[发明专利]调速旋转式降水粒子标准装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种可模拟真实降水粒子微物理特征的调速旋转式降水粒子标准装置，主要用于气象自动化测量的标定中，为降水粒子微物理特征测量提供一个标准的、可控的、与真实降水相一致的参考环境。

背景技术

气象学中对降水现象的描述可以分为宏观量和微观量两种，其中降水量、降水强度、降水时数及其时空分布属于宏观量，降水粒子的大小、形状、速度、相态、构成、谱分布等属于微观量。准确观测降水的宏观量和微观量，对于气象科学研究、灾害性降水监测与预警、人工影响天气、土壤侵蚀和山体滑坡等有着重要的意义。

降水特征量的标准装置是检验降水测量仪器准确度、保证测量精度的重要基础，因此其精度必须高于降水测量仪器的精度。目前，流量式标准雨量检定装置是对翻斗式雨量计、称重式雨量计等电子式雨量传感器进行检定的主要装置，利用先进的步进电机精确控制活塞进行抽水和放水，但只能控制水流的总量和流速，而无法控制雨滴的大小和速度，不具备对光学降水传感器定标的能力。对于降水微观量，目前大多采用与雨滴性质相近的玻璃球模拟降水粒子，但不能模拟速度。德国的二维灰度光电阵列探测器（2D-Grey Optical Array Probe）采用将电机驱动旋转透明玻璃盘，玻璃盘上固定72个位置放置不透明圆点来对粒子图像的尺度及其速度进行定标，但是最大直径仅有0.5mm，不能覆盖全尺度降水粒子；瑞士的降水粒子速度与形状探测器（Hydrometeor Velocity and Shape Detector）采用类似原理，利用电机驱动塑胶玻璃盘，某一位置固定一透明条，其上有一实心球，这两种方法均只能模拟圆球，而无法模拟其他形状和透明度的降水粒子。目前国内外应用较为广泛的Joss-Waldvogel雨滴谱仪、OTT PARSIVEL激光雨滴谱仪等均没有模拟标准装置。目前尚没有能够模拟真实降水粒子的尺度、速度及其谱分布的标准装置，是导致雨滴谱仪测量精度难以判断的主要原因。

随着天气雷达地面标定、人工影响天气作业评估、强降水监测与预警等方面对降水微物理特征的需求不断增加，各种雨滴谱仪广泛应用于气象、水文等领域。但是难以评估多种仪器对降水微物理特征的测量一致性和准确性，迫切需要能够模拟真实降水粒子的形状、尺度、速度及其谱分布等微物理特征的降水粒子标准装置。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术的缺点和不足，提供一种能够模拟真实降水粒子的形状、尺度、速度等微物理特征的调速旋转式降水粒子标准装置，为降水粒子微物理特征的测量提供标准参考。

本发明的技术方案是：包括模拟降水粒子单元和降水粒子控制单元，模拟降水粒子单元由一组与真实降水粒子透射性质一致的模拟降水粒子贴片组成，模拟降水粒子贴片取自于不同大小的雨滴、不同形状的雪花和冰雹等形成的图像；降水粒子控制单元包括微控制器、底座平台、支架、旋转轴臂、步进电机、透明盘，步进电机带动透明盘绕旋转轴臂旋转、绕旋转轴臂由支架支承；模拟降水粒子单元固定在透明盘上，在步进电机的带动下以可调节的一定速度旋转，降水粒子的运动速度由降水粒子的位置和透明盘旋转速度决定。模拟降水粒子固定在透明盘上，在步进电机的带动下以可调节的一定速度旋转，降水粒子的运动速度由降水粒子的位置和旋转速度决定，此外，降水粒子的形状和尺度由模拟降水粒子单元决定，从而综合实现对降水粒子的形状、尺度、速度等微物理特征的精确模拟和控制。光学降水测量仪器的定标时直接以模拟降水粒子单元的模拟降水粒子贴片给出的图像为准。

如图1所示。其中核心部件是与真实降水性质相一致的模拟降水粒子单元。模拟降水粒子具有不同的大小和形状，将其固定到透明盘的不同位置，在步进电机的带动下以一定的角速度旋转，降水粒子的位置和旋转速度决定了降水粒子的运动速度。通过选择不同大小、不同形状和不同密度的降水粒子，可以实现对真实降水粒子的尺度、形状、密度、速度等微物理特征的模拟与控制。

进一步的，模拟降水粒子贴片不仅限于透明圆球，更包括不同大小、不同形状、不同透明度的雨滴、雪花、冰雹等复杂类型降水粒子。

进一步的，模拟降水粒子的尺度介于0.1mm～10mm之间，可以固定在透明盘任意位置，精确控制模拟降水粒子的位置。

进一步的，步进电机的转速由微控制器发出的脉冲驱动信号控制，带动透明盘和模拟降水粒子传动，精确控制模拟降水粒子的切线速度。

进一步的，支架底部置于平行基座轨道上，在基座轨道内自由滑动，可精确控制模拟降水粒子在采样空间内的水平位置。