一种基于双线阵的冰雹测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于冰雹粒子测量技术领域，具体地说，涉及一种基于双线阵的冰雹测量装置，该装置包括：双线光源、双线光电二极管阵列、光电信号采集处理电路和数据处理终端；所述双线光源与双线光电二极管阵列相对放置，双线光源中的每个点光源对应一个双线光电二极管阵列中的阵元，双线光源与双线光电二极管阵列之间形成仪器采样空间，待采样冰雹经过该仪器采样空间；双线光电二极管阵列电性光电信号采集处理电路，光电信号采集处理电路通过网线连接数据处理终端。处理终端。处理终端。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双线阵的冰雹测量装置及测量方法


[0001]本专利技术属于气象数据处理和冰雹粒子测量
，具体地说，涉及一种基于双线阵的冰雹测量装置及测量方法。

技术介绍

[0002]作为在强对流天气条件下发生的一种固态降水的天气现象，冰雹往往能够对我们的社会生活以及工农业生产带来巨大的危害，有时甚至危及人民的生命财产安全。因此，如果能对冰雹进行准确的预测和消除，将可为人类社会挽回巨大的经济损失，并减轻对人类生命安全的威胁。
[0003]对冰雹进行准确预测和人工干预依然是一个世界性的难题，因为目前人类对于冰雹的形成过程和条件、地面降雹特征等还缺乏准确的认识和了解。因此，实现对冰雹进行准确预测与人工干预的前提是能够对冰雹的形成过程和条件、地面降雹特征等进行准确观测，但是，相应观测设备的缺乏极大限制了对于冰雹事件发生发展过程的认识。
[0004]目前，用于冰雹粒子测量的冰雹地面观测仪器主要可以分为两类：一类是可以提供时间记录的仪器，如冰雹谱仪；另一类则是提供时间积分测量的仪器，如冰雹印迹板和冰雹摄像仪；其中，冰雹印迹板是使用最为广泛的时间积分测量类仪器，其含有一个覆箔的泡沫塑料垫，可以保存下冰雹撞击留下的凹痕，该类型仪器利用不同大小冰雹质量和末速度差异造成的不同印痕，来分析冰雹粒子大小、质量等参量。但是，该仪器不能准确获得冰雹的大小尺寸、形状、降雹时间和冰雹的空间浓度，也无法区分不同降雹过程和冰雹印痕重叠的影响等。而冰雹摄像仪是另一种时间累积积分仪器，基于粒子的影像信息，虽然可实时获取冰雹粒子的大小尺寸和形状信息，但是，该仪器价格昂贵、安装和维护也较为繁琐，且无法获取冰雹粒子的下落末速度信息。
[0005]在冰雹粒子测量的时间记录仪器中，基于光学散射原理的激光冰雹谱仪是应用较为广泛的一种仪器，该仪器可以对冰雹粒子的大小、下落时间和末速度进行测量，因此可提供一次风暴过程中粒子谱随时间变化信息，但是，无法提供冰雹粒子的形状信息，粒子粒径测量范围也比较有限。而在现有的光学粒子测量仪器当中，美国DMT公司生产的、基于粒子挡光成像测量原理开发的冰雹谱仪MPS(Meteorological Particle Spectrometer)是一款能够对冰雹粒子的大小、形状和落速进行测量的仪器，但是，该仪器对粒子图像的采集使用的是预设频率，因此无法测量到准确的粒子图像信息，也就无法得到准确的冰雹粒子形状。此外，该仪器的测量范围也比较有限，仅能对6.2mm以下粒子进行测量。

