，获得云粒子相态，以此判断探测粒子是否为直径小于50um的冰晶，当获得的云粒子相态为冰晶时，再结合已有的非球形粒子散射的数据库，比对云粒子对激光的退偏度、前向散射信号，获得云粒子等效光学粒径的大小。
[0004]该专利只能测量直径小于50um的冰晶，并采用与已有数据库对比的方法获得冰晶大小，所以应用范围局限，并且存在数据库精度和更新问题，使得测量结果准确度较低。此夕卜，它没有针对载体平台及使用环境进行具体的结构设计，存在实际应用时的固定安装问题。激光发射模块只包括单模二极管激光器，无法保证输出功率的稳定性，造成散射信号强度对比下降，影响测量精度。光路分为前向接收光路和后向接收两个子光路，每个子光路又包含了类同的收集透镜组、准直镜组、滤光片组和分光棱镜，使得光学部件冗余，光学接收信号强度降低，并造成系统体积较大。光电探测模块需要四种探测器，存在成本较高、维修检测不便的问题。系统缺少温控补偿设计，当环境温度过低时，容易造成光学件表面雾化，降低接收信号强度。
【发明内容】
[0005](— )发明目的
[0006]本发明的目的是:针对上述现有技术的不足之处，提供一种测量精度高、结构简单、安装方便、体积小巧、环境适应性强，可探测直径范围为100?6200um的大气降水粒子测量装置。
[0007](二)技术方案
[0008]为了解决上述技术问题，本发明提供一种大气降水粒子测量装置，其包括:筒状主体和设置在筒状主体一端的两个探测臂，两个探测臂之间形成降水粒子探测区域;所述筒状主体内部设置激光器2、第三反射镜10、探测器阵列11和信息处理板12，筒状主体外部设置外部通讯接口 13，第一探测臂内设置光束准直模块，第二探测臂内设置成像放大模块;所述激光器2输出激光，激光经准直模块准直为平行光束，平行光束进入探测区域，探测区域中的平行光束作为背景光照射到降水粒子上，然后经过成像放大模块和第三反射镜10后被探测器阵列11接收并转换为电信号，信息处理板12对信号进行放大、模数转换和高速采样，得到粒子的二维图像，并根据粒子所占探测器单元数确定粒子直径，统计得到不同直径范围的粒子数，所处理结果通过外部通讯接口 13传送至上位机进行显示和实时存储。
[0009]其中，所述准直模块包括光纤端头3、准直镜4、第一反射镜5和第一窗口6，激光器2输出激光由光纤端头3出射，经准直镜4准直为平行光束，平行光束经第一反射镜5反射后光路偏转90°，再经第一窗口6进入探测区域。
[0010]其中，所述成像放大模块包括第二窗口7、第二反射镜8和成像透镜组9，探测区域中的平行光束作为背景光照射到降水粒子上，通过第二窗口 7进入第二探测臂，后经第二反射镜8，光路再次偏转90°，接着光束通过成像透镜组9实现扩束，扩束后的光束射向第三反射镜10。
[0011]其中，所述第一探测臂和第二探测臂之间的宽度与探测区域的预设宽度保持一致。
[0012]其中，所述筒状主体内还设置有电源及温控板15，第一探测臂和第二探测臂内分别设置有加热棒，机载作业中，电源及温控板15根据环境温度控制两探测臂前段埋装的加热棒14工作以防止低温下第一窗口6和第二窗口 7的表面结冰。
[0013]其中，所述成像仪整体外形无棱角，筒状主体设计为流线型，第一探测臂和第二探测臂前端分别设计为劈尖状结构。
[0014]其中，所述筒状主体内还设置有激光器驱动器I，激光器驱动器I通过对激光器2电压的监测控制激光器2稳定输出激光。
[0015]其中，所述探测器阵列11为64单元线阵光电探测器，64元一维线阵探测器采用并行输出方式，各个单元探测器同步输出信号。
