CN103135147B - 一种识别雨滴谱的方法及装置 - Google Patents

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本发明公开了一种识别雨滴谱的方法及装置，属于气象信息技术领域。所述方法包括：获取雨滴打击鼓膜的声音信号；对所述声音信号进行模数转换得到雨滴声幅值；根据所述雨滴声幅值获得雨滴直径和雨滴速度；根据所述雨滴直径和所述雨滴速度，获得雨滴谱。本发明通过获取雨滴打击鼓膜的声音信号，并对该声音信号进行模数转换得到雨滴声幅值，根据雨滴声幅值获得雨滴直径和雨滴速度，从而获得雨滴谱，该方法通过声音信号可以区分出并列的雨滴，测试更加精准，且该方法简单易行，通过一般的工件即可得到雨滴谱，成本较低。

Description

一种识别雨滴谱的方法及装置
技术领域
本发明涉及气象信息技术领域，特别涉及一种识别雨滴谱的方法及装置。
背景技术
雨滴谱是指在单位空间内，直径在某一范围内的雨滴的数量，即单位体积内雨滴大小的分布。雨滴谱的研究，对云发展的过程、降水形成的过程、降水形成的机制、地表破坏形态等方面的研究很有价值。
现有一种激光雨滴谱分析测量装置，该装置包括分别与信号控制处理器电连接的激光传感器和交通气象传感器信号接口单元。该装置利用消光测量原理，在测量区域内的任意位置，当雨滴穿过激光光束时，信号就会发生变化，亮度变暗的程度反映雨滴直径的大小，根据信号的持续时间推导出下降速度。根据不同直径大小区间和不同速度区间的雨滴的数目，绘制出雨滴谱图。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
现有的激光雨滴谱分析测量装置采用消光测量原理测量雨滴，当并列的雨滴穿过激光光束时，该测量装置会将并列雨滴作为一个雨滴处理，不能分辨并列的雨滴，降低了测试的精确度，且该装置比较复杂，价格昂贵，获得雨滴谱的成本较高。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种识别雨滴谱的方法及装置。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种识别雨滴谱的方法，所述方法包括：
获取雨滴打击鼓膜的声音信号；
对所述声音信号进行模数转换得到雨滴声幅值；
根据所述雨滴声幅值获得雨滴直径和雨滴速度；
根据所述雨滴直径和所述雨滴速度，获得雨滴谱；
所述根据所述雨滴声幅值获得雨滴直径和雨滴速度，具体包括：
根据雨滴声幅值与雨滴动量的对应关系，确定雨滴动量；
根据所述雨滴动量计算所述雨滴直径和所述雨滴速度。
具体地，所述根据所述雨滴动量计算所述雨滴直径和所述雨滴速度，具体包括：
根据以下公式计算雨滴直径：
p＝mv；
m＝0.523ρd3；
p＝-0.1021+4.93d-0.9551d2+0.07934d3-0.002362d4；
其中，p表示所述雨滴动量，m表示雨滴质量，v表示雨滴速度，ρ表示水的密度，d表示雨滴直径。
进一步地，所述方法还包括：
预设所述雨滴声幅值与所述雨滴动量的对应关系。
优选地，在所述获取雨滴打击鼓膜的声音信号后，所述方法还包括：
对所述声音信号进行降噪。
另一方面，本发明实施例还提供了一种识别雨滴谱的装置，所述装置包括：
鼓膜、用于获取雨滴打击所述鼓膜的声音信号的拾音器、用于对所述声音信号进行数模转换得到雨滴声幅值并根据所述雨滴声幅值获得雨滴直径和雨滴速度以及根据所述雨滴直径和所述雨滴速度获得雨滴谱的处理模块；所述拾音器设于所述鼓膜下方，所述拾音器和所述处理模块电连接；
所述处理模块用于根据雨滴声幅值与雨滴动量的对应关系，确定雨滴动量；根据所述雨滴动量计算所述雨滴直径和所述雨滴速度。
具体地，所述处理模块包括单片机。
优选地，所述装置还包括用于对所述拾音器获取的所述声音信号进行降噪的滤波器，所述处理模块通过所述滤波器与所述拾音器电连接。
具体地，所述鼓膜为张紧在金属圆筒上的聚氯乙烯薄膜、玻璃纤维覆聚四氟乙烯薄膜或者金属薄膜。
优选地，所述鼓膜的厚度为0.1～0.2mm。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过获取雨滴打击鼓膜的声音信号，并对该声音信号进行模数转换得到雨滴声幅值，根据雨滴声幅值获得雨滴直径和雨滴速度，从而获得雨滴谱，该方法通过声音信号可以区分出并列的雨滴，测试更加精准，且该方法简单易行，通过一般的工件即可得到雨滴谱，成本较低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种识别雨滴谱的方法流程图；
