CN109444996A - 精确降雨数据的获得方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种精确降雨数据的获得方法及装置，其特征在于：根据总雨量统计期间内的所有斗时长，获得总降雨量；所述斗时长为所述翻斗式雨量传感器的翻斗两次翻转的时间间隔。本发明颠覆了现有通过翻斗式雨量传感器获得降雨量数据的方法，且做到了在精度越高的情况下，误差越小的打破常规的效果，在不对常规的翻斗式雨量传感器的主体构件进行改动的情况下，引入了对翻斗两次翻转的时间间隔的采集，结合翻斗式雨量传感器的特征属性，构建了一套全新的获得精确降雨量的解决方案。该种方法完全超脱了现有技术中对翻斗式雨量传感器的误差分析和消除的方法论，并大大简化了翻斗式雨量传感器在长期使用过程中的校准工作。

Description

精确降雨数据的获得方法及装置

技术领域

本发明涉及气象数据采集领域，尤其涉及一种精确降雨数据的获得方法及装置。

背景技术

降水数据作为一项重要的气象数据指标，具有广泛的应用和必要的意义。当前，降水数据一般以统计一段时期内的总降雨量为主，主要通过雨量传感器(雨量计)等装置实现实时降水数据的采集并上传至气象监控终端进行汇总和统计。当前的主流雨量传感器为翻斗式雨量传感器。

翻斗式雨量传感器是一种水文、气象仪器，用以测量自然界降雨量，同时将降雨量转换为以开关量形式表示的数字信息量输出，以满足信息传输、处理、记录和显示等的需要。传统的翻斗式雨量传感器一般只能做到±4％的误差，对于气象的历史记录、数据分析越来越不能满足要求。

对于现有的翻斗式雨量传感器而言，基本均为通过预设的精度(与会导致翻斗翻转的水量正相关)以及翻斗翻转触发的干簧管的开关次数(开关量)来获得最终的总降雨量。如果该种计算方式存在误差，则都是通过误差修正的方式来进行调整，使最终输出的开关量能够尽可能接近理想开关量从而减小误差。

然而，随着当前对降雨数据精度越来越高的要求之下，几乎所有的采用的误差校正方案并不一定能够很妥善地消除误差的影响，甚至可能引入新的误差，如双翻斗的雨量传感器虽然能够消除动态损失(由于降雨是连续的过程，在一侧翻斗在承接雨水达到翻斗力矩阈值开始翻转，至另一侧翻斗开始承接雨水的过程中，有一部分雨水因为没有被翻斗承接从而未纳入翻斗式雨量传感器的计量范围所造成的会导致误差的损失)，但引入了新的随机误差，又或是因加工精度所限，在成本和技术能力的范围内无法实现误差的消除，再或是修正误差的操作过程繁琐，费时费力。

发明内容

为了解决现有技术存在的缺陷和不足的问题，本发明提出了全新的获得精确降雨数据的解决方案，在不对翻斗式雨量传感器的主体构件进行改动的情况下，具体采用以下技术方案：

一种精确降雨数据的获得方法，基于翻斗式雨量传感器，其特征在于：根据总雨量统计期间内的所有斗时长t，获得总降雨量H；

所述斗时长t为所述翻斗式雨量传感器的翻斗两次翻转的时间间隔。

优选地，所述翻斗式雨量传感器包括：承水器、设置在所述承水器下方的漏斗、设置在所述漏斗下方的翻斗、由所述翻斗驱动的磁钢、以及包括干簧管的计数电路模块；所述斗时长t为干簧管产生的相邻两个开关脉冲之间的时间间隔。

优选地，每一所述斗时长t通过即时雨量函数：J(h,t)＝0获得总雨量统计期间内的每一即时雨量h，并通过所有即时雨量h获得总降雨量H；

所述即时雨量h为斗时长t的等效雨强在斗时长t内产生的降雨量。

优选地，所述翻斗式雨量传感器输出的开关量通过即时雨量h和翻斗式雨量传感器的精度ε获得。

优选地，所述即时雨量函数通过以下步骤确定：

步骤A1：在试验环境的条件下，设定不同的恒定雨强值对所述翻斗式雨量传感器进行测试，并根据测试结果构建等效雨强函数：

G(u,t)＝0；

其中，u为斗时长t的等效雨强，单位为mm/min；

并根据所述等效雨强函数和的关系式，获得即时雨量函数；

J(h,t)＝0；

其中，即时雨量h的单位为mm。

优选地，所述即时雨量函数通过以下步骤确定：

步骤B1：在试验环境可确定的总降雨量H₀下，提供多次不同强度的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试，并根据测试结果构建斗数-斗时长函数：

E(t,y)＝0；

其中，斗数y为翻斗翻转总次数，斗时长t的单位为s；

并根据斗数-斗时长函数，以及雨强恒定时成立的关系式：获得即时雨量函数：J(h,t)＝0；其中，即时雨量h的单位为mm；总降雨量H₀的单位为mm。

优选地，步骤B1的具体步骤为：

步骤B11：根据在试验环境可确定的总降雨量H₀下多次不同强度的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试获得的多组试验值数据的拟合或根据翻斗式雨量传感器建立的数学模型构建待定斗数-斗时长函数：所述待定斗数-斗时长函数在y>0，t>0的区间内可表示成如下形式：

所述待定斗数-斗时长函数包括n个(n≥2)拟合参数；

步骤B12：在试验环境可确定的总降雨量H₀下，设定n次不同强度的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试，在每次降雨试验中，测出y值，以及对应的y个斗时长t值；获得n组试验值；

步骤B13：将n组试验值带入待定斗数-斗时长函数，计算获得n个拟合参数，并依此确定即时雨量函数：J(h,t)＝0；

步骤B14：基于确定的即时雨量函数，采用与步骤B12相同的试验条件对所述翻斗式雨量传感器进行测试，根据测得的即时雨量h和翻斗式雨量传感器的精度ε获得翻斗式雨量传感器输出的开关量z，在每次降雨试验中，测出对应的开关量z的值，获得n个开关量z；

步骤B15：将n个开关量z值与理想开关量D进行比较运算，获得n个修正值，其中：ε为翻斗式雨量传感器的精度，如果某一z值落在理想开关量D所确定的误差范围内，则对应的修正值为0；当所有的修正值为0时，则结束构建；只要有一个修正值不为零，则继续执行步骤B16；

步骤B16：采用n个所述修正值分别对n组试验值中的y值进行修正，获得修正后的n组试验值；

步骤B17：将所述修正后的n组试验值带入待定斗数-斗时长函数，计算获得n个拟合参数，并依此重新确定斗数-斗时长函数：E(t,y)＝0以及即时雨量函数：J(h,t)＝0；并回到步骤B14。

优选地，所述即时雨量函数通过以下步骤确定：

步骤C1：在试验环境可确定的总降雨量H₀下，设定多个不同且处于(0,u_max]区间的平均雨强值对所述翻斗式雨量传感器进行测试，并根据测试结果构建斗参数-雨强函数：

F(u,y,t)＝0；

其中，u为斗时长t的等效雨强，单位为mm/min；斗数y为翻斗翻转总次数，斗时长t的单位为s；

并根据斗参数-雨强函数，雨强恒定时成立的关系式：以及即时雨强的定义式获得即时雨量函数：J(h,t)＝0；其中，即时雨量h的单位为mm；总降雨量H₀的单位为mm；斗时长t的单位为s。

优选地，步骤C1的具体步骤为：

步骤C11：根据在试验环境可确定的总降雨量H₀下多次不同强度的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试获得的多组试验值数据的拟合或根据翻斗式雨量传感器建立的数学模型构建待定斗参数-雨强函数：所述待定斗参数-雨强函数包括n个(n≥2)拟合参数；

步骤C12：在试验环境可确定的总降雨量H₀下，设定n个不同且处于(0,u_max]区间的平均雨强值对所述翻斗式雨量传感器进行测试，在每个平均雨强值下，测出对应的y值，获得n组试验值；

步骤C13：将n组试验值带入待定斗参数-雨强函数，计算获得n个拟合参数，并依此确定即时雨量函数：J(h,t)＝0；

步骤C14：基于确定的即时雨量函数，采用与步骤C12相同的试验条件对所述翻斗式雨量传感器进行测试，根据测得的即时雨量h和翻斗式雨量传感器的精度ε获得翻斗式雨量传感器输出的开关量z，在每个平均雨强值下，测出对应的开关量z的值，获得n个开关量z；

步骤C15：将n个开关量z值与理想开关量D进行比较运算，获得n个修正值，其中：ε为翻斗式雨量传感器的精度，如果某一z值落在理想开关量D所确定的误差范围内，则对应的修正值为0；当所有的修正值为0时，则结束构建；只要有一个修正值不为零，则继续执行步骤C16；

