CN113366344A - 雨水传感器 - Google Patents

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Abstract

本文提供了与测量天气数据相关的技术，并且特别但不排他地涉及用于感测水文气象（例如，雨水）和测量水文气象特性（例如，体积、速率、尺寸分布等）的装置、方法和系统。

Description

雨水传感器
本申请要求2018年11月6日提交的美国临时专利申请序列号62/756，363的优先权，该美国临时专利申请通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本文提供了与测量天气数据相关的技术，并且特别但不排他地涉及用于感测水文气象（hydrometeor）（例如，雨水）和测量水文气象特性（例如，体积、速率、尺寸分布等）的装置、方法和系统。
背景技术
天气数据被诸如政府机构和各种行业的众多实体使用，用于分析和信息目的。例如，通常需要准确天气数据的一些行业包括电力贸易商、公用事业公司、保险机构、农业和研究机构。此外，准确的数据对于天气预报和气象学以及替代能源规划和/或监测至关重要。特别地，收集与水文气象（例如，雨水）相关的数据对于粮食生产、损失预防、气候研究和城市规划都很重要。
已经开发了许多不同的雨水传感器技术。这些传感器在其检测机制以及其分辨率和准确度方面各不相同。在一般水平上，主要类型的雨水传感器要么通过物理方式收集雨滴以直接测量累积水体积或重量，要么测量个体水文气象撞击并计算聚集累积量。常见类型的雨水传感器是雨水计，例如用于收集降雨的具有已知横截面积的防水收集容器。雨水计的缺点是，它需要用户读取累积的降雨，并在每个雨水事件之后使其清空。虽然这些动作可以利用传感器和致动而被自动化，但此类技术需要移动部分。一种类型的自动化雨水传感器是倾翻斗（tipping bucket）雨水计，其是将收集的水纳入单独的容器中的类型的雨水计，一旦出现已知量的降雨，该容器就倾倒、清空并重置。每个倾倒都被计数，以提供总雨水体积的度量。虽然是自动化的，但倾翻斗的缺点包括准确性、安装和长期维护。此外，倾翻斗容器的性能受到机械问题影响（例如，脏的或冻结的轴承和由动物或死的植物材料引起的堵塞的入口漏斗），其可以防止倾倒或引起在没有雨水或完全填充的情况下计数“错误的”倾倒。
附加地，雨滴测量器（disdrometer）捕获针对个体水文气象的信息，并可以在不同类型的水文气象之间进行区分。最常见的雨滴测量器使用光电门或相关的光学技术来标识个体水文气象的尺寸和速度，并计算在一定时间量内的降雨率。一些雨滴测量器计算其他参数，诸如降雪率、混合降水特性，并可以标识软雹或冰雹。然而，它们需要过量的功率并且昂贵。
一些技术包括使用压电器件来测量雨滴的动能。参见，例如
Figure 253338DEST_PATH_IMAGE001
Figure 967216DEST_PATH_IMAGE002
。然而，压电器件需要将压电部件物理附接到检测板。因此，雨水计的性能依赖于附接方法和其他部件的规格二者。在这些技术中，压电传感器的动态响应极大地受到直接附接到表面所影响。特别地，例如使用粘合剂、熔合或螺栓连接将压电部件附接到表面影响在传感器和检测表面区域之间的“弹簧”和“阻尼器”动态关系。因此，必须考虑到这些关系的复杂性。例如，经常在使用压电元件的测量中进行校正，以计及泊松比效应和剪切滞后效应。参见，例如
Figure 684636DEST_PATH_IMAGE003
Figure 237103DEST_PATH_IMAGE004
。此外，压电材料是温度相关的，当在经历温度改变的记录环境中使用中时，这将误差引入雨水的测量中。压电器件在其操作范围内可以展现高达50%的电容改变，并且因此，包括压电元件的器件具有附加的部件和复杂性来校正这些变化，并且因此具有增加的故障模式。
一些技术将换能器机械链接到撞击目标，用于测量雨滴撞击。参见，例如
Figure 723579DEST_PATH_IMAGE005
。在一些其他技术中，声信号通过流体（例如，液体或空气）传输到换能器。参见，例如
Figure 732992DEST_PATH_IMAGE006
。这些仪器限于测量低降雨强度，展现与位置相关的传感器灵敏度，并因风流引起的下落速度和撞击角度的变化而遭受误差。包括检测声信号以检测单个雨滴撞击的附加技术包括例如在以下各项中描述的那些技术：美国专利号
Figure 468867DEST_PATH_IMAGE007
；和美国专利申请公开号2016/0327687。
Nystuen在17个月的收集时间内测试了称重、电容、倾翻斗、光学、雨滴测量器和声学雨水计。Nystuen的
Figure 90603DEST_PATH_IMAGE008
Figure 962744DEST_PATH_IMAGE009
、Nystuen的
Figure 611900DEST_PATH_IMAGE010
Figure 897388DEST_PATH_IMAGE011
。每个测试的雨水计都有测量缺陷（例如，起因于生物污染、因需要重新校准而导致的测量失误和季节性可变性）和展现的局限（例如，未检测到小液滴、噪声数据、高降雨率的不足估计、降雨率的过度估计、高可变性以及由风引起的误差）。此外，在1998年的Nystuen研究中，雨水计要求在低（10%）占空比下采样，以限制功耗，使得可以进行多月记录。
因此，水文气象（例如，雨水）数据的收集将受益于改进的技术。
发明内容
本文提供了自动化水文气象传感器的实施例。在一些实施例中，该技术提供了没有移动部分并且不包括压电部件的设备和/或装置。因此，在一些实施例中，该技术包括“无压电部件”的实施例。
在一些实施例中，该技术提供了一种不包括附接到受雨水撞击的表面的感测元件（例如，如在包括压电元件的一些设备中）的设备和/或装置。因此，在一些实施例中，该技术包括“表面附接的无传感器”实施例。
在一些实施例中，该技术包括使用不需要幻像功率的驻极体麦克风。因此，在一些实施例中，该技术不包括电容式麦克风（例如，需要幻像功率的麦克风）。因此，在一些实施例中，该技术包括“无电容式麦克风”实施例。
在各种实施例中，该技术比可比较的技术具有更低的成本，并且需要最少的维护或不需要维护。在一些实施例中，水文气象传感器技术与风传感器集成，例如，为了校正水文气象特性的确定（例如，水文气象质量、水文气象尺寸、水文气象体积、累积的水文气象质量或体积、水文气象撞击速度、水文气象撞击力、水文气象撞击角度、水文气象撞击动量）。在一些实施例中，水文气象传感器技术与冰雹传感器集成，例如，为了校正非冰雹（例如，雨滴）特性（例如，液滴质量、液滴尺寸、液滴体积、累积的液滴质量或体积、液滴撞击速度、液滴撞击力、液滴撞击角度、液滴撞击动量）的确定。
因此，本文提供了一种用于检测雨水和/或确定降雨率的技术。例如，在一些实施例中，该技术提供了包括中空探测器的雨水感测装置；和换能器。在一些实施例中，雨水感测装置进一步包括其上安装有所述换能器的杆。
该技术不在探测器的形状方面受限制。在一些实施例中，探测器是球体。然而，该技术不限于球形探测器，并且包括包含任何形状的探测器的实施例。例如，该技术包括其中探测器实质上、基本上或功能上是球体的实施例。在一些实施例中，探测器是椭圆体、球状体、环形体、圆盘、棱镜、锥形区段、球体或球状体的一部分或者任何前述部分或区段（例如，半球体等）。在一些实施例中，探测器的一部分被移除并用另一个部件（例如，锥形部件（例如，包括“鼓形头”部件和将声音隧穿换能器的锥体））替换。
该技术不在制成探测器所用的材料方面受限制。在一些实施例中，探测器由提供如本文讨论的探测器的“钟状”属性的金属（例如，钢、不锈钢、铝、铜、青铜、锡、金属合金等）制成。
在一些实施例中，探测器具有从100至500 mm的直径（例如，100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、310、320、330、340、350、360、370、380、390、400、410、420、430、440、450、460、470、480、490或500 mm）。在一些实施例中，探测器外壳为0.5至5 mm（例如，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0，1.1，1.2，1.3，1.4，1.5，1.6，1.7，1.8，1.9，2.0，2.1，2.2，2.3，2.4，2.5，2.6，2.7，2.8，2.9，3.0，3.1，3.2，3.3，3.4，3.5，3.6、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9或5.0 mm）厚。在一些实施例中，探测器具有6至10 kHz的特性频率（例如，6.0、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8、6.9、7.0、7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8.0、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9、9.0、9.1、9.2、9.3、9.4、9.5、9.6、9.7、9.8、9.9或100kHz）。
在一些实施例中，换能器是驻极体、压电或电容式麦克风。在一些实施例中，该技术包括压电部件，但是该压电部件不与水文气象撞击的结构或部件的任何表面直接接触。也就是说，在包括压电部件的一些实施例中，压电部件通过空气间隙或类似间隙与水文气象撞击的结构或部件分离。在包括压电部件的一些实施例中，压电部件检测从水文气象撞击到压电部件的部件通过非固体（例如，气体）传播的声波。
在一些实施例中，换能器被放置在与探测器中心（的例如上方、下方、其侧边等）相距大约20到80 mm（例如，20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79或80 mm）。在一些实施例中，换能器放置在探测器的竖直轴上。在一些实施例中，换能器被放置在与探测器中心（的例如上方、下方、其侧边等）相距大约25到75 mm（例如，25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74或75 mm）。
在一些实施例中，麦克风放置在探测器内相对于探测器的尺寸（例如，探测器的直径（D）和/或半径（R））测量的位置处。因此，在一些实施例中，麦克风被放置在探测器的竖直轴上的位置，并且被定位在探测器中心上方大约0.05 × D到0.95 × D的距离处（例如，探测器中心上方大约0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9或0.95 × D的距离）。在一些实施例中，麦克风被放置在探测器的竖直轴上的位置，并且被定位在探测器中心上方大约0.2 × D到0.8 × D的距离处（例如，探测器中心上方大约0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8× D的距离）。在一些实施例中，麦克风被放置在探测器的竖直轴上的位置，并且被定位在探测器中心上方大约0.3 × D到0.7 × D的距离处（例如，探测器中心上方大约0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7 × D的距离）。在一些实施例中，麦克风不放置在探测器的竖直轴上，例如，在一些实施例中，麦克风被放置在与探测器中心相距大约0.05 × D到0.95 × D（例如，在任何方向上与探测器中心相距大约0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9或0.95 × D的距离）。
在一些实施例中，探测器包括有限的雨水采样区域（例如，在一些实施例中，探测器包括锥形元件，该锥形元件包括“鼓形头”和将声音隧穿到换能器的锥体）。在一些实施例中，该装置进一步包括太阳辐射传感器。
进一步提供了方法的实施例。例如，在一些实施例中，该技术提供了一种确定降雨率的方法，该方法包括提供如本文所述的装置（其例如包括中空探测器和换能器）；获取雨滴撞击所述装置的探测器的实时声信号；处理所述实时声信号以产生声功率数据或声能数据；以及根据声功率数据或声能数据确定降雨率。在一些实施例中，根据声功率数据或声能数据确定降雨率包括根据声功率数据或声能数据的分布产生统计参数。在一些实施例中，处理实时声信号包括采样模拟电压以产生数字时变信号。在一些实施例中，处理实时声信号包括对调幅信号解调。在一些实施例中，处理所述实时声信号包括对数字时变信号应用包络。在一些实施例中，处理所述实时声信号包括对数字时变信号进行下采样。在一些实施例中，根据声功率数据或声能数据确定降雨率包括使用多个液滴撞击的聚集信号和降雨率之间的相关性。在一些实施例中，根据声功率数据或声能数据确定降雨率包括使用幂函数来在多个液滴撞击的聚集信号和降雨率之间进行关联。
在一些实施例中，方法进一步包括使由如本文所述的装置检测的声功率和/或声能归一化。在一些实施例中，使由如本文所述的装置检测的声功率和/或声能归一化使用正常雨水中声功率和/或声能的经验测量（例如，具有直径大约为4.0或5.0 mm的最大液滴尺寸（例如，具有直径在大约0.5 mm和4.0或5.0 mm之间的液滴尺寸分布（例如，直径大约为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.1、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.8或5.0 mm）））。在一些实施例中，使声功率数据和/或声能数据归一化使用基于在正常雨水中检测到的最大麦克风信号的归一化常数。在一些实施例中，方法包括针对风速校正声功率数据和/或声能数据（例如，如由在如美国专利号9，846，092和9，958，346中所述的天气感测设备所检测到的，所述美国专利中的每一个以其整体并入本文）。
另外的实施例涉及包括如本文所述的多个雨水感测设备（其例如包括探测器和换能器）的系统。
一些实施例涉及使用包括探测器和换能器的装置来检测雨水（例如，降雨率、雨水累积）。
基于本文包含的教导，附加实施例对于相关领域的技术人员而言将是清楚的。
附图说明
参考以下附图，本技术的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解：
图1是如本文所述的雨水感测装置100的实施例的示意图，该雨水感测装置100例如包括探测器110和麦克风130，麦克风130位于探测器内部体积160内部的杆120上。