[0016]其中，所述信息处理板12先对64路探测单元信号进行放大，再进行比较判断并转换为数字信号；比较判断方法是:当无降水粒子通过探测区域时，激光始终均匀照明探测器阵列11，各个探测单元均输出直流信号Vh，通过比较器后始终输出高电平；当降水粒子通过探测区域时，由于遮挡了部分背景光，相应的探测单元输出电压不再相同，设置比较电压为Vh/2，若输出信号低于Vh/2，贝Ij比较后输出低电平，否则输出高电平。
[0017]其中，所述信息处理板12对比较器输出信号进行采样、运算、处理，统计出不同直径范围的粒子数，并得到粒子的二维图像;其中，获得图像和粒子尺寸信息的方法是:任一时刻探测器阵列11输出粒子图像的一个切片信息，根据实时空速对各切片按照一定比例进行抽帧，还原粒子通过采样区时的连续切片，进而得到粒子的二维图像；同时，根据粒子图像中粒子所占据的探测器单元个数，确定粒子的横向和纵向尺寸;最后，信息处理板12将粒子分布、粒子图像、激光器电压、温度、GPS信息通过外部通讯接口 13传送至上位机显示，并实时存储。
[0018](三)有益效果
[0019]上述技术方案所提供的大气降水粒子测量装置，测量范围和准确度高，稳定性好， 集成度高，结构紧凑，成本较低，环境适应性高。
【附图说明】
[0020]图1是本发明实施例大气降水粒子测量装置的结构示意图。
[0021]图2是图1的剖面图。
[0022]图中:1-激光器驱动器，2-激光器，3-光纤端头，4-准直镜，5-第一反射镜，6_第一窗口，7-第二窗口，8-第二反射镜，9-成像透镜组，10-第三反射镜，11-探测器阵列，12-信息处理板，13-外部通讯接口，14-加热棒，15-电源及温控板。
【具体实施方式】
[0023]为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。
[0024]参照图1、图2所示，本实施例大气降水粒子测量装置包括激光器驱动器I，激光器2，光纤端头3，准直镜4，第一反射镜5，第一窗口 6，第二窗口 7，第二反射镜8，成像透镜组9，第三反射镜10，探测器阵列11，信息处理板12，外部通讯接口 13、加热棒14、电源及温控板
15。其中:光纤端头3、准直镜4、第一反射镜5和第一窗口 6组成准直模块，第二窗口 7，第二反射镜8，成像透镜组9组成成像放大模块。准直模块和成像放大模块分别置于两探测臂中，用于构成宽度为80mm的探测区域。激光器驱动器1、激光器2、第三反射镜10、探测器阵列11、信息处理板12、加热棒14和电源及温控板15置于筒状主体内部，外部通讯接口 13置于筒状主体外部。
[0025]激光器驱动器I控制激光器2输出激光，激光由光纤端头3出射，经准直镜4准直为平行光束。平行光束经第一反射镜5和第一窗口 6进入探测区域，探测区域中的平行光束作为背景光照射到降水粒子上，然后依次经过第二窗口 7、第二反射镜8、成像透镜组9和第三反射镜10后被探测器阵列11接收并转换为电信号。信息处理板12对信号进行放大、模数转换和高速采样，得到粒子的二维图像，同时根据粒子所占探测器单元数确定粒子直径，并统计得到不同直径范围的粒子数。处理结果通过外部通讯接口 13传送至上位机进行显示和实时存储。机载作业中，电源及温控板15根据环境温度控制两探测臂前段埋装的加热棒14工作以防止低温下第一窗口 6和第二窗口 7的表面结冰。
[0026]参阅图1所示，为满足机载挂飞要求，需要整体机械接口与飞机现有接口匹配，并且需要电接口集中，所以整体结构设计为筒状主体，同时统一的外部通讯接口 13置于筒状主体外侧。为保证探测区域无空气回流影响探测精度，要求整体外形无棱角，故主体设计为流线型，并将两探测臂前端设计为劈尖状结构。