步骤C16：采用n个所述修正值分别对n组试验值中的y值进行修正，获得修正后的n组试验值；

步骤C17：将所述修正后的n组试验值带入待定斗参数-雨强函数，计算获得n个拟合参数，并依此重新确定斗参数-雨强函数：F(u,y,t)＝0以及即时雨量函数：J(h,t)＝0；并回到步骤C14。

以及，一种精确降雨数据的获得装置，基于翻斗式雨量传感器，其特征在于：设置有计数电路模块，所述计数电路模块包括：主控芯片、与所述主控芯片连接的：时钟电路和干簧管；所述时钟电路用于测量干簧管产生的相邻两个开关脉冲之间的时间间隔。

本发明及其优选方案颠覆了现有通过翻斗式雨量传感器获得降雨量数据的方法，且做到了在精度越高的情况下，误差越小的打破常规的效果，在不对常规的翻斗式雨量传感器的主体构件进行改动的情况下，引入了对翻斗两次翻转的时间间隔的采集，结合翻斗式雨量传感器的特征属性，构建了一套全新的获得精确降雨量的解决方案。该种方法完全超脱了现有技术中对翻斗式雨量传感器的误差分析和消除的方法论，并大大简化了翻斗式雨量传感器在长期使用过程中的校准工作。

同时，本发明提供的方案还给出了无需对现有常规设备进行改动，或无需对现有监控终端进行调整的两种可行方案，无需增加过多成本，兼容性强，效果显著，适合大规模推广和使用，具有非常高的市场价值和社会效果。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1为本发明实施例1实现所需的基本构成单元和模块示意图；

图2为本发明实施例1、2、3具体结构剖视示意图；

图3为本发明实施例1、2、3具体结构立体爆炸图；

图4为本发明实施例1、2、3计数摆动机构立体示意图；

图5为本发明实施例1、2、3计数电路模块电路原理图1；

图6为本发明实施例1、2、3计数电路模块电路原理图2；

图7为本发明实施例1、2、3计数电路模块电路原理图3；

图8为本发明实施例4、5、6实现所需的基本构成单元和模块示意图；

图9为适用于本发明实施例1-6的第一种雨量校准仪结构示意图；

图10为适用于本发明实施例1-6的第二种雨量校准仪结构示意图；

图11为本发明实施例1-6获得的h-t相关性的坐标图；

图12为本发明实施例1、4获得的u-t相关性的坐标图；

图13为本发明实施例2、5获得的y-t相关性的坐标图；

图14为本发明实施例3、6获得的y-u相关性的坐标图；

图中：1-承雨器；2-支架；3-漏斗；4-翻斗；5-计数摆动机构；6-计数电路模块；7-调节螺杆；8-磁钢；21-翻斗限位件；22-计数摆动机构限位件；41-翻斗转轴；42-左斗室；43-右斗室；51-计数摆动机构转轴；52-突出部；53-让位部；54-指针部；61-干簧管；62-输出端子；63-计数电路模块支架；64-电池；65-时钟电路；66-主控芯片；67-编程调试接口；68-指示灯电路；69-光电耦合器；610-抗静电防护电路；611-USB接口；612-电源电路；613-电源退耦滤波电路；100-外壳；200-底座。

具体实施方式

需要特别说明的是，本发明的基本要旨在于：对翻斗两次翻转的时间间隔(斗时长t)进行采集，结合翻斗式雨量传感器与斗时长t的相关性特征，直接获得精确的总降雨量H。其中，翻斗式雨量传感器与斗时长t的相关性特征是翻斗式雨量传感器的特征属性中的一种。翻斗式雨量传感器的特征属性是基于特定的翻斗式雨量传感器而存在的，可用于描述该翻斗式雨量传感器区别于其他翻斗式雨量传感器的特性，如：其左右翻斗承接多少雨水会发生翻转的特征、从开始翻转到结束翻转达到稳定状态需要多少时长的特征、在特定总雨量和特定恒定雨强下的总斗数的特征等等，而翻斗式雨量传感器与斗时长t的相关性特征即为翻斗式雨量传感器根据斗时长t能够获得并确定的特征属性的统称。也就是说，基于本发明方案，可以直接在确定了特定的翻斗式雨量传感器(包括洞悉其特征属性)之后，在降雨场景当中，只需要测量其斗时长t，即可获得精确的总降雨量H。

为了支持以上核心发明点，以及让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举6个实施例，并配合附图，作详细说明如下：

首先，虽然在本发明的6个实施例当中，为了获得并确定翻斗式雨量传感器的特征属性均有采用相应的特定试验，但并不代表必须要采用试验的方法才能获得翻斗式雨量传感器的特征属性。因这些特征属性实际上客观存在于每一给定的翻斗式雨量传感器中，而试验法是获知乃至确定这些特征最为直接的方式，然而在当前已有技术水平的框架下，诸如通过对翻斗式雨量传感器进行细致3D建模并进行理论推导，或采用计算机对构建的虚拟模型进行模拟试验等方式同样也可以获知翻斗式雨量传感器的特征属性，只是以加工精度等因素所限，通过该类方法一般所获取的特征属性的精确程度都不如试验法。实际上，在对精度没有极高要求的情况下，也可以将一个翻斗式雨量传感器的特征属性套用至批量生产制造的相同型号规格的产品中，从而实现本发明提供方案的基本功能和效果。因此，试验法并不能视为对本发明主旨方案的唯一性限定。

其次，虽然在本发明的6个实施例当中，翻斗式雨量传感器与斗时长t的相关性特征最后均通过即时雨量函数J(h,t)＝0表征，但并不能认为即时雨量函数是本发明方案当中唯一可以表征翻斗式雨量传感器与斗时长t的相关性特征的特征，根据以下6个实施例的具体展示，本领域普通技术人员应当能够获知，在一定条件下(如雨强恒定)，即时雨量函数具有多种等效的函数表征形式，如等效雨强函数G(u,t)＝0、斗参数-雨强函数F(u,y,t)＝0等，因此在本发明方案的框架下，完全可以通过这些等效的函数来最终表征翻斗式雨量传感器与斗时长t的相关性特征，使总降雨量H的计算过程中，即时雨量h仅作为一个中间量存在，因此，即时雨量函数也不能视为对本发明主旨方案的唯一性限定。

在本发明中，对于即时雨量h的定义：斗时长t的等效雨强在斗时长t内产生的降雨量而言。其中对于“等效雨强”：

我们考虑，在自然降雨的环境中，设当时间点为x的时候，其雨强为R(x)，则有于是，斗时长t内的精确降雨量可以表示为：

基于翻斗式雨量传感器的根本设计原理，单凭翻斗式雨量传感器的测量，根本不可能获得斗时长t内的雨量变化情况，从而无法利用此积分式获得精确解。然而，由于斗时长t内的精确降雨量的客观存在性，根据积分中值定理：一定存在一个确定的雨强值满足虽然该雨强值也不可获得，但我们便因此得到了“等效雨强”的原始含义。

在本发明中，将“等效雨强”定义为，在某种确定的规则下(如在雨强恒定的条件下)，对于确定的翻斗式雨量传感器，获得的每一斗时长值唯一对应的雨强值，从而获得了计算斗时长t内的降雨量的根本性基础。这意味着在确定了即时雨量函数的构成形式之后，即可以直接通过斗时长t近似地求得每个斗时长t内的降雨量，从而实现直接获得总降雨量H的目的。但需要注意的是，上面提及的“恒定的雨强”也不能作为对“等效雨强”的确定规则的唯一的、精确的限定，因在构建斗时长t与其等效雨强的相关性的过程中，并不一定要求雨强的绝对恒定，比如也可以是一个变化率确定的变化雨强，只是在雨强恒定的状态下更有利于控制误差，以及利于计算而已。

此外，本发明方案的实现过程也并不依赖于某种特定结构的翻斗式雨量传感器，其对作为数据测量的物质基础的翻斗式雨量传感器装置的要求仅在于：能够获取t值(一般的翻斗式雨量传感器的t值都可以通过测量干簧管产生的相邻两个开关脉冲之间的时间间隔获得)，以及即时雨量h和斗时长t之间具备确定的、具有一定可描述的规律的相关性，即具备h-t相关的特征属性(如一些为了消除动态损失产生误差的设置有上下两个翻斗的翻斗式雨量传感器，由于其装置本身的结构特点，其输出的t值与即时雨量h或其等效雨强不具备确定的相关性，故不在本发明方案的可适用范围内)。因此，在通常情况下可以理解为任何不同的斗时长t能够反映即时雨量h变化的翻斗式雨量传感器(其一般情况下可以认为是随着实时雨强增大，t呈减小趋势，且只带有一个翻斗的翻斗式雨量传感器)均可以作为本发明方法的装置基础。

当然，本发明提供的以下实施例的具体结构或电路构造，乃至特定的试验方法也不能作为对本发明方案的适用范围的限制，仅作为一种方便于本领域技术人员更好地理解本发明方案的一个具体实现的案例。

