基于光衰减和散射原理的天气现象在线观测装置及方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103399363 A (43)申请公布日 2013.11.20 CN 103399363 A *CN103399363A* (21)申请号 201310337448.8 (22)申请日 2013.08.05 G01W 1/00(2006.01) (71)申请人 中国科学院合肥物质科学研究院 地址 230031 安徽省合肥市蜀山湖路 350 号 (72)发明人 程寅 刘文清 桂华侨 刘建国 陆亦怀 王杰 余同柱 陈军 江宇 (74)专利代理机构 北京科迪生专利代理有限责 任公司 11251 代理人 成金玉 (54) 发明名称 基于光衰减和散射原理的天气现象在线观测 装。

2、置及方法 (57) 摘要 基于光衰减和散射原理的天气现象在线观测 装置及方法， 采用了双光源发射端、 单接收端的光 机结构 ： 光源一发射一条精确平行的测量光带， 当下落降水粒子通过测量光带时， 对光带起到阻 挡、 衰减的作用， 通过对光电转化信号的解析， 可 以得到降水粒子的下落速度和粒径的信息， 实现 降水天气现象判断， 并可以提供降水强度、 雨滴谱 等信息 ； 光源二发射一条准直的测量光束， 通过 探测光束上采样区内的大气粒子在水平 45 度上 的散射光强， 反演大气能见度， 实现视程天气现象 的识别。本发明实现了多种天气现象在线自动观 测， 避免了人工观测中具有主观性等不利因素， 使 。

3、得观测结果更加准确、 及时、 全面、 完整， 对于气 象、 农业、 环保等相应科学及工程研究都具有现实 的意义， 在气象业务观测、 交通安全调度、 农业减 灾防灾及空气质量监测等领域都具有广泛的应 用。 (51)Int.Cl. 权利要求书 3 页 说明书 7 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书3页 说明书7页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103399363 A CN 103399363 A *CN103399363A* 1/3 页 2 1. 基于光衰减和散射原理的天气现象在线观测装置， 其特征在于 ： 包括第一发射端 （300） 、。

4、 第二发射端 （100） 、 光信号接收端 （200） 、 光电信号采集和数据处理模块 （400） ； 其 中， 第一发射端 （300） 、 第二发射端 （100） 、 光信号接收端 （200） 构成装置的光信号测量系 统 ； 所述第一发射端 （300） 包括第一光源单元 （301） 、 第一凸透镜 （302） 、 水平狭缝 （303） ； 第 二发射端 （100） 包括第二光源单元 （101） 、 第二凸透镜 （102） ； 光信号接收端 （200） 包括接收 端凸透镜 （201） 、 滤光片 （202） 、 探测器单元 （203） ； 所述第一发射端 （300） 中， 第一光源单元 （30。

5、1） 安装在第一凸透镜 （302） 后端， 位于凸 透镜的焦点上， 第一凸透镜 （302） 对第一光源单位 （301） 发射的光束进行准直， 水平狭缝 （303） 安装在第一凸透镜 （302） 前端， 与凸透镜平行， 第一凸透镜 （302） 准直后的平行光束 经过水平狭缝 （303） 后成为一条准直平行光带 （2） ； 所述第二发射端 （100） 中， 第二光源单元 （101） 安装第二凸透镜 （102） 后端， 位于凸透 镜的焦点上， 第二光源单元 （101） 发出的光通过第二凸透镜 （102） 进行准直， 形成准直光束 （1） ； 所述光信号接收端 （200） 中， 探测器单元 （203）。

6、 安装在接收端凸透镜 （201） 后端， 位 于凸透镜的焦点上， 使照射到接收端的光聚焦到探测器单元 （203） 上， 在探测器单元 （203） 前安装了滤光片 （202） ， 滤除外界的杂散光， 只有光源波段上的光才能进入探测器单元 （203） ； 所述第一发射端 （300） 与光信号接收端 （200） 水平相对， 第一发射端 （300） 发出的准直 平行光带 （2） 直接照射到光信号接收端 （200） ， 第二发射端 （100） 位于第一发射端 （300） 一 侧， 第二发射端 （100） 发出准直光束 （1） 与光信号接收端 （200） 的轴线呈水平 45夹角。 2. 根据权利要求 1 。

7、所述的基于光衰减和散射原理的天气现象在线观测装置， 其特征在 于 ： 所述光电信号采集和数据处理模块 （400） 中包括 ： 前置放大单元 （401） 、 锁相放大单元 （402） 、 脉冲发生器 （403） 、 二次放大处理单元 （404） 、 低通滤波单元 （405） 、 第一模数转换单 元 （406） 、 高通滤波单元 （407） 、 第二模数转换单元 （408） 、 数字信号处理 DSP 单元 （409） ， 其 中 ： 脉冲发生器 （403） 对第一发射端 （300） 、 第二发射端 （100） 的发射光源提供调制脉冲信 号， 并对锁相放大单元 （402） 提供锁相放大的参考信号 ；。

