稱(chēng)重式光學(xué)雨量計(jì)的設(shè)計(jì)*

蔡 彥

(昭通學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院 云南 昭通 657000)

李應(yīng)緒

(昭陽(yáng)一中 云南 昭通 657000)

單長(zhǎng)吉 徐 楠 杜國(guó)芳 艾 鵬

(昭通學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院 云南 昭通 657000)

稱(chēng)重式光學(xué)雨量計(jì)的設(shè)計(jì)*

蔡 彥

(昭通學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院 云南 昭通 657000)

李應(yīng)緒

(昭陽(yáng)一中 云南 昭通 657000)

單長(zhǎng)吉 徐 楠 杜國(guó)芳 艾 鵬

(昭通學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院 云南 昭通 657000)

對(duì)現(xiàn)有雨量計(jì)存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，針對(duì)問(wèn)題提出了一種降雨量監(jiān)測(cè)設(shè)備改進(jìn)方案.將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的機(jī)械稱(chēng)重式雨量計(jì)與光學(xué)CCD圖像采集技術(shù)相結(jié)合，將降雨監(jiān)測(cè)點(diǎn)與通信基站進(jìn)行共建共享.實(shí)現(xiàn)降雨量與雨滴譜信息的遠(yuǎn)程在線(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，改進(jìn)后的稱(chēng)重式光學(xué)雨量計(jì)從組成結(jié)構(gòu)上就規(guī)避了現(xiàn)有儀器的不足，有效提高了降雨監(jiān)測(cè)的廣泛性，節(jié)約了有限的土地資源并減少了重復(fù)建設(shè)和投資.

雨量計(jì) 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè) 通信基站 稱(chēng)重式光學(xué)雨量計(jì)

降雨量和雨滴譜是非常重要的氣象監(jiān)測(cè)指標(biāo)，氣象中的降雨多指云層中液態(tài)水、固態(tài)水降落到地面的天氣現(xiàn)象.如何準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地獲取降雨量，對(duì)氣象災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和預(yù)防尤為重要.降雨量的監(jiān)測(cè)需要使用雨量計(jì)，目前投入使用的雨量計(jì)主要有機(jī)械式雨量計(jì)和光學(xué)雨量計(jì)兩種.其中，機(jī)械式雨量計(jì)主要有翻斗式雨量計(jì)、稱(chēng)重式雨量計(jì)、虹吸式雨量計(jì)；光學(xué)雨量計(jì)主要有光學(xué)散射探測(cè)雨量計(jì)、光強(qiáng)衰減法雨量計(jì)和圖像采集法雨量計(jì)[1～4].

雨滴譜是單位面積內(nèi)降雨雨滴顆粒大小隨其直徑的分布關(guān)系，是描述降雨的重要參數(shù)，是雨云產(chǎn)生過(guò)程、形成降雨的物理過(guò)程及降雨的形成機(jī)制的評(píng)價(jià)指標(biāo).由雨滴譜可反推云中的含水量、降雨幾率、回波強(qiáng)度等參數(shù)，對(duì)微波通信、暴雨預(yù)報(bào)預(yù)警、人工降雨方面的研究也有較高的參考價(jià)值.測(cè)定雨滴粒徑是判定雨滴譜分布的關(guān)鍵，目前測(cè)定方法有快速攝影法、方格法、面粉團(tuán)法、浸入法、雷達(dá)觀測(cè)法、濾紙色斑法和圖像采集法等[5].

現(xiàn)有儀器或研究方法對(duì)于上述降雨量和雨滴譜的測(cè)定各有優(yōu)劣，但都不能同時(shí)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地測(cè)定這兩項(xiàng)指標(biāo).為了解決這個(gè)矛盾，對(duì)原有裝置進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的儀器可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)降雨量及其相關(guān)雨滴譜等信息.