图2是本发明实施例二提供的一种识别雨滴谱的方法流程图；
图3是本发明实施例二提供的获取的声音信号的示意图；
图4是本发明实施例二提供的获取雨滴谱的具体方法流程图；
图5是本发明实施例二提供的获得的雨滴声幅值的示意图；
图6是本发明实施例三提供的一种识别雨滴谱的装置结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种识别雨滴谱的方法，参见图1，该方法包括：
步骤101：获取雨滴打击鼓膜的声音信号。
步骤102：对声音信号进行模数转换得到雨滴声幅值。
具体地，雨滴声幅值就是声音信号经过模数转换后的数字表示。
步骤103：根据雨滴声幅值获得雨滴直径和雨滴速度；
步骤104：根据雨滴直径和雨滴速度，获得雨滴谱。
根据得到的雨滴直径和雨滴速度，可以进一步推导出雨滴直径分布、降水量、降水动能和降水类型，通过对降雨进行定性分析，可以得到降雨强度，区分毛毛雨、大雨等降水，根据不同直径大小区间和不同速度区间的雨滴的数目，绘制出雨滴谱。此技术为本领域技术人员所熟知，在此不再详述。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过获取雨滴打击鼓膜的声音信号，并对该声音信号进行模数转换得到雨滴声幅值，根据雨滴声幅值获得雨滴直径和雨滴速度，从而获得雨滴谱，该方法通过声音信号可以区分出并列的雨滴，测试更加精准，且该方法简单易行，通过一般的工件即可得到雨滴谱，成本较低。
实施例二
本发明实施例提供了一种识别雨滴谱的方法，参见图2，该方法流程包括：
步骤201：获取雨滴打击鼓膜的声音信号。
具体地，在本实施例中，鼓膜可以为张紧在直径10cm金属圆筒上的0.2mm厚的聚氯乙烯薄膜。
具体地，可以采用拾音器获取雨滴打击鼓膜的声音信号，该拾音器设于鼓膜下方1cm处。采用拾音器获得的声音信号如图3所示。
具体地，在本实施例中，可以采用型号为PSP407的拾音器获取雨滴打击鼓膜的声音信号。
步骤202：对声音信号进行降噪。
具体地，在本实施例中，可以采用MAX274配合电阻制作的滤波器对获取的声音信号进行降噪。
步骤203：对声音信号进行模数转换得到雨滴声幅值。
具体地，在本实施例中，可以采用型号为STC12c2052的单片机对拾音器获取的声音信号进行模数转换，同时对该声音信号进行小波阈值滤波。
步骤204：根据雨滴声幅值获得雨滴直径和雨滴速度。
具体地，在本实施例中，如图4所示，步骤204包括：
步骤2041：预设雨滴声幅值与雨滴动量的对应关系。
具体地，可以采用不同动量的水滴打击鼓膜，采用拾音器测量该雨滴的雨滴声幅值，将已知的该动量与获得的雨滴声幅值一一对应，并建立雨滴声幅值与雨滴动量的对应关系，可以采用雨滴声幅值与雨滴动量的关系表的形式，并将该关系表保存到步骤203中的单片机的存储器中。其中，可以采用发射器以不同的速度发射相同质量的水滴，从而实现采用不同动量的水滴打击鼓膜。容易知道，在预设对应关系和实际采集雨滴时，采用的鼓膜材料、鼓膜直径、鼓膜厚度、拾音器型号均相同。
步骤2042：根据雨滴声幅值与雨滴动量的对应关系，确定雨滴动量。
步骤2043：根据雨滴动量计算雨滴直径和雨滴速度。
具体地，可以根据以下公式计算雨滴直径和雨滴速度：
p＝mv；
m＝0.523ρd3；
p＝-0.1021+4.93d-0.9551d2+0.07934d3-0.002362d4；
其中，p表示雨滴动量，m表示雨滴质量，v表示雨滴速度，ρ表示密度，d表示雨滴直径。
步骤205：根据雨滴直径和雨滴速度，获得雨滴谱。
根据得到的雨滴直径和雨滴速度，可以进一步推导出雨滴直径分布、降水量、降水动能和降水类型，通过对降雨进行定性分析，可以得到降雨强度，区分毛毛雨、大雨等降水，根据不同直径大小的区间和不同速度区间的雨滴的数目，绘制出雨滴谱。此技术为本领域技术人员所熟知，在此不再详述。
