降水是气象观测上主要研究的天气现象之一,随着地面气象观测自动化以及降水观测仪器的快速发展,降水探测技术越来越成熟,其中,利用光学技术探测降水粒子的方法得到了不断的应用。本文基于光学成像基础,制定降水粒子测量光学系统的设计方案,研究探测降水粒子的光学系统的各种特性参数,结合像差及其校正方法,采用Dalsa公司的线阵CCD IL-P3(1024像素点),利用光学设计软件ZEMAX和Code V设计了用于测量降水粒子的光学系统透镜,基于系统的使用环境,制定了除雾方案并进行了验证,与OTT Parsivel的加热方法作对比,优点是功率减小,成本降低。具体工作内容如下:1.理论研究光学系统设计的基本光学特性参数,光阑对成像的作用以及各像差特点、校正方法、像差的表达形式。2.确认传感器及其技术参数指标,使用两种方法确定透镜初始结构,一种是用解析法,依照视场或孔径等性能选择相对合适的透镜类型,结合基本像差参量与结构参数之间的关系,寻找恰当玻璃材质,求得透镜初始结构参数,作光路计算;另一种是缩放法,利用Code V自带的专利镜头搜索功能,找到跟需要设计的透镜光学特性最相近的结构,按照比例进行缩放获得透镜初始结构。3.初始结构确定之后,首先根据解析法获得的结构创建透镜,设置参数,简单优化,进行几何光学质量评价,选择指标光线像差、弥散斑大小、传递能力、场曲畸变等,根据不同评价指标的标准和性质,判断透镜存在的像差,针对像差进行相应方法的校正,再循环评价优化过程,做像模拟分析等,直到透镜校正到较好的成像质量,然后对透镜进行公差分析,定义误差并设置范围,进行灵敏度分析,判断哪种误差的引入对像质造成影响,对误差范围进行相应的收紧或放宽,给出对透镜适合的公差范围。再将该透镜序列模式转换成一个非序列模式,在相应的位置放置光源和探测器,追踪光线,给出该结构最后的设计结果。最后对利用缩放法在Code V中确认的结构转换成ZEMAX文件,反复进行优化评价校正,给出透镜结构数据,并对两种结构的技术指标进行对比。4.系统实现的指标为:物距650 mm、景深9.47 cm、工作波长707 nm、视场11°,光圈数F(28)16、焦距f~?(28)40 mm、MTF@36 lp/mm>0.47、畸变绝对值小于1.2%、相对照度大于95%。5.在完成透镜设计之后,因为系统的使用条件是在户外雨天,在使用过程中会发生镜头起雾,所以本文针对镜头起雾,制定了一个除雾方案,给出方案的软硬件设计,制作硬件电路板,并进行调试,各传感器工作正常,实验证明除雾方案有效。与传统的OTT Parsivel加热方式作对比,本文设计的方案优点是降低了系统的加热功率,节省了电能,改变加热供电方式,降低了成本。