基于CCD线性阵列的光学雨量传感器的研究
杨必峰1*，刘宇炎1，陆莹2，吴尚谦3
（1.成都信息工程大学，成都 610225；2.中国华云，北京100081；
3.昆明理工大学，昆明650500）
摘要：雨水监测是灾害天气最重要的气象学监测要素之一。时下流行的翻斗式雨量计与称重式雨量计的维护是一个极为重要的议题。本文中则主要讨论基于CCD线阵的光学雨量传感器。由于其免维护和适用性强的特点，这款传感器可以广泛的适用于恶劣环境下的自动雨量监测，并拥有良好的应用前景。
关键词：CCD线阵；雨滴光谱；FPGA；动态阈值
1 简介
在“十二五”规划期间，政府将加大针对中小河流的山洪与泥石流的监测与预警。目前翻斗式雨量计和称重式雨量计的维护是一个关键问题。因此，这些雨量计在人烟稀少、交通不便、自然环境条件差的地区的应用受到了许多限制。由于免维护和适应性强等特点，光学雨量传感器可以被广泛应用于恶劣环境下的自动雨量监测。
光学度量和光点探测技术的基本原理被应用于降水观测、天气现象观测和雾气探测的物理构造。目的是为了研究一种具有实用价值和自主知识产权的新型光学雨量传感器，同时为降水和雨滴的自动测量提供一种新的技术方法。这种传感器在大于、山洪、泥石流和其他灾害的早期预警中扮演了非常重要的角色，因此其具有良好的应用前景。与此同时，这项研究的结果将会填补领域的空白，并为气象装备的国产化做出贡献。
2系统设计
从检测方法上看，目前的光学计量器/光学雨量计可被分为摄像机和遮光式两种。前者的价格高，通常用于研究。而后者有着相当可观的低价更适用于观测[1]。现有的遮光式雨量计采用的是一维监测，采样面积约为50cm2。仅能测量降水粒子的一维尺寸。根据粒子垂直方向轴对称理论（小型颗粒可以假设为球体，大颗粒可以假设为一个长椭球或平圆），建立了一个降水粒子水平尺寸和粒子尺寸直接的数学模型，来测算降水粒子的实际大小和体积然后估算降水量。这种方法最主要的问题是，一维监测和不多的仪器导致了测量信息的匮乏。一维测试是表现形式和颗粒相互遮挡之间的矛盾[2]。值得怀疑的是， 50cm2的间隔区域是否具有足够的代表性，这是需要进一步讨论的。因此现有的监测方法难以提高监测精度。这个设计的基本思想是充分利用最新的光学技术的优点，同时基于对现有技术优缺点的分析，来改进检测方法。作为最基本的出发点，为了能够准确地测量降水颗粒的体积，建立了一个二维检测系统对降水颗粒的二维尺寸和下落速度进行测量。这需要增加采样区域和和表现，还需要降低颗粒的相互影响。
为了实现上述二维级别和速度的探测模式和测量方法，拟采用如图1所示的光学雨量传感器。二维检测和高速FPGA信号处理的结合是这个系统的主要特点。线阵探测器有足够快的时域响应特性，并且它完全可以解决0.1mm颗粒尺寸分辨率的检测需求。二维检测如图2所示，X和Y轴光路用于降水粒子大小检测。
图1 光学雨量传感器系统
图2 二维光学检测途径结构
3 硬件设计
二维光学检测路径基本相同，本文对其中一种进行讨论。硬件系统图如图3所示。
图3 硬件系统图
带红外二极管的恒流源驱动电路为光学雨量传感器提供了一个稳定的光源。光源的稳定性将会直接影响系统的检测精度。为了保证稳定性，恒流源的测量中加入了测量回路。告诉线列CCD接收前端的光学信号。通过线阵中像素遮挡量可以判断物体的大小。告诉线阵CCD的输出信号是全差分LVDS信号。系统增添了外部LVDS译码芯片来完成LVDS译码工作，同时用以节省FPGA的内部资源。在FPGA收到原始数据后，我们对数据进行相应的二进制数码转换，用以减轻数据压力。数据经FPGA的处理后通过外部总线送到ARM9处理器中，由ARM9处理器负责数据转发和系统监控
3.1 高速线阵CCD采集模块
高速线阵相机的选择很重要，这将直接关系到光学雨量传感器的指标和后台处理系统。高速线阵CCD相机的基本原理：当雨滴落下的时候，相机的部分像素将会被遮挡，如图4所示。
图4 线阵CCD相机的雨滴遮挡