8、 前置放大单元 （401） 将光信号接收端 （200） 的光电转化信号进行去噪、 放大 ； 锁相放大单元 （402） 用于对测量信号的解调及放大 ； 二次放大处理单元 （404） 对解调后的信号进行放大， 同时将降水粒子引起的脉冲信号 反相并去除直流偏置 ； 第一模数转换单元 （406） 、 第二模数转换单元 （408）分别在数字信号处理 DSP 单元 （409） 的控制下在进行模数转换， 转换后的数字信号送入数字信号处理 DSP 单元 （409） 进行 数据处理 ； 数字信号处理 DSP 单元 （409） 主要进行采样控制和数据处理， 对天气现象进行识别， 并 输出结果。 3. 根据权利要求。

9、 2 所述的基于光衰减和散射原理的天气现象在线观测装置， 其特征在 于 ： 所述数字信号处理 DSP 单元 （409） 实现过程如下 ： （1） 控制脉冲发生器 （403） 输出方波脉冲信号， 开启光源， 并进行调制 ； 权 利 要 求 书 CN 103399363 A 2 2/3 页 3 （2） 控制第一模数转换单元 （406） 读取散射光强值， 经过模数转换后进行以下数据处 理 ： a. 剔除异常值 ； b. 进行数字信号滤波处理 ； c. 放入指定内存缓存区 ； （3） 控制第二模数转换单元 （407） 读取下落降水粒子光阻脉冲信号的强度值， 经过模数 转换后进行以下数据处理 ： a. 。

10、剔除异常值 ； b. 判断采样值是否超过设定阈值， 如果没有超 过， 即认为没有下落降水粒子进过采样区， 退出该采样步骤 ； 如果超过阈值， 认为有下落降 水粒子进入采样区， 开始连续采样并记录， 同时判断采样值是否低于阈值， 如果低于阈值说 明下落降水粒子已经下落出采样区的范围， 停止采样 ； c. 进行数字信号滤波处理 ； d. 将数 据放入指定内存缓存区 ； （4） 完成对数据的采样和模数转化后， 对天气现象进行反演， 首先判断是否有降水天气 现象发生， 如果有降水天气现象发生， 通过公式 D KVf+B 和 V (D+H)/S 计算降水粒子的 粒径、 下落速度信息， 并统计单位时间内的。

11、粒子数目， 其中D是粒子粒径， Vf是光阻脉冲信号 的幅值， H 是光带 （2） 的厚度， S 是光阻脉冲信号持续的时间， K、 B 是公式的系数， 通过标准 粒子标定得到 , 并通过公式计算降水量 , 其中 I 是降水强度， 是降水粒 子的密度， ni是某个粒径尺度上粒子的个数， Di是该尺度上粒子的直径 ,M 是仪器的测量面 积， 在本发明中指的是测量平行光带 （2） 的面积 ； 计算出降水粒子的粒径、 下落速度、 数目 信息， 通过判断其粒径和速度分布区间及降水量大小识别降水天气类型， 所述降水天气类 型包括无雨、 毛毛雨、 小雨、 中雨、 大雨、 暴雨、 小雪、 大雪、 雨夹雪、 霰和。

12、冰雹。 （5） 对散射光信号的采样模数转化后数据处理 ： 通过公式计算大气能见度 Vmor， 其中， Ss是测量到的散射信号强度， K1是能见度测量系统系数， 与光源光强、 探测器效 率、 电路增益等有关， 可以通过系统标定的方法得到。通过得到的能见度值识别出雾、 轻雾 和霾多种视程天气现象。 4. 根据权利要求 1 所述的基于光衰减和散射原理的天气现象在线观测装置， 其特征 在于 ： 所述水平狭缝 （303） 的厚度为 2mm， 使通过水平狭缝 （303） 的水平准直光带的厚度是 2mm。 5. 根据权利要求 1 所述的基于光衰减和散射原理的天气现象在线观测装置， 其特征 在于 ： 所述滤波。

13、片 （202） 为带通滤光片， 滤除不在发射光源波段上的散射光， 提高测量信噪 比。 6. 一种基于光衰减和散射原理的天气现象在线观测方法， 其特征在于实现步骤如下 ： （1）脉冲发生器 （403）发出周期为 108K 方波脉冲对第一光源单元 （300）的第一光 源 （301） 进行调制， 调制后的光线通过第一凸透镜 （302） 后变为准直光束， 经过水平狭缝 （303） 后形成准直的平行光带 （2） ， 直接照射到光信号接收端 （200） ， 第一光源单元 （300） 和 光信号接收端 （200） 之间的测量光带形成采样区， 当下落的雨滴粒子的经过该采样区时， 由 于对光带起了阻挡的作用， 。

