基于光散射原理的雨量传感器灵敏度的研究

姚 宇禹胜林

(南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏 南京 210044)

现在自然灾害多发，雨量计对环境的监测变得尤为重要。尤其是在机场、高速公路等涉及到人民生命财产安全的领域，雨量计的实时监测作用就显得格外的重要[1]。而在气象领域，可以根据雨量计实时数据分析降水及气候变化。因此，对降雨的实时监测影响生活的各个方面。

目前雨量计主要分为两类:传统机械式雨量计和光学雨量计。机械式雨量计主要分为三种:称重式、虹吸式、翻斗式雨量计[2]，但无一例外都存在以下几点缺点:雨量太大时，数据不准确，误差大；雨量太小时[3]，不能及时测量；器件的易腐蚀，维护不方便；实时效果较差[4]。光学雨量计主要以持续、非接触测量为主，国外比较具有代表性的产品是德国的Parsivel 雨滴谱仪，采用的是图像采集技术，但该产品体积大，维护不方便，成本高[5]。我国目前光学雨量计大多数用在非气象测量领域，比如汽车的自动雨量传感器，但随机性高，误差大，只能作为功能性测量。使用在气象领域的雨量计，其灵敏度不高，影响实时数据的监测。本文提出一种提高光学雨量传感器灵敏度的方法，在实验室条件下模拟人工降雨，利用菲涅尔透镜[6]，使光源转变成平行光，照射待测区域，通过对比不同波长、不同角度的散射信号，得到灵敏度较高的波长和角度，为光学雨量传感器技术提供理论参考。

1 光散射测量方法

1.1 系统测量原理

当光照射到物体表面会发生反射与漫反射。入射光照射到晶状体表面，光会在晶状体表面发生反射、折射，经折射进入晶体内部的光照射到内部晶粒的表层会再次发生折射与漫反射[7]，如此反复，光会从晶体的各个方向射出，如此构成了漫反射；雨滴在一定降雨条件下，可以看成表面粗糙的镜面层，会发生漫反射[8]。接收端的光电探测器检测到光信号的变化，经过采集转换电路得到相应电压值。图1 为系统测量原理，滤波片去除多余的自然光。

图1 测量原理图

所谓的光散射是指入射的光遇到大小不等的颗粒，将入射光的一部分拦截下来，使这些光改变原有的传播方向，并以此为核心按照一定的规律向四周传播，结果是使原来的光强减弱[9－10]。

1.2 光散射法模块设计

颗粒物对光的散射是多次反复散射的结果，研究多次散射的基础是了解单次散射的特征[11－12]。

根据散射理论基础，散射光强与波长的平方成反比，单个粒子的散射情况:当光强为U0，雨滴周围是一束波长为λ的平行光入射到粒径为R的球形晶状体上，在与入射光方向呈θ角处的散射光强是U1为[13－15]:

式中:m为光源与测量区域之间的距离，s是无量纲参数，s＝π2Rn/λ，n为空气折射率，J1为一阶Bessel 函数。如上文分析，散射的光强是整个待测区域的所有粒子散射光强的总和，所以散射光强U2是

式中:Nk为球型晶状体的数目，V为球型晶状体的体积。在实际环境中，单次散射的计算不足以描述散射的特征，因此必须考虑区域内所有粒子散射的总和，对(2)式进行MATLAB 仿真。相较于其他仿真软件，MATLAB 的优势在于高效的数值计算能力及符号计算能力，并有大量的计算算法，配合自带的工具箱，可以对公式中的变量进行精确的数值分析及仿真。

2 计算与仿真分析

2.1 940 nm 波段光源的仿真

一般市场上常用的光源波段是300 nm～1 100 nm。首先选用940 nm 近红外波段，其入射光源电压2 900 mV，经过透镜使一束平行光照射到待测区域，设待测区域的粒子粒径600 μm，以及光源与测量区域距离为10 cm，根据式(2)可得出散射光强、散射角度以及粒子体积的关系图，如图2 所示:

图2 散射光强影响因素仿真

从图2 可以看出，某些特定的角度，散射信号不会随着粒子的增加而变化，说明这些角度不会接收到散射信号；在探测器偏移入射光40°到50°之间，散射信号增加明显，说明在此角度范围内散射信号最强，接收到的散射光强最大，因此可以在偏移入射方向45°至50°之间放置光电探测器。

2.2 650 nm 波段光源的仿真

改变选用光源的波长，选用650 nm 波段的光源，其他条件保持不变，根据式(2)可以得出散射光强、散射角度以及粒子总体积的关系图，如图3所示。

图3 散射光强影响因素仿真

940 nm 波段的光源与650 nm 波段的光源差别在于散射信号大小的不同，650 nm 波段光源的散射信号大于940 nm 波段光源的散射信号，如上文所分析，散射作用的强弱主要取决于入射光波长与粒子粒径的大小。波长的不同，对其散射角度的影响较小。