雨滴的直径可通过遮挡CCD元件的方式获取[4]。本设计的最低雨量检测为 0.1 mm。根据采样定理，信号的采样频率必须至少是原始信号最高频率分量的2倍，以确保采样信号真实的保留原始模拟信号。单位像素大小最大为50mu;m。考虑到光带的不稳定性和离散性，单位像素大小应小于25mu;m。雨滴下落的最大速度为20米/s，通过光带的时间太短，相机的扫描速度达不到要求。适合选用高速线性阵列CCD相机[5]。此外，单像素摄像机的尺寸决定了雨滴的分辨率。经过数据对比，选择了Teledyne Dalsa公司的P4-CM-02 K10 D-00-R型CCD相机。CCD 相机分辨率为 2048 times; 2 。单位像素的尺寸为 10.56mu;mtimes; 10 .56mu;m。TDI 模式可以达到 100 KHz的线路扫描速率。同时它支持摄像机链接协议。各项技术指标均满足设计要求。
P4 -CM -02 K10 D -00 -R 型CCD 相机具有两个摄像机链接接口，每个接口有 26 个引脚，所有输出和接收信号都是 LVDS。摄像机的配置信号从CC1到CC4与FPGA芯片连接。三个信号（X0到X3，Y0到Y3，Z0到Z3）是LVDS信号的输出。引脚连接三个DS90 C288，高速LVDS数据通过DS90 C288转换成低速TTL电平信号。XCLK、YCLK 和 ZCLK 是时钟信号的输出时钟，并连接 DS90 C288 的差分时钟引脚。三个时钟引脚控制 DS90 C288 的读取定时。
3.2 LVDS解码模块
CCD 摄像机的输出为 LVDS，其信号频率高达 100 KHz。数据可以是8位、10位或12位的，但本设计选择8位输出[6]。一行有2048个像素，可以用来估计后端 FPGA 的数据量。
m = f times; w times; l = 1.6 Gbits / s
在公式中，m 是后端的数据量，f 代表行频率，W 是一个像素的宽度，l 是一行的像素数。因此，大量的数据导致后端FPGA的处理负担过重[7]。考虑到整个系统的PCB布局和FPGA程序的负担，最终决定在CCD相机和FPGA芯片之间添加DS90C288的LVDS。CCD输出的高速差分信号可以通过该芯片解码为20-85MHz低速CMOS/TTL电平信号。也就是说，四个接收的LVDS信号被解调为28位COMS/TTL电平信号。连接图如图 5 所示。
图5 LVDS解码电路
DS90C288 的差分接收引脚与摄像机的差分输出引脚相连。DS90C288 的 COMS/TLL 电平输出引脚（解调器输出引脚）与FPGA 芯片相连。同时，LDVS信号传输硬件设计需要与LVDS信号的终端匹配，以减少反射，确保其完整性。因此，在硬件设计中，LVDS接收端的差分信号线之间需要一个100欧姆电阻。
3. 3 数据处理模块
CCD 摄像机的采样速度非常快，数据量能达到 1.6 Gbis/s。有效降雨信息少，因此采集到的降雨信号需要FPGA部分的数据压缩处理，以提取有用的降雨信号。这对数据处理能力、速度和存储空间的要求非常高。为了获得更大的数据处理空间，设计采用高端Altera stratix IIIEP3SE50F484N。该芯片具有19K自适应逻辑模块 （ALM s ） ，47.5K 逻辑单元 （ LEs ） ，400M9K 模块，12M144K 模块，4 个模拟锁相环路 （PPL）， 48 个DSP 模块和 5625K 位 RAM48。无论他的速度还是内部RAM空间，都符合设计要求[8]。
3. 4 ARM9 内核控制模块
ARM9内核控制模块主要实现降雨信息的跟踪处理、与PC的网络通信和系统自检。该部分任务繁重，需要将系统移植到控制芯片中，便于任务的运行和管理。最后，选择 ARM9 的S3C2440，使用其两个256M字节SDRAM和一个32M字节NAND闪存。如图6所示。
图6 ARM9内核模块
S3C2440A是三星公司的32位微处理器，体积小，功耗低，片上外设丰富。S3 C2440 A基于ARM 920 T核心，支持MMU，采用AMBA总线结构和哈佛高速缓冲结构，具有16KB的高速数据和指令缓存。S3C2440A支持以下功能。集成的外部内存控制器易于扩展外部内存，集成四通道DMA，提升核心数据处理能力。Linux、WINCE和其他操作系统可以在本系统中运行。支持多种串行通信，包括单通道IIC、单通道IIS、双通道SPI和3个发送/接收64字节的FIFO内部UART。支持SD 卡接口协议和 MMC 卡协议，支持三通道 USB 接口。提供 8 通道和 10 位 ADC 和高精度 RT C 时钟。以及60 个中断源，其中包含 24 个外部中断源，具有 130 多个功能复用 IO 端口。此外，S3 C2440 A 还支持小端和大端存储模式、4 KB 启动缓冲区、NAND 闪存启动和 8 个可编程数据总线空间，每个空间为 128 M 。