1 現(xiàn)有儀器或研究方法的問(wèn)題

傳統(tǒng)的機(jī)械式雨量計(jì)基于力學(xué)原理，在測(cè)量中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨中具有較高的準(zhǔn)確度，但是在小雨、毛毛雨、凍雨、冰雹、降雪等方面準(zhǔn)確度大大降低，而且不能測(cè)定雨滴譜.采用這類(lèi)方法制造的儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低，但無(wú)法遠(yuǎn)程自動(dòng)完成雨量監(jiān)測(cè)任務(wù)，人工工作量大.

光學(xué)雨量計(jì)基于光學(xué)測(cè)量原理，采用非接觸式測(cè)量，避免了機(jī)械式雨量計(jì)的一些不足之處，如承水器的蒸發(fā)、輸水管水滴的附著等，可做到數(shù)據(jù)的高速輸出，對(duì)于小雨、毛毛雨、降雪、凍雨、冰雹的監(jiān)測(cè)具有較高的準(zhǔn)確度，可測(cè)定雨滴的直徑、粒徑分布和降落末速度等代表雨滴譜特征的參數(shù).光學(xué)雨量計(jì)利用激光穿過(guò)雨滴時(shí)的散射光或透射光的幅度和相位來(lái)計(jì)算粒子的大小和速度信息，仍不可避免重疊雨滴的復(fù)雜散射問(wèn)題，從而導(dǎo)致雨量的誤判，故對(duì)于中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨等方面的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度大大降低[5～8].

2 儀器改進(jìn)辦法

針對(duì)現(xiàn)有儀器或研究方法存在的不足，對(duì)現(xiàn)有雨量計(jì)進(jìn)行改進(jìn).結(jié)合光學(xué)雨量計(jì)與機(jī)械式雨量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，探索出一種同時(shí)使用力學(xué)原理和光學(xué)原理的雨量計(jì)改進(jìn)方案，將機(jī)械式雨量計(jì)中應(yīng)用廣泛的稱(chēng)重式雨量計(jì)、與光學(xué)雨量計(jì)中的CCD圖像采集法相結(jié)合的稱(chēng)重式光學(xué)雨量計(jì).

這種方案避免了光學(xué)雨量計(jì)在監(jiān)測(cè)大雨中的不足，同時(shí)彌補(bǔ)了機(jī)械式雨量計(jì)在監(jiān)測(cè)小雨中的誤差.該方案中的儀器由三角支腳架、雨量外筒、盛水器、激光器及其固定裝置、CCD及其固定裝置、承水漏斗與過(guò)濾網(wǎng)、重力傳感器、水平泡、虹吸排水管等部件構(gòu)成，改進(jìn)后的儀器裝置如圖1所示.

圖1 稱(chēng)重式光學(xué)雨量計(jì)

為了減少土地資源的浪費(fèi)，充分實(shí)現(xiàn)資源共建共享，降雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)與通信運(yùn)營(yíng)商的通信基站可以進(jìn)行共建，共享土地資源.通信基站具有分布廣泛、站點(diǎn)多、無(wú)遮擋、地理位置好等優(yōu)勢(shì)，鄉(xiāng)村站點(diǎn)平均間隔3km，城區(qū)站點(diǎn)平均間隔僅800m.目前降雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量遠(yuǎn)少于通信基站的數(shù)量，布點(diǎn)選擇空間大，有利于實(shí)現(xiàn)快速布點(diǎn)、全面監(jiān)測(cè)[9,10].

如圖1所示，降雨雨滴首先通過(guò)CCD圖像采集系統(tǒng)，由CCD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得雨滴直徑、雨滴末速度等雨滴譜特征信號(hào).雨滴繼續(xù)往下落，落入承水器中，經(jīng)過(guò)過(guò)濾網(wǎng)去除雜質(zhì)后進(jìn)入盛水器，支撐盛水器的重力傳感器獲得單位面積內(nèi)的降雨量信息.

將獲得的圖像信息和降雨量信息接入通信基站的光端機(jī)，由光端機(jī)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過(guò)光纖傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)的光端機(jī)，遠(yuǎn)程光端機(jī)將光信號(hào)解調(diào)為電信號(hào)，輸入遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)降雨量與雨滴譜.與通信基站共享的最大好處就在于，可以直接共享通信基站的場(chǎng)地、電源、光端機(jī)、傳輸光纖等資源，節(jié)省大量的重復(fù)投資和建設(shè)，更快地實(shí)現(xiàn)降雨信息的實(shí)時(shí)在線(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、控制與傳輸.

