CN108196321A - 一种降雨测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降雨测量装置和方法，解决现有装置和方法结构复杂、可维护性差、测量精度低的问题。所述装置，包含：金属壳体、吸音棉、拾音设备、雨滴处理设备；金属壳体形成一个封闭空间；吸音棉在封闭空间内，放置在金属壳体底部上方；拾音设备放置在吸音棉上，用于将雨滴击打金属壳体形成的声音信号转换为电信号；雨滴处理设备用于接收所述电信号，进行模数转换、带通滤波、包络检波、幅度平均和累加算法，得到雨滴质量、累计雨量、单位时间降雨强度。所述方法包含：获取雨滴打击的声音信号；将声音信号转换为电信号；根据电信号计算雨滴质量、累计雨量、单位时间降雨强度。本发明结构简单、便于安装、免于维护，对振动不敏感，适用性强。

Description

一种降雨测量装置和方法

技术领域

本发明涉及降雨强度检测领域，尤其涉及一种降雨测量装置和方法。

背景技术

很多行业都需要检测降雨强度和累计雨量，目前的雨量测试设备包括采用机械结构的量筒式雨量计和翻斗式雨量计，还包括激光雷达感应式雨量计和压电陶瓷感应式雨量计。量筒式需要人工称重，无法做到免维护，且安装复杂；翻斗式容易被落叶等杂物遮盖、阻塞，不能长时间无人值守，且体积较大，对于安装有较高要求，对于振动非常敏感；激光雷达感应式雨量计，信号处理复杂，造价较高；压电陶瓷感应式雨量计，压电陶瓷是高Q器件，当雨滴冲击后，其余震会持续很久，这造成不能马上检测接下去的雨滴，会造成很大的漏记问题，另外就大小雨滴的问题，压电陶瓷也很难区分，从而造成计量误差较大。

发明内容

本发明提供一种降雨测量装置和方法，解决现有装置和方法结构复杂、可维护性差、测量精度低的问题。

一种降雨测量装置，包含：金属壳体、吸音棉、拾音设备、雨滴处理设备；所述金属壳体形成一个封闭空间；所述吸音棉在所述封闭空间内，放置在所述金属壳体底部上方；所述拾音设备放置在所述吸音棉上，用于将雨滴击打所述金属壳体形成的声音信号转换为电信号；所述雨滴处理设备用于接收所述电信号，进行模数转换、带通滤波、包络检波、幅度平均和累加算法，得到雨滴质量、累计雨量、单位时间降雨强度。

进一步地，所述雨滴处理设备包含模数转换器、带通滤波器、包络检波器、算法模块；所述模数转换器用于接收所述电信号，模数转换后输出数字电信号；所述带通滤波器用于接收所述数字电信号，输出滤波信号；所述包络检波器用于接收所述滤波信号，输出包络信号；所述算法模块用于接收所述包络信号，进行幅度平均、幅度累加算法，得到雨滴质量、累计雨量、单位时间降雨强度。

优选地，所述金属壳体是一个完整金属，所述金属壳体的材料是不锈钢。

优选地，所述金属壳体的品质因数高。

进一步地，所述装置安装时采用非金属连接的安装方式。

优选地，所述拾音设备为咪头或硅麦。

优选地，所述雨滴处理设备采用DSP芯片。

一种降雨测量方法，用于所述的降雨测量装置，包含以下步骤：通过所述金属壳体获取雨滴打击的声音信号；通过所述拾音设备将所述声音信号转换为电信号；通过所述雨滴处理设备，根据所述电信号计算雨滴质量、累计雨量、单位时间降雨强度。

优选地，所述通过所述雨滴处理设备，根据所述电信号计算雨滴质量、累计雨量、单位时间降雨强度的步骤，进一步包含：将所述电信号转换为数字电信号；对所述数字电信号进行带通滤波，输出滤波信号；对所述滤波信号进行包络检波，输出包络信号；对所述包络信号，进行幅度平均、幅度累加算法，计算雨滴质量、累计雨量、单位时间降雨强度。

本发明有益效果包括：本发明提供的降雨测量装置和方法，通过对雨滴声音的辨识实现对雨滴质量、降雨强度和降雨量的分辨，本发明结构简单、便于安装、免于维护，同时本发明装置对振动不敏感，装置适用性强，不仅可以精确测量降雨，还可以识别冰雹，做出报警。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为一种降雨测量装置实施例；