如图1所示，在本发明的第1、2、3实施例中，出于兼容现有的翻斗式雨量传感器与一般设置在气象站的监控终端对接和数据交互方式的考量，将基本运算单元放在翻斗式雨量传感器本地。第1、2、3实施例对常规的翻斗式雨量传感器中只具备产生干簧管61开闭的计数脉冲功能的计数电路模块电路进行改进，在计数电路模块电路中增加了作为本地获取t值的时钟电路65，以及作为数据运算和存储核心的主控芯片66。主控芯片66根据t值进行运算后产生能够精确计算降雨量的开关量，并通过输出端子62传输至监控终端。

下面具体分别对实施例1、2、3中主控芯片66采用的数据处理和计算方法乃至其产生的过程进行详细的说明。

实施例1：

(1)获得u-t相关性特征

根据本发明主旨方案的定义，为了获得即时雨量h，在斗时长t可以直接获得的情况下，只要能够获得斗时长t的等效雨强u即可，因此，在本实施例中，通过u-t相关性获取翻斗式雨量传感器的特征属性，而u-t相关性通过以下方法构建：

在试验环境的条件下，设定不同的恒定雨强值对翻斗式雨量传感器进行测试，并根据测试结果构建等效雨强函数：

G(u,t)＝0；

其中，u为斗时长t的等效雨强，单位为mm/min；t的单位为s。其中，“等效雨强”在此实施例中的含义在于，在恒定雨强的环境中，每一雨强值与每一斗时长值均有一一对应的关系，该等效雨强即用于表征斗时长t对应的唯一雨强值。

以上步骤的含义在于，通过控制恒定雨强值的准确数值，并获得对应的t值，并将u-t的相关性通过等效雨强函数表达。

更具体地，本实施例提供了两种等效雨强函数构建的路径。

其一为离散函数的构建方式，具体为：

在试验环境的条件下，设定多个不同且处于(0,u_max]区间的恒定雨强值在每个恒定雨强值下，测出对应的t值(可以在一个恒定雨强值下测出多个t值(因实际上极难控制试验环境的雨强能够恒定至t值都无法分辨的水准)并可以通过平均数、中位数、最大似然估计或其他合理的数学方法确定t值，以增加准确性和可信度)；此时认为每个t对应的恒定雨强值即为斗时长t的等效雨强，并依此建立u和t的映射对应关系；

其中，u_max为雨强极值，一般可以取8mm/min，因在通常情况下，不会有超过该雨强极值的降雨，该上界值也可以根据实际需要进行灵活调整。

该方法在实际使用当中可以是：根据测试结果建立u和t的对应关系表，对于恒定雨强值的选点既可以采用常规的定比分点的方式也可以采用任意合理的其他规则，只要满足u的选点密度能够满足该对应关系表的精度要求，并考虑到兼顾区间边界处的数据覆盖即可。

该种构建方式的优势在于直接可用，且在测试点密度和分布足够合理的情况下能够保证u-t的相关性的精确性。

其二为连续(拟合)函数的构建方式，具体操作思路可以为：

通过观察和研究大量u-t的离散点的分布和形态，以拟合为目的构建满足：在u∈(0,u_max]，t＞0的区间内为连续函数，且当u_α＜u_β时有t_α≥t_β的基本要求的等效雨强函数。

该等效雨强函数可以通过预设包括n个(n≥2)拟合参数的函数解析式预构建(拟合参数数量越多，拟合效果越精确，但一般计算量也越大)。该预构建的解析式形式一般根据大量试验值的分布所构成的图像进行拟合获得，由于采用类似构造和原理的翻斗式雨量传感器的试验值的分布一般具有共通的特征和规律，因此该预构建的函数解析式对于同一种类型的翻斗式雨量传感器均通用，如图12所示，该曲线即为本实施例所采用的翻斗式雨量传感器u-t相关性曲线的坐标图，预构建的等效雨强函数即可以基于对该种曲线的拟合。

再通过在试验环境的条件下，设定n个不同且处于(0,u_max]区间的恒定雨强值在每个恒定雨强值下，测出对应的t值(可以在一个恒定雨强值下测出多个t值并可以通过平均数、中位数、最大似然估计或其他合理的数学方法确定t值，以增加准确性和可信度)，获得n组不同的试验值(u₁,t₁)、(u₂,t₂)、……(u_n,t_n)，并带入预构建的等效雨强函数，由此确定n个拟合参数的值。

从而完成等效雨强函数的解析式的确定。

在此需要说明的是，虽然预构建的函数解析式一般最好采用容易求解的函数形式以降低计算量。但即使构建的函数解析式无法通过上述方法求解拟合参数的精确解，其也可以通过计算机程序获得近似的值，因此也属于一种可行的方案。

构建连续函数的方式相比于上一种离散函数的构建方式其优势在于预构建的函数解析式确定的情况下，为获得同样精度的u-t的相关性，其所需的试验次数一般更少，且对于趋近于0等的较难通过试验直接测定的相关性数据也可以通过拟合获得可以满意的输出值。

同时，构建的连续函数的精确性既可以通过试验的方式进行验证或修正，也可以通过u-t的相关性的固有特征校验所构建函数的合理性，如当u趋近于零的时候，一般要求t需要有趋近于无穷大的性质。

虽然以上两种构建方式不依赖于对翻斗式雨量传感器的数学建模和分析，不过，基于本实施例提供的u-t相关性的构建方法，其并不排斥通过翻斗式雨量传感器建立的数学模型推导出一种可用的函数解析式的模型，并通过试验的方式最终确定等效雨强函数的构成。

(2)输出方式的选择

①即时雨强的获取。

根据上述已经构建的等效雨强函数，在翻斗式雨量传感器的实际使用状态下，可以直接根据斗时长t的值，获得斗时长t的等效雨强值。

如果构建的是离散函数，则可直接在u和t的对应关系表上取与实际测量的t值最接近的t值对应的u值作为输出值；对于连续函数，则直接将实际测量的t值带入解析式求得对应的u值作为输出值。

如果将所有获得的等效雨强值u在时间轴上表示出来，我们其实就得到了相当精确的、实时的可以反映即时雨强情况的图景，并能够量化地了解实际雨强随时间变化的状况，这一点是通过现有技术方案完全无法实现的。

②总降雨量的获取。

根据本发明方案对即时雨量h的定义：

其中，即时雨量h的单位为mm。

因此，根据该关系式以及等效雨强函数，可以直接获得即时雨量h与斗时长t的函数关系：

J(h,t)＝0。

构建完成的h-t相关性一般形如图11中的曲线所示。

因此，在翻斗式雨量传感器的实际使用状态下，直接根据斗时长t的值，可以获得即时雨量h。

由于自然界中实际降雨的雨强即使在一个斗时长内也基本不可能是一个恒定值，因此，通过整个降雨统计期间内的所有即时雨量h累加获得总降雨量H实质上是一种类似积分的近似运算，然而根据这一特点，我们可知，当翻斗式雨量传感器的精度越高时，同样雨强下的斗时长t将越短，根据常识，在越短时间内，自然降雨的雨强变化自然越不明显，则通过整个降雨统计期间内的所有即时雨量h累加获得总降雨量H的近似计算误差也就越小。这种特性，与现有的通过翻斗式雨量传感器计算降雨量的方案截然相反，且显著更优，相当于直接获得了实现超高精度降雨量数据获取的技术路径。

至于具体的，对于如何通过该即时雨量h，直接获得总雨量统计期间内的总降雨量H，翻斗式雨量传感器直接输出每一计算获得的即时雨量h或一次降雨期间内的总降雨量H是最理想的方式，本实施例为了与现有的降水量采集系统兼容，通过将即时雨量h和翻斗式雨量传感器的精度ε进行除运算，提供了两种从计数电路模块计算获得的重新定义的开关量的技术实现路径：

其一在于：通过即时雨量h的累加值与翻斗式雨量传感器的精度ε相除获得，即在总雨量统计期间内，计数电路模块在一个预设的周期内将即时雨量h的累加值与翻斗式雨量传感器的精度ε进行相除的运算，并将获得的除数与上一周期的尾数求和，之后将该和值的整数部分转换为相同个数的计量信号作为开关量z进行周期性的批量输出，小数部分作为本周期的尾数。

其二在于：通过即时雨量h与翻斗式雨量传感器的精度ε相除后进行累加获得，即在总雨量统计期间内，计数电路模块将每一即时雨量h与翻斗式雨量传感器的精度ε进行相除的运算，取整数部分作为开关量z输出，对小数部分进行累加，并将累加值的整数部分转换为相同个数的开关量z输出，同时保留累加值的小数部分参与下一次累加。

通过以上两种路径均可以精确地将本地计算获得的即时雨量h通过兼容现有监控终端降雨量获取和计算的方式，使得监控终端能够以此得到准确的总降雨量H。本实施例提供由本地向监控终端发送的数据信号虽然也是开关量的形式，但现有技术方案产生的开关量完全是基于干簧管61的计数信号，而本实施例方案的开关量产生机制则如上所述，完全不同。