技术实现思路

[0006]为解决现有技术存在的上述缺陷，本专利技术提出了一种基于双线阵的冰雹测量装置，能够克服目前光学测量技术在冰雹大小测量有限、形状和落速测量上存在的精度不高的缺陷，该装置不仅可以对冰雹进行成像，而且采用上下两组光电二极管阵列的布置方式，能够准确有效测量冰雹的落速。
[0007]本专利技术提供了一种基于双线阵的冰雹测量装置，该装置包括：双线光源、双线光电二极管阵列、光电信号采集处理电路和数据处理终端；
[0008]所述双线光源与双线光电二极管阵列相对放置，双线光源中的每个点光源对应一个双线光电二极管阵列中的阵元，双线光源与双线光电二极管阵列之间形成仪器采样空间，待采样冰雹经过该仪器采样空间；双线光电二极管阵列电性连接光电信号采集处理电路，光电信号采集处理电路通过网线连接数据处理终端；
[0009]所述双线光源，用于输出多个准直、光强分布均匀的、呈线性排列的上、下两列激光光束；
[0010]所述双线光电二极管阵列，用于接收相应激光光束和输出相应的光电流信号；
[0011]所述光电信号采集处理电路，用于接收双线光电二极管阵列输出的光电流并进行处理，计算出待采样冰雹的落速；并根据待采样冰雹的落速，计算并更新冰雹图像的采样率，再根据更新的采样率，对待采样冰雹在光电二极管阵列上所成的像进行采集和处理后，上传至数据处理终端；
[0012]所述数据处理终端，用于获取待采样冰雹的直径、落速和真实图像，并对其进行处理和存储，并将处理后的冰雹粒子图像进行显示。
[0013]作为上述技术方案的改进之一，所述双线光源为双线半导体激光器阵列；
[0014]该双线半导体激光器阵列包括：第一激光器阵列单元和第二激光器阵列单元；
[0015]第一激光器阵列单元和第二激光器阵列单元呈上下排列设置，且二者之间设置固定距离；其中，该固定距离的取值范围为1
‑
10cm；
[0016]所述第一激光器阵列单元和第二激光器阵列单元均为由N个等间距设置的点光源组成的、呈线性排列的激光器阵列，其中，20≤N≤200；
[0017]每个点光源是一个半导体激光器，且能输出一准直、光强分布均匀的激光光束，直接照射于双线光电二极管阵列中对应的光电二极管上。
[0018]作为上述技术方案的改进之一，所述双线光电二极管阵列包括：第一光电二极管阵列单元和第二光电二极管阵列单元；
[0019]第一光电二极管阵列单元和第二光电二极管阵列单元呈上、下排列设置，且二者之间设置固定距离；其中，该固定距离的取值范围为1
‑
10cm；
[0020]所述第一光电二极管阵列单元和第二光电二极管阵列单元均为由N个等间距设置的光电二极管组成的、呈线性排列的光电二极管阵列；其中，20≤N≤200；
[0021]每个光电二极管接收来自每个相对应的点光源发射的准直、光强分布均匀的激光光束。
[0022]作为上述技术方案的改进之一，所述光电信号采集处理电路包括：前端信号调理电路和FPGA控制电路；
[0023]所述前端信号调理电路，用于对双线光电二极管阵列输出的光电流进行快速响应处理后，提供给后端的FPGA控制电路一组二值信号；
[0024]所述FPGA控制电路包括FPGA芯片，用于对仪器采样空间第一次出现待采样冰雹时，接收该组二值信号，并经过相应的逻辑运算，产生相应的脉冲指示信号，根据得到的脉冲信号时间，计算出待采样冰雹的落速，并根据该落速，更新冰雹图像的采样率，再根据更新的采样率，对待采样冰雹在光电二极管阵列上所成的像进行采集，并将采集到的图像和
参数信息进行压缩存储，当存满一帧后采集三路温度监测电压值，连同压缩的图像数据通过网络上传至数据处理终端。
[0025]作为上述技术方案的改进之一，所述前端信号调理电路包括依次顺序串联连接的互阻放大电路U1、后级信号放大电路U2、分压射随电路U3和比较电路U4；
[0026]所述互阻放大电路U1，用于将双线光电二极管阵列输出的光电流转换为对应的电压信号，并将其输入至后级信号放大电路U2；