图2是示出雨滴280和雨滴281撞击如本文所述的雨水感测装置的实施例的示意图。
图3是示出雨滴380和雨滴381撞击如本文所述的雨水感测装置的实施例的示意图。
图4A是示出了一系列雨滴撞击根据如本文所述技术的雨水检测装置的探测器的声信号（测量麦克风信号的任意单位）相对于时间的曲线图。如本文所述，声信号由探测器内部的麦克风记录。雨滴从1.2 m的高度释放并且以1 Hz的频率在探测器的“北极”（例如，其中竖直轴与探测器表面相交）撞击探测器。测试液滴具有为2.419±0.089 mm（偏差为3.70%）的直径以及为7.41±0.82 mg（偏差为11.00%）的质量。
图4B是示出来自图4A的单个脉冲的曲线图。
图4C是示出图4A和图4B中所示信号的精细结构的曲线图。
图5是单个液滴撞击如本文所述装置的探测器的声功率（Pa）相对于时间的曲线图。声功率提供了撞击本文所述装置的实施例的单个雨滴的一个声学特征。从声音信号导出的声功率的峰值偏移被称为“P-值”。
图6是单个液滴撞击如本文所述装置的探测器的声能（“Ea”，来自单个液滴撞击或通常在一段时间内的声功率信号的数值总和）相对于时间的曲线图。图6中所示的声能（Ea）提供了撞击本文所述装置的实施例的单个雨滴的一个声学特征。
图7是示出声功率（黑点）解调的曲线图。标识峰值的绝对值，并通过插值（白点）估计中间点。
图8是示出包络（“飞机”）滤波器对解调信号的变换的曲线图。解调的信号用黑点示出，并且经包络滤波器变换后的信号用白点示出。
图9是单个3.55 mm液滴以各种角度（从垂直于表面起的
Figure DEST_PATH_IMAGE013AAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
= 0、20、40和60度；参见图2和图3）撞击探测器的峰值声功率（P-值）相对于麦克风位置的曲线图。麦克风在中纬线下方（–值）和上方（+值）的各种距离处（以mm为单位）定位在Z轴上（参见例如图1）。
图10A是对于不同尺寸（2.41 mm和3.50 mm）液滴的峰值声功率（P-值）相对于撞击角度（从垂直于表面起的
Figure DEST_PATH_IMAGE013AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
= 0、20、40和60度；参见图2和图3）的曲线图。
图10B是对于不同尺寸（2.41 mm和3.50 mm）液滴和麦克风放置（94 mm或–95 mm）的声能（Ea）相对于撞击角度（从垂直于表面起的
Figure DEST_PATH_IMAGE013AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
= 0、20、40和60度；参见图2和图3）的曲线图。
图11A是2 mm/小时和10 mm/小时恒定降雨率下模拟声功率（Pa）作为时间函数的曲线图。该信号示出了设备记录的单个雨滴撞击的峰值。
图11B是100 mm/小时恒定降雨率下模拟声功率（Pa）作为时间函数的曲线图。该信号示出了设备记录的单个雨滴撞击的峰值。
图12是使用幂律函数和如本文所述处理的声信号（实线）以及如雨滴测量器确定的降雨率（虚线）来确定的降雨率的降雨率相对于时间的曲线图。
图13是如使用幂律函数和如本文所述处理的声信号（黑线）以及如雨滴测量器（灰线）和倾翻斗雨水计（圆圈）确定的降雨率来确定的随时间推移测量的累积雨水的曲线图。
图14是雨水感测装置的实施例的示意图，该雨水感测装置包括锥形件200，以向装置提供有限的雨水感测区域。其他编号的部件如本文针对图1所述。
图15是雨水感测装置的实施例的示意图，该雨水感测装置包括在麦克风区域（210）附近的日射强度计或其他太阳辐射传感器。在一些实施例中，该装置进一步包括光学透明、半透明或以其他方式允许太阳辐射传输到日射强度计或其他太阳辐射传感器的部分（“鼓形头”区段）220。其他编号的部件如本文针对图1所述。
图16是如本文所述的雨水检测设备的实施例的换能器信号的总和绝对值的（以10为底）对数相对于风速的曲线图。
图17是在10秒时间间隔内换能器信号绝对值的（以10为底）对数相对于在10秒时间间隔内换能器信号总和绝对值的（以10为底）对数的曲线图。
图18A是用特定雨水检测设备（84eb18eb2a8b）记录的多个不同暴雨的降雨——作为该降雨率的10秒间隔数的函数——的曲线图，声功率表示为针对风进行校正。
图18B是用特定雨水探测设备（84eb18eb2a8b）记录的多个不同暴雨的降雨——作为该降雨率的10秒间隔数的函数——的曲线图，声功率表示为未针对风进行校正。
图19是由如本文所述的六种不同的雨水检测设备确定的降雨率相对于由共同定位的倾翻斗测量设备确定的降雨率的曲线图。
将理解，各图不一定是按比例绘制的，各图中的对象也不一定是用相对于彼此的关系按比例绘制的。各图是旨在为本文公开的装置、系统和方法的各种实施例带来清晰和理解的描述。在可能的情况下，贯穿附图将使用相同的参考标号来指代相同或相似的部分。此外，应当领会，附图不旨在以任何方式限制本教导的范围。
具体实施方式
本文提供了与测量天气数据相关的技术，并且特别但不排他地涉及用于感测水文气象（例如，雨水）和测量水文气象特性（例如，体积、速率、尺寸分布等）的装置、方法和系统。
在各种实施例的详细描述中，出于解释的目的，阐述了众多具体细节以提供对所公开的实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员将领会，这些不同的实施例可以在具有或没有这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，结构和设备以框图形式示出。此外，本领域技术人员可以容易地领会，呈现和执行方法所用的特定顺序是说明性的，并且设想，所述顺序可以变化，并且仍然保持在本文公开的各种实施例的精神和范围内。
本申请中引用的所有文献和类似材料——包括但不限于专利、专利申请、文章、书籍、论文和互联网网页——出于任何目的，均明确地通过引用以其整体并入。除非另有限定，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本文描述的各种实施例所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。当并入的参考文献中的术语限定看起来不同于本教导中提供的限定时，应以本教导中提供的限定为准。本文使用的章节标题仅用于组织目的，并且不应被解释为以任何方式限制所描述的主题。
限定
为了促进本技术的理解，下面限定了多个术语和短语。贯穿具体实施方式阐述了附加的限定。
贯穿说明书和权利要求书中，以下术语采用本文明确关联的含义，除非上下文另有清楚指示。如本文使用的短语“在一个实施例中”不一定指代同一实施例，尽管它可以指代同一实施例。此外，如本文使用的短语“在另一个实施例中”不一定指代不同的实施例，尽管它可以指代不同的实施例。因此，如下所述，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以容易地组合本发明的各种实施例。
此外，如本文使用的，术语“或”是包含性的“或”运算符，并且等同于术语“和/或”，除非上下文另有清楚指示。术语“基于”不是排他性的，并且允许基于未描述的附加因素，除非上下文另有清楚指示。此外，贯穿说明书，“一”、“一个”和“该”的含义包括复数引用。“在……中”的含义包括“在……中”和“在……上”。
如本文使用的术语“雨水体积”指代雨水的体积。在一些实施例中，雨水体积是体积的绝对度量（例如，以体积单位表达）。在一些实施例中，雨水体积被表达为另一测量的函数（例如，每单位时间的体积、每单位表面积的体积）。在一些实施例中，以每表面积体积为单位表达的雨水体积被简化为雨水累积的一维测量，例如如常规雨水计提供的。在一些实施例中，该测量是平底船上降雨柱的竖直高度。
如本文使用的，术语“降雨率”或“雨水强度”是指作为时间的函数而撞击表面的雨水体积。在一些实施例中，降雨率是在离散时间下的降雨率的瞬时测量。在一些实施例中，降雨率是在指定时间间隔内的总雨水累积的总和（例如，积分）度量。在一些实施例中，降雨率是在指定时间间隔内雨水累积的平均度量。
如本文使用的，术语“雨水尺寸分布”（或“雨滴尺寸分布”或类似术语）是指在指定时间段内撞击表面的雨滴的雨滴尺寸分布。在一些实施例中，液滴尺寸分布的测量包括对液滴进行计数，并基于体积、尺寸（例如，直径）和/或质量将它们放置在类别或仓中。如本文使用的，术语“雨滴测量术（disdrometry）”或“雨滴测量（disdrometric）”是指水文气象（例如，雨滴）的尺寸分布。
如本文使用的，术语“焊接件”是指由较小部件的组装件构成的、例如通过焊接较小的部件联接起来的部件。
如本文使用的，术语“大约”、“近似”、“基本上”和“显著地”被本领域普通技术人员理解，并且将根据它们所使用的上下文在一定程度上变化。如果这些术语的使用在给定它们的使用上下文的情况下对于本领域普通技术人员而言是不清楚的，则“大约”和“近似”意味着加或减小于或等于特定术语的10%，并且“基本上”和“显著地”意味着加或减大于特定术语的10%。
如本文使用的，后缀“无”是指省略了“无”附加到的单词的词根特征的技术的实施例。也就是说，如本文使用的术语“无X”是指“没有X”，其中X是在“无X”技术中省略的技术的特征。例如，“无钙”的合成物不包括钙，“无混合”的方法不包括混合步骤，等等。
如本文使用的，“增加”或“减少”是指变量的值相对于变量的先前测量值、相对于预确立值和/或相对于标准对照值的可检测的（例如，测量的）正或负改变。增加是相对于变量的先前测量值、预确立值和/或标准对照值的优选至少10%、更优选50%、仍更优选2倍、甚至更优选至少5倍以及最优选至少10倍的正改变。类似地，减少是变量的先前测量值、预确立值和/或标准对照值的优选至少10%、更优选50%、仍更优选至少80%以及最优选至少90%的负改变。诸如“更多”或“更少”的指示数量改变或差异的其他术语在本文中以与上述相同的方式使用。
如本文使用的，“雨水事件”是导致降水、优选为可测量的降水的天气条件。例如，在一些实施例中，术语“雨水事件”是指关于本文描述设备的实施例发生的水文气象撞击（例如，雨水），但不限于水文气象撞击（例如，雨水）撞击并且因此包括其他与天气有关的力量和现象。
如本文使用的，术语“天气数据”指代任何可测量或可量化的天气或气象条件或现象，诸如例如，降雨、降水、温度、风速、多云、大气压力、降雪、雨夹雪、冰雹和冰。
如本文使用的，术语“降水水平”是指来自任何源、优选大气天气的任何量的水，例如，诸如雨水、雨夹雪、雪和冰雹。降水通常与降雨相关，并且在一些实施例中使用算法、插值和本领域技术人员已知的以及如本文所述的其他计算来计算。
如本文使用的，术语“实时”是指事件报告或事件记录（例如，事件“获取”）与事件同时（或基本上或实际上同时）、或与另一事件和/或事件发生同时（或基本上或实际上同时）发生。
如本文使用的，术语“声功率”或“P-声”或“Pa”是指由换能器（例如，麦克风）记录的解调声信号的（按计数）瞬时值。
如本文使用的，术语“P-值”是指从由单个水文气象（例如，单个雨滴）产生的声信号导出的峰值声信号（按计数）。单个水文气象记录的声功率具有特征形状，该特征形状典型地包括声功率的急剧尖峰，直到峰值（P-值）继之以指数衰减。
如本文使用的，术语“声能”或“Ea”是指在特定时间范围内出现的积分声功率。
描述
本文提供了与测量天气数据相关的技术，并且特别但不排他地涉及用于感测水文气象（例如，雨水）和测量个体和大块水文气象特性（例如，体积、速率、尺寸分布等）的装置、方法和系统。尽管本文公开参考某些图示的实施例，但是将理解，这些实施例是作为示例而不是作为限制来呈现的。
雨水感测装置
在一些实施例中，该技术涉及包括探测器、杆和麦克风的雨水感测装置。在一些实施例中，该技术涉及如图1中所示的例如包括探测器110、杆120和麦克风130的雨水传感器。
在一些实施例中，探测器是球体。在一些实施例中，探测器是中空的。然而，该技术不限于球形的探测器，并且包括包含任何形状的探测器的实施例。例如，该技术包括其中探测器实质上、基本上或功能上是球体的实施例。在一些实施例中，探测器是椭圆体、球状体、环形体、圆盘、棱镜、锥形区段、球体或球状体的一部分或者任何前述部分或区段（例如，半球等）。
在一些实施例中，探测器由钢（例如，不锈钢）制成。在一些实施例中，探测器由另一种金属（例如，铝、铜、青铜、锡、金属合金等）制成。在一些实施例中，选择材料来向探测器提供声学、声波（例如，钟状）特性。例如，在一些实施例中，选择材料以当受到水文气象（例如，雨水）撞击时产生特定频率和/或频率范围的声音。
在特定实施例（例如，包括球形探测器的实施例）中，探测器具有中心和穿过中心的轴。本领域中已知的球形几何结构术语适用于包括球形探测器的实施例。例如，测地线连接球体表面上的两点。球体的大圆（或正圆）是球体和穿过球体中心点的平面的交集。大圆是在任何给定的球面上可以绘制的最大的圆。任何大圆的任何直径都与球体的直径重合，并且因此所有大圆具有彼此相同的中心和周长。
在特定实施例中，球形探测器具有竖直轴（例如，与重力向量对准的轴（例如，穿过球体中心并且实质上穿过地球中心的轴））。中纬线是垂直于竖直轴的特殊的大圆。如本文使用的，如相对于球体限定的“Z维度”或“Z轴”由球形探测器的竖直轴限定（例如，与球形探测器的竖直轴重合和/或平行）。图1示出了包括探测器110、杆120和麦克风130的雨水感测装置100的实施例。穿过中心190的竖直轴150和中纬线140也被示出以供参考。
在一些实施例中，探测器是中空的。因此，在一些实施例中，探测器包括具有厚度并限定内部体积160的“外壳”。此外，外壳将内部体积160与外部环境分离。在一些实施例中，外壳具有大约0.5 mm至5 mm的厚度（例如，大约0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9或5.0mm）。在一些实施例中，外壳具有大约100至500 mm的直径（例如，100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、310、320、330、340、350、360、370、380、390、400、410、420、430、440、450、460、470、480、490或500 mm）。该技术不受该直径和厚度范围限制，并且设想了根据本文讨论的原理操作的其他直径和厚度。