③混合型输出方式。

通过试验和相关分析我们可知，如图12所示，当u极小时，t会是一个很大的值，且在u趋近于0的区间内，t的变化率非常高。根据这一关系，通过本实施例提供方案构建的等效雨强函数与实际情况的吻合性就可能很难得到保障。而根据翻斗式雨量传感器本身的特性，一般情况下，当雨强值越小时，其通过干簧管61的计数信号和预设的量程所计算出的降雨量的误差也越小。

因此，基于本实施例提出的基本方案，还可以结合本实施例提出的开关量产生机制与传统的开关量产生机制(直接按照斗数产生开关量)提出一种新的混合型输出方案：预设一个t的阈值，当小于该阈值时，说明当前降雨情况偏离u趋近于0的区间，此时采用合本实施例提出的开关量产生机制进行计算和输出，而当大于该阈值时，直接采用传统的开关量产生机制，也能够保证精确的降雨量数据的输出。

由于本实施例提供方案所对应的特定试验基于恒定的雨强环境，通过如图9所示的当前常用的雨量校准仪无法能够达到理想的试验环境。这是由于传统的雨量校准仪，以标准球作为水源容器，以给定的的总降雨量H₀对雨量传感器模拟下雨，随着测试的进行，标准球内的水位会逐步降低，那么标准球内的水位与出水口之间的压力差就会逐步减小，而控制雨强的办法一般是改变通过流量控制阀改变出水通孔面积的方法，对于恒定的出水通孔面积，很显然，随着压力的降低，流量就会减小，也就意味着雨强是逐步减小的。

如图10所示，本实施例提供了一种新的能够输出精确的恒定雨强的雨量校准仪设计方案，其包含有一个储水容器，在测试的时候，水泵一直对储水容器注水，注水的流量大于出水的流量，多余的水从溢水口流出，那么出水口与储水容器最高水位之间的高度差保持不变，这样对于恒定的出水通孔面积，其流量是稳定的，也就意味着雨强是恒定的，再通过步进电机和流量控制阀即可精确控制和调整输出雨强的大小。

利用该装置，在u-t相关性的构建的试验当中，斗时长t的获取也可以不通过测算翻斗两次翻转的间隔时间，而可以通过以下方法获得：

步骤1：确定恒定雨强值，在一个恒定的时间T₀秒内，调整好流量控制阀，让水流到一个量杯内，称出量杯内水的质量m克，则

步骤2：按恒定雨强对翻斗式雨量传感器进行模拟降雨，设定一个恒定的斗数y，测量出总的降雨时间T，那么

步骤3：通过调整不同的恒定雨强就可以得出一组数据(u₁,t₁)，(u₂,t₂)，…，(u_n,t_n)。

以上结合特定装置的测试方法也为本实施例在等效雨强函数构建测试当中的一个优选的实例，其能够保证很高的试验精度，也就确保了等效雨强函数与翻斗式雨量传感器的实际特征有更好的吻合，以提升使用过程中测得雨量数据的精度。同时也可以作为在后续长期使用过程当中对翻斗式雨量传感器的即时雨量函数进行校准的试验仪器。

然而，本实施例方案的缺陷在于，虽然可以通过构建等效雨强函数从而根据定义直接确定即时雨量函数，但是，为了使结果足够精确，其一方面对试验环境提供的雨强要求很高，另一方面还要获得具体的恒定雨强的精确数值。这样的条件，通过常规的雨量校准仪及其他降雨环境模拟设备几乎不可能达到，即使通过如图10所示的装置方案，也未必能够保证足够的精度。因此，以下还提供了两个通过间接的方法获得即时雨量函数的实施例。

实施例2：

(1)获得y-t相关性特征

由于通过一般的降雨试验，斗数y和斗时长t是可以精确测量的值，因此，本实施例从y-t相关性出发，获得翻斗式雨量传感器的特征属性。

在本实施例中，y-t相关性通过以下方法构建：

在试验环境可确定的总降雨量H₀下，提供多次不同强度的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试，并根据测试结果构建斗数-斗时长函数：

E(t,y)＝0；

其中，斗数y为翻斗翻转总次数，斗时长t的单位为s。

由于在可以确定的总降雨量H₀具体值的前提条件下，控制总降雨量保持不变，通过改变雨强大小进行试验，可以根据测量获得的斗数y和斗时长t的相关性。因此，斗数-斗时长函数即用于表达该种相关性特征，其表征的对象为：在总降雨量为H₀，且雨强恒定的环境中，每一斗时长与总斗数的一一对应的关系。

其中，在本实施例中，获得可以确定的总降雨量H₀总降雨量的方式既可以通过如图9所示的雨量校准仪中的标准球的容积给定，也可以采用如图10所示的在翻斗式雨量传感器的下方设置带有称重计的用于承接翻斗排出水的容器测定。

雨量大小的调节一般通过调节阀门(如出水电磁阀)进行。实现本实施例的方案时无需知晓雨强的具体数值，通常地，也不要求提供的雨强在模拟降雨的过程中必须完全恒定(但为了控制误差，应当尽可能地恒定，这一点上达到控制如图9所示的雨量校准仪中的出水电磁阀的状态在模拟降雨的过程中状态保持不变即可)，因此满足本实施例方案的试验条件只需要一般的雨量校准仪及其配套的设备即可完成。

更具体地，本实施例提供了三种斗数-斗时长函数构建的路径。

其一为离散函数的构建方式，具体为：

在试验环境可确定的总降雨量H₀下，提供多次不同强度的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试，测出每次降雨过程中翻斗式雨量传感器的斗数y值，以及对应的y个斗时长t值：t₁，t₂，t₃，……，t_y，并且，在控制调整雨强的时候应覆盖小雨、中雨、大雨等各类型降雨场景，且应当尽可能保证雨强恒定。

并依此建立t和y的映射对应关系，其中，可以通过分析t₁，t₂，t₃，……，t_y数据的统计特性，可以通过中位数、最大似然估计或其他合理的数学方法确定t值，并可以通过t和y应当具备的正相关性加以验证和校正。

该种构建方式的优势在于直接可用，且在测试点密度和分布足够合理的情况下能够保证y-t的相关性的准确性，且试验提供的雨强恒定性越高，y个斗时长t值的一致性越强，则获得的斗数-斗时长函数越精确。

其二为连续(拟合)函数的构建方式：

通过y-t的离散点的分布和形态，以拟合为目的构建满足以下条件的斗数-斗时长函数：

在y>0，t>0的区间内，满足当y_α＜y_β时有且可表示成如下形式：

F(t,y)＝g₁(y)f₁(t)+g₂(y)f₂(t)+…+g_n(y)f_n(t)＝0；(斗数-斗时长函数-1)

上述斗数-斗时长函数-1的限制目的在于通过该种构成形式，在总降雨量H₀下，对于平均雨强y为确定值，可以进一步表示成为：

(斗数-斗时长函数-2)从而方便后续的计算和处理。

该斗数-斗时长函数通过预设包括n个(n≥2)拟合参数的函数解析式预构建(拟合参数数量越多，拟合效果越精确，但一般计算量也越大)，该预构建的解析式形式一般根据大量试验值的分布所构成的图像进行拟合获得，由于采用类似构造和原理的翻斗式雨量传感器的试验值的分布一般具有共通的特征和规律，因此该预构建的函数解析式对于同一种类型的翻斗式雨量传感器均通用。如图13所示，该曲线即为本实施例所采用的翻斗式雨量传感器y-t相关性曲线的坐标图，预构建的斗数-斗时长等效雨强函数函数即可以基于对该种曲线的拟合。

其中，能够表示成斗数-斗时长函数-1的形式是为了更好地处理试验雨强恒定性较为不佳时试验数据的设定，当试验雨强恒定性足够高的情况下，预构建的斗数-斗时长函数可以不必能够表示成该种形式。

之后在试验环境可确定的总降雨量H₀下，提供n次不同强度的降雨试验，对翻斗式雨量传感器进行测试，测出n次降雨过程中翻斗式雨量传感器的斗数y值，以及对应的y个斗时长t值：t₁，t₂，t₃，……，t_y，获得n组不同的试验值，将获得的y值和t值的结果带入并带入斗数-斗时长函数-2式中，由此确定n个拟合参数的值。(当试验雨强恒定性足够高的情况下可以直接向常规形态的斗数-斗时长函数E(t,y)＝0带入n组试验值当中的y值和任意一个t值(平均值、中位数等也可)即可。)

从而完成斗数-斗时长函数的解析式的确定。

在此需要说明的是，虽然预构建的函数解析式一般最好采用容易求解的函数形式以降低计算量。但即使构建的函数解析式无法通过上述方法求解拟合参数的精确解，其也可以通过计算机程序获得近似的值，因此也属于一种可行的方案。