14、在光信号接收端 （200） 引起了一个脉冲信号， 通过测量脉冲信号 的宽度和幅值反演出粒子的下落速度和粒径， 可以得到对应的降水天气现象及降水量 ； （2） 脉冲发生器 （403） 发出周期为 108K 方波脉冲对第二光源单元 （100） 的第二光源 （101） 进行调制， 调制后的光线通过第二凸透镜 （102） 后变为准直光束 1， 准直光束 （1） 与光 权 利 要 求 书 CN 103399363 A 3 3/3 页 4 信号接收端 （200） 的轴线方向呈水平 45夹角， 两端光路在中间的交汇区， 称为大气散射 信号采样体元 （4） ， 光信号接收端 （200） 能接收到准直光束 （1。

15、） 照射到交汇区内的大气粒子 在水平 45上的散射光， 测量该散射光的强度， 可以反演出大气能见度， 可以得到对应的视 程天气现象 ； （3） 光信号接收端 （200） 接收光信号进行光电转换， 并通过前置放大单元 （401） 进行放 大去噪， 在锁相放大单元 （402） 进行锁相放大， 脉冲发生器 （403） 为锁相放大单元 （402） 提 供参考信号， 解调出测量信号由二次放大处理单元 （404） 进行放大， 并对下落降水粒子引起 的脉冲信号反相和去除直流偏置， 放大后的信号包括大气中粒子的散射信号和降水粒子的 光阻脉冲信号， 其中散射信号为直流信号、 光阻脉冲信号为高频信号， 散射信号可。

16、以通过低 通滤波单元 （405） ， 在数字信号处理 DSP 单元 （409） 的控制下由第一模数转换单元 （406） 转 换成数字信号， 光阻脉冲信号通过高通滤波单元 （407） ， 在数字信号处理 DSP 单元 （409） 的 控制下由第二模数转换单元 （408） 转换成数字信号。 7. 根据权利要求 6 所述的基于光衰减和散射原理的天气现象在线观测方法， 其特征在 于 ： 所述数字信号处理 DSP 单元 （409） 具体工作过程如下 ： （1） 控制脉冲发生器 （403） 输出方波脉冲信号， 开启光源， 并进行调制 ； （2） 控制第一模数转换单元 （406） 读取散射光强值， 经过模数。

17、转换后进行以下数据处 理 ： a. 剔除异常值 ； b. 进行数字信号滤波处理 ； c. 放入指定内存缓存区 ； （3） 控制第二模数转换单元 （407） 读取下落降水粒子的光阻脉冲信号的强度值， 经过模 数转换后进行以下数据处理 ： a. 剔除异常值 ； b. 判断采样值是否超过设定阈值， 如果没有 超过， 即认为没有下落降水粒子进过采样区， 退出该采样步骤 ； 如果超过阈值， 认为有下落 降水粒子进入采样区， 开始连续采样并记录， 同时判断采样值是否低于阈值， 如果低于阈值 说明下落降水粒子已经下落出采样区的范围， 停止采样 ； c. 进行数字信号滤波处理 ； d. 将 数据放入指定内存缓。

18、存区 ； （4） 完成对数据的采样和模数转化后， 对天气现象进行反演， 首先判断是否有降水天气 现象发生， 如果有降水天气现象发生， 通过公式 D KVf+B 和 V (D+H)/S 计算降水粒子的 粒径、 下落速度信息， 并统计单位时间内的粒子数目， 其中D是粒子粒径， Vf是光阻脉冲信号 的幅值， H 是光带的厚度， S 是光阻脉冲信号持续的时间， K、 B 是公式的系数， 通过标准粒子 标定得到 , 并通过公式计算降水量 , 其中 I 是降水强度， 是降水粒子的 密度， ni是某个粒径尺度上粒子的个数， Di是该尺度上粒子的直径,M是仪器的测量面积， 在 本发明中指的是测量平行光带 （2。

19、） 的面积 ； 计算出降水粒子的粒径、 下落速度、 数目信息， 通过判断其粒径和速度分布区间识别降水天气类型， 所述降水天气类型包括无雨、 毛毛雨、 小雨、 中雨、 大雨、 暴雨、 小雪、 大雪、 雨夹雪、 霰和冰雹 ； （5） 对散射光信号的采样模数转化后数据处理 ： 通过公式计算大气能见度 Vmor， 其中， Ss是测量到的散射信号强度， K1是能见度测量系统系数， 与光源光强、 探测器效 率、 电路增益有关， 通过系统标定的方法得到， 通过得到的能见度值识别出雾、 轻雾和霾多 种视程天气现象。 权 利 要 求 书 CN 103399363 A 4 1/7 页 5 基于光衰减和散射原理的天。