[0027]参阅图2所示，本发明【具体实施方式】如下:首先激光器驱动器I通过对激光器2电压的监测控制激光器2稳定输出波长635nm、功率40mw的激光，提高测量精度。
[0028]激光束从光纤端头3出射后发散角为0.26rad，经准直镜4准直为直径5_的平行光束。平行光经第一反射镜5反射后光路偏转90°，再经第一窗口 6进入探测区域。探测区域中的平行光束作为背景光照射到降水粒子上，然后经过另一探测臂的第二窗口 7和第二反射镜8，光路再次偏转90°。接着光束通过12倍放大倍率的成像透镜组9实现扩束，扩束后的光束经第三反射镜10后光路再次偏转90°，最后被探测器阵列11接收。整个系统光路简单，结构紧凑，体积小。
[0029]探测器阵列11为64单元线阵光电探测器，阵列尺寸为64.5^1X3.1111^64元一维线阵探测器采用并行输出方式，各个单元探测器同步输出信号。信息处理板12先对64路探测单元信号进行放大，再进行比较判断并转换为数字信号。比较判断方法是:当无降水粒子通过探测区时，激光始终均匀照明探测器阵列11，各个探测单元均输出直流信号Vh，通过比较器后始终输出高电平；当降水粒子通过探测区时，由于遮挡了部分背景光，相应的探测单元输出电压不再相同，设置比较电压为Vh/2，若输出信号低于Vh/2，则比较后输出低电平，否则输出高电平。接着信息处理板12对比较器输出信号进行采样、运算、处理，最终统计出不同直径范围的粒子数，并得到粒子的二维图像。获得图像和粒子尺寸信息的方法是:任一时刻探测器阵列11输出粒子图像的一个切片信息，根据实时空速对各切片按照一定比例进行抽帧，便可还原粒子通过采样区时的连续切片，进而得到粒子的二维图像。同时，根据粒子图像中粒子所占据的探测器单元个数，便可确定粒子的横向和纵向尺寸。最后，信息处理板12将粒子分布、粒子图像、激光器电压、温度、GPS信息通过外部通讯接口 13传送至上位机显不，并实时存储。
[0030]机载作业前，需将装置内部空气抽出，并充以干燥氮气，以避免环境温度过低时第一窗口6和第二窗口7在内侧结雾。作业中，电源及温控板15根据环境温度控制两探测臂前段埋装的加热棒14工作以防止低温下第一窗口 6和第二窗口 7的表面结冰。
[0031]由上述技术方案可以看出，本发明针对直径100?6200um的降水粒子，采用成像的方法测量降水粒子大小，并统计粒径分布，提高了测量范围和准确度;考虑机载挂飞要求和空气回流影响，设计了流线型结构以及与飞机接口匹配的机械接口，使得安装方便且稳定性高;激光器驱动器通过对激光器电压的监测控制激光器输出稳定功率的激光，提高了测量精度;整个系统只有一个光路，光学元件数量减半，并利用反射镜将光路进行折转，缩短了光路长度，减小了系统体积;利用探测器阵列实现光电信号转换，集成度高，结构紧凑，成本较低；电源及温控板控制加热棒工作以防止低温下第一窗口和第二窗口的表面结雾结冰，提高了环境适应性。
[0032]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种大气降水粒子测量装置，其特征在于，包括:筒状主体和设置在筒状主体一端的两个探测臂，两个探测臂之间形成降水粒子探测区域;所述筒状主体内部设置激光器(2)、第三反射镜(10)、探测器阵列(11)和信息处理板(12)，筒状主体外部设置外部通讯接口(13)，第一探测臂内设置光束准直模块，第二探测臂内设置成像放大模块;所述激光器(2)输出激光，激光经准直模块准直为平行光束，平行光束进入探测区域，探测区域中的平行光束作为背景光照射到降水粒子上，然后经过成像放大模块和第三反射镜(10)后被探测器阵列(11)接收并转换为电信号，信息处理板(12)对信号进行放大、模数转换和高速采样，得到粒子的二维图像，并根据粒子所占探测器单元数确定粒子直径，统计得到不同直径范围的粒子数，所处理结果通过外部通讯接口( 13)传送至上位机进行显示和实时存储。