非球形降水粒子谱测量方法研究

Accurate measurement of the precipitation has significant contribution in meteorology, hydrology and disaster prevention. Radar can estimate precipitation in large scale but insufficient in the accuracy. The reason is that radar uses the Rayleigh scattering model to the spherical particles in the precipitation measurement. Meanwhile, the precipitation accuracy used to correct the radar data and collected from the rainfall station is also insufficient. Disdrometer can achieve better measurement of the precipitation compared with traditional hyetometer, however, the premise of disdrometer to measure the rainfall can not be adaptive to all conditions especially in the strong rainfall. After the exploration of the non-spherical precipitation particle spectrum detecion technology,it can be conculded that the error in direct measurement of intense rainfall precipitation could be solved theoretically and the assessment accuracy of radar-based rainfall precipitation detection could be improved.This project based on the laser transmission attenuation theory,it sets three quadrature parallel and synclastic parallel layers lasers aims to detect the spectrum of precipitation particle.The level measurement of the precipitation particle will be implemented by the quadrature parallel laser scanning and the location-matching of precipitation particle will be implemented by the synclastic parallel laser scanning,the layers-pass-by time of precipitation particle will be calculated and get the falling velocity,and then we can get the vertical scale. Using the nonlinear image processing, model matching to detect precipitation particle spectrum. The data processing algorithm and circuit structure will be modified and optimized by the lab and nature experiments of raindrops. The effectiveness and accuracy will be compared with the radar, hyetometer, spherical disdrometer.

准确测量降水在气象、水文、灾害防御等方面意义重大。雷达能大范围估测降水，但精度不够。其原因是雷达探测降水采用了球形粒子瑞利散射的近似模型，且订正雷达数据的地面雨量站测量精度不够。雨滴谱仪的降水测量性能比传统雨量计优秀，但其基于球形降水粒子模型的前提并不总是成立，尤其在强降水时。研究非球形降水粒子谱测量技术，可以从原理上解决直接测量强降水存在的误差问题，提高雷达降水估测的准确性。本研究项目基于降水粒子的激光传输衰减原理，设置正交平行/同向平行的三层激光束完成粒子谱测量。由正交平行光束扫描实现粒子水平尺度测量；由同向平行光束扫描实现粒子位置匹配，计算粒子穿越层间时间实现下落速度测量；再由粒子穿越单层光束时间来实现垂直尺度测量。引入非线性图像处理、模型匹配等方法，求解降水粒子谱。通过实验室雨滴实验和自然雨滴实验修正数据处理方法、整改电路和结构。最后进行雷达、雨量计和雨滴谱仪等对比实验

为了提高天气雷达探测降水的精度，基于光学扫描成像的雨滴谱仪开始应用于雨滴谱测量，以便为雷达降水估测提供时间分辨率、测量精度更高的校准数据。本项目研究基于光学扫描成像的非球形降水粒子测量方法和测量系统。. 研究内容：研究基于光学线阵扫描成像的非球形降水粒子测量方法和粒子重建数学模型，探讨对扫描成像系统的光学指标要求和数据采集处理系统的电学指标要求，并在此基础上设计基于同向平行光和正交平行光的光学系统和基于CCD成像芯片的数据采集系统，构建非球形降水粒子测量样机，进行实验室/外场验证，并在可能的情况下与观测业务雨滴谱仪进行对比验证。. 重要成果：1、项目已经完成非球形降水粒子测量的基本方法的研究，进行了不同尺度降水粒子/不同扫描行频的扫描模型的仿真，并在此基础上完成了粒子体积重建数学模型的建立；2、项目完成了CCD成像和信号处理系统的设计和实验室静态扫描测试，并获得了较好的静态成像测试结果；3、项目完成了光学系统光路设计，确定了透镜组的数量、结构及其光学参数；4、基于项目资助，完成了12篇硕士研究生的学位论文，资助7名未毕业研究生开展学位论文的研究工作，并共同发表科研论文6篇。. 对降水粒子的仿真研究表明，测量1mm下的降水粒子，线阵扫描频率不能低于20KHz，30KHz以上的频率可以取得更好的测量结果；3mm降水粒子的仿真实验表明：粒子重建体积，与实际BC模型3mm粒子体积相差约1.09%，在粒子与水平面倾斜18度的仿真条件下，粒子重建体积与实际BC模型3mm粒子体积相差约1.97%。降水粒子测量仿真数据和CCD成像电路及信号处理系统的设计结果对系统后续的研究工作具有重要意义。