20、气现象在线观测装置及方法 技术领域 0001 本发明涉及一种基于光衰减和散射原理的多种天气现象在线观测装置及方法， 适 用于在线自动观测天气现象的变化， 属于气象观测应用领域。 背景技术 0002 天气现象是地面气象观测中的常规项目， 该项目的观测对多种学科研究具有重要 意义。 根据天气现象特征， 分为降水现象、 视程障碍现象、 地面凝结现象等， 这些现象都是在 一定的天气条件下产生的。其中， 降水是指从云中降落或从大气沉降到地面的液态或固态 的水汽凝结物， 降水天气现象按照国际气象组织的定义， 包括 ： 降雨 （毛毛雨、 小雨、 中雨、 大 雨、 暴雨） 、 降雪 （小雪、 大雪） 、 雨夹。

21、雪、 霰、 冰雹等 ； 视程障碍是指空气中因存在水汽凝结物、 干质悬浮物等而使空气变得混浊， 并造成能见度下降的一类天气现象， 包括雾、 轻雾、 雪暴、 吹雪、 沙尘暴、 扬沙、 浮尘、 烟幕、 霾等。天气现象的准确判别为气象、 水文、 农业和资源环境 等科学的研究提供了重要的依据， 对农业生产、 交通运输和防灾减灾等领域有重大的实用 价值。 0003 目前， 我国在气象业务上的天气现象观测和记录仍然依赖人工， 观测员需要根据 在观测场看到的现象和听到的声音来判断发生的天气现象类型， 但是人工观测存在着许多 弊端 ： 首先， 由于观测结果因人而异， 其主观性强、 简单定性 ； 其次， 人工观测。

22、的频次少， 存 在不能全面、 连续反映天气现象情况 ； 同时， 在很多恶劣的环境下无法实现人工观测。通过 天气现象在线自动观测系统， 可以开展天气现象及时、 全面、 连续、 客观的在线观测， 将改变 我国目前以人工观测为主的天气现象观测局面。 0004 在国外， 天气现象的自动观测发展很快， 多种新技术、 新方法开始应用于自动气象 观测领域， 天气现象自动观测在技术上也已成为可能。 当前， 常见在线式天气现象自动观测 仪多为智能型多变量传感器， 它通过对能见度、 降水等观测， 并对变量进行逻辑分析来判断 当前发生的天气现象。目前， 在线式天气现象自动观测仪多数用于视程障碍现象和降水现 象的自动。

23、化观测。 0005 代表了国内外天气现象仪研制的较为成熟的几家厂家的产品有 ： 瑞典 VAISALA 公 司的 PWD22、 美国 OSI 公司的 OWI-430、 英国 Biral 公司的 VPF-730 和美国 Campbell 公司的 PWS-100， 均为基于光学原理采用近红外光源进行探测的天气现象仪。 0006 美国OSI公司的OWI430系列天气现象传感器就是采用光闪烁法测量原理， 即当光 束在降水过程中传播时， 由于降水粒子的下落运动， 在接收平面上形成各个衍射条纹的移 动， 引起探测器上光强变化， 称为光闪烁， 通过测量闪烁光强的信息可以计算出降水类型及 强度， 该仪器能够区分。

24、雨、 雪、 冰雹等天气现象。 0007 英国Biral公司的VPF-730是通过测量降水粒子下落速度和粒子半径来判断降水 类型。不同的降水粒子对应不同的下落末速度和粒子尺寸， 从降水粒子尺寸和降水粒子速 度的二维矩阵反演降水类型和降水量。它是世界上比较有特色的天气现象仪， 分辨降水类 型和计算降雨量， 能够区分毛毛雨、 雨、 雪、 冰雹及混合降水等多种类型。 说 明 书 CN 103399363 A 5 2/7 页 6 0008 芬兰 VAISALA 公司生产的 PWD22 天气现象传感器是通过结合能见度测量传感器、 电容接触式雨量传感器等传感器， 测量大气能见度、 雨量要素判断天气类型。 根。

25、据前向散射 仪原理， 接收端接收到的光强与测量区域的粒子多少有关， 这样可根据接收到的散射光强 与能见度建立关系。 0009 但是， 国外的设备除了价格昂贵、 难以普及以外， 其性能、 参数未必符合我国的地 域特点， 很多现象的识别标准也不符合我国气象部门的相关标准。 近年来， 国内也有厂家和 研究所开展了天气现象自动观测设备的研制， 其中包括大气物理研究所、 安徽光学精密机 械研究所、 凯迈测控有限公司等， 采用的测量方法主要包括了 ： 基于光学原理、 数字图像处 理方法等。 但多数设备还是处于科研实验阶段， 有的虽然已经在外场试用， 但测量的精度和 识别率较低， 观测的种类也有限， 因此设。