例如，实施例规定，当受到水文气象（例如，雨水）撞击时，探测器产生具有特性频率的声音。在一些实施例中，当受到在从6 kHz至大约10 kHz范围内的雨滴撞击时，探测器产生特性频率（例如，大约6.0、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8、6.9、7.0、7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8.0、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9、9.0、9.1、9.2、9.3、9.4、9.5、9.6、9.7、9.8、9.9或10.0 kHz）。在一些实施例中，特性频率是材料、直径（例如，体积）和探测器的外壳厚度的函数。在一些实施例中，特性频率是环境变量的函数，所述环境变量诸如是温度、大气压力、湿度、大气成分、撞击水文气象的成分、撞击水文气象的阶段（例如，液体雨水或固体冰雹或雨夹雪等）。
雨水感测装置进一步包括将声音转换成电信号的换能器，例如声信号的传感器。在一些实施例中，雨水感测装置包括麦克风。该技术不限于所使用的麦克风类型。例如，在一些实施例中，麦克风是驻极体麦克风。在一些实施例中，麦克风是电容式麦克风。在一些实施例中，该技术包括使用不需要幻像功率的驻极体麦克风。因此，在一些实施例中，该技术不包括电容式麦克风（例如，需要幻像功率的麦克风），并且因此在一些实施例中，是“无电容式麦克风”雨水感测装置。
在一些实施例中，麦克风是压电麦克风。在压电麦克风实施例中，压电元件不直接检测表面的撞击（例如，通过附接到受撞击表面），而是取而代之检测从接触表面（例如，探测器外壳）穿过非固相（例如，气体（例如，空气））传播到内部体积中的麦克风的声信号。
在一些实施例中，麦克风是带状麦克风、碳麦克风、光纤麦克风（参见例如Paritsky和Kots（1997）的“Fiber optic microphone as a realization of fiber opticpositioning sensors”（Proceedings of the International Society for OpticalEngineering (SPIE). 10th Meeting on Optical Engineering in Israel. 3110: 408-09），其通过引用并入本文）、激光麦克风或微机电系统（MEMS）麦克风。
麦克风检测由探测器外表面上的水文气象撞击产生的声信号（例如，探测器外壳的外表面）。声信号的变换、处理和分析提供了表征撞击探测器的雨滴的信息。在一些实施例中，麦克风没有放置在球体的中心，使得从麦克风到探测器表面上不同点的距离不同，并且因此信号包含关于探测器上的液滴撞击位置的信息。
因此，在一些实施例中，麦克风被放置在探测器的竖直轴上并且在球体中心上方大约20到80 mm的位置。在一些实施例中，麦克风被放置在探测器的竖直轴上并且在球体中心上方大约25到75 mm的位置。在一些实施例中，麦克风被放置在探测器的竖直轴上并且在球体中心上方大约30到70 mm的位置。
在一些实施例中，麦克风被放置在探测器的竖直轴上并且在球体中心上方大约20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68或70mm的位置。
在一些实施例中，麦克风不放置在探测器的竖直轴上，例如在一些实施例中，麦克风放置在任何方向上与球体中心相距大约20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68或70 mm。在一些实施例中，麦克风放置在球体中心。
在一些实施例中，麦克风放置在探测器内相对于探测器的尺寸（例如，探测器的直径（D）和/或半径（R））测量的位置处。因此，在一些实施例中，麦克风被放置在探测器的竖直轴上的位置，并且被定位在探测器中心上方大约0.05 × D到0.95 × D的距离处（例如，探测器中心上方大约0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9或0.95 × D的距离）。在一些实施例中，麦克风被放置在探测器的竖直轴上的位置，并且被定位在探测器中心上方大约0.2 × D到0.8 × D的距离处（例如，探测器中心上方大约0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8× D的距离）。在一些实施例中，麦克风被放置在探测器的竖直轴上的位置，并且被定位在探测器中心上方大约0.3 × D到0.7 × D的距离处（例如，探测器中心上方大约0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7 × D的距离）。在一些实施例中，麦克风不放置在探测器的竖直轴上，例如，在一些实施例中，麦克风被放置在与探测器中心相距大约0.05 × D到0.95 × D（例如，在任何方向上与探测器中心相距大约0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9或0.95 × D的距离）。
集成雨水感测技术的天气感测设备
在一些实施例中，雨水感测技术（例如，装置或其部件）被集成到如在美国专利号9，846，092和9，958，346中所述的天气感测设备中，所述美国专利中每一个都通过引用以其整体并入本文。参见示例1。例如，在一些实施例中，雨水感测技术被集成到天气感测设备中，所述天气感测设备例如是感测、测量和/或收集天气数据、大气数据、环境数据等的设备，所述天气数据、大气数据、环境数据诸如是风速和/或方向；水文气象的尺寸、体积、质量等；和/或水文气象撞击速度、力、方向、速率、数量、动能等。根据该技术的天气感测设备的示例性实施例包括通过一个或多个应力或应变感测设备和/或应力或应变部件附接到接地夹具的阻力生成部件（drag generating component）（可选地包括轴）。由附接到阻力生成部件（可选地包括轴）的两个或更多个应变或应力感测设备（例如，测压元件（load cell）和/或包括测压元件的部件）感测在阻力生成部件（可选地包括轴）上产生的应变。该技术不在阻力生成部件的形状方面受限制。在一些实施例中，阻力生成部件是球体。在一些实施例中，阻力产生部件是球状体、椭球体、圆柱体或多面体。在一些实施例中，天气感测设备的阻力生成部件（例如，用于检测风速和/或方向和/或用于检测水文气象速率和/或方向）也是雨水检测技术的探测器，例如天气感测设备的一个部件既是探测器又是阻力生成部件（例如，探测器/阻力生成部件）。
在一些实施例中，阻力生成部件（可选地包括轴）通过一个或多个应力感测设备附接到刚性接地夹具。也就是说，在一些实施例中，一个或多个应力感测设备直接附接到阻力生成部件（可选地包括轴），并且一个或多个应力感测设备直接附接到刚性接地夹具。在一些实施例中，一个或多个应力感测设备直接附接到轴（连接到阻力生成部件），并且一个或多个应力感测设备直接附接到刚性接地夹具。在一些实施例中，应变或应力感测设备例如是应变仪、半导体应变仪、压电晶体、电阻元件、电容元件、电感元件、声学传感器、光学传感器、测压元件等。由每个应变或应力感测设备检测的应力或应变通过设备的电子部件被转换成电信号，例如电压、电流、电阻等。在一些实施例中，模拟信号例如通过模拟/数字（A/D）转换器被进一步转换成数字信号。在一些实施例中，微处理器被配置为接收和处理数字信号。在一些实施例中，天气感测设备包括在校正描述水文气象撞击的数据中发现用途的声音传感器（例如，麦克风）。
应变感测设备产生输入到算法或模型中的数据，所述算法或模型用于确定由该设备检测到的天气相关现象（例如，冰雹、风）的幅度和/或方向向量。特别地，每个应变或应力感测设备上的相对应变用于计算由该设备检测到的天气相关现象的幅度和/或方向向量。在一些实施例中，声音数据用于校正天气相关现象（例如，水文气象撞击和/或风）的幅度和/或方向向量。在一些实施例中，向量在二维坐标系中确定；在一些实施例中，向量在三维坐标系中确定。在一些实施例中，传感器驻留在确定向量的坐标系内。在一些实施例中，传感器用于建立用于确定二维或三维向量的坐标系。
在一些实施例中，应变或应力感测设备中的一个或多个是测压元件或包括测压元件的部件（例如，将阻力生成部件连接到接地夹具的部件）。在一些实施例中，测压元件包括应变或应力感测设备。测压元件是广泛使用的现成部件，并且商业可获得（来自马萨诸塞州马尔伯勒的HBM公司）。在一些实施例中，测压元件包括一个或多个应变仪，并且在一些实施例中包括孔或切口。在一些实施例中，阻力生成部件（可选地包括轴）通过一个或多个测压元件连接到刚性接地夹具，例如在一些实施例中，一个或多个应力感测设备直接附接到阻力生成部件和/或轴，并且一个或多个应力感测设备直接附接到刚性接地夹具。在一些实施例中，测压元件包括在测压元件中赋予感测应力和/或应变的能力的设计和/或构造。
在一些实施例中，测压元件被设计成仅对沿其纵轴的弯矩敏感。在一些实施例中，测压元件包括例如垂直于测压元件的纵轴的一个或多个孔或切口。然而，将理解，该技术不限于测压元件的精确配置。存在众多不同的方式来定位测压元件，并在梁上提供孔，以获得所期望的应变特性。在一些实施例中，测压元件用于测量围绕纵轴的扭矩和/或沿着纵轴施加的力。在一些实施例中，测压元件对纵向载荷敏感并且被竖直安装。在一些实施例中，测压元件对扭转载荷敏感，并且安装在轴的下面或在轴的外围上，以例如测量引起轴的扭转的力。在一些实施例中，测压元件安装在轴的中部。在一些实施例中，测压元件直接安装到阻力生成部件，以例如提供不包括轴的设备的实施例。该技术适用于包括任何数量的应变感测设备（例如，测压元件）的设备。在一些实施例中，分析包括例如通过添加由应变感测设备经历的力（例如，如力向量表示的那样）来计算阻力生成部件上的力。在示例性实施例中，添加三个力向量来确定在阻力生成部件上赋予的力（例如，幅度和角度）。
在一些实施例中，天气感测装置测量风速（例如，速率和方向）并检测单个水文气象（例如，冰雹）。虽然在一些实施例中，本文描述的雨水感测装置被集成到天气感测装置中（例如，如在美国专利号9，846，092和9，958，346中所述），但该技术不限于此类实施例。因此，在一些实施例中，雨水感测装置包括如本文所述的探测器、杆和麦克风，并且不一定包括阻力生成部件、杆或管、应变传感器（例如，测压元件）和/或如在美国专利号9，846，092和9，958，346中描述的天气感测装置的其他部件。
此外，在一些实施例中，本文描述的技术包括使用如本文所述的麦克风来接受或拒绝候选水文气象（例如，冰雹）撞击。例如，在一些实施例中，在检测到水文气象撞击（例如，在将阻力生成部件附接到刚性基座的一个或多个测压元件中）之后，麦克风数据的先前大约2 ms（1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9或5.0 ms）连同麦克风数据的之后10 ms（5.0、5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、5.6、5.7、5.8、5.9、6.0、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8、6.9、7.0、7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8.0、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9、9.0、9.1、9.2、9.3、9.4、9.5、9.6、9.7、9.8、9.9、10.0、10.1、10.2、10.3、10.4、10.5、10.6、10.7、10.8、10.9、11.0、11.1、11.2、11.3、11.4、11.5、11.6、11.7、11.8、11.9、12.0、12.1、12.2、12.3、12.4、12.5、12.6、12.7、12.8、12.9、13.0、13.1、13.2、13.3、13.4、13.5、13.6、13.7、13.8、13.9、14.0、14.1、14.2、14.3、14.4、14.5、14.6、14.7、14.8、14.9或15.0）被保存。接下来，在一些实施例中，根据声速，麦克风信号的尖峰与水文气象撞击的峰值对准。在一些实施例中，麦克风信号峰值被测量和表征以提供水文气象（例如，冰雹）撞击的功率。如果由信号峰值表示的水文气象（例如，冰雹）撞击的功率是尖锐的并且足够高，则候选水文气象（例如，冰雹）撞击被标识为已验证的水文气象（例如，冰雹）撞击。例如，在一些实施例中，在1 ms内的时间改变至少10000位的样本（例如，在16位转换器中）被认为是尖锐的并且足够高来成为验证的水文气象。在一些实施例中，在0.1到10 ms的时间内（例如，大约0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0、5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、5.6、5.7、5.8、5.9、6.0、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8、6.9、7.0、7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8.0、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9、9.0、9.1、9.2、9.3、9.4、9.5、9.6、9.7、9.8、9.9或10.0 ms）改变至少1000到100000位的样本（例如，大约1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000、8000、9000、10000、20000、30000、40000、50000、60000、70000、80000、90000或100000位）（例如，在16位转换器中）被认为是尖锐的并且足够高来成为验证的水文气象。在一些实施例中，麦克风和/或水文气象撞击数据被传递用于如本文所述的附加处理。
有限的雨水采样区域
在一些实施例中，该技术提供了包括有限的雨水采样区域的雨水感测装置（图14）。在一些实施例中，限制雨水采样区域导致观察到的液滴更少，有效地滤波掉落在采样区域之外的液滴特征。在一些实施例中，限制雨水检测区域提供了用于量化探测器上的单个雨滴并因此产生更多的雨滴测量信息的技术，该技术例如在一些实施例中模拟和/或提供常规雨滴测量器的一些功能。
