LED光学雨量传感器研究

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【摘 要】 实验结果表明，可以通过探测传感器采样空间内雨滴对光束的遮挡情况，来进行雨滴大小、雨滴速度、降雨量的测定。

【关键词】 led 雨量 传感 CCD

1 引言

近年来，雨量信息是大气物理过程研究和降水研究的主要对象，也是环境监测、农业安全监测的重要指标参数。降雨量的测量一般采用JDZ02-1型翻斗式雨量传感器，是一种水文、气象观测仪器，用以感知自然界降雨量，同时将其转换为开关信息量输出，以满足信息传输、处理、记录和显示的需要[1]。但是由漏斗中的积水来确定降雨量，这种方法无法实时地反应降雨量的大小，只能统计某一段时间内的降雨量，更无法监测各类气象参数，如雨滴直径、降落速度等。对于雨滴参数的测量目前使用最广泛的是滤纸色斑法，但是滤纸色斑法使用的滤纸质量很难控制，不同性质、不同批次的滤纸，同批次不同存放环境的滤纸对取样结果都有影响，不能很精确地测量雨滴直径[2]。而今光学雨量传感器是汽车雨刷自动清洁以及气象部门对雨滴自动计量系统的核心部分，是一种利用激光技术实现智能感知，并应用到关系到国计民生的天气探测行业领域的一种光电仪器。发展到现在，除了汽车车窗，头灯和飞机甚至太空梭上都配备了雨刷[3]。汽车雨刷自动控制系统是十分必要与迫切的， 原来在高档汽车上装配了可以附加车灯控制的雨量传感器，正在中档车发展中迅速的普及[4]。光学雨量传感器在汽车雨刷传感、环境监测、气象预报上有广泛的应用，雨量传感器不仅为行车安全提供保障，更能为气象、环境、农业领域提供雨量信息预报、洪水预警等数据，保障国家的财产、农业和生命安全[5]。

目前，能生产光学雨量传感器的单位还寥寥无几，主要为德国OTT公司的parsivel激光雨量传感器，国内还没用自主知识产权的同类产品。为此，开发自主知识产权的光学雨量传感器将能极大地满足国内各气象站点的需求，降低仪器采购成本，推动相关产品的升级换代。

2 实验与建模

2.1 实验原理与设备

光学雨量传感器主要由光源、光源整合器、采样空间、接收器、数据处理部分组成，其结构示意图如图1。当雨滴（或雪粒等其他降水粒子）穿越采样空间时，雨滴会遮挡激光，接受传感器接受到的光信号和由光信号转变的电信号（如电压或电流）就会改变，当雨滴穿过采样空间后，接受传感器的电信号又恢复雨滴进入采样空间之前的状态。在雨滴穿越采样空间时，对接受传感器的电信号进行处理，就可以得到雨滴穿越采样空间的时间（由此可推算雨滴的速度），遮挡的幅度（由此可推算雨滴的直径）（见图1）。

系统的光源采用紫外LED灯管一枚，其参数为额定工作电压3.0-3.6V、正向电流20mA、反向电压5V、发光波段390-400nm、亮度150-200mcd。由于光亮度已经超过作为接受器的线阵CCD的响应最大值，并且由于LED灯管所发的光并不准直，故在采样空间中需要加入一光源整合部件。光源整合器由一个G-lens透镜和5%光衰减片组成。采样空间尺寸为10cmx10cm。采用线阵CCD作为系统中的光接收器，CCD的型号为东芝 TCD1206sup，其像素单元为2160像素，像敏单元大小：14μm×14μm。由线阵CCD的光谱-响应曲线可知，该CCD在近紫外光谱附近有较好的响应。数据采集部分采用天津琦瑶科技有限公司制造的QY-USB2.0-S12H数据采集卡。采集卡参数为：最高采样频率20MHz、采样精度12Bit并且带有2次开发接口。