现选用650 nm 的红色单色激光和940 nm 的近红外单色激光作为本实验的光源，根据仿真结果及实际环境，在测量区域选取45°，90°，135°三个具有代表性的位置放置探测器接收信号，对仿真结果进行实验验证。

3 实验及结果分析

在实验室环境中搭建实验平台，利用蠕动泵头控制水压，控制水流速度，搭配喷头实现模拟降雨，调节水压控制水流速度，进而模拟不同的降雨强度，对仿真结果进行实验验证。采集电路与发射电路均采用USB 5 V 输入电压源，保证各个器件能够在额定功率的条件下工作，光源与测量区域的距离为10 cm。随着水流速度的增加，测量区域内的水滴的数目也在增加。控制激光发射器的工作时间，以免长时间使用产生过多的热量影响入射光的稳定。实验实物如图4 所示。

图4 实验实物图

首先在无水流情况下，调节发射装置与透镜的位置，使激光束在测量时能够以平行光入射在测量区域。采集电路如图5 所示。由于在光电探测电路中总存在不能完全消除的噪声干扰以及暗电流，在一定程度上削弱了光电探测器的灵敏度，使数据不完全准确，波动较大，因此采集电路采用lm797 系列集成运算放大器，实现二级放大，尽可能地利用放大器的共模抑制能力，消除由电源引入的噪声，该产品在低压低噪声系统中提供最佳的性能。接着对测量信号进行二级放大，保证后级电路对信号有较小的干扰[16]，处理后的信号通过电路板显示屏显示并记录。

3.1 650 nm 红色激光实验数据拟合

首先选用650 nm 的单色红色激光作为实验的光源，把实验结果进行数据拟合，其散射信号拟合图如图6 所示。

图6 45°散射信号拟合图

图7 90°散射信号拟合图

图8 135°散射信号拟合图

当探测器放置在偏移入射光45°处时，电压信号随着水流速度的增加而增加，呈上升趋势，并且后续电压值可以保持在最大值附近。当探测器与入射光偏移90°时，电压值随着水流速度增加而增加，在95 mL 处达到电压最大值，之后呈快速下降的趋势。在探测器偏移入射光135°时，水量在前30 mL，电压值快速上升达到最大值，水流加快时，电压信号缓慢下降。

3.2 940 nm 近红外激光实验数据拟合

选择940 nm 波段的激光发射器再次进行上述实验，保持其他条件不变，记录实验结果，并进行数据拟合，拟合图如图9～图11 所示。

图9 45°散射信号拟合图

图10 90°散射信号拟合图

图11 135°散射信号拟合图

从上述拟合图看出，650 nm 波段的激光作为光源时，其散射信号大于940 nm 波段的激光作为光源时所散射的信号，该结果与仿真结果相吻合。当粒子粒径非常大时，散射光强与光波长无关，与粒子浓度和照射面积成正比。

3.3 结果分析

灵敏度(Sensitivity)是指被测物质变化所致响应量的变化程度。而传感器的灵敏度是指其在稳定工作状态下输出变化量与输入变化量的比值[17]。所以灵敏度＝电压值(mV)/雨量体积(mL)。

当灵敏度较高时，被测量值变化所对应的输出值也就越大。650 nm 波段的激光作为光源时的输出值大于940 nm 波段的激光作为光源时的输出值，在实际环境中，选用650 nm 波段的激光作为光源具有较高的灵敏度。

探测器在三个方向上的灵敏度如表1 所示:

表1 探测器灵敏度

从散射实验结果及表1 可以看出，在探测器偏移入射光90°时，电压信号先上升再快速下降，当电压信号到达一定的阀值后，随着水流速度的增加，电压信号快速下降，灵敏度较低。在探测器偏移入射光135°时，电压信号呈先快速上升再缓慢下降的趋势，相较于偏移90°的探测器灵敏度提高了12.5%，但降雨强度较大或较小时，监测数据的准确性会受到严重影响。探测器偏移入射光45°时，电压信号随着水流速度的增加呈逐渐上升趋势，达到电压最大值时，能够稳定在其附近，其灵敏度提高了80%，可以有效快速地反映降雨强度。

4 结语

雨量的实时监测对社会的财产安全越来越重要。本文通过分析、推导散射光强的分布与散射角度的关系，仿真了散射光强、散射角度以及粒子总体积的关系，并且根据仿真结果进行实验验证，通过分析探测器偏移入射光45°，90°，135°的电压信号数据，本文提出一种提高光学雨量传感器灵敏度方法，采用波长650 nm 的单色红色激光及在偏移入射光方向45°～50°之间放置探测器，可以有效提高雨量计的灵敏度。