在一些实施例中，包括有限雨水采样区域的雨水感测装置包括探测器（例如，中空探测器），该探测器（例如，中空探测器）包括孔和安装在孔中的锥形件。在一些实施例中，锥形件包括位于探测器表面的“鼓形头”（200）和将声波隧穿到麦克风的安装在麦克风顶部周围的锥体。在一些实施例中，安装锥形件包括拧入锥形件（例如，包括锥体和鼓形头）。在一些实施例中，锥形件包括麦克风以便于替换。在一些实施例中，鼓形头由不同于探测器的材料制成；在一些实施例中，鼓形头由与探测器相同的材料制成。在一些实施例中，鼓形头提供与探测器不同的声学特性。在锥形/鼓形头和金属外壳之间的密封对于耐候性和隔音特性将是重要的。
在一些实施例中，本文提供的装置包括日射强度计或其他太阳辐射传感器。在一些实施例中，日射强度计或其他太阳辐射传感器被放置在麦克风区域（210）附近，并且鼓形头是光学透明的塑料或其他漫射材料（220），其允许锥形件组装件是双重雨水/太阳辐射传感器。在一些实施例中，雨水和太阳辐射测量被组合以节省成本并提供风暴推进的双重预测器。在一些实施例中，麦克风区域（210）包括太阳能光伏电池以向该单元提供电力。
雨水检测方法
该技术进一步提供了检测雨水（例如，单个液滴、雨水累积、降雨率等）的方法。在一些实施例中，方法包括提供如本文所述的装置。在一些实施例中，该技术提供了使用如本文所述的装置检测雨水、例如单个雨滴、累积降雨和/或降雨率的方法。在一些实施例中，方法包括获得、制造、使用和/或提供如本文所述的雨水检测装置（例如，包括探测器和换能器以及在一些实施例中包括杆的雨水感测装置）。在一些实施例中，方法包括获得、制造、使用和/或提供如本文所述的雨水检测装置的一个或多个部件（例如，一个或多个第一部件，其包括探测器或换能器或者在一些实施例中包括杆），所述一个或多个部件用于与如本文所述的雨水检测装置的附加部件（例如，一个或多个第二部件，其包括探测器或杆或者在一些实施例中包括换能器）相组合，从而提供完整的雨水感测装置。
在一些实施例中，方法包括检测一个或多个雨滴对如本文所述装置的实施例的探测器表面的撞击。在一些实施例中，方法包括确定雨滴对探测器表面撞击的角度。在一些实施例中，方法包括确定雨滴对探测器表面撞击的位置。在一些实施例中，确定描述雨滴在与探测器撞击时刻的运动的向量。
在一些实施例中，方法包括确定由雨滴撞击传递到探测器的撞击能量。在一些实施例中，方法包括用探测器记录和/或获取由雨滴撞击产生的声信号。在一些实施例中，方法包括记录和/或获取具有从大约6到大约10 kHz（例如，大约6.0、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8、6.9、7.0、7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8.0、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9、9.0、9.1、9.2、9.3、9.4、9.5、9.6、9.7、9.8、9.9或10.0 kHz）范围内的振荡的声信号。在一些实施例中，方法包括记录和/或获取频率范围内的声信号，该频率范围包括探测器的自然主频率（例如，大约6到大约10 kHz（例如，大约6.0、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8、6.9、7.0、7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8.0、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9、9.0、9.1、9.2、9.3、9.4、9.5、9.6、9.7、9.8、9.9或10.0kHz））。
在一些实施例中，方法包括计算、产生和/或记录时变信号（例如，通过在大约为25到100 kHz（例如，25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99或100 kHz）的频率下对装置（例如，装置换能器）的模拟输出进行采样而产生的数字时变信号）。
在一些实施例中，方法包括（例如从换能器）记录和/或获取模拟电压。在一些实施例中，方法包括在25到50 kHz（例如，在25.0、25.1、25.2、25.3、25.4、25.5、25.6、25.7、25.8、25.9、26.0、26.1、26.2、26.3、26.4、26.5、26.6、26.7、26.8、26.9、27.0、27.1、27.2、27.3、27.4、27.5、27.6、27.7、27.8、27.9、28.0、28.1、28.2、28.3、28.4、28.5、28.6、28.7、28.8、28.9、29.0、29.1、29.2、29.3、29.4、29.5、29.6、29.7、29.8、29.9、30.0、30.1、30.2、30.3、30.4、30.5、30.6、30.7、30.8、30.9、31.0、31.1、31.2、31.3、31.4、31.5、31.6、31.7、31.8、31.9、32.0、32.1、32.2、32.3、32.4、32.5、32.6、32.7、32.8、32.9、33.0、33.1、33.2、33.3、33.4、33.5、33.6、33.7、33.8、33.9、34.0、34.1、34.2、34.3、34.4、34.5、34.6、34.7、34.8、34.9、35.0、35.1、35.2、35.3、35.4、35.5、35.6、35.7、35.8、35.9、36.0、36.1、36.2、36.3、36.4、36.5、36.6、36.7、36.8、36.9、37.0、37.1、37.2、37.3、37.4、37.5、37.6、37.7、37.8、37.9、38.0、38.1、38.2、38.3、38.4、38.5、38.6、38.7、38.8、38.9、39.0、39.1、39.2、39.3、39.4、39.5、39.6、39.7、39.8、39.9、40.0、40.1、40.2、40.3、40.4、40.5、40.6、40.7、40.8、40.9、41.0、41.1、41.2、41.3、41.4、41.5、41.6、41.7、41.8、41.9、42.0、42.1、42.2、42.3、42.4、42.5、42.6、42.7、42.8、42.9、43.0、43.1、43.2、43.3、43.4、43.5、43.6、43.7、43.8、43.9、44.0、44.1、44.2、44.3、44.4、44.5、44.6、44.7、44.8、44.9、45.0、45.1、45.2、45.3、45.4、45.5、45.6、45.7、45.8、45.9、46.0、46.1、46.2、46.3、46.4、46.5、46.6、46.7、46.8、46.9、47.0、47.1、47.2、47.3、47.4、47.5、47.6、47.7、47.8、47.9、48.0、48.1、48.2、48.3、48.4、48.5、48.6、48.7、48.8、48.9、49.0、49.1、49.2、49.3、49.4、49.5、49.6、49.7、49.8、49.9或50.0 kHz）下对模拟电压进行采样，以产生数字时变信号。在一些实施例中，模拟电压以32或44.1 kHz被采样，以产生数字时变信号。在一些实施例中，模拟电压以8、12、16、24、32、64、128或256位的分辨率被采样。
在一些实施例中，方法包括（例如从换能器）记录和/或获取模拟电压。在一些实施例中，方法包括在25到100 kHz（例如，25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99或100 kHz）下对模拟电压进行采样，以产生数字时变信号。在一些实施例中，模拟电压以32、44.1或96 kHz被采样，以产生数字时变信号。在一些实施例中，模拟电压以8、12、16、24、32、64、128或256位的分辨率被采样。
在一些实施例中，方法包括使用模拟和/或数字信号检测雨滴在探测器表面上的撞击位置（
Figure DEST_PATH_IMAGE013AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
）。在一些实施例中，方法包括使用模拟和/或数字信号检测雨滴在探测器表面上的撞击角度（
Figure 43854DEST_PATH_IMAGE014
）。在一些实施例中，方法包括使用模拟和/或数字信号检测雨滴在探测器表面上的撞击时间。
在一些实施例中，方法包括检测和/或测量撞击探测器表面的雨滴的速度、速率、方向、加速度、动量、尺寸、体积、质量、成分或形状。在一些实施例中，方法包括确定描述撞击探测器表面的雨滴的速度、动量、方向和/或加速度的向量。在一些实施例中，方法包括计算撞击探测器表面的雨滴的速度、速率、方向、加速度、动量、尺寸、体积、质量、成分或形状。在一些实施例中，方法包括计算描述撞击探测器表面的雨滴的速度、动量、方向和/或加速度的向量。在一些实施例中，方法包括检测、确定和/或计算从雨滴传递到探测器的撞击（例如，动能）能量。
在一些实施例中，该方法包括实时提供数字时变信号作为数据流。在一些实施例中，方法包括实时分析数字时变信号（数据流）。在一些实施例中，由配置为计算对应于雨水并表征雨水的统计参数的装置的部件来分析数据流。在一些实施例中，数据流被发送到远程部件，并且所述远程部件被配置为计算对应于雨水并表征雨水的统计参数。因此，方法包括从数据流计算描述雨水的统计参数（例如，降雨率、雨水累积等）。
在一些实施例中，方法包括分析（例如，实时）例如由时变数字信号提供的数据流。在一些实施例中，方法包括从例如由时变数字信号提供的数据流计算统计参数，其对应于和/或关联于降雨、雨滴和/或降雨和/或雨滴的特性（例如，雨滴在探测器表面上的撞击位置（
Figure DEST_PATH_IMAGE013AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
）、雨滴在探测器表面上的撞击角度（
Figure 548716DEST_PATH_IMAGE014
）、降雨率、雨滴速度、雨滴速率、雨滴方向、雨滴加速度、雨滴动量、雨滴尺寸、雨滴体积、雨滴质量、雨滴成分、雨滴形状、雨滴速度向量、雨滴动量向量、雨滴方向向量、雨滴加速度向量和/或从雨滴传递到探测器的撞击（例如，动能）能量的量）。在一些实施例中，方法包括计算降雨和/或雨滴特性（例如，雨滴在探测器表面上的撞击位置（
Figure DEST_PATH_IMAGE013AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
）、雨滴在探测器表面上的撞击角度（
Figure 260451DEST_PATH_IMAGE014
）、降雨率、雨滴速度、雨滴速率、雨滴方向、雨滴加速度、雨滴动量、雨滴尺寸、雨滴体积、雨滴质量、雨滴成分、雨滴形状、雨滴速度向量、雨滴动量向量、雨滴方向向量、雨滴加速度向量和/或从雨滴传递到探测器的撞击（例如，动能）能量的量）的平均值、中值、范围、最大值、最小值、模式、分布、标准偏差或其他统计处理。
在一些实施例中，方法包括检测、测量和/或计算雨水的声学特征，例如在探测器上一个雨滴撞击或多个雨滴撞击的特性信号。在一些实施例中，方法包括记录雨滴在探测器上撞击产生的脉冲序列。在一些实施例中，方法包括检测、测量和/或计算由一个雨滴或多个雨滴产生的振荡，其例如对应于探测器的自然频率（例如，在大约6-10 kHz的频率（例如，6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5或10 kHz））。在一些实施例中，方法包括分析由一个雨滴或多个雨滴产生的振荡，以检测主环频率的幅度调制（AM）。在一些实施例中，方法包括分析由一个雨滴或多个雨滴产生的振荡，以标识该雨滴或多个雨滴的特性AM特征。在一些实施例中，该雨滴或多个雨滴的特性AM特征包括与单个撞击雨滴的参数相关的分量，例如，雨滴在探测器表面上的撞击位置（
Figure DEST_PATH_IMAGE013AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
）、雨滴在探测器表面上的撞击角度（
Figure 564393DEST_PATH_IMAGE014
）、雨滴速度、雨滴速率、雨滴方向、雨滴加速度、雨滴动量、雨滴尺寸、雨滴体积、雨滴质量、雨滴成分、雨滴形状、雨滴速度向量、雨滴动量向量、雨滴方向向量、雨滴加速度向量和/或从雨滴传递到探测器的撞击（例如，动能）能量的量。
在一些实施例中，方法包括对调幅信号解调，以例如提供描述液滴尺寸和/或液滴在探测器表面上撞击的位置的信号或数据。在一些实施例中，方法包括对调幅信号解调，以例如提供描述平均液滴尺寸和/或液滴在探测器表面上撞击的平均位置的信号或数据。在一些实施例中，方法包括变换声信号（例如，调幅声信号）来提供解调信号。在一些实施例中，变换声信号包括对离散点连续应用解调（例如，使用运行方法），标识信号强度绝对值的峰值，和/或在已知峰值之间插入中间点（例如，根据等式1）。
在一些实施例中，方法包括计算峰值声功率（P-值）和/或声能（Ea）。在一些实施例中，解调信号包括对应于主环振荡的瞬时幅度的正值。在一些实施例中，方法包括标识解调信号的峰值。在一些实施例中，方法包括将峰值声功率（P-值）指定为解调信号的峰值。在一些实施例中，方法包括对单个液滴撞击的声功率特征进行数值求和。在一些实施例中，对单个液滴撞击的声功率特征进行数值求和产生了接近渐近值的曲线。在一些实施例中，方法包括标识单个液滴撞击的数值求和声功率特征的渐近值。在一些实施例中，方法包括将与液滴撞击相关联的总声能（Ea）指定为单个液滴撞击的数值求和声功率特征的渐近值。
在一些实施例中，方法包括使用与液滴撞击相关联的总声能（Ea）计算雨滴在探测器表面上的撞击位置（
Figure DEST_PATH_IMAGE013AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
）、雨滴在探测器表面上的撞击角度（
Figure 731194DEST_PATH_IMAGE014
）、雨滴速度、雨滴速率、雨滴方向、雨滴加速度、雨滴动量、雨滴尺寸、雨滴体积、雨滴质量、雨滴成分、雨滴形状、雨滴速度向量、雨滴动量向量、雨滴方向向量、雨滴加速度向量和/或从雨滴传递到探测器的撞击（例如，动能）能量的量。
