專利名稱：：水面降雨強(qiáng)度測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實(shí)用新型涉及一種水面降雨強(qiáng)度的測(cè)量，尤其是涉及一種基于雨聲譜的水面降雨強(qiáng)度測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
：降雨是重要的氣候因子，海面上的降雨在地區(qū)和全球熱收支及水收支中起著主要作用。氣候?qū)W家希望獲取海面上的降雨強(qiáng)度，以了解每次降雨所釋放的潛熱。在海洋科研調(diào)查中，一般需要相應(yīng)的氣象輔助信息，然而，因沒(méi)有適合于海上的降雨強(qiáng)度測(cè)量?jī)x器，使得歷次的海洋調(diào)查中往往缺少降雨強(qiáng)度這一重要?dú)庀笠?。此外，雨水降落至海面上?huì)在水中產(chǎn)生聲音，成為影響海洋環(huán)境背景噪聲級(jí)的一個(gè)重要噪聲干擾源，因此海洋學(xué)家為了評(píng)估和改善海上的聲納性能，收集海面降雨強(qiáng)度并了解海面降雨強(qiáng)度對(duì)水下聲譜的影響，也是十分必要的。水面上的降雨強(qiáng)度，特別在開(kāi)闊海面上的降雨強(qiáng)度難于測(cè)量。首先，在陸地上通常使用的雨量計(jì)不再有效。其次，船載常規(guī)雨量計(jì)受海水飛沫、平臺(tái)穩(wěn)定性、船舶誘導(dǎo)風(fēng)的影響，精確的雨量測(cè)量數(shù)據(jù)很少。第三，衛(wèi)星遙感(如TRMM遙感器)是獲得全球海上降雨強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)的較有效方法，它雖能夠提供大尺度的空間覆蓋，但由于降雨具有很強(qiáng)的時(shí)空不連續(xù)性，因此衛(wèi)星遙感方法缺乏在時(shí)間分辨率上能連續(xù)觀測(cè)的海面上降雨強(qiáng)度數(shù)據(jù)(Pumphery,H.C.,Crum,L.A.,andBjorno，LUnderwatersoundproducedbyindividualdropimpactsandrainfall[J]，J·Acoust·Soc·Am，1989，85，1518-1526)。雨水降落至水面上會(huì)在水中產(chǎn)生聲音，不同的水面降雨強(qiáng)度會(huì)在水中產(chǎn)生截然不同的聲譜，籍此可以在水面下采用“聽(tīng)聲音”的方式來(lái)測(cè)量水面降雨強(qiáng)度。在無(wú)指向性水聽(tīng)器接收的海洋噪聲中，水面上不同降雨強(qiáng)度產(chǎn)生的水下雨聲譜具有獨(dú)特的譜形狀，因此可以通過(guò)收集、測(cè)量水中的雨聲譜，檢查每種降雨類型的信號(hào)頻率和時(shí)間特征，發(fā)展基于聲譜特征的經(jīng)驗(yàn)算法，進(jìn)而用聲學(xué)方法計(jì)算得到水面降雨強(qiáng)度。國(guó)外的研究表明水面上的降雨會(huì)極大增加水中的環(huán)境噪聲譜(R.J.尤立克.水聲原理[M]，哈爾濱大學(xué)出版社，1990)。下暴雨時(shí)，在譜的5IOkHz頻段，譜級(jí)幾乎增加了30dB；在二級(jí)海況條件下，即使是平穩(wěn)的降雨，在19.5kHz的頻率上，噪聲級(jí)也提高了IOdB,達(dá)到了六級(jí)海況下的值。1955年Heindsman等(Heindsman，Τ.Ε.，R.H.Smith,andA.D.Arneson.Effectofrainuponunderwaternoiselevels[J],J.Acoust.Soc.Am.,1955,27,378)對(duì)降雨噪聲進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，在1IOkHz頻段，暴雨的噪聲譜近于“白噪聲”，而在IOkHz處，暴雨下的噪聲級(jí)超過(guò)無(wú)雨時(shí)18分貝。因此，從20世紀(jì)50年代起，許多科學(xué)家(1、Pumphery,H.C.，Crum,L.A.