2.2 建立雨滴速度模型

关于雨滴的下落速度模型，可以认为，雨滴从云中下落，由于重力的作用开始慢慢加速，同时周围空气的阻力减缓了雨滴的下落，当雨滴的重力和空气的阻滞力相等时雨滴达到最终下落速度[6]。速度模型是基于雨滴下落的收尾速度。收尾速度指的是雨滴下落过程的最大速度，是雨滴下落时重力和空气阻力平衡时雨滴的速度。空气对雨滴的阻力有粘性阻力和压差阻力两种。粘性阻力公式为ρSCd，经计算得：（见表1）

由收尾速度的计算公式可以看出：（1）极小的雨滴在下落过程中就会消失或者被大雨滴吸收。测量过程中得到的小雨滴可能是大雨滴分裂出来的。（2）一般降雨雨滴半径分布在0.5mm～1.8mm之间，通过计算可以得知雨滴的收尾速度在1.05m/s～13.61m/s。

3 测试结果与分析

用水滴代替雨滴，仿真降水过程，将水滴从测量光路上空滴下，下降过程通过测量区域。当水滴经过测量平面时，根据线阵CCD上的各点光强分布，被雨滴遮挡处的光强急剧下降，根据被遮挡的像素个数，可以计算出雨滴的直径。图象显示估计出被遮挡CCD像素为240个，所以水滴的直径约为3.36mm。当水滴特别接近CCD表面时，有异常现象发生，即被遮挡的CCD像素上测量光强不减反增，在水滴中心处对应的CCD探测光强有所增加，也可以由此信号来推测水滴的直径。图像显示估计被遮挡的像素个数约为220个，即水滴的直径为3.08mm。

使用滤光片和透镜组成的光源整合器后，CCD的响应较为均匀。当滤光片表面粗糙度较大时，测得CCD各像素上光强分布，光强分布较为均匀，此时测量水滴直径和速度，可以看出噪声不是很大，背景干扰较小。利用此情况的光强分布，来测量多个雨滴下落过程中雨滴参数。设置扫描频率为100Hz，扫描次数为1024，因此扫描结果为一幅2048×1024的灰度图，灰度值代表相对光强。没有雨滴通过时的CCD扫描测量结果。可以看出，各像素点对于的光强保持稳定，形成一条条竖线。当有水滴通过时，扫描结果发生变化，在扫描时间内，共有6滴水滴通过了测量区域，其直径可以根据实验数据近似得出，查看测量数据，5水滴的直径分别为2.53mm，2.30mm，2.52mm，2.64mm，2.16mm和2.44mm。也可以由计算得到5水滴的速度分别为：0.24m/s，0.25m/s，0.25m/s， 0.27m/s，0.22m/s和0.31m/s。该雨量传感器可以很好的检查出实际雨天的雨滴情况。并且由于CCD的分辨率较高，可以很好的得到连续下落雨滴的下落情况。

4 结语

本文提出运用LED作为传感器光源，进行LED光学雨量传感器的光机电一体化系统的整合与设计。利用设计得到的雨量传感器进行对雨滴下落的模拟测试及其对测试结果进行后续的数据分析。得到了该结构的雨量传感器能够对雨滴进行测试的结论，说明了基于光电检测原理的雨量传感器工作的可行性，为光学雨量传感器的开发提供了理论和技术基础。研制可以提供雨滴谱等参数的光学雨量传感器，有着重要的理论意义和应用价值，并具有巨大的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]李保敏，康彦付，吴旭.《海河水利》2008年第4期43-45页.

[2]廖炜，卫苗苗，黄煜煜.《武汉理工大学学报：交通科学与工程版》 2008年第32卷第6期 1165-1168页.

[3]徐业良.雨刷科技科技雨刷[M].汽车购买指南，2002，10：12-15.

[4]谢望.光电传感器技术的新发展及应用.仪器仪表用户，2005，12（5），1-2.

[5]Marshall J S，Palmer W M.The distribution of rain drop with size. JMeteor，1948，5（1）：165-166.

[6]Joss J，Gori E G.Shape of raindrop size distribution.J ApplMetor，1978，17（7），1054-1061.