在一些实施例中，方法包括对单个液滴的声功率进行数值求和，以提供声能（Ea）的值。在一些实施例中，方法包括检测、测量和/或计算单个雨滴撞击的峰值声功率（P-值）。在一些实施例中，方法包括检测、测量和/或计算单个雨滴撞击的声能（Ea）。
在一些实施例中，方法包括分析来自雨滴在本文提供的装置的探测器上撞击的声信号。在一些实施例中，方法包括从雨滴在探测器上撞击获得声信号（例如，由麦克风获得），数字化声信号，以及处理数字化的声信号。在一些实施例中，处理数字化的声信号包括对调幅信号解调。在一些实施例中，对调幅信号解调包括例如通过连续应用解调（例如，使用运行方法对离散点连续应用解调）对实时数字信号解调。在一些实施例中，对调幅信号解调包括标识信号强度绝对值中的峰值。在一些实施例中，对调幅信号解调包括在已知峰值之间进行插值。在一些实施例中，处理数字化的声信号包括将包络（例如，“飞机”滤波器）应用到数字声信号。在一些实施例中，将包络或滤波器应用于数字声信号包括保存单个雨滴撞击的P-值和声能量（Ea）。
在一些实施例中，方法包括使用等式2应用飞机滤波器，其中fc被调整为允许急剧爬升以保持初始峰值（P-值），并且滑动函数fg是具有大约1到大约10毫秒数量级的时间常数的指数形式（例如，大约1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0、5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、5.6、5.7、5.8、5.9、6.0、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8、6.9、7.0、7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8.0、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9、9.0、9.1、9.2、9.3、9.4、9.5、9.6、9.7、9.8、9.9或10.0毫秒）。
在一些实施例中，将包络或滤波器（例如，具有由滑动函数fg提供的短滑动的飞机滤波器）应用到数字声信号保留了振荡中的精细（例如，大约1-3 Hz）结构。因此，在一些实施例中，方法包括保存振荡中的精细（例如，大约1-3 Hz）结构。
在一些实施例中，将包络或滤波器（例如，具有由滑动函数fg提供的长滑动的飞机滤波器）应用到数字声信号包括移除振荡中的精细（例如，大约1-3 Hz）结构。因此，在一些实施例中，方法包括使用长滑动函数将声学数字信号下采样到大约3.2 Hz（例如，大约2.5到4.0 Hz（例如，大约2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9或4.0 Hz）），同时仍然保留P-值和Ea参数。因此，在一些实施例中，方法包括将数字声信号下采样到大约3.2 Hz（例如，大约2.5到4.0 Hz（例如，大约2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9或4.0 Hz）），并保留P-值和Ea参数。
在一些实施例中，方法包括对实时数字信号进行滤波。在一些实施例中，方法包括对解调的实时数字信号进行滤波。在一些实施例中，对实时数字信号（例如，解调的实时数字信号）进行滤波包括对实时数字信号应用运行计算，以从解调的实时数字信号生成新的序列。在一些实施例中，对实时数字信号（例如，解调的实时数字信号）进行滤波包括保存单个雨滴撞击的P-值。在一些实施例中，对实时数字信号（例如，解调的实时数字信号）进行滤波包括保存单个雨滴撞击的声能（Ea）。在一些实施例中，对实时数字信号（例如，解调的实时数字信号）进行滤波包括保留振荡中的精细（例如，大约1-3 Hz（例如，大约1、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8或3.0 Hz））结构。在一些实施例中，方法包括从精细（例如，大约1-3 Hz（例如，大约1、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8或3.0 Hz））结构计算关于撞击位置和/或水搅炼的信息。在一些实施例中，对实时数字信号（例如，解调的实时数字信号）进行滤波包括移除振荡中的精细（例如，大约1-3 Hz（例如，大约1、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8或3.0 Hz））结构。
在一些实施例中，对实时数字信号（例如，解调的实时数字信号）进行滤波包括对实时数字信号（例如，解调的实时数字信号）进行下采样以产生下采样的实时数字信号。在一些实施例中，对实时数字信号（例如，解调的实时数字信号）进行滤波包括对实时数字信号（例如，解调的实时数字信号）进行下采样以产生频率大约为2.5至4.0 Hz（例如，大约2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9或4.0 Hz）的下采样实时数字信号。在一些实施例中，对实时数字信号（例如，解调的实时数字信号）进行下采样包括保留P-值和/或Ea值。因此，在一些实施例中，下采样的实时数字信号具有大约2.5至4.0 Hz（例如，大约2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9或4.0 Hz）的频率。在一些实施例中，下采样的实时数字信号保留P-值。在一些实施例中，下采样的实时数字信号保留Ea。
在一些实施例中，方法包括根据P-值确定液滴尺寸。在一些实施例中，方法包括根据Ea确定液滴尺寸。在一些实施例中，方法包括根据P-值确定探测器上的液滴撞击位置。在一些实施例中，方法包括根据Ea确定探测器上的液滴撞击位置。
在一些实施例中，方法包括确定降雨率。在一些实施例中，方法包括检测、测量和/或计算降雨率。在一些实施例中，方法包括使用信号处理和/或统计分析来根据声信号确定降雨率。在一些实施例中，方法包括使用信号处理和/或统计分析来根据时变信号、数字时变信号、变换的声信号、解调的声信号、滤波的实时数字信号和/或下采样的实时数字信号来确定降雨率。在一些实施例中，方法包括使用声信号、时变信号、数字时变信号、变换的声信号、解调的声信号、滤波的实时数字信号、下采样的实时数字信号的统计处理来确定降雨率。在一些实施例中，方法包括标识与降雨的雨滴测量特性有关的信号特征（例如，声信号的信号特征）。在一些实施例中，方法包括标识与降雨率相关的信号特征（例如，声信号的信号特征）。在一些实施例中，方法包括估计一段时间内的降雨率。在一些实施例中，方法包括使用估计的降雨率来计算雨水累积。
在一些实施例中，方法包括测量、确定和/或计算声信号对探测器上的液滴尺寸和/或撞击位置（
Figure DEST_PATH_IMAGE013AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
）的依赖性。在一些实施例中，测量、确定和/或计算降雨率包括测量、确定和/或计算声信号对探测器上的液滴尺寸和/或撞击位置（
Figure DEST_PATH_IMAGE013AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
）的依赖性。在一些实施例中，测量、确定和/或计算降雨率包括测量、确定和/或计算P-值。在一些实施例中，测量、确定和/或计算降雨率包括测量、确定和/或计算Ea值。
在一些实施例中，确定降雨率包括提供（例如，包括探测器和麦克风的）如本文所述的装置。在一些实施例中，确定降雨率的方法进一步包括记录和/或获取雨滴撞击探测器外部的声信号。在一些实施例中，方法包括记录和/或获取声信号中的特性脉冲，每个脉冲对应于单个液滴。在一些实施例中，确定降雨率的方法包括对实时声信号进行下采样，以例如提取每个脉冲的包络。在一些实施例中，方法包括使用脉冲参数和液滴尺寸之间的关系和/或脉冲参数和液滴位置之间的关系来确定液滴尺寸和/或液滴位置。
在一些实施例中，方法包括使用多个液滴撞击的聚集信号（和/或聚集信号的参数）和降雨率之间的统计相关性来确定降雨率。在一些实施例中，方法包括在不对单个液滴计数的情况下确定降雨率。在一些实施例中，方法包括使用对液滴特征取统计平均的相关性来确定降雨率。
在一些实施例中，确定降雨率的方法包括确定与实时声信号或滤波声功率信号相关联的统计平均量。在一些实施例中，方法包括对时变声功率信号应用统计处理以获得降雨率的度量。在一些实施例中，方法包括根据时变声功率信号的分布确定统计参数（例如，峰值高度、各频带中的频率、平均幅度、分布尾部的形状和长度、分布形状等）。
例如，在一些实施例中，方法包括对声信号（例如，如本文所述的模拟信号、数字（例如，离散化的）声信号和/或实时数字（例如，离散化的）信号）进行滤波来移除和/或最小化感兴趣频率范围之外的信息（例如，大约6 kHz到大约10 kHz（例如，大约6.0、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8、6.9、7.0、7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8.0、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9、9.0、9.1、9.2、9.3、9.4、9.5、9.6、9.7、9.8、9.9或10.0kHz）和/或大约24到大约100 kHz（例如，25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99或100 kHz））。在一些实施例中，滤波器是数字滤波器。在一些实施例中，对声信号滤波包括将数字滤波器（例如，有限脉冲响应陷波滤波器）应用到（例如，由声信号（例如，如本文所述的模拟信号、数字（例如，离散化的）声信号和/或实时数字（例如，离散化的）信号（例如，来自如本文所述对模拟麦克风数据进行采样的模数转换器的数字信号）提供的）频率数据，以移除和/或最小化感兴趣频率范围之外的信息（例如，大约6 kHz到大约10 kHz（例如，大约6.0、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8、6.9、7.0、7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8.0、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9、9.0、9.1、9.2、9.3、9.4、9.5、9.6、9.7、9.8、9.9或10.0 kHz）和/或大约24到大约100kHz（例如，25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99或100 kHz））。参见例如Oppenheim等人的（1983）Signals and Systems（Englewood Cliffs, New Jersey; Prentice-Hall公司），其通过引用并入本文。
然后，在一些实施例中，上述滤波信号（例如，滤波的数字信号）的声功率在限定的窗口（例如，从大约1到60秒（例如，1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59或60秒））内的时域中被求和。在一些实施例中，滤波信号（例如，滤波的数字信号）的声功率在大约10秒（例如，5.0、5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、5.6、5.7、5.8、5.9、6.0、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8、6.9、7.0、7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8.0、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9、9.0、9.1、9.2、9.3、9.4、9.5、9.6、9.7、9.8、9.9、10.0、10.1、10.2、10.3、10.4、10.5、10.6、10.7、10.8、10.9、11.0、11.1、11.2、11.3、11.4、11.5、11.6、11.7、11.8、11.9、12.0、12.1、12.2、12.3、12.4、12.5、12.6、12.7、12.8、12.9、13.0、13.1、13.2、13.3、13.4、13.5、13.6、13.7、13.8、13.9、14.0、14.1、14.2、14.3、14.4、14.5、14.6、14.7、14.8、14.9或15.0秒）的限定窗口内的时域中被求和。在一些实施例中，滤波信号（例如，滤波的数字信号）的声功率在限定窗口（例如，大约10秒）内的时域中被求和，并且在第二限定窗口（例如，20到300秒（例如，20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、105、110、115、120、125、130、135、140、145、150、155、160、165、170、175、180、185、190、195、200、205、210、215、220、225、230、235、240、245、250、255、260、265、270、275、280、285、290、295或300秒））内的风速被用于使响应归一化。在一些实施例中，滤波信号（例如，滤波的数字信号）的声功率在限定窗口（例如，大约10秒）内的时域中被求和，并且在第二限定窗口（例如，大约60秒）内的风速被用于使响应归一化。因此，在一些实施例中，降雨率被限定针对限定的窗口，在该限定的窗口内，滤波信号（例如，滤波的数字信号）的声功率被求和。（例如，在第二限定窗口内被确定的）风归一化因子被计算并应用于云（例如，在远离雨水检测装置的服务器、计算机、虚拟机等上）中的降雨率。在一些实施例中，在云（例如，在远离雨水检测装置的服务器、计算机、虚拟机等上）中将设备特定的工厂限定的校准因子应用到限定的窗口，在该限定的窗口内，声功率被求和，其然后被聚集成微小的粒度。例如，对于用于对滤波信号（例如，滤波的数字信号）的声功率求和的10秒的限定窗口、和在风读数的第二限定窗口（例如，大约60秒）内被计算的风归一化因子，计算归一化因子，并将相同的归一化因子应用到6个单独的10秒降雨率读数。然而，该技术不限于这些特定的时间窗口，并且包括用于对滤波信号（例如，滤波的数字信号）的声功率求和的更长或更短的限定窗口和用于计算风归一化因子的第二限定窗口。