三星的K9 F2 G08的存储容量为256 Mtimes;8bit，用作系统闪存，是嵌入式领域流行的NAND闪存。 与Nor Flash相比，它具有体积小、内存容量大、擦除次数多的优点。它可以从 NAND 闪存开始。开始时，NAND 闪存的前 4 K 字节将被加载到 S3 C2440 的 SRAM 缓冲器内部，称为'起始石'。EEC 检查后，存储在 NAND 闪存中的剩余代码将复制到 SDRAM 以完成启动过程。自动 NAND 闪存启动需要一些先决条件，内容如下。OM 0 和 OM 1 都需要低电平才能启动 NAND 闪存。根据特定的NAND闪存模型，选择NCON引脚用于高级/普通内存。GPG13 引脚负责内存页容量。GPG14 引脚选择用于内存地址周期。GPG15 用于决定内存总线宽度的高或低电平。
S3 C2440 的最大寻址空间为 1 GB，分为 8 块相同大小的地址段，称为 BANK 。除了 BANK0 只选择 16 位或 32 位总线宽度外，其他 7 个 BANK都支持 8 位 /16 位 /32 位可编程总线宽度。所有 BANK 都支持外部 ROM 和 SRAM，BANK6 和 BANK7 也支持外部 SDRAM 。因此，系统内存可以扩展到BANK6和BANK7上的外部SDRAM。此设计使用 32 M 48 L C16 M 16 A2 作为系统 RAM 。由于市场上很少有SDRAM产品，32位SDRAM作为两个16位48 L C16 M 162 A的组合，最大限度地提高了S3 C2440处理器的性能。
3. 5 以太网模块
整个系统通过以太网与 PC 终端通信，并采用了 DAVI-COM 的 DM9000A。该芯片可以通过多种方式连接微处理器（MPU）和单片机（MCU），支持10/100M速率。它还具有 10 /100M 自适应物理层和 4K 双字SRAM值。此外，它还提供一个无介质接口，连接所有家庭电话线网络设备或其他收发器。DM9000A 支持 8 位、16 位和 32 位接口访问内部内存并支持不同的处理器。DM9000A的物理协议层接口完全支持在10M Bps以下三类、四类、五类非屏蔽双绞线（UTP）的使用，以及完全符合IEEE 802.3u标准的五类UTP的使用。其自动协调功能将在最大限制下配置线路带宽。此外，该芯片支持 IEEE 802.3x的全双工流量控制。电路图如图7所示。
图7 DM9000电路图
网络接口的PCB是系统硬件设计的关键点。应注意收发差分线路的布局以及模拟和数字接地的分离[9]。注重滤波电容的使用也十分重要。网络接口布局的参考如图8所示。
图8 DM9000C PCB布局
4 二维空间雨滴算法
二维空间中的方法是解决一维空间重叠问题的[10]。当X轴上出现两个重叠雨滴时，X轴只考虑存在一个雨滴，这就出现了计算误差。为了解决同一轴上的重叠问题，引入了Y轴。在 Y 轴的 CCD 上可以发现许多雨滴。利用X轴和Y轴上的一维空间法，获得雨滴的直径，最后计算出降雨量。假设雨在通过线阵CCD带时是一个球形粒子[11]，如图9所示。当雨通过带减少时，高速CCD发现n条线，Delta;t是线性阵列CCD水平频率f的倒数。从线性阵列CCD中采集的图像被二进制化处理后，存储在RAM中。通过这个过程，找到最长的线。每个像素的宽度是已知的，因此可以计算球形粒子的直径，适用于2.5 毫米雨滴。
图9 球形颗粒雨滴示意图
假设单个 [12]像素的宽度为 W， LMAX 中的雨滴数为 C。
雨滴的直径d：d = C times; W
一滴雨水的雨量［13］：
降雨量的近似计算[14]速率V：
所以降雨量：
当雨滴的直径小于2.5毫米时，雨滴的形状更像一个椭圆形。此时，应以椭圆体的方式计算降雨量。图10显示了雨滴通过带时的图像。
图10 椭球形雨滴
转化至椭球面的降雨量：
5 系统测试
降雨模拟采用下落实验。经过CCD采集和FPGA图像解码处理，将雨滴图像再现到VGA显示装置上。通过ARM9图像处理算法末端的图像，获得了一维雨滴的直径。收集的图像如图 11 所示。
图11 处理后的图像数据
6 总结
采用高速线性阵列CCD方法测量雨滴的速度和直径，解决了雨量计的环
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