【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