在一些实施例中，方法包括对滤波的声功率信号（“P-声学”）应用峰值拟合。在一些实施例中，方法包括通过分析P-声学值的分布来确定降雨率。在一些实施例中，方法包括标识单个峰值及其出现时间和幅度（P-值），以例如提供峰值数据集。在一些实施例中，方法包括校正峰值（例如，用于叠加）。在一些实施例中，方法包括对峰值数据集中峰值的峰值属性（例如，峰值高度、出现时间）的分布应用统计处理。在一些实施例中，方法包括通过检测P-值的增加来确定降雨率的增加。
在一些实施例中，方法包括根据原始声功率信号数据或滤波的声功率信号数据的分布确定参数（例如，峰值高度、特性宽度和/或各种频带内出现的频率）。在一些实施例中，方法包括使用来自原始声功率信号数据或滤波的声功率信号数据的分布的参数来计算降雨率。在一些实施例中，方法包括导出结合声功率分布的多个特性的混合声学参数。在一些实施例中，确定降雨率包括使用相关函数，该相关函数使用混合声学参数或P-值作为输入。
在一些实施例中，方法包括使用用于从声信号计算降雨率的麦克风声信号和幂律函数来测量瞬时降雨率。
在一些实施例中，方法包括校准如本文所述的装置，以例如改进用于检测雨滴、产生声信号和/或用于确定降雨率的装置的准确度。在一些实施例中，方法包括实时和/或后处理数值（或分析）变换，以将原始数据流转换成以与原始数据流相比改进的准确度测量降雨率的数据流。
在一些实施例中，方法包括校正降雨率、声功率、声能和/或风的其他测量（例如，风速）。在一些实施例中，针对风来校正一个或多个雨滴的速度和/或方向。在一些实施例中，由换能器检测的原始声信号针对风进行校正，并且在一些实施例中，处理的信号（例如，解调信号、求和信号等）针对风进行校正。在一些实施例中，方法包括校准雨水检测设备。在一些实施例中，校准雨水检测设备包括提供（例如，计算、产生、确定）归一化常数（例如，设备特定的归一化常数）。在一些实施例中，归一化常数基于针对已知降雨率测量的信号。在一些实施例中，已知的降雨率是正常的雨水。在一些实施例中，正常的雨水具有直径大约为4.0 mm的最大液滴尺寸的液滴尺寸分布。在一些实施例中，正常的雨水具有直径在0.5和4.0或5.0 mm（例如，大约为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9或5.0 mm的直径）之间的液滴尺寸分布。在一些实施例中，校准雨水检测设备包括在设备制造之后（例如，在设备交付之前）对于每个单个设备，确定校准因子（例如，归一化常数）。在一些实施例中，设备特定的校准因子（例如，归一化常数）对于设备被确定，并对于特定设备被记录（例如，使用将归一化常数与设备相关联的设备的唯一标识符和/或唯一标识符）。在一些实施例中，设备特定的校准因子（例如，归一化常数）在云中应用于由设备获取并发送到云的数据。
雨水检测系统
在一些实施例中，该技术提供了包括本文描述的雨水感测装置的实施例的系统的实施例。系统的示例性实施例包括如本文所述的雨水感测装置和与该装置通信的计算机。在一些实施例中，该系统包括如本文所述的与第一装置通信和/或与计算机通信的第二装置。在一些实施例中，该系统此外包括用于实现算法和模型的软件部件，该算法和模型用于基于由安装在地理区域中的一个或多个装置记录和处理的声信号来计算降雨率。在一些实施例中，一个或多个装置包括计算降雨率的软件部件。在一些实施例中，声信号（例如，原始声信号、滤波的声信号和/或处理的声信号）被传输到计算机，该计算机包括计算降雨率的软件部件。
在一些实施例中，计算机从多个装置收集数据，并且包括软件部件，以基于从安装在整个地理区域中的两个或更多个装置收集的数据来确定降雨率。在一些实施例中，软件部件预测未来天气事件。在一些实施例中，系统进一步包括向用户或另一实体发出警报的警报部件，例如以便采取适合于预测天气事件的动作。系统实施例例如在装置的网络中实现，并且在一些实施例中，在计算机中实现。地理区域可以被彼此通信的装置的网络或“微网格”覆盖，并且在一些实施例中，计算机（例如，数据服务器）来分析来自多个装置的数据（例如，应用数据的统计分析）。在一些实施例中，系统提供历史记录、提供实时监视和/或提供天气事件的预测，诸如风暴、温度、锋面移动（front movement）、雨、雪、压力系统、风速、风向、紫外线辐射、热指数、空气质量、露点、环境噪声等。
在一些实施例中，本文描述的装置、方法和系统与被设计成执行如由本文描述的方法提供的算术或逻辑操作序列的可编程机器相关联。
例如，该技术的一些实施例与计算机软件和/或计算机硬件相关联（例如，实现在计算机软件和/或计算机硬件中）。在一个方面，该技术涉及一种计算机，其包括一种形式的存储器、用于执行算术和逻辑运算的元件以及处理元件（例如，微处理器），该处理元件（例如，微处理器）用于执行一系列指令（例如，如本文提供的方法）来读取、操纵和存储数据。在一些实施例中，微处理器是用于收集声信号、处理声信号、确定降雨率和/或模拟天气数据的系统的部分。一些实施例包括存储介质和存储器部件。存储器部件（例如，易失性和/或非易失性存储器）在存储指令（例如，如本文提供的过程的实施例）和/或数据（例如，工件，诸如声信号、经处理或滤波的声信号、P-值、P-声、Ea等）中发现用途。一些实施例涉及还包括CPU、图形卡和用户接口（例如，包括诸如显示器的输出设备和诸如键盘的输入设备）中的一个或多个。
与该技术相关联的可编程机器包括常规的现存技术和正在开发或有待开发的技术（例如，量子计算机、化学计算机、DNA计算机、光学计算机、基于自旋电子学的计算机等等）。
在一些实施例中，该技术包括用于传输数据的有线（例如，金属线缆、光纤）或无线传输介质。例如，一些实施例涉及网络上的数据传输（例如，局域网（LAN）、广域网（WAN）、自组织网络、互联网等）。在一些实施例中，可编程机器作为对等体存在于这样的网络上，并且在一些实施例中，可编程机器具有客户端/服务器关系。
在一些实施例中，数据存储在诸如硬盘、闪存、光学介质、软盘等之类的计算机可读存储介质上。
在一些实施例中，本文提供的技术与协同操作以执行如本文描述的方法的多个可编程设备相关联。例如，在一些实施例中，（例如，通过网络连接的）多个计算机可以并行工作来收集和处理数据，例如在通过诸如以太网、光纤的常规网络接口或者通过无线网络技术连接到网络（私有、公共或互联网）的集群计算或网格计算或者依赖于完整计算机（具有板载CPU、存储装置、电源、网络接口等）的一些其他分布式计算机架构的实现中。
例如，一些实施例提供了包括计算机可读介质的计算机。该实施例包括耦合到处理器的随机存取存储器（RAM）。处理器执行存储在存储器中的计算机可执行程序指令。此类处理器可以包括微处理器、ASIC、状态机或其他处理器，并且可以是多个计算机处理器中的任何一种，诸如来自加利福尼亚州圣克拉拉的英特尔公司和伊利诺伊州绍姆堡的摩托罗拉公司的处理器。此类处理器包括介质或者可以与例如计算机可读介质的介质通信，所述介质存储指令，所述指令当被处理器执行时，使得处理器执行本文描述的步骤。
计算机可读介质的实施例包括但不限于能够向处理器提供计算机可读指令的电子、光学、磁性或其他存储或传输设备。合适的介质的其他示例包括但不限于软盘、CD-ROM、DVD、磁盘、存储器芯片、ROM、RAM、ASIC、配置的处理器、所有光介质、所有磁带或其他磁介质，或者计算机处理器可以从中读取指令的任何其他介质。此外，包括路由器、私有或公共网络、或有线和无线二者的其他传输设备或信道的各种其他形式的计算机可读介质可以向计算机传输或携带指令。指令可以包括来自任何合适的计算机编程语言的代码，任何合适的计算机编程语言包括例如C、C++、C#、Visual Basic、Java、Python、Perl、Julia和JavaScript。
在一些实施例中，计算机连接到网络。计算机还可以包括多个外部或内部设备，诸如鼠标、CD-ROM、DVD、键盘、显示器或其他输入或输出设备。计算机的示例是个人计算机、数字助理、个人数字助理、蜂窝电话、移动电话、智能电话、寻呼机、数字平板计算机、膝上型计算机、互联网设备和其他基于处理器的设备。一般而言，与本文提供的技术方面相关的计算机可以是在任何操作系统上操作的能够支持包括本文提供的技术的一个或多个程序的任何类型的基于处理器的平台，诸如Microsoft Windows、Linux、UNIX、Mac OS X等。一些实施例包括执行其他应用程序（例如，应用）的个人计算机。应用可以包含在存储器中，并且可以包括例如文字处理应用、电子表格应用、电子邮件应用、即时消息器应用、演示应用、因特网浏览器应用、日历/组织器应用以及能够由客户端设备执行的任何其他应用。
本文描述的与该技术相关联的所有此类部件、计算机和系统可以是逻辑的或虚拟的。
在一些实施例中，计算机或系统提供关于本文提供的一个或多个天气感测设备的诊断信息。例如，在一些实施例中，设备、设备集合和/或系统能够自检和/或向用户报告问题。在一些实施例中，计算机或系统提供设备、系统或设备集合的自动校准。
示例
示例1–雨水感测装置的设计
在一些实施例中，该技术涉及雨水传感器装置和相关的雨水感测方法和系统。因此，在本文描述的技术的实施例的开发期间，设计、生产和测试了雨水感测装置的示例性实施例。
示例性的雨水传感器100包括探测器110（例如，中空的不锈钢球体（例如，直径大约为200 mm，并且厚度大约为1.2 mm））、杆120和麦克风130（图1）。杆延伸到探测器110内部的体积160中，并且麦克风130安装在杆120的顶部。杆120实质上和/或基本上与探测器110和/或杆120的中心竖直轴150对准。麦克风130定位在探测器110的中纬线140上方，例如以使雨水传感器100与探测器110的体积160内部的声信号的耦合最大化。然而，该技术不限于麦克风130的该布置——在一些实施例中，麦克风定位在探测器110的中纬线140处、探测器110的中纬线140下方或者从探测器110的竖直轴150横向移位。在这些各种实施例中，杆120的尺寸、长度、位置等在雨水传感器100中适当地提供，以相应地定位麦克风130。
麦克风130包括电路并具有驻极体设计。麦克风对从大约6到大约10 kHz（例如，大约6.0、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8、6.9、7.0、7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8.0、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9、9.0、9.1、9.2、9.3、9.4、9.5、9.6、9.7、9.8、9.9或10.0 kHz）范围内的声信号高度敏感。麦克风130产生与声功率成比例的模拟电压。在一些实施例中，模拟电压以32 kHz、16位采样，以产生数字时变信号。在一些实施例中，模拟电压以44.1 kHz采样。虽然该技术被描述为包括驻极体麦克风，但是该技术不限于驻极体麦克风。因此，在一些实施例中，该技术包括将声信号转换成电输出的电容式麦克风或其他机电部件。
在一些实施例中，雨水传感器进一步包括管（例如，具有大约为38.1 mm的外径以及大约为1.24 mm的壁厚）。在一些实施例中，管从探测器向下延伸（例如，大约200 mm）。在一些实施例中，管终止于塞子中。在一些实施例中，如上所述，杆延伸穿过管并进入球体。在一些实施例中，管由不锈钢制成；在一些实施例中，塞子由铝制成。在一些实施例中，应变或力传感器（例如，测压元件）附接到塞子和管，以向管提供机械支撑并感测施加到探测器的机械力。在一些实施例中，由仪器感测的示例性力包括例如静态载荷（例如，风）或动态载荷（例如，阵风、来自水文气象（例如，冰雹）的震动撞击等）。在一些实施例中，雨水感测装置被集成到如在美国专利号9，846，092和9，958，346中所述的天气感测设备中，所述美国专利中每一个都通过引用以其整体并入本文。虽然在一些实施例中，本文描述的雨水感测装置被集成到天气感测装置中（例如，如在美国专利号9，846，092和9，958，346中所述），但该技术不限于此类实施例。因此，在一些实施例中，雨水感测装置包括如本文所述的探测器、杆和麦克风，并且不一定包括阻力生成部件、杆或管、应变传感器（例如，测压元件）和/或如在美国专利号9，846，092和9，958，346中所述的天气感测装置的其他部件。
示例2–雨水撞击的检测
降雨在探测器表面的各个位置处——在其中探测器为球形的实施例中，通常在探测器的上半球上——撞击探测器。此外，雨水可以相对于探测器的轴以各个角度撞击探测器（例如，垂直于探测器表面的轴（例如，在其中探测器是球体的实施例中，轴垂直于探测器表面并延伸穿过探测器中心））。例如，雨水可以从侧面撞击探测器（例如，存在风的情况下）。因此，雨水在探测器表面上撞击的位置和撞击位置处雨水在探测器表面上的撞击角度都可以变化。在雨水对探测器撞击的一些分析中，针对雨水撞击角度的极限是水平的（例如，垂直于探测器100的竖直轴150，如图1中所示）。
图2示出了垂直于探测器表面撞击探测器的雨滴280的撞击位置和撞击角度，以及以撞击角度
Figure DEST_PATH_IMAGE013AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
261撞击探测器的雨滴281的撞击位置和撞击角度。向量270包括雨滴280与探测器撞击时刻雨滴280的运动方向。类似地，向量271包括雨滴281与探测器撞击时刻雨滴281的运动方向。向量270和271与探测器表面的交集分别限定了雨滴280和281的撞击位置。轴250垂直于探测器表面，并穿过雨滴280的撞击位置和探测器中心290。轴251垂直于探测器表面，并穿过雨滴281的撞击位置和探测器中心290。雨滴280垂直于探测器表面撞击探测器表面，并且因此具有0°（零度）的撞击角度。雨滴281以撞击角度
Figure DEST_PATH_IMAGE013AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
261撞击探测器表面。撞击角度
Figure DEST_PATH_IMAGE013AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
261在向量271和轴251之间测量，向量271包括雨滴281在雨滴281撞击时刻的运动方向，轴251垂直于雨滴281撞击位置处的探测器表面。在垂直于雨滴281撞击位置处的探测器表面的轴251和竖直轴250之间形成相同的角度
Figure DEST_PATH_IMAGE013AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