26、计一种高精度、 高识别率的天气现象仪是本发明的 一个关键内容。 发明内容 0010 本发明解决的问题是 ： 克服现有技术的不足， 提供一种基于光衰减和散射原理的 天气现象在线观测装置及方法， 通过测量大气气溶胶的前向散射光强， 来反演大气能见度， 并在通过光阻法获得降水粒子信息， 实现多种天气现象自动、 准确的在线观测。 0011 本发明解决技术问题采用如下技术方案 ： 一种基于光衰减和散射原理的天气现象 在线观测装置， 采用了双光源发射端， 单接收端的光机结构 ： 光源一产生的一条精确平行的 测量光带， 当下落降水粒子通过测量光带时， 对光带起到阻挡、 衰减的作用， 通过对光电转 化信号的解。

27、析， 可以得到降水粒子的下落速度和粒径的信息， 实现降水天气现象判断， 并可 以提供降水强度、 雨滴谱等数据 ； 光源二产生的一束准直的测量光束， 探测器探测到光束上 采样区在 45 度上的散射光强， 反演大气能见度， 实现视程天气现象的识别 ； 装置中的光电 信号采集和处理系统完成信号采集、 数字量的转化及算法的实现。 0012 具体包括 ： 第一发射端 300、 第二发射端 100、 光信号接收端 200、 光电信号采集和 数据处理模块400。 其中第一发射端300、 第二发射端100、 光信号接收端200属于装置中的 光信号测量系统。 0013 所述第一发射端 300 中， 第一光源单位。

28、 301 安装在第一凸透镜 302 后端， 并位于凸 透镜的焦点上， 对第一光源单位301发射的光束进行准直， 水平狭缝303安装在第一凸透镜 302 前端， 与凸透镜平行， 第一凸透镜 302 准直后的光束经过水平狭缝 303 后成为一条准直 平行光带2 ； 所述第二发射端100中， 第二光源单元101安装第二凸透镜102后端， 位于凸透 镜的焦点上， 第二光源单元101发出的光通过第二凸透镜102后进行准直， 形成平行的准直 光束 1 ； 所述光信号接收端 200 中的探测器单元 203 安装在接收端凸透镜 201 后端， 并位于 凸透镜的焦点上， 使照射到接收端的光能聚焦到探测器单元20。

29、3上， 在探测器单元203前安 装了滤光片 202， 过滤去外界的杂散光， 使只有光源波段上的光才能进入探测器单元 203。 0014 所述第一发射端 300 与光信号接收端 200 水平正向相对， 第一发射端 300 发出的 准直平行光带2直接照射到光信号接收端200， 第二发射端100位于第一发射端300水平一 侧， 并使第二发射端 100 发出准直光束 1 与光信号接收端 200 的轴线呈水平 45夹角。 0015 所述光电信号采集和数据处理模块 400 中， 包括 ： 前置放大单元 401、 锁相放大单 元402、 脉冲发生器403、 二次放大处理单元404、 低通滤波单元405、 第。

30、一模数转换单元406、 说 明 书 CN 103399363 A 6 3/7 页 7 高通滤波单元 407、 第二模数转换单元 408、 数字信号处理 DSP 单元 409。其中， 脉冲发生器 403 对第一发射端 300、 第二发射端 300 的发射光源进行脉冲调制 , 前置放大单元 401 将光 信号接收端 200 的光电转换信号放大去噪后传输至锁相放大单元 402， 锁相放大单元 402 接收来自脉冲发生器 403 的光源调制方波信号作为参考信号， 对放大后的光电信号进行解 调， 解调后的信号传输至二次放大处理单元 404， 再分别通过低通滤波单元 405、 高通滤波 单元 407 进行。

31、滤波处理， 滤波后的信号分别在数字信号处理 DSP 单元 409 的控制下通过第 一模数转换单元 406、 第二模数转换单元 408 进行模数转换， 转换后的数字信号送入数字信 号处理 DSP 单元 409 进行数据处理。 0016 脉冲发生器 403 发出周期为 108K 方波脉冲对第一光源单元 300 的第一光源 301 进行调制， 调制后的光线通过第一凸透镜302后变为准直光束， 经过水平狭缝303后形成准 直的平行光带 2， 直接照射到光信号接收端 200， 第一光源单元 300 和光信号接收端 200 之 间的测量光带形成采样区， 当下落的雨滴粒子的经过该采样区时， 由于对光带起了阻。