3 結(jié)論

改進(jìn)后的稱(chēng)重式雨量計(jì)避免了現(xiàn)有儀器的不足，結(jié)合力學(xué)原理雨量計(jì)和光學(xué)原理雨量計(jì)，實(shí)現(xiàn)從毛毛雨到大暴雨的精確監(jiān)測(cè)，可以適應(yīng)不同類(lèi)型的降雨.與通信基站共建共享，真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以滿(mǎn)足快速布點(diǎn)的需求，節(jié)約了有限的土地資源，避免了重復(fù)投資和建設(shè).改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器構(gòu)造簡(jiǎn)單，容易制造，制造成本不高，操作容易，易于改進(jìn)，非常適合在氣象監(jiān)測(cè)站臺(tái)予以推廣.

1 王青梅,楊艷玲,謝邦力.利用雨的光閃爍效應(yīng)測(cè)量降水強(qiáng)度.量子電子學(xué)，1994(3):198～204

2 岑家生,王青梅,羅暉.降水粒子的成像探測(cè)技術(shù)及儀器初探.大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)，2011,06(6):415～422

3 舒大興.JSP-1型虹吸校正翻斗雨量計(jì).中國(guó)計(jì)量,2009(9):63～64

4 唐慧強(qiáng)，匡亮，施珮.基于WSN的高精度稱(chēng)重式雨量計(jì)設(shè)計(jì).測(cè)控技術(shù),2014,33(5):1～4

5 皇甫張棣.光學(xué)雨量傳感方法的研究：[學(xué)位論文].昆明：昆明理工大學(xué)，2014

6 高太長(zhǎng),蘇小勇,楊樹(shù)臣.基于線(xiàn)陣CCD的光學(xué)降水自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法.解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013,14(3):315～321

7 李林,范雪波,孫雪琪,等.DSC2型稱(chēng)重式降水傳感器測(cè)雨性能的分析.氣象，2016,42(8):1013～1019

8 牛永紅,盧會(huì)國(guó),蔣娟萍.稱(chēng)重式雨量計(jì)幾種不同濾波方法的效果對(duì)比分析.氣象水文海洋儀器，2013,30(4):21～26

9 王亞娟,白國(guó)營(yíng),趙洪巖,等.北京城市水文站網(wǎng)現(xiàn)狀分析與思考.中國(guó)水利，2013(21):43～45

10趙洪巖,白國(guó)營(yíng).固態(tài)存儲(chǔ)雨量計(jì)與虹吸式雨量計(jì)降水資料初步對(duì)比分析.北京水務(wù)，2013(02)

DesignonOpticalRainGaugeofWeighingType

CanYan

(CollegeofPhysicsandElectronicInformationEngineering,ZhaotongUniversity,Zhaotong,Yunnan657000)

LiYingxu

(ZhaoyangNo.1MiddleSchool,Zhaotong,Yunnan657000)

ShanChangjiXuNanDuGuofangAiPeng

(CollegeofPhysicsandElectronicInformationEngineering,ZhaotongUniversity,Zhaotong,Yunnan657000)

The existing problems of rain gauge were analyzed, and an improved scheme of rainfall monitoring equipment was put forward. A simple structure of mechanical weighing rain gauge and optical CCD image acquisition technology are combined. The rainfall monitoring points and communication base stations were built to share. The improved weighing optical rain gauge can avoid the shortcomings of the existing instruments, and realize the automatic monitoring of the rainfall and raindrops information on the remote online. This scheme can effectively improve the universality of rainfall monitoring, and save the limited Land resources, and reduce duplication and investment.

rain gauge; remote monitoring; communication base station; weighing optical rain gauge

*昭通學(xué)院科學(xué)研究課題，項(xiàng)目編號(hào)：2016xj27

蔡彥(1987- )，男，碩士，助教,主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研工作.

2017-02-16)