[0027]所述后级信号放大电路U2，用于将互阻放大电路U1的输出的电压信号进行放大，并将其输入至比较电路U4；
[0028]所述分压射随电路U3，用于为比较电路U4提供一个进行比较的电压阈值参考电平，并将其输入至比较电路U4；
[0029]所述比较电路U4，用于对输入的放大后的信号与电压阈值参考电平本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双线阵的冰雹测量装置，其特征在于，该装置包括：双线光源、双线光电二极管阵列、光电信号采集处理电路和数据处理终端；所述双线光源与双线光电二极管阵列相对放置，双线光源中的每个点光源对应一个双线光电二极管阵列中的阵元，双线光源与双线光电二极管阵列之间形成仪器采样空间，待采样冰雹经过该仪器采样空间；双线光电二极管阵列电性连接光电信号采集处理电路，光电信号采集处理电路通过网线连接数据处理终端；所述双线光源，用于输出多个准直、光强分布均匀的、呈线性排列的上、下两列激光光束；所述双线光电二极管阵列，用于接收相应激光光束和输出相应的光电流信号；所述光电信号采集处理电路，用于接收双线光电二极管阵列输出的光电流并进行处理，计算出待采样冰雹的落速；并根据待采样冰雹的落速，计算并更新冰雹图像的采样率，再根据更新的采样率，对待采样冰雹在光电二极管阵列上所成的像进行采集和处理后，上传至数据处理终端；所述数据处理终端，用于获取待采样冰雹的直径、落速和真实图像，并对其进行处理和存储，并将处理后的冰雹粒子图像进行显示。2.根据权利要求1所述的基于双线阵的冰雹测量装置，其特征在于，所述双线光源为双线半导体激光器阵列；该双线半导体激光器阵列包括：第一激光器阵列单元和第二激光器阵列单元；第一激光器阵列单元和第二激光器阵列单元呈上下排列设置，且二者之间设置固定距离；其中，该固定距离的取值范围为1
‑
10cm；所述第一激光器阵列单元和第二激光器阵列单元均为由N个等间距设置的点光源组成的、呈线性排列的激光器阵列，其中，20≤N≤200；每个点光源是一个半导体激光器，且能输出一准直、光强分布均匀的激光光束，直接照射于双线光电二极管阵列中对应的光电二极管上。3.根据权利要求2所述的基于双线阵的冰雹测量装置，其特征在于，所述双线光电二极管阵列包括：第一光电二极管阵列单元和第二光电二极管阵列单元；第一光电二极管阵列单元和第二光电二极管阵列单元呈上、下排列设置，且二者之间设置固定距离；其中，该固定距离的取值范围为1
‑
10cm；所述第一光电二极管阵列单元和第二光电二极管阵列单元均为由N个等间距设置的光电二极管组成的、呈线性排列的光电二极管阵列；其中，20≤N≤200；每个光电二极管接收来自每个相对应的点光源发射的准直、光强分布均匀的激光光束。4.根据权利要求1所述的基于双线阵的冰雹测量装置，其特征在于，所述光电信号采集处理电路包括：前端信号调理电路和FPGA控制电路；所述前端信号调理电路，用于对双线光电二极管阵列输出的光电流进行快速响应处理后，提供给后端的FPGA控制电路一组二值信号；所述FPGA控制电路包括FPGA芯片，用于对仪器采样空间第一次出现待采样冰雹时，接收该组二值信号，并经过相应的逻辑运算，产生相应的脉冲指示信号，根据得到的脉冲信号时间，计算出待采样冰雹的落速，并根据该落速，更新冰雹图像的采样率，再根据更新的采
样率，对待采样冰雹在光电二极管阵列上所成的像进行采集，并将采集到的图像和参数信息进行压缩存储，当存满一帧后采集三路温度监测电压值，连同压缩的图像数据通过网络上传至数据处理终端。5.根据权利要求4所述的基于双线阵的冰雹测量装置，其特征在于，所述前端信号调理电路包括依次顺序串联连接的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓庆，黄敏松，雷恒池，陈家田，郑首印，段婧，
申请(专利权)人：中国气象局人工影响天气中心，
类型：发明
国别省市：