以下通过具体的斗数-斗时长函数的解析式的构建和算例，对上述方案进一步阐释：

如，根据大量试验获得的形如图13所示的试验数据，将斗数-斗时长函数预构建成为以下形式：

其中，a、b、c为拟合参数。

通过如图9所示装置对翻斗式雨量传感器在H₀＝10mm的场景下进行试验获得了以下三组数据：

小雨：y：119；590.6109994；25.08375815；

中雨：y：113；248.2050013；53.3575994；

大雨：y：108；153.893；79.5224448；

将以上数据带入：

可得方程组：

解得：

从而确定了斗数-斗时长函数的解析式的具体形式。

以上构建连续函数的方式相比于前述离散函数的构建方式其优势在于预构建的函数解析式确定的情况下，为获得同样精度的y-t的相关性，其所需的试验次数一般更少，且对于试验提供的雨强恒定性的要求较上述离散函数的构建方式更低，对于趋近于0等的较难通过试验直接测定的相关性数据也可以通过拟合获得可以满意的输出值。

同时，构建的连续函数的精确性既可以通过试验的方式进行验证或修正，也可以通过y-t的相关性的固有特征校验所构建函数的合理性，如当t足够大的时候，一般要求y需要有趋近于一个定值(理想开关量)的性质。

其三，对翻斗式雨量传感器建立的数学模型构建函数解析式的方式：

虽然以上两种构建方式不依赖于对翻斗式雨量传感器的数学建模和分析，不过，基于本实施例提供的y-t相关性的构建方法，其并不排斥通过对翻斗式雨量传感器建立的数学模型推导出一种可用的函数解析式的模型，并通过试验的方式最终确定斗数-斗时长函数。

如，只考虑动态损失的情况下，设恒定雨强值为单位为mm/min，无动态损失的理想斗数为C，则根据降雨量H的定义，有：可得动态损失的降雨量为再设每一斗时长t内的处于动态损失状态下的时长为τ，可得动态损失的降雨量为联立两式可得以下表征y-t相关性的动态损失方程，相当于预构建的斗数-斗时长函数：

(C-y)t＝yτ

其中，C和τ可以相当于在拟合法当中的拟合参数；

根据本实施例提供的方案，以上方程在试验环境可确定的总降雨量H₀下，可以进一步写为斗数-斗时长函数-2的形式：

通过如图9所示装置对翻斗式雨量传感器在H₀＝10mm的场景下进行试验获得了以下两组数据：

第一次测量：y＝108，

第二次测量：y＝113，即得方程组：

解得C＝123.5040045，τ＝0.202739052

从而确定了斗数-斗时长函数的解析式的具体形式。

(2)输出方式的选择

①总降雨量的获取。

根据以上确定的斗数-斗时长函数提供的已表征的y-t相关性，以及雨强恒定时成立的关系式：(由即时雨量h的定义：以及获得)，可以直接获得即时雨量函数：J(h,t)＝0；

其中，即时雨量h的单位为mm；总降雨量H₀的单位为mm。

根据即时雨量函数，在翻斗式雨量传感器的实际使用状态下，直接根据斗时长t的值，可以获得即时雨量h。构建完成的h-t相关性一般形如图11中的曲线所示。

通过该即时雨量h，可以直接获得总雨量统计期间内的总降雨量H，本实施例采用的对于开关量的输出方案与实施例1相同，在此不多做赘述。

此外，需要说明的是，通过以上试验和相关分析我们可知，如图14所示，当u极小时，y将趋近于理想开关量，t会是一个很大的值，且在u趋近于0的区间内，t的变化率非常高。根据这一关系，基于本实施例提出的基本方案，可以对本实施例提出的开关量产生机制提出一个修订，当t大于某个阈值时，直接令y为理想开关量，此时直接认为h为翻斗的额定一斗雨量。

②即时雨强的获取

根据上述已经构建的即时雨量函数，再根据本发明方案对即时雨量h的定义：

即可由此获得获得等效雨强函数：

G(u,t)＝0；

其中，斗时长t的等效雨强u的单位为mm/min。

在翻斗式雨量传感器的实际使用状态下，可以直接根据斗时长t的值，获得斗时长t的等效雨强值。

如果构建的是离散函数，则可直接在u和t的对应关系表上取与实际测量的t值最接近的t值对应的u值作为输出值；对于连续函数，则直接将实际测量的t值带入解析式求得对应的u值作为输出值。

如果将所有获得的等效雨强值u在时间轴上表示出来，我们其实就得到了相当精确的、实时的可以反映即时雨强情况的图景，并能够量化地了解实际雨强随时间变化的状况，这一点是通过现有技术方案完全无法实现的。

实施例3：

(1)获得y-u相关性特征

由于通过一般的降雨试验，斗数y是可以精确测量的量，此时，虽然无法给出精确的恒定雨强值，导致直接的u-t相关性难以获得，但可以尝试通过平均雨强值来替代，由于平均雨强值与斗数y的相关性较为显著，因此，本实施例从y-u相关性出发，获得翻斗式雨量传感器的特征属性。

在本实施例中，y-u相关性通过以下方法构建：

在试验环境可确定的总降雨量H₀下，设定多个不同且处于(0,u_max]区间的平均雨强值对所述翻斗式雨量传感器进行测试，并根据测试结果构建斗参数-雨强函数：

F(u,y,t)＝0；

其中，u为斗时长t的等效雨强，单位为mm/min；斗数y为翻斗翻转总次数。

以上构建斗参数-雨强函数的目的在于，在可以确定的总降雨量H₀的前提条件下，控制总降雨量保持不变，通过改变雨强大小进行试验，此时斗数y和测试给出的平均雨强值将具备显著的相关性，本实施例将通过斗参数-雨强函数建立这种相关性的数学表达。该斗参数-雨强函数的含义在于，作为翻斗式雨量传感器的一种特征属性，其表征了：在总降雨量为确定值H₀时，斗数y、斗时长t以及斗时长t的等效雨强u具备确定的关联性。在用其表达y-u的相关性时，只要雨强的变化率不大(近似恒定)时，平均雨强值可以近似地看做斗时长t的等效雨强u，并可以通过恒定雨强下成立的关系式：消去斗时长t，从而构建获得y-u相关性特征。

其中，在本实施例中，获得可以确定的总降雨量H₀总降雨量的方式既可以通过如图9所示的雨量校准仪中的标准球的容积给定，也可以采用如图10所示的在翻斗式雨量传感器的下方设置带有称重计的用于承接翻斗排出水的容器测定。

而雨量大小的调节一般通过调节阀门(如出水电磁阀)进行。实现本实施例的方案时，但不要求提供的雨强在模拟降雨的过程中必须完全恒定(但为了控制误差，应当尽可能恒定，这一点一般通过控制如图9所示的雨量校准仪中的出水电磁阀的状态在模拟降雨的过程中状态保持不变即可)，因此满足本实施例方案的试验条件只需要一般的雨量校准仪及其配套的设备即可完成，平均雨强值的具体数值一般通过降雨试验的总降雨量H₀和总降雨时间T获得。

而如图10所示的雨量校准仪设计方案可以作为本实施例中提供恒定雨强的试验装置，其包含有一个储水容器，在测试的时候，水泵一直对储水容器注水，注水的流量大于出水的流量，多余的水从溢水口流出，那么出水口与储水容器最高水位之间的高度差保持不变，这样对于恒定的出水通孔面积，其流量是稳定的，也就意味着雨强是恒定的，再通过步进电机和流量控制阀即可精确控制和调整输出雨强的大小。

更具体地，本实施例提供了三种斗参数-雨强函数构建的路径。

其一为离散函数的构建方式，具体为：

在试验环境可确定的总降雨量H₀下，提供多次不同强度的降雨试验，在每个平均雨强值下，测出斗数y值，并且，在控制调整雨强的时候应覆盖小雨、中雨、大雨等各类型降雨场景，且应当尽可能保证雨强恒定。

其中，在每个平均雨强值下可以进行多次测试，将获得的多个y值采用取平均值、中位数等统计方法确定。

并由(接近)恒定雨强下的和斗时长t的等效雨强u的近似关系，建立u和y的映射对应关系。

该种构建方式的优势在于直接可用，在雨强足够恒定(此时基本可以视为斗时长t的等效雨强u)且测试点密度和分布足够合理的情况下能够保证y-u的相关性的准确性，且试验提供的雨强恒定性越高，和斗时长t的等效雨强u之间的误差越小，则获得的斗参数-雨强函数越精确。

其二为连续(拟合)函数的构建方式：

通过的离散点的分布和形态，以拟合为目的构建满足以下条件的斗数-斗时长函数：

在内满足：连续，y≤D，且当u_α＜u_β时有y_α≥y_β，其中，u_max为雨强极值，理想开关量为通过斗参数-雨强函数确定的函数。

该斗参数-雨强函数可以通过预设包括n个(n≥2)拟合参数的函数解析式预构建(拟合参数数量越多，拟合效果越精确，但一般计算量也越大)，该预构建的解析式形式一般根据大量试验值的分布所构成的图像进行拟合获得，由于采用类似构造和原理的翻斗式雨量传感器的试验值的分布一般具有共通的特征和规律，因此该预构建的函数解析式对于同一种类型的翻斗式雨量传感器均通用。如图14所示，该曲线即为本实施例所采用的翻斗式雨量传感器y-u相关性曲线的坐标图，预构建的斗参数-雨强函数即可以基于对该种曲线的拟合。

