被动式冲量法测量降水目标运动方向的方法及其测量装置

摘要

被动式冲量法测量降水目标运动方向的方法及其测量装置，涉及一种在气象领域对降水等目标运动方向进行精确测量的技术和方法。当降水粒子(雨滴、雪粒、冰粒、冰雹)下降过程中撞击探测面互成夹角d的两个传感器时，通过对垂直于两个传感器探测面正向冲量F21和F22 (可转化为声音或压力)的测量与比较，计算出降水粒子运动方向与两个传感器平面的垂直角度关系(a1，a2)，从而可通过组建一个测量阵列，满足降水等目标任意运动方向其角度的测量。该方法主要应用于气象领域对降水等目标小范围运动方向(角度)进行精确测量的场合。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在气象领域对降水等目标运动方向(角度)进行精确测量的技术和方法。

背景技术

在气象领域为了对气象目标(降雨、降雪、冰雹等)运动方向进行探测，目前一般使用气象雷达特别是多普勒天气雷达来测量(也有用风廓线雷达或声雷达来感知的)。多普勒天气雷达通过发射高稳定度的电磁波，测量回波频率的变化，应用多普勒效应估算出每一个距离单元(取样体积)中降水粒子群相对雷达的平均径向速度。

由于受以下几点测量体制和技术的限制，多普勒天气雷达也无法精确测量小范围内目标的运动特性，特别是无法测量当降水等目标快到地面时的运动方向(角度)。

1、多普勒天气雷达测量的是体目标中粒子对于雷达的径向(发射电磁波方向)运动速度的平均量，用单部多普勒天气雷达探测三维流场是有困难的，不得不做若干假定后，推测流场分布。多部多普勒天气雷达从理论上可克服上述缺点，但是在处理探测资料上很复杂，技术上也不成熟，目前主要用于少数实验和研究工作中。

2、测量精度受雷达脉冲宽度和雷达天线波束宽度等因素的影响。1μs的脉冲宽度距离单元最小只能达到150m(实际工作时为了满足精度要求，还要信号处理系统做距离积分，距离库最小也要600m)，X波段2.5m的天线波束宽度约1°，因此对于小范围降水测量而言精度不高，无法对小范围降水雨滴的运动方向进行定量测量。

3、由于受地球曲率的影响，雷达探测存在探测盲区，无法对远处接近地面的目标进行探测。而且，接近地面的降水受地面风的影响很大，不同降水量的目标受风的影响又不一致，因此无法用风向来代替降水运动的方向。

另外，风廓线雷达或声雷达的探测原理还是雷达探测原理，即发射无线电波或声信号，接收反射回来的信号进行处理、分析。对云雨目标虽能感知，但探测精度更差，无法克服雷达技术固有的上述缺陷。

所以就目前技术和方法而言，还无法做到对小范围特别是超低空(接近地面)降水等目标进行其运动特性的有效探测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种被动式冲量法测量降水目标运动方向的方法及其测量装置，以解决对小范围、接近地面的超低空降水等目标运动方向的精确测量与实时测量问题。

按照本发明提供的技术方案，被动式冲量法测量降水目标运动方向的方法包括：将至少两个冲量传感器组合在一起，并使每个冲量传感器的探测面互成一定的夹角，组建一个测量阵列；每个冲量传感器包括一个探测面及一个封闭的空间，探测面形成于构成封闭空间的一个平面上，在封闭的空间内设置传感装置；当降水粒子下降过程中撞击冲量传感器的探测面时，由每个传感装置测量垂直于探测面的正向冲量，并分别输送至由单片机或微机构成的测量系统；由测量系统比较每个传感装置的测量值，计算出降水粒子的运动方向与探测面的角度关系，以此确定降水粒子的运动方向。

所述降水粒子为雨滴或雪粒或冰粒或冰雹。

上述方法所用的设备包括：至少两个组合在一起的冲量传感器，每个冲量传感器的探测面互成一定的夹角；每个冲量传感器包括一个探测面及一个封闭的空间，并且，探测面形成于构成封闭空间的一个平面上，在封闭的空间内设置传感装置。

冲量传感器接受冲击的探测面所用的材料为防水并有利发声的材料；冲量传感器的其它面所用的材料为防水与隔音的材料，并在其它面的内壁设置吸音材料。传感装置为声音传感器，用于检测降水粒子撞击探测面的撞击声。传感装置为压力传感器，用于检测降水粒子撞击探测面的正向压力。

冲量传感器如图1所示，将两个冲量传感器的探测面构成一定的夹角(如图2)，通过测量降水粒子下降过程中撞击两个传感器探测面上的正向冲量(垂直于探测面)，计算出降水粒子运动方向与两个传感器探测平面的垂直夹角。若分别设置两组这样的传感器，一组为方位轴，另外一组为俯仰轴，组成一个探测阵列，则通过测量与计算可得到降水等目标运动的方位角与俯仰角。

由于该测量方法本身对被测物没发出任何信号，只是通过被测物的冲击来测量角度的，因此可称为“被动式冲量法测量降水目标运动方向的方法”。

本发明的有益效果是，解决了气象领域一个复杂的角度测量问题，能够实时、精确测量降水等气象目标到达地面前的运动方向。在气象观测中雨量、雨强测量的准确与否直接会影响到国民经济生活各个方面，目前主要通过雨量(雨强)计来观测。然而，雨量(雨强)计的观测精度受降水方向的影响很大，本发明通过对降水方向的有效测量，可以较好地修正这方面的误差，让雨量、雨强的测量更准确。

附图说明

图1：降水粒子R以矢量冲击冲量传感器探测面的示意图。

分解成三个正交的分量：为与探测表面平行的两个正交分量，为与探测表面垂直的分量。a为降水粒子R的运动轨迹与探测平面的垂直夹角。

图2：冲量传感器测量降水粒子入射角的原理示意图。相互平行的降水粒子R以冲量冲击两个“冲量传感器”，两个“冲量传感器”的探测平面互成夹角d。

图3：图2的矢量分析等效图。

g为两个探测平面夹角的中轴线与参考面的夹角，α为降水粒子R的运动轨迹与参考面的等效夹角。

图4：冲量传感器阵列俯视示意图(8×2方案)。分上下两层：下层冲量传感器编号从1-1到1-8，上层“冲量传感器”编号从2-1到2-8。

图5：冲量传感器阵列侧视示意图。(图4的侧视图)。

图6：冲量传感器阵列中对角线上传感器的示意图(以2-7与2-3等为例)。

图7：用声音法测量正向冲量的冲量传感器示意图。

图8：用正向压力法测量正向冲量的“冲量传感器”示意图。

具体实施方式

下面先描述计算公式的推导过程：

如图1，当降水粒子R以一定速度冲向一物体表面时，它的冲量可以用矢量表示，它可以分解成与物体表面平行的两个正交分量：与，以及与物体表面垂直的分量。由于与物体表面平行，所以不会对物体表面产生冲击，产生冲击的只有垂直的分量