图2为一种包含算法模块的降雨测量装置实施例；

图3(a)为一种模数转换后雨滴波形实施例；

图3(b)为一种滤波后雨滴波形实施例；

图3(c)为一种包络检波后雨滴波形实施例；

图4为一种降雨测量方法流程实施例；

图5为一种包含算法的降雨测量方法流程实施例。

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，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

很多行业都需要检测降雨强度和累计雨量，如铁路行业，他们需要了解铁路路基所处环境的降雨，以便对降雨强度较大的地方及早采取措施，另外如输电线路也需要对线路沿线做检测，其他还有环境检测部门，移动通信等行业，林业、国土资源等等行业。对降雨的测量，有的要求非常精确，精度需要达到1％，如气象部门；另外很多情况对检测精度要求并不是很高，但对于安装的简易程度，维护性有着极高的要求，例如铁路沿线，他们的雨量测试设备需要安装在供电的支架上，而列车的运行会有很强烈的振动，且铁路贯穿祖国的山林胡泊，很多地方还难以维护。

以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

图1为一种降雨测量装置实施例，本发明实施例提供一种降雨测量装置，用于测降雨强度和累计雨量，包含：金属壳体1、吸音棉2、拾音设备3、雨滴处理设备4。

所述金属壳体形成一个封闭空间；所述吸音棉在所述封闭空间内，放置在所述金属壳体底部上方；所述拾音设备放置在所述吸音棉上，用于将雨滴击打所述金属壳体形成的声音信号转换为电信号；所述雨滴处理设备用于接收所述电信号，进行模数转换、带通滤波、包络检波、幅度平均和累加算法，得到雨滴质量、累计雨量、单位时间降雨强度。

优选地，所述金属壳体是一个完整金属，所述金属壳体的材料是不锈钢。需要说明的是，所述金属壳体是一个完整金属，在淋雨时雨滴打击产生的信号会形成有一个自谐振频率的波包，有利于信号检测。

优选地，所述金属壳体的品质因数高。

需要说明的是，利用所述金属壳体做成一个封闭空间，可以保证所述拾音设备轻易不会被环境噪声干扰，有利于所述拾音设备对声音信号的辨识。

进一步地，所述装置安装时采用非金属连接的安装方式，需要说明的是所述金属壳体的固定一定不能有金属连接，原因是防止因固定造成自谐振频率改变，或产生多谐振动，或自谐振的品质因数太差，从而影响信号检测。

优选地，所述拾音设备为咪头或硅麦，需说明的是，所述拾音设备可以是本发明实施例中的咪头或硅麦，也可以是其他声音传感器，这里不做特别限定。

优选地，所述雨滴处理设备采用DSP芯片。

还需说明的是，在所述金属壳体底部上方放置吸音棉有三个作用：第一是加快所述金属壳体的冲击响应衰减速度，为检测下一个雨滴做准备；第二是防止所述金属壳体内空腔形成振荡，干扰所述雨滴处理设备对雨滴响应的正确识别；第三是防止安装设备的固定结构传来的机械振动耦合到壳体内的空间中，从而干扰对雨滴的识别。

本发明实施例提供的降雨测量装置，结构简单、便于安装、免于维护，同时本发明装置对振动不敏感，装置适用性强。

图2为一种包含算法模块的降雨测量装置实施例，本发明实施例提供的降雨测量装置，包含：金属壳体1、吸音棉2、拾音设备3、雨滴处理设备4、模数转换器5、带通滤波器6、包络检波器7、算法模块8。

所述金属壳体形成一个封闭空间；所述吸音棉在所述封闭空间内，放置在所述金属壳体底部上方；所述拾音设备放置在所述吸音棉上，用于将雨滴击打所述金属壳体形成的声音信号转换为电信号；所述模数转换器用于接收所述电信号，模数转换后输出数字电信号；所述带通滤波器用于接收所述数字电信号，输出滤波信号；所述包络检波器用于接收所述滤波信号，输出包络信号；所述算法模块用于接收所述包络信号，进行幅度平均、幅度累加算法，得到雨滴质量、累计雨量、单位时间降雨强度。

图3(a)为一种模数转换后雨滴波形实施例，(b)为一种滤波后雨滴波形实施例，(c)为一种包络检波后雨滴波形实施例。

所述金属壳体淋雨时产生的声音信号经过声电转换形成电信号，所述电信号有一个自谐振频率，所述模数转换器用于接收所述电信号，模数转换后输出数字电信号，所述数字电信号的波形包含高频和低频分量；所述带通滤波器用于接收所述数字电信号，输出滤波信号，所述滤波信号的波形为所述数字电信号滤除了高、低频分量；所述包络检波器用于接收所述滤波信号，输出包络信号，所述包络信号中有一频率等于自谐振频率的波包。