32、挡的 作用， 在光信号接收端 200 引起了一个脉冲信号， 通过测量脉冲信号的宽度和幅值反演出 粒子的下落速度和粒径， 可以得到对应的降水天气现象及降水量。 0017 脉冲发生器 403 发出周期为 108K 方波脉冲对第二光源单元 100 的第二光源 101 进行调制， 调制后的光线通过第二凸透镜 102 后变为准直光束 1， 准直光束 1 与光信号接收 端 200 的轴线方向呈水平 45夹角， 两端光路在中间的交汇区， 称为大气散射信号采样体 元 4， 光信号接收端 200 能接收到准直光束 1 照射到交汇区内的大气粒子在水平 45上的 散射光， 测量该散射光的强度， 可以反演出大气能见度。

33、， 可以得到对应的视程天气现象。 0018 本发明原理 ： 在本发明中， 天气降水现象的判断是通过光阻法的测量原理， 主要是 利用 Bougure 定律 ： 第一发射端 300 产生一个水平的平行光带， 如图 2 所示， 当下落的降水 粒子通过光带时， 对照射到探测器上的光起到阻挡、 衰减的作用， 探测器把下落降水粒子引 起的光强衰减变化转化成电信号， 经过放大、 反相和去除直流偏置后处理后， 形成如图 3 所 示的光阻脉冲信号， 测量信号变化的强度和持续时间可以计算出降水粒子粒径大小和末速 度， 粒子数目是统计衰减信号的次数得到的。对获取上述量值进行计算分析可得到降水类 型、 雨滴谱、 降水。

34、强度等信息。 0019 其中降水粒子的粒径 D 是与光阻脉冲信号的强度呈线性关系， 可以采用公式 （1） ： 0020 D KVf+B （1） 0021 Vf是光阻脉冲信号的幅值， K、 B 是公式的系数， 可以通过标准粒子标定得到。 0022 其中降水粒子下落的速度 V 采用公式 （2） ： 0023 V (D+H)/S （2） 0024 其中， H 是光带的厚度， S 是光阻脉冲信号持续的时间， 可以通过采样周期和采样 点数计算得到， D 是降水粒子的粒径。如图 3 所示， 通过公式 （1） 采用光阻脉冲信号的幅值 计算降水粒子的粒径 D。 0025 在测量过程中， 数字信号处理器在内存中。

35、记录下每分钟测量到的降水粒子的粒 径、 速度、 个数， 如图 4 所示， 可以依据测量到的降水粒子所处的不同速度、 粒径区间信息判 别出各种降水类型。降水粒子落在 A 区域时表示为毛毛雨 ； B 区域表示下雪 ； C 区域表示雨 夹雪混合天气 ； D 区域表示降雨降水 ； E 区域表示霰 ； F 区域表示雹。 0026 在降水强度的测量中， 降水粒子可以近似为一个等价小球模型。雨强的测量可以 说 明 书 CN 103399363 A 7 4/7 页 8 用在单位时间内采集到的降水粒子信息通过公式 （3） 得到 ： 0027 0028 其中， I 是降水强度， 是降水粒子的密度， ni是某个粒径。

36、尺度上粒子的个数， Di 是该尺度上粒子的直径 ,M 是仪器的测量面积 （在本发明中指的是测量平行光带的面积） 。 0029 通过以上方法可以判断出无雨、 毛毛雨、 小雨、 中雨、 大雨、 暴雨、 小雪、 大雪、 雨夹 雪、 霰、 冰雹等多种降水天气现象， 并计算出降水量。 0030 天气大气能见度的判断是利用 MIE 散射原理 ： 大气消光主要由大气粒子对光的散 射和吸收引起， 在可见和近红外波段， 相当距离内大气对光的吸收可以忽略不计， 通过测量 空气中粒子对光的散射强度来计算消光系数， 可以反演出能见度值。 在本装置中， 通过测量 前向角度 45上的散射光强， 计算出散射系数， 反演出大。

37、气能见度。其基本原理如图 1 所 示， 测量系统由第二发射端 （300） 、 光信号接收端 （200） 组成， 两端的轴线之间在水平方向 上有夹角 =45。在两端光路在中间的交汇区， 称为大气散射信号采样体元 （4） 。第二发 射端 （300） 发射的光照射到采样体元上， 其中的气溶胶粒子在各个方向上进行散射， 而信号 接收端 （200） 接收在水平 =45方向上的散射光， 测量散射光强度进行能见度值反演， 其 大气能见度测量基本公式如下 ： 0031 0032 其中， Ss是测量到的散射信号强度， K1是能见度测量系统系数， 与光源光强、 探测 器效率、 电路增益有关， 可以通过系统标定的方。