260。
在包括球形探测器的实施例中，球形相对于撞击雨水在所有方向上呈现相同，并且因此无论撞击位置如何，相对于探测器表面的撞击几何形状的处理都是相同的。液滴可以以相对于撞击位置处探测器表面的竖直轴的角度
Figure DEST_PATH_IMAGE013AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
（例如，0≤
Figure DEST_PATH_IMAGE013AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
≤90°）、例如从垂直于表面（0°）到掠射撞击（接近90°）撞击探测器。
因此，图3示出了与雨滴380以撞击角度
Figure DEST_PATH_IMAGE013AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
360撞击探测器和雨滴381垂直于探测器表面撞击探测器的撞击相关联的测量（类似于图2中的测量）。向量370包括雨滴380与探测器撞击时刻雨滴380的运动方向。类似地，向量371包括雨滴381与探测器撞击时刻雨滴381的运动方向。向量370和371与探测器表面的交集分别限定了雨滴380和381的撞击位置。轴350垂直于探测器表面，并穿过雨滴380的撞击位置和探测器中心390。轴351垂直于探测器表面，并穿过雨滴381的撞击位置和探测器中心390。雨滴381垂直于探测器表面撞击探测器表面，并且因此具有0°（零度）的撞击角度。雨滴380以撞击角度
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360撞击探测器表面。撞击角度
Figure DEST_PATH_IMAGE013AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
360在向量370和轴350之间测量，向量370包括雨滴380在雨滴380撞击时刻的运动方向，轴350垂直于雨滴380撞击位置处的探测器表面。
雨滴撞击探测器的撞击位置和撞击角度影响传递到探测器的撞击量，并且从而影响麦克风检测到的所得声信号。此外，传递到探测器的撞击能量由液滴的流体动力学调节，并且有时可受到该位置处表面上已经存在（搅炼）的水影响。撞击能量使探测器机械震动，其引起探测器振动并在探测器体积内部产生声振动（振铃）。在本文描述的技术的实施例的开发期间进行的实验期间，设想由水本身产生的声信号可以传播到探测器中，但是所收集的实验数据指示探测器内部的声信号由从大约6到大约10 kHz（例如，大约6.0、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8、6.9、7.0、7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8.0、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9、9.0、9.1、9.2、9.3、9.4、9.5、9.6、9.7、9.8、9.9或10.0kHz）范围内的单个振荡支配。在不受理论约束并且理解该技术可以在不完全理解该理论的情况下实践的情况下，该频率范围被设想是球形探测器的自然频率，其作用类似于钟。
如上指出，麦克风对由于雨水撞击而由探测器产生的特性频率范围、例如从大约6到大约10 kHz（例如，大约6.0、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8、6.9、7.0、7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8.0、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9、9.0、9.1、9.2、9.3、9.4、9.5、9.6、9.7、9.8、9.9或10.0 kHz）内的声信号高度敏感。如上指出，麦克风产生与声功率成比例的模拟电压。在一些实施例中，模拟电压以32 kHz、16位采样，以产生数字时变信号。在一些实施例中，模拟电压以44.1 kHz采样。在一些实施例中，数字时变信号提供实时分析的数据流。在一些实施例中，由被配置为计算对应于雨水并表征雨水的统计参数的装置的部件来分析数据流。在该技术的实施例的开发期间进行的实验指示，选择采样率是为了从大约6-10 kHz的载波频率提取有用的信息，同时在分析信号时最小化计算负载和功耗。
示例3–雨水的声学特征
在本文描述的技术的实施例的开发期间，根据如本文描述的技术，进行实验以开发雨滴撞击在雨水检测装置的探测器上的特性信号。一种雨水设备被开发以产生指定尺寸和频率的雨滴。在该技术的实施例的开发期间进行的实验期间，该雨水设备被用于产生一系列具有为1 Hz频率的几乎相同的雨滴。测试液滴具有为2.419±0.089 mm（偏差为3.70%）的直径以及为7.41±0.82 mg（偏差为11.00%）的质量。雨滴在探测器表面上的相同位置处撞击探测器，该位置是竖直轴与探测器表面相交的探测器“北极”。液滴从探测器表面1.2 m的高度落在探测器上。定位在探测器内部的麦克风用于记录声信号，声信号以32 kHz被连续采样。
液滴产生了具有远高于背景噪音水平的幅度的一系列尖锐尖峰（图4A）。对单个脉冲信号的更仔细检查指示，信号突然增加，随后在大约100毫秒内发生阻尼振荡（图4B）。该振荡具有强的主频率，例如，对应于探测器外壳的自然频率。在测试不同探测器焊接件期间收集的数据指示，探测器的主要频率特征从大约6-10 kHz之间变化。
作为阻尼振荡，数据指示信号在大约100毫秒内逐渐减小。进一步分析指示，数据具有更精细的结构，该更精细的结构包括主环频率的幅度调制（AM）（图4C）。数据分析指示，该信号包括特性AM特征，该特性AM特征包括与单个撞击液滴的各种参数相关的分量，诸如液滴尺寸和液滴撞击在探测器表面上的位置。
在本文所述技术的开发期间，开发了两个主要参数来表征单个液滴撞击的声学特征：峰值声功率（P-值）和声能（Ea）。
峰值声功率（P-值）被限定为从声信号导出的声功率的峰值偏移。如图5中所示，原始（AM）声信号被变换，以提供具有正值的解调信号，该正值对应于主环振荡的瞬时幅度。峰值声功率（P-值）是该函数的峰值。对于图5中收集和示出的数据，P-值为970个计数。在这些实验期间收集的数据指示，峰值通常不出现在液滴撞击的时刻，这是将从理想阻尼振荡系统期望的。差异是由于麦克风记录和/或获取探测器（例如，空气）体积内部的声信号，而不是探测器外壳本身的直接机械振动。
单个液滴撞击声功率特征的数值求和产生一条曲线，该曲线迅速上升到与同液滴撞击相关联的总声能（Ea）相对应的渐近值。构造了不同液滴尺寸下探测器上液滴撞击位置对Ea的曲线图（参见例如图10B）。在理想阻尼振荡器中，能量完全由峰值和衰减常数确定。然而，收集的数据指示，在本文描述的装置的实施例中，该相关性不总是固定的，并且呈现受到撞击几何形状、位置和流体动力学影响。因此，声能（Ea）提供了峰值声功率分析未捕获到的关于撞击的附加信息。
示例4–信号处理
在本文描述的技术的实施例的开发期间，开发了分析来自雨滴在探测器上撞击的声信号的方法。特别地，本文提供的雨水测量方法的实施例包括从雨滴在探测器上的撞击获得声信号（例如，由麦克风获得），使声信号数字化，以及处理数字化的声信号。如本文讨论的，单个液滴的原始32 kHz信号与特定于探测器的主环频率处的阻尼振荡类似。
第一个数据处理步骤是对调幅（AM）信号解调。AM信号是实时数字信号；因此，例如使用运行方法，解调被连续应用于离散点（图7，黑点）。该算法及时向前看，标识信号强度绝对值（例如，abs(yi)）中的峰值。通过已知峰值（图7，白点）之间的插值来例如根据等式1估计中间点：
Figure 784120DEST_PATH_IMAGE015
。
在等式1中，pi1是通过分析确定的插值点，yi0是先前标识的i0处的峰值，yi2是i2处的下一个标识的峰值，并且当前索引是i1。
第二个数据处理步骤包括使用包络（例如，“飞机”）函数，例如，被应用作为针对实时信号的运行计算。如图8中示意性示出的，例如根据等式2从先前解调的信号生成新的序列。
Figure 530404DEST_PATH_IMAGE016
。
在等式2中，i是先前计算的索引，并且i + 1是要计算的新索引。
新系列在每次上升时爬升，然后滑行通过峰值，从而平滑掉在峰值背面的后续结构。爬升和滑行函数fc和fg可以具有任何形式并且被独立调整。在本文描述的技术的实施例的开发期间，fc被调整为允许急剧爬升以保持初始峰值（P-值），并且fg是具有大约1到大约10毫秒（例如，大约1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0、5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、5.6、5.7、5.8、5.9、6.0、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8、6.9、7.0、7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8.0、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9、9.0、9.1、9.2、9.3、9.4、9.5、9.6、9.7、9.8、9.9或10.0毫秒）数量级的时间常数的指数形式。
飞机滤波器被设计以保持单个雨滴撞击的P-值和声能（Ea）二者。在使用短滑行的一些实施例中，保持在振荡中的精细（例如，大约1-3 Hz）结构，其包含关于撞击位置和水搅炼的附加信息。在使用长滑行的一些实施例中，该精细结构被移除。长滑行函数允许样本被下采样到大约3.2 Hz（例如，大约2.5到4.0 Hz（例如，大约2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9或4.0 Hz），同时仍然保持P-值和Ea参数。
示例5–确定降雨率
在本文描述的技术的实施例的开发期间，使用所描述的雨水传感器技术的实施例来进行实验以确定降雨率。在一些实施例中，雨水测量系统使用放置在单元顶部中的球形探测器内部的麦克风。然后，在一些实施例中，麦克风记录雨滴撞击探测器外部的声信号。因此，单个液滴的每次撞击都产生特性脉冲（参见例如图4A、4B和4C）。然后，在一些实施例中，实时声信号被预处理和下采样以提取每个脉冲的包络。在本文公开的技术的实施例的开发期间，进行实验以评估通过本文描述的分析确定的脉冲参数与液滴尺寸和液滴位置之间的关系。
在雨水事件期间，每秒钟数百液滴可以撞击探测器。液滴撞击探测器的该速率可能导致单个脉冲的叠加，并且因此区分和测量单个液滴撞击是困难的。因此，在本文描述的技术的一些实施例中，降雨率测量基于该聚集信号中的参数和降雨率之间的统计相关性。
在本文描述的技术的实施例的开发期间，进行了实验来分析单个液滴撞击并评估装置内的麦克风放置。特别地，使用撞击探测器顶部的一系列单个液滴进行实验，并且用设备内部的麦克风记录来自液滴撞击的声信号。
在这些实验中，麦克风在探测器Z轴上的竖直位置变化，并且记录了来自至少十次液滴撞击相对于顶部以不同撞击角度（
Figure DEST_PATH_IMAGE013AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
）撞击探测器的数据。对数据进行滤波和分析，以提取峰值（P-值）幅度和声能（Ea）。平均P-值是相对于探测器中麦克风的竖直位置绘制的。参见例如图9。
图9中的数据曲线图指示，声信号随麦克风位置而大幅地变化。例如，探测器顶部附近的信号最强（例如，在Z = 100 mm处），但是信号在不同的撞击之间变化很大，并且在单个探测器之间示出最大变化。底部附近的信号同样很强，但信号也是可变的。探测器中心附近的信号几乎为零。该行为归因于探测器内部的声波模式结构。在大量研究之后，在Z = 50到70 mm（例如，50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68或70 mm）处的麦克风位置被选为平衡信号强度和质量的位置。因此，在一些实施例中，麦克风被放置在探测器的中心竖直轴上，在中纬线上方50-70 mm，并且大约在北半球的中心。这里的信号比较强，但相对稳定，并且在不同探测器之间变化不大。
在定位了提供高信号强度和质量的麦克风位置之后，在该技术的实施例的开发期间进行了附加的实验，以测量信号对探测器上的液滴尺寸和撞击位置（相对于探测器的顶部）的依赖性，这两者都是开发降雨率相关函数的关键输入。峰值声功率（P-值）和声能（Ea）被绘制为探测器上液滴撞击位置的函数。参见例如分别为P-值和Ea曲线图的图10A和图10B。收集不同尺寸液滴的数据。参见例如图10A和图10B。
数据指示，当液滴尺寸从3.5 mm减小到2.4 mm时，P-值和Ea都减小。数据还清楚地指示，当液滴在探测器上的撞击位置从0度变化到60度（相对于探测器的顶部）时，特定尺寸的液滴产生成比例较小的特征。这些数据指示，该技术解决了液滴尺寸和探测器上的撞击位置，但液滴尺寸和探测器上的撞击位置不是独立的量。因此，液滴尺寸和撞击位置的该相互依赖性以及声信号与这两个变量的关系限制了通过计数单个液滴的降雨率的直接测量。因此，取而代之，该技术的实施例根据统计平均液滴特征的相关性来测量降雨率。
如本文讨论的，数百种水文气象（例如，雨水）可以在雨水事件期间每秒钟撞击探测器，这可能导致撞击特征的叠加。例如，在本文技术的开发期间，由本文提供的技术的实施例记录的声学特征被模拟为2 mm/小时（图11A）、10 mm/小时（图11B）和100 mm/小时（图11B）的降雨率。尽管可观察到单个撞击，但它们经常重叠，并且许多小撞击没有得到充分解决。此外，在本文提供的技术开发期间进行的实验指示，声学特征依赖于液滴尺寸和撞击位置二者。
在一些实施例中，在该技术的实施例的开发期间收集的数据指示，与实时声信号相关联的统计平均量提供了降雨率的度量。例如，在一些实施例中，该技术包括对时变声功率信号应用统计处理，以获得降雨率的度量。例如，在一些实施例中，该技术包括根据时变声功率信号的分布来确定统计参数（例如，峰值高度、各个频带中的频率、平均幅度、分布尾部的形状和长度、分布形状等）。