需要说明的是，根据所述包络信号可以判断雨滴质量，将收到的所有包络信号进行幅度求平均，可以得到降雨强度，将收到的所有包络信号进行幅度累加，可以得到累计雨量。

图4为一种降雨测量方法流程实施例，本发明实施例一种降雨测量方法，用于所述的降雨测量装置，包含以下步骤：

步骤101，通过所述金属壳体获取雨滴打击的声音信号。

在步骤101中，所述金属壳体的品质因数很高，淋雨时产生的声音信号有一个自谐振频率。

步骤102，通过所述拾音设备将所述声音信号转换为电信号。

步骤103，通过所述雨滴处理设备，根据所述电信号计算雨滴质量、累计雨量、单位时间降雨强度。

在步骤103中，所述雨滴处理设备对所述电信号进行采样、带通滤波、包络检波，并对所述包络检波后的信号进行幅度累加和幅度求平均，得到雨滴质量、累计雨量和单位时间降雨强度。

图5为一种包含算法的降雨测量方法流程实施例，本发明实施例提供的降雨测量方法，包含以下步骤：

步骤101，通过所述金属壳体获取雨滴打击的声音信号。

步骤102，通过所述拾音设备将所述声音信号转换为电信号。

步骤104，将所述电信号转换为数字电信号。

步骤105，对所述数字电信号进行带通滤波，输出滤波信号。

步骤106，对所述滤波信号进行包络检波，输出包络信号。

步骤107，对所述包络信号，进行幅度平均、幅度累加算法，计算雨滴质量、累计雨量、单位时间降雨强度。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理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权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种降雨测量装置，其特征在于，包含：金属壳体、吸音棉、拾音设备、雨滴处理设备；

所述金属壳体形成一个封闭空间；

所述吸音棉在所述封闭空间内，放置在所述金属壳体底部上方；

所述拾音设备放置在所述吸音棉上，用于将雨滴击打所述金属壳体形成的声音信号转换为电信号；

所述雨滴处理设备用于接收所述电信号，进行模数转换、带通滤波、包络检波、幅度平均和累加算法，得到雨滴质量、累计雨量、单位时间降雨强度。

2.如权利要求1所述的降雨测量装置，其特征在于，所述雨滴处理设备包含模数转换器、带通滤波器、包络检波器、算法模块；

所述模数转换器用于接收所述电信号，模数转换后输出数字电信号；

所述带通滤波器用于接收所述数字电信号，输出滤波信号；

所述包络检波器用于接收所述滤波信号，输出包络信号；

所述算法模块用于接收所述包络信号，进行幅度平均、幅度累加算法，得到雨滴质量、累计雨量、单位时间降雨强度。

3.如权利要求1所述的降雨测量装置，其特征在于，所述金属壳体是一个完整金属，所述金属壳体的材料是不锈钢。

4.如权利要求1所述的降雨测量装置，其特征在于，所述金属壳体的品质因数高。

5.如权利要求1所述的降雨测量装置，其特征在于，所述装置安装时采用非金属连接的安装方式。

6.如权利要求1所述的降雨测量装置，其特征在于，所述拾音设备为咪头或硅麦。

7.如权利要求1所述的降雨测量装置，其特征在于，所述雨滴处理设备采用DSP芯片。

8.一种降雨测量方法，用于权利要求1～7任一项所述的降雨测量装置，其特征在于，包含以下步骤：

通过所述金属壳体获取雨滴打击的声音信号；

通过所述拾音设备将所述声音信号转换为电信号；

通过所述雨滴处理设备，根据所述电信号计算雨滴质量、累计雨量、单位时间降雨强度。

9.如权利要求8所述的降雨测量方法，其特征在于，所述通过所述雨滴处理设备，根据所述电信号计算雨滴质量、累计雨量、单位时间降雨强度的步骤，进一步包含：

将所述电信号转换为数字电信号；

对所述数字电信号进行带通滤波，输出滤波信号；

对所述滤波信号进行包络检波，输出包络信号；

对所述包络信号，进行幅度平均、幅度累加算法，计算雨滴质量、累计雨量、单位时间降雨强度。