38、法得到。 0033 通过得到的能见度值判断出对雾、 轻雾、 霾等多种视程天气现象。 0034 本发明与现有技术相比优点在于 ： 0035 （1） 本发明利用 Mie 散射理论和光信号衰减原理， 实现了多种天气现象的自动在 线观测， 克服了人工观测存在着许多弊端， 保证了天气现象观测的客观性、 多样性、 连续性， 及时性和准确性。 0036 （2） 本发明中， 采用单探测器， 双光源端的结构设计， 实现能见度、 降水粒子的在线 测量， 具有灵敏度高、 结构简单、 易于安装、 便于维护的优点。 0037 （3） 本发明中， 探测器前端加入了滤光片， 并采用了高频光源调制， 有效的避免了 外界杂散光。

39、的干扰。 0038 （4） 本发明中， 测量光信号通过锁相放大电路进行提取， 有效的解决了微弱散射 光、 小粒径降水粒子光阻脉冲信号的采集问题， 提高了系统信噪比， 保证了测量结果的准确 性。 附图说明 0039 图 1 为本发明的系统组成框图 ； 0040 图 2 为本发明光阻法降水天气现象的测量原理 ； 0041 图 3 为本发明的下落粒子阻挡光带处理后得到的光阻脉冲电信号 ； 0042 图 4 降水天气类型判别区域划分图 ； 说 明 书 CN 103399363 A 8 5/7 页 9 0043 图 5 为水平狭缝示意图 ； 0044 图 6 为散射信号和光阻脉冲信号的提取示意图 ； 其。

40、中 a 是经过二次放大处理后的 散射光和光阻脉冲电信号的叠加信号 ； b 是经过低通滤波后的光散射信号 ； c 是经过高通滤 波后的光阻脉冲电信号 ； 0045 图 7 为本发明的数字信号处理 DSP 单元工作流程。 具体实施方式 0046 下面结合附图对本发明的实施作进一步的详细说明。 0047 如图 1 所示， 本发明基于光学原理的天气现象在线观测系统主要包括 ： 第一发射 端 300、 第二发射端 300、 光信号接收端 200 和光电信号采集和数据处理模块 400。 0048 如图 1 所示， 第一发射端 300 中第一光源单位 301 安装在第一凸透镜 302 后端， 位 于凸透镜的。

41、焦点位置， 第一凸透镜302对第一光源单位301发射的光束进行准直， 水平狭缝 303 安装在第一凸透镜 302 前端， 水平狭缝 303 的形状如图 5 所示， 第一凸透镜 302 准直后 的光束经过水平狭缝 303 后成为一条准直平行光带 2 ； 0049 所述第二发射端 100 中第二光源单元 101 位于第二凸透镜 102 后端， 位于凸透镜 的焦点位置， 使第二光源单元101发出的光通过第二凸透镜102后进行准直， 形成平行的准 直光束 1 ； 0050 所述光信号接收端 200 中的探测器单元 203 位于接收端凸透镜 201 后端， 位于凸 透镜的焦点位置， 使照射到接收端的光能。

42、聚焦到探测器单元203上， 在探测器单元203前安 装了滤光片 202， 过滤去外界的杂散光， 使只有光源波段上的光才能进入探测器单元 203 ； 0051 所述第一发射端 300 与光信号接收端 200 水平相对， 第一发射端 300 发出的准直 平行光带 2 直接照射到光信号接收端 200， 第二发射端 100 位于第一发射端 300 水平一侧， 第二发射端 100 发出准直光束 1 与光信号接收端 200 的水平轴线呈 45夹角。 0052 如图 1 所示， 脉冲发生器 403 发出周期为 108K 方波脉冲对第一光源单元 301 的光 源进行调制， 调制后的光线通过第一凸透镜302后变。

43、为准直光束， 经过水平狭缝303后形成 准直的平行光带 2， 直接照射到光信号接收端 200， 第一光源单元 301 和光信号接收端 200 之间形成采样区， 当下落的雨滴粒子的经过该光带时如图 2 所示， 由于对光带起了阻挡的 作用， 在光信号接收端 200 引起了一个脉冲电信号， 该电信号经过二次放大单元的放大， 同 时将光阻脉冲电信号反相并去除直流偏置， 处理后如图 3 所示， 通过测量信号的宽度和幅 值反演出降水粒子 5 的下落速度和粒径， 可以得到对应的降水天气现象。 0053 脉冲发生器 403 发出周期为 108K 方波脉冲对第二光源单元 101 的光源进行调制， 调制后的光线通。