之后，在试验环境可确定的总降雨量H₀下，设定n个不同且处于(0,u_max]区间的平均雨强值获得n组不同的试验值(u₁,y₁)、(u₂,y₂)、……(u_n,y_n)。将获得n组试验值带入斗参数-雨强函数式中，由此确定n个拟合参数的值，当试验提供的雨强越恒定，则确定的拟合参数的值越精确。

从而完成斗参数-雨强函数的解析式的确定。

以下提供具体的斗参数-雨强函数的解析式的构建和算例：

如，根据大量试验获得的形如图14所示的试验数据，将斗参数-雨强函数预构建成为以下形式(双曲函数)：

其中，a、b、c为拟合参数。

通过如图9所示装置对翻斗式雨量传感器在H₀＝10mm的场景下进行试验获得了以下三组数据：

小雨：y：119；

中雨：y：113；

大雨：y：108；

将以上数据带入：

解得：

从而确定了斗参数-雨强函数的解析式的具体形式。

构建连续函数的方式相比于离散函数的构建方式其优势在于预构建的函数解析式确定的情况下，为获得同样精度的y-u的相关性，其所需的试验次数一般更少，且对于试验提供的雨强恒定性的要求较上述离散函数的构建方式更低，对于趋近于0等的较难通过试验直接测定的相关性数据也可以通过拟合获得可以满意的输出值。

此外，虽然预构建的函数解析式一般最好采用容易求解的函数形式以降低计算量。但即使构建的函数解析式无法通过上述方法求解拟合参数的精确解，其也可以通过计算机程序获得近似的值，因此也属于一种可行的方案。

如，斗参数-雨强函数可以预构建成为以下形式(多项式函数)：

F(y,u)＝y-(a₀+a₁u+a₂u²+a₃u³+…+a_nuⁿ)＝0

此时，直接求精确解存在困难，但可以通过计算机程序获得可以接受的近似解。

同时，构建的连续函数的精确性既可以通过试验的方式进行验证或修正，也可以通过y-u的相关性的固有特征校验所构建函数的合理性，如

其三，对翻斗式雨量传感器建立的数学模型构建函数解析式的方式：

虽然以上两种构建方式不依赖于对翻斗式雨量传感器的数学建模和分析，不过，基于本实施例提供的y-u相关性的构建方法，其并不排斥通过对翻斗式雨量传感器建立的数学模型推导出一种可用的函数解析式的模型，并通过试验的方式最终确定斗参数-雨强函数的构成。

如，只考虑动态损失的情况下，设恒定雨强值为单位为mm/min，无动态损失的理想斗数为C，则根据降雨量H的定义，有：可得动态损失的降雨量为再设每一斗时长t内的处于动态损失状态下的时长为τ，可得动态损失的降雨量为联立两式可得以下y-u动态损失方程，相当于预构建的斗参数-雨强函数：

(C-y)ut＝yuτ

其中，C和τ可以相当于在拟合法当中的拟合参数；

再根据雨强恒定时满足的关系式：可以获得表征y-u相关性的方程：

通过如图9所示装置对翻斗式雨量传感器在H₀＝10mm的场景下进行试验获得了以下两组数据：

第一次测量：y＝108，

第二次测量：y＝113，

带入可解得C＝123.7936913，τ＝0.20310817

从而确定了斗参数-雨强函数的解析式的具体形式。

(2)输出方式的选择

①总降雨量的获取。

根据以上确定的斗参数-雨强函数，雨强恒定时成立的关系式：以及即时雨强的定义式获得即时雨量函数：J(h,t)＝0；其中，即时雨量h的单位为mm；总降雨量H₀的单位为mm；斗时长t的单位为s。

根据即时雨量函数，在翻斗式雨量传感器的实际使用状态下，直接根据斗时长t的值，可以获得即时雨量h。构建完成的h-t相关性一般形如图11中的曲线所示。

作为本实施例提供的一个优选方案，有：

其中，a、b、c为拟合参数。

作为本实施例提供的另一个优选方案，有：

其中，C为无动态损失的理想斗数，τ为每一斗时长t内处于动态损失状态下的时长。

通过该即时雨量h，可以直接获得总雨量统计期间内的总降雨量H，本实施例采用的对于开关量的输出方案与实施例1相同，在此不多做赘述。

②即时雨强的获取

根据上述已经构建的即时雨量函数，再根据本发明方案对即时雨量h的定义：

即可由此获得获得等效雨强函数：

G(u,t)＝0；

其中，斗时长t的等效雨强u的单位为mm/min。

在翻斗式雨量传感器的实际使用状态下，可以直接根据斗时长t的值，获得斗时长t的等效雨强值。

如果构建的是离散函数，则可直接在u和t的对应关系表上取与实际测量的t值最接近的t值对应的u值作为输出值；对于连续函数，则直接将实际测量的t值带入解析式求得对应的u值作为输出值。

如果将所有获得的等效雨强值u在时间轴上表示出来，我们其实就得到了相当精确的、实时的可以反映即时雨强情况的图景，并能够量化地了解实际雨强随时间变化的状况，这一点是通过现有技术方案完全无法实现的。

在以上3个实施例当中，我们可以发现，虽然3个实施例的相关性特征构建的理论基础都是基于恒定雨强，但除了通过获得u-t相关性特征构建即时雨量函数的实施例1之外，在实施例2、3当中，由于可以采用非恒定雨强的测试试验方案，其试验值一般都是在非恒定雨强下测出的，必然导致最终确定的即时雨量函数的不精确性(在实际的场景中，即使通过如图10所述的雨量校准仪进行试验，也很难获得真正完全恒定的雨强，因此即使实施例1方案也未必能够保证足够精确)。因此，为进一步提高以上3个实施例所获得即时雨量函数的精度，考虑到在拟合法的构建方案当中拟合参数与试验值具备的相关性，在此提供一种专用于通过连续函数构建即时雨量函数的方案的优选校准方案：

本校准方案需要采用至少具备如图9所示雨量校准仪的可提供确定总降雨量H₀和可再现特定降雨场景功能的试验装置，一般的现有常用雨量校准仪均满足该条件。

在上述3个实施例当中，无论采用的是拟合法还是建立数学模型的方法预构建获得的确定函数模型，均涉及到了需要通过试验确定的待定参数(如拟合参数或者数学模型当中需要通过试验确定的C、τ等参数)，因此，在试验值与相关性模型之间的吻合性存在偏差的情况下，本校准方法考虑采用对试验值当中的斗数y进行校准的方法，具体包括以下步骤：

步骤D1：通过雨强恒定时成立的关系式：和即时雨量的定义式：对预构建的函数模型进行变换调整，获得带有斗数y的第一形态，以及可以直接输出本发明方法定义的新的开关量的第二形态。

其中，第一形态一般可以为：

斗数-斗时长函数：E(t,y)＝0；此时通过带有斗数和斗时长的试验值确定待定参数；

斗数-雨强函数：K(u,y)＝0；此时通过带有斗数和平均雨强的试验值确定待定参数；

斗参数-雨强函数：F(u,y,t)＝0；此时通过带有斗数、斗时长和平均雨强的试验值确定待定参数。

第二形态一般即为即时雨量函数：J(h,t)＝0；其与第一形态共用待定参数，当第一形态通过试验值确定了待定参数之后，通过即时雨量函数即可直接在与获得试验值的相同条件下输出本发明方法定义的新的开关量z；

并在试验环境可确定的总降雨量H₀下，设定n次不同强度的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试，并基于第一形态所对应的函数变量，在每次降雨试验中，测出y值以及其他函数变量，如斗时长和平均雨强，获得n组试验值；

步骤D2：将n组试验值带入预构建函数的第一形态，计算获得n个拟合参数，并依此确定第二形态的函数；

步骤D3：基于确定的第二形态的函数，采用与步骤D1相同的试验条件对翻斗式雨量传感器进行测试，获得开关量z，在每次降雨试验中，测出对应的开关量z的值，获得n个开关量z的值；

步骤D4：将n个z值与理想开关量D进行比较运算，获得n个修正值，其中：ε为翻斗式雨量传感器的精度，如果某一z值落在理想开关量D所确定的误差范围内(如在0.1mm的精度下进行H₀为10mm的试验，则理想开关量D为100，如果允许的误差为1％，则可认为z值只要落在99-101的范围内即可以无需继续修正)，则对应的修正值为0；当所有的修正值为0时，则结束构建；只要有一个修正值不为零，则继续执行步骤D5；