具体地，如图5所示，图3获取的声音信号经过模数转换后，得到如图5所示的雨滴声幅值，通过该图可知，雨滴声音采样频率为1650Hz，雨滴声音幅值信号在±2V以内，5s内共有10个雨滴打击鼓膜。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过获取雨滴打击鼓膜的声音信号，并对该声音信号进行模数转换得到雨滴声幅值，根据雨滴声幅值获得雨滴直径和雨滴速度，从而获得雨滴谱，该方法通过声音信号可以区分出并列的雨滴，测试更加精准，且该方法简单易行，通过一般的工件即可得到雨滴谱，成本较低。
实施例三
本发明实施例提供了一种识别雨滴谱的装置，适用于实施例1和实施例2提供的方法。参见图6，该装置包括：鼓膜1、用于获取雨滴打击鼓膜的声音信号的拾音器2、用于声音信号进行模数转换得到雨滴声幅值并根据雨滴声幅值获得雨滴直径和雨滴速度以及根据雨滴直径和雨滴速度获得雨滴谱的处理模块3；拾音器2设于鼓膜1下方1cm处，拾音器2和处理模块3电连接。
具体地，处理模块3还包括单片机。
优选地，该装置还包括用于对拾音器2获取的声音信号进行降噪的滤波器4，处理模块3通过滤波器4与拾音器2电连接。
优选地，鼓膜为张紧在金属圆筒上的聚氯乙烯薄膜、玻璃纤维覆聚四氟乙烯薄膜或者金属薄膜。
具体地，鼓膜的厚度为0.1～0.2mm。
可选地，该装置还可以包括分别与拾音器2、处理模块3和滤波器4电连接的电源模块5。具体地，该电源模块5可以为电压为12V功率为10W的电源。
本发明实例提供的技术方案带来的有益效果是：通过设置拾音器获取雨滴打击鼓膜的声音信号，并采用处理器对该声音信号进行模数转换得到雨滴声幅值，根据雨滴声幅值获得雨滴直径和雨滴直径分布，并获得雨滴谱，该装置通过拾音器获取的声音信号可以区分出并列的雨滴，测试更加精准，且该装置结构简单，实用性高，成本低。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种识别雨滴谱的方法，其特征在于，所述方法包括：
获取雨滴打击鼓膜的声音信号；
对所述声音信号进行模数转换得到雨滴声幅值；
根据所述雨滴声幅值获得雨滴直径和雨滴速度；
根据所述雨滴直径和所述雨滴速度，获得雨滴谱；
所述根据所述雨滴声幅值获得雨滴直径和雨滴速度，具体包括：
根据雨滴声幅值与雨滴动量的对应关系，确定雨滴动量；
根据所述雨滴动量计算所述雨滴直径和所述雨滴速度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述雨滴动量计算所述雨滴直径和所述雨滴速度，具体包括：
根据以下公式计算雨滴直径：
p＝mv；
m＝0.523ρd3；
p＝-0.1021+4.93d-0.9551d2+0.07934d3-0.002362d4；
其中，p表示所述雨滴动量，m表示雨滴质量，v表示雨滴速度，ρ表示水的密度，d表示雨滴直径。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
预设所述雨滴声幅值与所述雨滴动量的对应关系。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述获取雨滴打击鼓膜的声音信号后，所述方法还包括：
对所述声音信号进行降噪。
5.一种识别雨滴谱的装置，其特征在于，所述装置包括鼓膜、用于获取雨滴打击所述鼓膜的声音信号的拾音器、用于对所述声音信号进行数模转换得到雨滴声幅值并根据所述雨滴声幅值获得雨滴直径和雨滴速度以及根据所述雨滴直径和所述雨滴速度获得雨滴谱的处理模块；所述拾音器设于所述鼓膜下方，所述拾音器和所述处理模块电连接；
所述处理模块用于根据雨滴声幅值与雨滴动量的对应关系，确定雨滴动量；根据所述雨滴动量计算所述雨滴直径和所述雨滴速度。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述处理模块包括单片机。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括用于对所述拾音器获取的所述声音信号进行降噪的滤波器，所述处理模块通过所述滤波器与所述拾音器电连接。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述鼓膜为张紧在金属圆筒上的聚氯乙烯薄膜、玻璃纤维覆聚四氟乙烯薄膜或者金属薄膜。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述鼓膜的厚度为0.1～0.2mm。
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