，andBjorno，LUnderwatersoundproducedbyindividualdropimpactsandrainfall[J]，J.Acoust.Soc.Am，1989，85，1518—1526；2、Franz,G.，1959:Splashesassourcesofsoundinliquids.J.Acoust.Soc.Am.，31，1080—1096；3、Medwin，H.，Nysturen，J.A，Jacobus，P.W.，Snyder,D.Ε.，andOstwald，L.H.，Theanatomyofunderwaterrainnoise[J]，J.Acoust.Soc.Am，1992，92，1613-1623;4、NystuenJΑ.，McGlothinCC.andCookMS.Theunderwatersoundgeneratedbyheavyrainfal1[J].J.Acoust.Soc.Am.，1993,73(6),3169-3177)開(kāi)展了自空氣中降落至水面的雨滴所產(chǎn)生的聲譜的理論和實(shí)驗(yàn)研究，從微觀上逐步揭示了水面上降雨產(chǎn)生水中雨聲譜的機(jī)理。一般說(shuō)來(lái)，水面降雨產(chǎn)生水中聲音至少存在三種機(jī)理首先是雨滴落至水面形成初始撞擊并在水中產(chǎn)生聲音；其次，雨滴在撞擊水面后在水中產(chǎn)生氣泡，氣泡的振蕩和破裂產(chǎn)生聲音，這種過(guò)程聲音比較大，且通常發(fā)生在毛毛雨天氣的小雨滴中，導(dǎo)致14kHz附近存在譜峰現(xiàn)象；第三，較大的雨滴在撞擊水面之后產(chǎn)生飛濺，飛濺導(dǎo)致雨滴的二次撞擊并在水中產(chǎn)生聲音。在實(shí)際觀測(cè)降雨的實(shí)驗(yàn)中，許多學(xué)者記錄了不同降雨強(qiáng)度下的水中聲譜級(jí)隨頻率變化的典型曲線。盡管這些雨聲譜來(lái)自于不同的測(cè)量區(qū)域(有的來(lái)自內(nèi)湖、有的來(lái)自近岸淺海和有的來(lái)自深海區(qū)域)，但均有可區(qū)別于其他地球物理噪聲源的雨聲譜特征。一般在降雨期間產(chǎn)生兩種典型類型的聲譜一是毛毛雨或小雨，其雨聲頻譜曲線的頻帶1325kHz中存在一個(gè)較寬的譜峰；二是中雨和暴雨，這種過(guò)程產(chǎn)生的聲音很大，頻率更低，其頻譜曲線呈負(fù)斜率趨勢(shì)。此外，這兩種類型的降雨產(chǎn)生的聲譜無(wú)論是在低頻段(2IOkHz)還是在高頻段(1530kHz)，均明顯高于風(fēng)關(guān)噪聲譜(NystuenJA.ListeningtoRaindropsfromUnderwater:AnAcousticDisdrometer[J].JournalofAtmosphericandOceanicTechnology,2001,18(10):1640_1657)。因此，可以利用雨聲譜特征反演水面降雨強(qiáng)度。利用雨聲譜信號(hào)來(lái)檢測(cè)和量化降雨強(qiáng)度的思想在20世紀(jì)八、九十年代就已經(jīng)形成。文獻(xiàn)(NystuenJA.,McGlothinCC.andCookMS.Theunderwatersoundgeneratedbyheavyrainfall[J].J.Acoust.Soc.Am.,1993,73(6):3169_3177)給出了基于水下聲譜量化估計(jì)水面降雨率的經(jīng)驗(yàn)算法IogltlR=(SPL5.5kHz_51.9)/10.6(1)式(1)中，R為降雨率，單位為mm/h，SPL5.5kHz是指在5.5kHz處的雨聲譜級(jí)，單位為dBrelμPa2/Hz，該經(jīng)驗(yàn)算法只適用于降雨率大于10mm/h的情況。1996年，Nysuten基于邁阿密附近淺鹽湖的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果(NystuenJA,ProniJR,BlackPG,WilkersonJC.AComparisonofAutomaticRainGauges[J].JournalofAtmosphericandOceanicTechnology,1996,13(1):62_73)，提出了以下修正的經(jīng)驗(yàn)式Iog10R=(SPL5kHz-50)/17(2)式⑵與式(1)不同的是，式⑵所采用的頻點(diǎn)聲譜由原來(lái)的5.5kHz改為5kHz處的聲譜級(jí)。