特别地，在一些实施例中，使用了一种方法，其中滤波的声功率信号的yi值（例如，如在图11A和图11B中所示的P-声）被收集和分析（例如，以提取提供降雨率度量的统计参数）。在该技术的实施例的开发期间收集的数据指示，yi值的分布作为降雨率的函数而改变。特别地，随着降雨率增加，分布变宽并向更高的P-声值移动。原始声信号的分析（参见例如图11A和图11B）指示，分布的改变是由较高降雨率的高幅度尖峰数量的增加以及伴随的信号基线的增加引起的，该伴随的信号基线的增加是由在较高降雨率下的多次、众多撞击的叠加引起的。
在一些实施例中，使用了一种方法，其中滤波的声功率信号（例如，如在图11A和图11B中所示的P-声）使用寻峰算法进行分析。在一些实施例中，该算法标识单个峰值及其出现时间和幅度（P-值）。在一些实施例中，针对叠加效应适当地校正峰值。然后，在一些实施例中，该技术包括对峰值数据集中峰值的峰值属性（例如，峰值高度、出现时间）的分布应用统计处理。在本文描述的技术的实施例的开发期间，针对不同（模拟的）恒定降雨率收集峰值数据（出现时间和幅度）并进行统计处理。数据指示，P-值作为增加降雨率的函数而增加。
示例6–降雨率相关性
如上所述，在一些实施例中，本文提供的雨水测量方法包括对由探测器内部的麦克风记录的声功率信号应用统计分析。在一些实施例中，信号在固定的时间间隔内被滤波和分析。在一些实施例中，根据原始声功率信号数据或滤波声功率信号数据的分布计算多个参数，例如峰值高度、特性宽度和/或各种频带内的出现频率。在足够的测量时间内，人们可以导出使每个采样周期的误差最小化的混合声学参数，该混合声学参数结合了声功率分布的多个特性。
在本文提供的技术的实施例的开发期间，进行了实验，其中为如本文描述的装置记录的降雨率计算统计参数。在这些实验期间收集的数据和随后的数据分析指示，混合声学参数和P-值与降雨率相关。因此，在本文提供的技术的实施例的开发期间进行了实验，以收集降雨率数据并使用混合声学参数和P-值开发降雨率的相关函数。此外，在本文提供的技术的实施例的开发期间进行了实验，以收集降雨率数据并使用P-值分布开发降雨率的相关函数。
在本文提供的技术的实施例的开发期间，通过将撞击如本文描述的装置的雨水的声信号导出的参数（例如，声学参数）与由与该装置共同位于室外的雨滴测量器测量的降雨率进行比较来进行实验。位于同处的装置和雨滴测量器在雨水事件期间收集数据，并关于间距、风效应等采取合适的预防措施。在这些实验期间，根据探测器在时间间隔内收集的数据计算出的混合声学参数相对于如同一时间间隔内由雨滴测量器测量的降雨率进行绘制。对数据的分析指示，幂律函数描述了根据本文描述的技术计算的混合声学参数和雨滴测量器数据之间的关系。
在本文描述的技术的开发期间，对这些数据进行了分析，以确定幂律相关性的最佳拟合参数。因此，该技术提供了一种直接从麦克风声信号测量（例如，估计）瞬时降雨率的方法。特别地，在本文描述的技术的实施例的开发期间进行了实验，其中使用来自如本文所述装置的声信号和从上述分析中确定的幂律参数，将由雨滴测量器针对雨水事件确定的降雨率与为同一雨水事件计算的瞬时降雨率进行比较（图12）。使用声信号和幂律参数计算出的估计降雨率与雨滴测量器记录的数据相匹配（图12）。此外，使用声信号和幂律参数确定累积降雨也与由雨滴测量器和位于同处的倾翻斗雨水计收集的数据一致（图13）。
因此，本文提供了一种使用如本文所述例如包括探测器和放置在探测器内部的麦克风的装置来估计瞬时降雨率的技术。虽然，在一些实施例中，在雨水事件期间，单个雨滴撞击和尺寸不太能分辨，但是实施例包括使用统计方法和相关函数来产生对降雨率和雨水累积的有用的定量度量。
示例7–雨水类型的可变性
取决于雨水出现的天气条件，液滴尺寸分布可能显著地不同。例如，对于以10 mm/小时的稳定速率计算的不同类型雨水的观察到的液滴尺寸分布具有范围从0.5至1.6 mm的平均液滴直径。参见例如Ulbrich的（1983）“Natural variations in the analyticalform of the raindrop size distribution”（Journal of Climate and AppliedMeteorology 22: 1764）。此外，大液滴（例如，2.5 mm以上）的总体可以变化很大。（Id）。这些数据指示，不同的雨水类型（例如，具有从大约0到大约1 cm3/m3/mm的体积分布范围，以及范围从大约稍大于0（例如，0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mm）至5 mm并且根据一些观察与大约6 mm一样大的液滴直径）影响麦克风声信号的幅度和统计特性。因此，在一些实施例中，受这些差异影响最小的统计参数（和相关函数）准确地估计在所有条件和雨水类型下的降雨。
示例8–风校正和校准
如在本文进行和描述的实验期间收集的数据所示，基于声学参数的相关函数准确地测量降雨率。特别地，本文提供的用于测量降雨率的方法提供了与雨滴测量器和倾翻斗标准类似的降雨率测量。然而，不同的探测器和/或不同的麦克风的声学响应的差异可能存在于不同的雨水感测装置单元之间。在不受任何特定理论界限的情况下，设想可变性可能是由许多因素引起的，包括探测器的机械和结构方面（其作用类似于铃）以及电路部件的电子特性。改进的设计和制造技术可以降低该可变性，但很可能在这些制造的单元中将保持一些灵敏度差异。
按照标准校准单个装置被认为是不实际的，例如，因为在大体量制造环境中收集现实的雨水数据是不高效的，并且难以生成声音输入或开发与现实的雨水紧密匹配的室内“雨水”室。为了该理由，在一些实施例中，例如，当针对在测量位置的测量进行部署时，该技术提供了如本文所述的执行自校准的装置。
例如，在一些实施例中，如本文所述的装置对照标准进行校准，以产生准确地预测雨水的相关函数。在该技术的实施例的开发期间执行的实验指示，在装置单元之间的信号输出中的主要差异是由探测器响应和/或麦克风测量产生的。因此，在一些实施例中，实时和/或后处理数值（或分析）变换将原始数据流转换成更准确地测量降雨率的数据流。
特别地，在一些实施例中，该技术包括校正由于风引起的液滴特性（例如，液滴速度、动量、尺寸、体积等）。如本文讨论的，在一些实施例中，雨水感测装置被集成到如在美国专利号9，846，092和9，958，346中所述的天气感测设备中，所述美国专利中的每一个都以其整体并入本文。在一些实施例中，天气感测装置测量风速（例如，速率和方向）并检测单个水文气象（例如，冰雹）。
在一些实施例中，雨水的声能（例如，由换能器记录的声音的绝对值之和）被近似为相对于撞击本文描述的雨水检测器的雨水体积的线性响应。一般而言，由雨水事件（例如，暴雨）产生的液滴尺寸分布和液滴速率分布在不同的雨水事件之间基本上不变化。也就是说，雨水事件产生具有在不同的雨水事件之间基本上不变化的液滴尺寸分布和液滴速率分布的雨水。因此，雨水体积（例如，在一段时间内撞击雨水检测器的聚集液滴）通常在特定的雨水检测设备上产生固定的声信号。
在一些实施例中，针对风速校正声信号。在不存在风的情况下，雨水通常竖直落下。然而，风的存在向雨水速度添加了水平分量，并且在一些情况下添加了雨水体积中雨滴的总速度。因此，对于给定的雨水体积，雨滴的风速增加可以产生由雨水检测器检测到的人工增加的声功率（例如，图16）。因此，针对风校正声功率和/或降雨率和/或雨水改进了测量信号（例如，声功率或声能）与降雨率和/或雨水体积的相关性。
在一些实施例中，针对风校正降雨率和/或雨水体积提供了声功率，该声功率是与降雨率和/或雨水体积成比例的代理，但也是用于测量雨水的特定雨水检测设备（例如，由于每个设备的构造中的细微差别）。
因此，实施例提供了用于确定雨水感测设备的校准点的方法，使得由雨水感测设备测量的声功率与降雨率相关，而不管单个设备如何。在本文描述的技术的实施例的开发期间，进行了实验来测试校准方法。收集了数据，所述数据指示：基于雨滴尺寸分布的校准提供了一种调整如本文所述生产的任何特定雨水检测设备的雨水测量的方法。
当水蒸气在大气中凝结时，产生以多种尺寸的雨滴。特别地，在地平面处的雨滴的直径通常在大约0.5与4.0或5.0 mm之间（例如，大约为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9或5.0 mm的直径），即使该范围之外的雨滴也可以在大气中被形成得更高。该现象的原因是双重的：首先，具有小于大约0.5 mm（例如，0.3、0.4、0.5 mm）的直径的液滴被气流保持在高处，并且因此永远不达到地面；其次，具有大于大约4.0或5.0 mm的直径的液滴由于空气摩擦而呈现不稳定的形状，并且因此具有大于4.0或5.0 mm直径的液滴被分裂成两个或更多个具有更小直径的液滴。大约4.0或5.0 mm的最大液滴尺寸意味着也存在由正常雨水产生的最大换能器信号。随着时间间隔内降雨（降雨率）增加，时间间隔内液滴的最大尺寸也增加，尽管大多数液滴比最大值小得多。因此，液滴尺寸的改变产生了由本文提供的雨水检测器检测到的信号的最大值和信号总和的成比例的增加（参见例如图17）。
在某一点处，最大液滴尺寸达到直径大约4.0或5.0 mm，并且如上讨论的，最大液滴尺寸没有增加超过直径大约4.0或5.0 mm。因此，信号最大值相对于求和信号的曲线达到平稳水平（plateau）。该平稳水平的竖直宽度影响雨滴尺寸分布的竖直宽度的点表示已知的降雨率。因此，在一些实施例中，该平稳水平的点处的声功率被用作归一化常数，以将来自单个雨水检测器的声功率读数变换成已知降雨率的同等数量的时间间隔。在图17中所示的曲线图中，上述平稳水平的点位于大约为107.25的总和，并且表示每小时大约30 mm的降雨率。
接下来，在一些实施例中，在获得上述归一化常数之后，声功率值除以归一化常数，以提供已知降雨率的多个同等时间间隔（参见例如图18A和图18B）。图18A和图18B中的曲线图示出了使用一个特定的雨水检测器（84eb18eb2a8b）在多个不同暴雨期间检测到的降雨，该降雨作为声功率在没有风校正（图18A）和有风校正（图18B）的情况下表示的该降雨率的10秒间隔数的函数。图18A和图18B中的数据是针对由倾翻斗雨水测量设备测量的雨水绘制的。
接下来，在一些实施例中，方法包括根据固定降雨率的同等时间间隔数量来计算现实降雨率。在一些实施例中，计算现实降雨率包括将固定降雨率的同等时间间隔数量乘以在该时间间隔内以固定降雨率累积的雨水量（在该示例中为30[mm/hr] / 360 [10秒间隔] = 0.083）。在本文提供的技术的开发期间从多个雨水检测设备（例如，六个不同的设备）收集了数据。根据上述方法确定了每个设备的降雨率，并将该数据针对由位于同处的倾翻斗收集的数据进行绘制（图19）。
以上说明书中提到的所有出版物和专利出于所有目的通过引用以其整体并入本文。在不脱离如所述技术的范围和精神的情况下，所述合成物、方法和技术用途的各种修改和变型对于本领域技术人员而言将是清楚的。尽管已经结合具体的示例性实施例描述了该技术，但是应当理解，如要求保护的本发明不应不适当地限于此类具体实施例。实际上，对于本领域技术人员而言明显的用于实行本发明的所描述模式的各种修改旨在落入以下权利要求的范围内。

Claims (25)

1.一种雨水感测装置，包括：
a） 中空的探测器；和
b） 换能器。
2.根据权利要求1所述的雨水感测装置，进一步包括在探测器内部的杆，并且所述换能器安装在所述杆上。
3.根据权利要求1所述的雨水感测装置，其中，所述探测器是球体。
4.根据权利要求1所述的雨水感测装置，其中，所述探测器由不锈钢制成。
5.根据权利要求1所述的雨水感测装置，其中，所述探测器具有从100至500 mm的直径。
6.根据权利要求1所述的雨水感测装置，其中，所述探测器外壳的厚度为0.5至5 mm。
7.根据权利要求1所述的雨水感测装置，其中，所述探测器具有6至10 kHz的特性频率。
8.根据权利要求1所述的雨水感测装置，其中，所述换能器是驻极体、压电或电容式麦克风。
9.根据权利要求1所述的雨水感测装置，其中，所述换能器被放置在与所述探测器的中心相距大约20至80 mm。
10.根据权利要求1所述的雨水感测装置，其中，所述换能器被放置在所述探测器的竖直轴上。
11.根据权利要求1所述的雨水感测装置，其中，所述换能器被放置在与所述探测器的中心相距大约25至75 mm。
12.根据权利要求1所述的雨水感测装置，其中，所述探测器包括有限的雨水采样区域。
13.根据权利要求1所述的雨水感测装置，进一步包括太阳辐射传感器。
14.一种确定降雨率的方法，所述方法包括：
a） 提供根据权利要求1的装置；
b） 获取雨滴撞击所述装置的探测器的实时声信号；
c） 处理所述实时声信号以产生声功率数据或声能数据；和
d） 根据声功率数据或声能数据确定降雨率。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，根据声功率数据或声能数据确定降雨率包括根据声功率数据或声能数据的分布产生统计参数。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，处理所述实时声信号包括对模拟电压采样以产生数字时变信号。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，处理所述实时声信号包括对调幅信号解调。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，处理所述实时声信号包括将包络应用于数字时变信号。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，处理所述实时声信号包括对数字时变信号进行下采样。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，根据声功率数据或声能数据确定降雨率包括使用在多个液滴撞击的聚集信号和降雨率之间的相关性。
21.根据权利要求14所述的方法，其中，根据声功率数据或声能数据确定降雨率包括使用幂函数来在多个液滴撞击的聚集信号和降雨率之间进行关联。
22.根据权利要求14所述的方法，进一步包括基于在正常雨水中检测到的最大麦克风信号，使用归一化常数使声功率数据和/或声能数据归一化。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述正常雨水具有大约4.0 mm或5.0 mm的最大液滴尺寸。
24.根据权利要求14所述的方法，进一步包括针对风速校正声功率数据和/或声能数据。
25.一种系统，包括根据权利要求1的多个雨水感测设备。
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