44、过第二凸透镜102后变为准直光束1， 准直光束1与光信号接收端200接收 的轴线方向为水平 45的夹角， 第二发射端 100 发出准直光束 1 与光信号接收端 200 轴线 的水平呈 45夹角， 如图 1 所示， 两端光路在中间的交汇区形成散射体采样区 4， 称为大气 散射信号采样体元， 光信号接收端 200 能接收到准直光束 1 照射到交汇区内的粒子在 45 上的散射光， 测量该散射光的强度， 可以反演出大气能见度， 得到对应的视程天气现象。 0054 光信号接收端 200 接收光信号进行光电转换， 其中包括了经过调制的大气粒子散 射信号和降水粒子光衰减信号 3， 经过前置放大单元 401 。

45、进行放大， 在锁相放大单元 402 进 行锁相放大， 脉冲发生器403为锁相放大单元402提供参考信号解调出测量信号， 并由二次 说 明 书 CN 103399363 A 9 6/7 页 10 放大处理单元 404 放大， 同时将降水粒子引起的脉冲信号反相并去除直流偏置， 二次放大 处理器单元处理后的信号如图 6 中的 a 所示 , 包括大气中粒子的散射信号和下落降水粒子 的光阻脉冲信号叠加。由于大气能见度慢变化的性质决定了散射信号是近似直流信号， 如 图 6 中的 b 所示， 可以通过低通滤波单元 405 滤波后得到， 在数字信号处理 DSP 单元 409 的 控制下由第一模数转换单元 40。

46、6 转换成数字信号。下落降水粒子的光阻信号是降水粒子下 落过程中在阻挡水平光带在探测器上引起的一个高频脉冲信号， 如图6中的c所示， 通过高 通滤波单元 407 滤波后可以提取， 在数字信号处理 DSP 单元 409 的控制下由第二模数转换 单元 408 转换成数字信号。 0055 本发明中采用数字信号处理DSP单元409负责整个系统的数据采集处理和算法实 现， 并将结果输出。如图 7 所示， 具体工作流程如下 ： 0056 （1） 系统上电， 进行初始化操作， 主要包括工作时钟、 模数转换单元、 存储器等初始 化等操作 ； 0057 （2） 数字信号处理 DSP 单元 409 控制脉冲信号控。

47、制单元 403 输出方波脉冲信号， 开 启光源， 并进行调制 ； 0058 （3） 数字信号处理 DSP 单元 409 控制第一模数转换单元 406 读取散射光强值， 经过 模数转换后进行以下数据处理 ： a. 剔除异常值 ； b. 进行数字信号滤波处理 ； c. 放入指定内 存缓存区。 0059 （4） 数字信号处理 DSP 单元 409 控制第二模数转换单元 407 读取下落降水粒子的 光阻信号的强度值， 经过模数转换后进行以下数据处理 ： a. 剔除异常值 ； b. 判断采样值是 否超过设定阈值， 如果没有超过， 即认为没有下落降水粒子进过采样区， 退出该采样步骤 ； 如果超过阈值， 认。

48、为有下落降水粒子进入采样区， 开始连续采样并记录， 同时判断采样值是 否低于阈值， 如果低于阈值说明下落降水粒子已经下落出采样区的范围， 停止采样 ； c. 进 行数字信号滤波处理 ； d. 将数据放入指定内存缓存区。 0060 （5） 完成对数据的采样和模数转化后， 对天气现象进行反演， 首先判断是否有降 水天气现象发生， 如果有降水天气现象发生， 通过公式 D KVf+B 和 V (D+H)/S 计算降 水粒子的粒径、 下落速度信息， 并统计单位时间内的粒子数目。其中， D 是粒子粒径， Vf是 光阻脉冲信号的幅值， H 是光带的厚度， S 是光阻脉冲信号持续的时间， 可以通过采样周 期和。

49、采样点数计算得到， K、 B 是公式的系数， 可以通过标准粒子标定得到。并通过公式 计算降水量。其中， I 是降水强度， 是降水粒子的密度， ni是某个粒径尺 度上粒子的个数， Di是该尺度上粒子的直径,M是仪器的测量面积在本发明中指的是测量平 行光带的面积。计算出降水粒子的粒径、 下落速度、 数目信息， 通过判断其粒径和速度分布 区间识别降水天气类型， 包括无雨、 毛毛雨、 小雨、 中雨、 大雨、 暴雨、 小雪、 大雪、 雨夹雪、 霰、 冰雹等。 0061 （6） 对散射光信号的采样模数转化后数据处理 ： 通过公式其计算大气 能见度 Vmor。其中， Ss是测量到的散射信号强度， K1是能见度测量系统系数， 与光强、 探测器 效率、 电路增益有关， 可以通过系统标定的方法得到。 通过得到的能见度值识别出雾、 轻雾、 说 明 书 CN 103399363 A 10 7/7 页 11 霾等多种视程天气。