步骤D5：采用n个修正值分别对n组试验值中的y值进行修正，获得修正后的n组试验值；

步骤D6：将修正后的n组试验值带入预构建函数的第一形态，计算获得n个拟合参数，并依此重新确定第二形态的函数；并回到步骤D3。

通过以上步骤，以输出的开关量的误差表征试验值与预构建函数模型的不吻合性，并通过开关量误差产生修正值，并以该修正值反过来对试验值当中的斗数进行修正调整，并通过循环修正，逐步逼近理想状态。

在本方法中，修正值可以采用求差值或求比例系数的方式产生，如在理想开关量D为100，且其允许的误差为1％，即所确定的误差范围为99-101的情况下，如果某次试验输出的开关量z为97，则通过求差法，修正值可以是：+3(97+3＝100)，接下来可以对对应的试验值中的斗数进行+3的调整；通过求比例系数法，则修正值可以是：1.03(100/97＝1.03)，接下来可以对对应的试验值中的斗数进行乘1.03的调整。

在之后的运算当中，如果某次试验输出的开关量z落在99-101的范围，也就是说|z-D|≤1，则，直接确定修正值为0，当所有试验组对应的修正值均为0时，即结束修正流程，将最后一次计算对应的参数值和即时雨量函数最终确定下来。

以上优选的校准方法不仅可用于翻斗式雨量传感器使用之前的特征函数模型的校准，使通过非恒定雨强试验确定的即时雨量函数也能够保证与真实情况足够吻合的精确性，同样也可以适用于翻斗式雨量传感器在长期使用的过程中进行的误差校准和调整，其只需要通过常规的雨量校准仪提供测试环境，并且只需通过校准重新确定特征函数模型中的(拟合)参数值即可，能够大大提升校准操作的便捷性和效率。

为了更进一步阐述以上实施例1、2、3的具体实现机制，以下结合图1-图7对实施例1、2、3可以通用的的一种具体的翻斗式雨量传感器装置进行具体的说明：

在装置结构方面，如图2、图3所示，该翻斗式雨量传感器装置作为一典型的具备单个翻斗的翻斗式雨量传感器，包括：设置在支架2上方的承水器1、设置在支架2顶部的漏斗32、设置在漏斗3下方的翻斗4、设置在翻斗4下方的计数摆动机构5、以及包括干簧管61的计数电路模块6。

翻斗4通过翻斗转轴41与支架2构成铰接；计数摆动机构5通过计数摆动机构转轴51与支架2构成铰接；翻斗转轴41和计数摆动机构转轴51设置在翻斗4的左斗室42和右斗室43的对称面上。

如图2所示，该翻斗式雨量传感器装置整体安装在外壳100和底座200构成的壳体当中，计数电路模块6设置于支架2的旁侧，其配置有输出端子62和电池61，并整体组装在计数电路模块支架63上。

如图4所示，实施例1、2、3提供的计数摆动机构5包括分别沿左斗室42和右斗室43延伸方向伸出的突出部52、包绕翻斗转轴41的让位部53，以及固定有磁钢8的指针部54；指针部54的摆动最高点与设置在支架2侧壁上的干簧管61等高(略低于干簧管61也是可行的方案，只需要保证当指针部54处于摆动最高点时，干簧管61的常开触点闭合，当指针部54偏离最高点时，干簧管61的常开触点打开即可)；磁钢8设置在计数摆动机构5的对称面上。

翻斗4和计数摆动机构5的两侧摆动范围各由两个限位件限制，包括两个形如圆柱状突起的翻斗限位件21和两个形如圆柱状突起的计数摆动机构限位件2222；限位件的作用是控制翻斗4和计数摆动机构5摆动的最大范围，使其每一次翻转的路径可控。

此外，计数摆动机构5的形态还需要满足：翻斗4朝两侧摆动所经路径在计数摆动机构5处于摆动允许范围之内的任何角度时，均与计数摆动机构5的突出部52相交，以保证翻斗4的每一次翻转摆动能够对应地驱动计数摆动机构5发生摆动，从而使磁钢8发生能够触发干簧管61的摆动，完成一次计数。

同时，翻斗4的重心应高于翻斗转轴41；计数摆动机构5的重心应高于计数摆动机构转轴51，以避免磁钢8在干簧管61附近反复摆动而使干簧管61的状态变化无法被触发。

以上构件除了包括常规翻斗式雨量传感器的最基本必要构件之外，主要对由干簧管61(磁簧开关)和磁钢8构成的计数组件进行了调整。实施例1、2、3方案将磁钢8设置在与翻斗4在结构上分离的计数摆动机构5上，从而消除了当磁钢8与干簧管61靠近时产生的磁力对装置整体力矩造成影响从而产生的误差。该计数摆动机构5在翻斗4发生翻转，当前承雨一侧翻斗4室下坠的过程中，由对应的一侧突出部52与该翻斗4室的底部发生作用，利用翻斗4室下坠的动能驱动计数摆动机构5发生摆动，从而使设置在指针部54的磁钢8摆动并通过与干簧管61的近点，能够在不影响翻斗4本身力矩的情况下完成一次磁簧开关的触发。

需要说明的是，在通常形态的翻斗式雨量传感器当中，磁钢8只需满足于跟随翻斗4的摆动并能够控制干簧管61的开闭完成翻斗摆动的计数即可，其并非一定要如实施例1、2、3的装置方案所述，必须设置在计数摆动机构5乃至其指针部54上，而只需满足磁钢8摆动至某一特征点时，能够触发干簧管61的常开触点闭合，而在偏离该特征点时，干簧管61的常开触点打开的条件即可，当然，为配合磁钢8的具体设置方位，干簧管61的具体设置方式也可以灵活作出调整。

作为优选，实施例1、2、3中，翻斗4还配置了垂直于翻斗转轴41的可以调节重心的调节螺杆7，根据公开号为CN107765349A的中国专利的记载，该调节螺杆7可以线性调节翻斗4和调节螺杆7构成的组合体的重心。且翻斗4的承雨面为圆柱面。在该种优选结构下，调节螺杆7应当设置在指针部54的内侧，以保证磁钢8与干簧管61之间的间距不会过大而导致干簧管61始终无法被触发。

在装置电路方面，如图5-图7所示，作为控制、存储和运算核心的主控芯片66采用SMT32L051C8，其分别与时钟电路65、编程调试接口67、干簧管61、指示灯电路68、光电耦合器69、电源电路612、抗静电防护电路613以及USB接口611连接。

其中，干簧管61作为翻斗式雨量传感器的计数元件，其构成的磁簧开关计数电路与翻斗式雨量传感器中由翻斗4的摆动驱动的磁钢8相配合，每当翻斗4翻转至预设的位置时，磁钢8与干簧管61的间距将达到最近，从而因磁钢8磁场的作用导致干簧管61的常开开关闭合导通，而当磁钢8继续运动，稍微远离干簧管61时，其对干簧管61的磁场影响减弱，则干簧管61的常开开关断开。由此产生的干簧管61开闭的脉冲即可作为翻斗翻转次数的计数依据。

作为实施例1、2、3实现重要构件的时钟电路65由晶体振荡器、晶震控制芯片和电容构成，其设置的目的在于用于测量和测量干簧管61相邻两次被触发的时间间隔(斗时长)。

主控芯片66在获取更为精确降雨数据的过程中承担数据存储和运算的工作，一方面可以通过预设的即时雨量函数和斗时长计算获得即时雨量，再通过即时雨量的累加及与翻斗式雨量传感器的精度的除运算获得输出的开关量。

在实施例1、2、3中，传送至降水量监控终端的开关量经光电耦合器69从输出端子62输出。该种输出方式也可考虑替换为无线信号传输的方式，从而无需通过具体的线路来传输翻斗式雨量传感器输出的开关量。

为了更好地实现主控芯片66的精确计算的效果，实施例1、2、3提供了能够直接与雨量校准仪或上位机进行数据交互的USB接口611，以实现雨量传感器输出数据的采集或参数更新，以及可以下载获得精确校准程序的编程调试接口67，实施例1、2、3方法所转化成的程序语言及其对应的参数值即可以通过该端口下载至本地或进行更新。其中，USB接口611与主控芯片66之间设置有抗静电防护电路610以确保电路系统的整体安全性。

实施例1、2、3的电源电路612为1.8V电源稳压电路，由一个8000毫安电池64供电，同时还设置有电源退耦滤波电路613增强电源的稳定性。大容量电池配合可选用一些低功耗芯片和器件，可以保证该翻斗式雨量传感器装置在不充电的情况下工作足够长的时间(数年)。

实施例1、2、3还提供了指示灯电路68，用于指示电源的电量状态。

实施例4、5、6

本发明的第4个实施例在算法上与第1个实施例一致，第5个实施例在算法上与第2个实施例一致，第6个实施例在算法上与第3个实施例一致。由于实施例4、5、6的设计思路在于，不对现有的翻斗式雨量传感器装置进行调整。

因此，相比于以上实施例1、2、3提供的方案，在本发明的第4、5、6个实施例当中，其装置上的区别主要在于计数电路模块部分，其并不要求该翻斗式雨量传感器装置需要具备如第一个实施例图5-图7所示的特殊设计的计数电路模块，其基本装置条件只需满足如图8所示的现有的翻斗式雨量传感器具备的基本结构即可。

