稱重式光學雨量計的設計*

蔡 彥

(昭通學院物理與電子信息工程學院 云南 昭通 657000)

李應緒

(昭陽一中 云南 昭通 657000)

單長吉 徐 楠 杜國芳 艾 鵬

(昭通學院物理與電子信息工程學院 云南 昭通 657000)

稱重式光學雨量計的設計*

蔡 彥

(昭通學院物理與電子信息工程學院 云南 昭通 657000)

李應緒

(昭陽一中 云南 昭通 657000)

單長吉 徐 楠 杜國芳 艾 鵬

(昭通學院物理與電子信息工程學院 云南 昭通 657000)

對現(xiàn)有雨量計存在的問題進行了分析，針對問題提出了一種降雨量監(jiān)測設備改進方案.將結(jié)構(gòu)簡單的機械稱重式雨量計與光學CCD圖像采集技術(shù)相結(jié)合，將降雨監(jiān)測點與通信基站進行共建共享.實現(xiàn)降雨量與雨滴譜信息的遠程在線自動監(jiān)測，改進后的稱重式光學雨量計從組成結(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)測的廣泛性，節(jié)約了有限的土地資源并減少了重復建設和投資.

雨量計 遠程監(jiān)測 通信基站 稱重式光學雨量計

降雨量和雨滴譜是非常重要的氣象監(jiān)測指標，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.如何準確實時地獲取降雨量，對氣象災害的監(jiān)測和預防尤為重要.降雨量的監(jiān)測需要使用雨量計，目前投入使用的雨量計主要有機械式雨量計和光學雨量計兩種.其中，機械式雨量計主要有翻斗式雨量計、稱重式雨量計、虹吸式雨量計；光學雨量計主要有光學散射探測雨量計、光強衰減法雨量計和圖像采集法雨量計[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)生過程、形成降雨的物理過程及降雨的形成機制的評價指標.由雨滴譜可反推云中的含水量、降雨幾率、回波強度等參數(shù)，對微波通信、暴雨預報預警、人工降雨方面的研究也有較高的參考價值.測定雨滴粒徑是判定雨滴譜分布的關(guān)鍵，目前測定方法有快速攝影法、方格法、面粉團法、浸入法、雷達觀測法、濾紙色斑法和圖像采集法等[5].

現(xiàn)有儀器或研究方法對于上述降雨量和雨滴譜的測定各有優(yōu)劣，但都不能同時準確實時地測定這兩項指標.為了解決這個矛盾，對原有裝置進行了改進，改進后的儀器可以實現(xiàn)遠程監(jiān)測降雨量及其相關(guān)雨滴譜等信息.

1 現(xiàn)有儀器或研究方法的問題

傳統(tǒng)的機械式雨量計基于力學原理，在測量中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨中具有較高的準確度，但是在小雨、毛毛雨、凍雨、冰雹、降雪等方面準確度大大降低，而且不能測定雨滴譜.采用這類方法制造的儀器結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，但無法遠程自動完成雨量監(jiān)測任務，人工工作量大.

光學雨量計基于光學測量原理，采用非接觸式測量，避免了機械式雨量計的一些不足之處，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，對于小雨、毛毛雨、降雪、凍雨、冰雹的監(jiān)測具有較高的準確度，可測定雨滴的直徑、粒徑分布和降落末速度等代表雨滴譜特征的參數(shù).光學雨量計利用激光穿過雨滴時的散射光或透射光的幅度和相位來計算粒子的大小和速度信息，仍不可避免重疊雨滴的復雜散射問題，從而導致雨量的誤判，故對于中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨等方面的監(jiān)測準確度大大降低[5～8].

2 儀器改進辦法

針對現(xiàn)有儀器或研究方法存在的不足，對現(xiàn)有雨量計進行改進.結(jié)合光學雨量計與機械式雨量計的優(yōu)缺點，探索出一種同時使用力學原理和光學原理的雨量計改進方案，將機械式雨量計中應用廣泛的稱重式雨量計、與光學雨量計中的CCD圖像采集法相結(jié)合的稱重式光學雨量計.

這種方案避免了光學雨量計在監(jiān)測大雨中的不足，同時彌補了機械式雨量計在監(jiān)測小雨中的誤差.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、承水漏斗與過濾網(wǎng)、重力傳感器、水平泡、虹吸排水管等部件構(gòu)成，改進后的儀器裝置如圖1所示.

圖1 稱重式光學雨量計

為了減少土地資源的浪費，充分實現(xiàn)資源共建共享，降雨量監(jiān)測點與通信運營商的通信基站可以進行共建，共享土地資源.通信基站具有分布廣泛、站點多、無遮擋、地理位置好等優(yōu)勢，鄉(xiāng)村站點平均間隔3km，城區(qū)站點平均間隔僅800m.目前降雨量監(jiān)測點的數(shù)量遠少于通信基站的數(shù)量，布點選擇空間大，有利于實現(xiàn)快速布點、全面監(jiān)測[9,10].

如圖1所示，降雨雨滴首先通過CCD圖像采集系統(tǒng)，由CCD監(jiān)測系統(tǒng)獲得雨滴直徑、雨滴末速度等雨滴譜特征信號.雨滴繼續(xù)往下落，落入承水器中，經(jīng)過過濾網(wǎng)去除雜質(zhì)后進入盛水器，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，由光端機將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，通過光纖傳輸至遠程監(jiān)測平臺的光端機，遠程光端機將光信號解調(diào)為電信號，輸入遠程監(jiān)測平臺的計算機系統(tǒng)，從而實現(xiàn)遠程實時在線監(jiān)測降雨量與雨滴譜.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地、電源、光端機、傳輸光纖等資源，節(jié)省大量的重復投資和建設，更快地實現(xiàn)降雨信息的實時在線自動監(jiān)測、控制與傳輸.

3 結(jié)論

改進后的稱重式雨量計避免了現(xiàn)有儀器的不足，結(jié)合力學原理雨量計和光學原理雨量計，實現(xiàn)從毛毛雨到大暴雨的精確監(jiān)測，可以適應不同類型的降雨.與通信基站共建共享，真正實現(xiàn)遠程在線自動實時監(jiān)測，可以滿足快速布點的需求，節(jié)約了有限的土地資源，避免了重復投資和建設.改進的實驗儀器構(gòu)造簡單，容易制造，制造成本不高，操作容易，易于改進，非常適合在氣象監(jiān)測站臺予以推廣.

1 王青梅,楊艷玲,謝邦力.利用雨的光閃爍效應測量降水強度.量子電子學，1994(3):198～204

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

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

4 唐慧強，匡亮，施珮.基于WSN的高精度稱重式雨量計設計.測控技術(shù),2014,33(5):1～4

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

6 高太長,蘇小勇,楊樹臣.基于線陣CCD的光學降水自動測量系統(tǒng)校準方法.解放軍理工大學學報，2013,14(3):315～321

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

8 牛永紅,盧會國,蔣娟萍.稱重式雨量計幾種不同濾波方法的效果對比分析.氣象水文海洋儀器，2013,30(4):21～26

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

10趙洪巖,白國營.固態(tài)存儲雨量計與虹吸式雨量計降水資料初步對比分析.北京水務，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

*昭通學院科學研究課題，項目編號：2016xj27

蔡彥(1987- )，男，碩士，助教,主要從事大學物理實驗教學與科研工作.

2017-02-16)