2.如权利要求1所述的大气降水粒子测量装置，其特征在于，所述准直模块包括光纤端头(3)、准直镜(4)、第一反射镜(5)和第一窗口(6)，激光器(2)输出激光由光纤端头(3)出射，经准直镜(4)准直为平行光束，平行光束经第一反射镜(5)反射后光路偏转90°，再经第一窗口(6)进入探测区域。3.如权利要求2所述的大气降水粒子测量装置，其特征在于，所述成像放大模块包括第二窗口(7)、第二反射镜(8)和成像透镜组(9)，探测区域中的平行光束作为背景光照射到降水粒子上，通过第二窗口( 7)进入第二探测臂，后经第二反射镜(8)，光路再次偏转90°，接着光束通过成像透镜组(9)实现扩束，扩束后的光束射向第三反射镜(10)。4.如权利要求1所述的大气降水粒子测量装置，其特征在于，所述第一探测臂和第二探测臂之间的宽度与探测区域的预设宽度保持一致。5.如权利要求3所述的大气降水粒子测量装置，其特征在于，所述筒状主体内还设置有电源及温控板(15)，第一探测臂和第二探测臂内分别设置有加热棒，机载作业中，电源及温控板(15)根据环境温度控制两探测臂前段埋装的加热棒(14)工作以防止低温下第一窗口(6)和第二窗口(7)的表面结冰。6.如权利要求1所述的大气降水粒子测量装置，其特征在于，所述成像仪整体外形无棱角，筒状主体设计为流线型，第一探测臂和第二探测臂前端分别设计为劈尖状结构。7.如权利要求1所述的大气降水粒子测量装置，其特征在于，所述筒状主体内还设置有激光器驱动器(I)，激光器驱动器(I)通过对激光器(2)电压的监测控制激光器(2)稳定输出激光。8.如权利要求1所述的大气降水粒子测量装置，其特征在于，所述探测器阵列(11)为64单元线阵光电探测器，64元一维线阵探测器采用并行输出方式，各个单元探测器同步输出信号。9.如权利要求1所述的大气降水粒子测量装置，其特征在于，所述信息处理板(12)先对64路探测单元信号进行放大，再进行比较判断并转换为数字信号；比较判断方法是:当无降水粒子通过探测区域时，激光始终均匀照明探测器阵列(11)，各个探测单元均输出直流信号Vh，通过比较器后始终输出高电平；当降水粒子通过探测区域时，由于遮挡了部分背景光，相应的探测单元输出电压不再相同，设置比较电压为Vh/2，若输出信号低于Vh/2，则比较后输出低电平，否则输出高电平。10.如权利要求9所述的大气降水粒子测量装置，其特征在于，所述信息处理板(12)对比较器输出信号进行采样、运算、处理，统计出不同直径范围的粒子数，并得到粒子的二维图像;其中，获得图像和粒子尺寸信息的方法是:任一时刻探测器阵列(11)输出粒子图像的一个切片信息，根据实时空速对各切片按照一定比例进行抽帧，还原粒子通过采样区时的连续切片，进而得到粒子的二维图像；同时，根据粒子图像中粒子所占据的探测器单元个数，确定粒子的横向和纵向尺寸；最后，信息处理板(12)将粒子分布、粒子图像、激光器电压、温度、GPS信息通过外部通讯接口(13)传送至上位机显示，并实时存储。
【文档编号】G01N15/02GK106092835SQ201610363280
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】杨泽后, 郭学良, 史晓丁, 于子平, 杜运理, 樊冬, 李晓锋, 彭涛, 伍波, 周鼎富
【申请人】西南技术物理研究所