在实施例4、5、6中，将斗时长t的值的获取，乃至根据即时雨量函数计算总降雨量的任务执行放在监控终端处，位于本地的翻斗式雨量传感器的干簧管每次开闭产生的电子信号均实时传输至监控终端即可。此时监控终端可以通过相邻两个电子信号的时间间隔还原出对应翻斗式雨量传感器的斗时长，再通过以上实施例提供的方法进行计算。(当然，即时雨量函数的确定还是必须在本地进行，只是确定后的特征函数可以放在监控终端进行根据斗时长求总降雨量的运算)

该种实现思路的优势在于可以在基本不对现有降雨量采集点的翻斗式雨量传感器的硬件本身进行改动的情况下(不适用于前述双翻斗式雨量传感器)，只需在本地对翻斗式雨量传感器进行测试试验，完成即时雨量函数的构建即可。

不过相应地，通过该种方案，需要对现有的监控终端进行改造，需要增加测算精确时间，以及进行求解运算的相应装置或运算程序。

最后，还需要特别说明的是，虽然以上提供的6个实施例在对斗时长(翻斗两次翻转的时间间隔)的采集方案上均通过干簧管61和磁钢8的组合转换为：采集干簧管产生的相邻两个开关脉冲之间的时间间隔。但在本发明的方案中，斗时长的获取方式并不为干簧管61和磁钢8这一特定的装置组合所限，通过红外传感器、接触式传感器等多种其他原理类似的接近开关或接触开关的方案均同样能够获取斗时长，在以上提供的6个实施例中采用干簧管61和磁钢8的方案仅因为该种方案是当前翻斗式雨量传感器的常用方案，因不需要额外的供电，其使用效果更为优越而已。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的精确降雨数据的获得方法及装置，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种精确降雨数据的获得方法，基于翻斗式雨量传感器，其特征在于：根据总雨量统计期间内的所有斗时长t，获得总降雨量H；

所述斗时长t为所述翻斗式雨量传感器的翻斗两次翻转的时间间隔。

2.根据权利要求1所述的精确降雨数据的获得方法，其特征在于：所述翻斗式雨量传感器包括：承水器、设置在所述承水器下方的漏斗、设置在所述漏斗下方的翻斗、由所述翻斗驱动的磁钢、以及包括干簧管的计数电路模块；所述斗时长t为干簧管产生的相邻两个开关脉冲之间的时间间隔。

3.根据权利要求1所述的精确降雨数据的获得方法，其特征在于：每一所述斗时长t通过即时雨量函数：J(h,t)＝0获得总雨量统计期间内的每一即时雨量h，并通过所有即时雨量h获得总降雨量H；

所述即时雨量h为斗时长t的等效雨强在斗时长t内产生的降雨量。

4.根据权利要求3所述的精确降雨数据的获得方法，其特征在于：所述翻斗式雨量传感器输出的开关量通过即时雨量h和翻斗式雨量传感器的精度ε获得。

5.根据权利要求3所述的精确降雨数据的获得方法，其特征在于：所述即时雨量函数通过以下步骤确定：

步骤A1：在试验环境的条件下，设定不同的恒定雨强值对所述翻斗式雨量传感器进行测试，并根据测试结果构建等效雨强函数：

G(u,t)＝0；

其中，u为斗时长t的等效雨强，单位为mm/min；

并根据所述等效雨强函数和的关系式，获得即时雨量函数；

J(h,t)＝0；

其中，即时雨量h的单位为mm。

6.根据权利要求3所述的精确降雨数据的获得方法，其特征在于：所述即时雨量函数通过以下步骤确定：

步骤B1：在试验环境可确定的总降雨量H₀下，提供多次不同强度的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试，并根据测试结果构建斗数-斗时长函数：

E(t,y)＝0；

其中，斗数y为翻斗翻转总次数，斗时长t的单位为s；

并根据斗数-斗时长函数，以及雨强恒定时成立的关系式：获得即时雨量函数：J(h,t)＝0；其中，即时雨量h的单位为mm；总降雨量H₀的单位为mm。

7.根据权利要求6所述的精确降雨数据的获得方法，其特征在于：步骤B1的具体步骤为：

步骤B11：根据在试验环境可确定的总降雨量H₀下多次不同强度的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试获得的多组试验值数据的拟合或根据翻斗式雨量传感器建立的数学模型构建待定斗数-斗时长函数：所述待定斗数-斗时长函数在y>0，t>0的区间内可表示成如下形式：

所述待定斗数-斗时长函数包括n个(n≥2)拟合参数；

步骤B12：在试验环境可确定的总降雨量H₀下，设定n次不同强度的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试，在每次降雨试验中，测出y值，以及对应的y个斗时长t值；获得n组试验值；

步骤B13：将n组试验值带入待定斗数-斗时长函数，计算获得n个拟合参数，并依此确定即时雨量函数：J(h,t)＝0；

步骤B14：基于确定的即时雨量函数，采用与步骤B12相同的试验条件对所述翻斗式雨量传感器进行测试，根据测得的即时雨量h和翻斗式雨量传感器的精度ε获得翻斗式雨量传感器输出的开关量z，在每次降雨试验中，测出对应的开关量z的值，获得n个开关量z；

步骤B15：将n个开关量z值与理想开关量D进行比较运算，获得n个修正值，其中：ε为翻斗式雨量传感器的精度，如果某一z值落在理想开关量D所确定的误差范围内，则对应的修正值为0；当所有的修正值为0时，则结束构建；只要有一个修正值不为零，则继续执行步骤B16；

步骤B16：采用n个所述修正值分别对n组试验值中的y值进行修正，获得修正后的n组试验值；

步骤B17：将所述修正后的n组试验值带入待定斗数-斗时长函数，计算获得n个拟合参数，并依此重新确定斗数-斗时长函数：E(t,y)＝0以及即时雨量函数：J(h,t)＝0；并回到步骤B14。

8.根据权利要求3所述的精确降雨数据的获得方法，其特征在于：所述即时雨量函数通过以下步骤确定：

步骤C1：在试验环境可确定的总降雨量H₀下，设定多个不同且处于(0,u_max]区间的平均雨强值对所述翻斗式雨量传感器进行测试，并根据测试结果构建斗参数-雨强函数：

F(u,y,t)＝0；

其中，u为斗时长t的等效雨强，单位为mm/min；斗数y为翻斗翻转总次数，斗时长t的单位为s；

并根据斗参数-雨强函数，雨强恒定时成立的关系式：以及即时雨强的定义式获得即时雨量函数：J(h,t)＝0；其中，即时雨量h的单位为mm；总降雨量H₀的单位为mm；斗时长t的单位为s。

9.根据权利要求8所述的精确降雨数据的获得方法，其特征在于：步骤C1的具体步骤为：

步骤C11：根据在试验环境可确定的总降雨量H₀下多次不同强度的降雨试验，对所述翻斗式雨量传感器进行测试获得的多组试验值数据的拟合或根据翻斗式雨量传感器建立的数学模型构建待定斗参数-雨强函数：所述待定斗参数-雨强函数包括n个(n≥2)拟合参数；

步骤C12：在试验环境可确定的总降雨量H₀下，设定n个不同且处于(0,u_max]区间的平均雨强值对所述翻斗式雨量传感器进行测试，在每个平均雨强值下，测出对应的y值，获得n组试验值；

步骤C13：将n组试验值带入待定斗参数-雨强函数，计算获得n个拟合参数，并依此确定即时雨量函数：J(h,t)＝0；

步骤C14：基于确定的即时雨量函数，采用与步骤C12相同的试验条件对所述翻斗式雨量传感器进行测试，根据测得的即时雨量h和翻斗式雨量传感器的精度ε获得翻斗式雨量传感器输出的开关量z，在每个平均雨强值下，测出对应的开关量z的值，获得n个开关量z；

步骤C15：将n个开关量z值与理想开关量D进行比较运算，获得n个修正值，其中：ε为翻斗式雨量传感器的精度，如果某一z值落在理想开关量D所确定的误差范围内，则对应的修正值为0；当所有的修正值为0时，则结束构建；只要有一个修正值不为零，则继续执行步骤C16；

步骤C16：采用n个所述修正值分别对n组试验值中的y值进行修正，获得修正后的n组试验值；

步骤C17：将所述修正后的n组试验值带入待定斗参数-雨强函数，计算获得n个拟合参数，并依此重新确定斗参数-雨强函数：F(u,y,t)＝0以及即时雨量函数：J(h,t)＝0；并回到步骤C14。

10.一种精确降雨数据的获得装置，基于翻斗式雨量传感器，其特征在于：设置有计数电路模块，所述计数电路模块包括：主控芯片、与所述主控芯片连接的：时钟电路和干簧管；所述时钟电路用于测量干簧管产生的相邻两个开关脉冲之间的时间间隔。