2000年，Nystuen又根據(jù)南海SCSMEX的實(shí)測(cè)結(jié)果，將式(2)改為IogltlR=(SPL4-刪「57)/13(3)式(3)中，SPL4_1QkHz是指在4IOkHz處的頻帶聲級(jí)。2005年，Ma和Nystuen通過(guò)在西太平洋暖池測(cè)量的降雨噪聲譜和降雨率(BarryB.Ma,JeffreyA.Nystuen,andRen—chiehLien,Predictionofunderwatersoundlevelsfromrainandwind,J.Acoust.Soc.Am.117(6)，June,2005，3555—3565)，又將式(3)修正為Iog10R=(SPL5kHz-42.4)/15.4(4)式(2)、(3)和(4)中利用5kHz或者頻段4IOkHz的頻帶聲級(jí)計(jì)算降雨強(qiáng)度，在它們各自的測(cè)量區(qū)域是可接受的，但在其他海域未見(jiàn)適用的報(bào)道。式(2)和(4)之所以把5kHz作為反演的頻率點(diǎn)，據(jù)說(shuō)是該頻率點(diǎn)具有大的動(dòng)態(tài)范圍，且假定該頻率的譜級(jí)不受風(fēng)速的影響(NystuenJA,McPhadenMJ,FreitagHP.SurfaceMeasurementsofPrecipitationfromanOceanMooring:TheUnderwaterAcousticLogfromtheSouthChinaSea[J].JournalofAppliedMeteorology,2000,39(12):2182_2197)。而且，一旦指定的5kHz的單頻譜級(jí)或是4IOkHz的頻段譜級(jí)受到污染，則上述算法將不再有效。此外，另一個(gè)重要任務(wù)是需要對(duì)不同降雨強(qiáng)度下產(chǎn)生的雨聲譜進(jìn)行分類，如分成無(wú)雨過(guò)程的聲譜、風(fēng)影響過(guò)程的聲譜，小雨過(guò)程的聲譜、大雨過(guò)程的聲譜等。為了對(duì)雨聲譜類型進(jìn)行分類，文獻(xiàn)(NystuenJA,SelsorHD.WeatherClassificationUsingPassiveAcousticDrifters[J].JournalofAtmosphericandOceanicTechnology,1997,14(3)656-666)利用500Hz、5kHz、8kHz和25kHz4個(gè)頻率點(diǎn)聲譜級(jí)的大小進(jìn)行比較，將聲源類型大致分為低頻聲與船舶的污染、大雨聲譜、小雨聲譜和風(fēng)生聲譜等4類。例如，當(dāng)同時(shí)滿足式(5)和式(6)兩個(gè)條件時(shí)，則認(rèn)為是大雨過(guò)程發(fā)生。SPL5000>52dB(5)0.9SPL5_+SPL25(i00>98orSPL5000>46dB(6)采用類似于式(5)和(6)兩個(gè)條件來(lái)判斷大雨過(guò)程發(fā)生與否的方法，事實(shí)上間接利用了大雨和小雨時(shí)噪聲譜的截然不同的形狀，只不過(guò)仍然基于選取某些孤立頻率點(diǎn)的譜級(jí)進(jìn)行比較而已。由此可見(jiàn)，現(xiàn)有基于雨聲譜量化水面降雨強(qiáng)度算法存在著局限性。綜上所述，目前基于雨聲譜的水量降雨強(qiáng)度的量化算法仍然僅限于研究降雨強(qiáng)度與某些孤立頻率點(diǎn)的譜級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種算法存在一定缺陷首先，在不同學(xué)者研究的成果中，利用的頻率點(diǎn)可能不同，導(dǎo)致在同一測(cè)量的噪聲譜中，利用各頻率點(diǎn)的譜級(jí)反演的降雨強(qiáng)度存在“多值”現(xiàn)象，結(jié)果無(wú)法統(tǒng)一。其次，這些被人為指定的孤立頻點(diǎn)的譜級(jí)若受到各類噪聲的污染，算法將不再有效。因此欲利用當(dāng)前的算法反演水面降雨強(qiáng)度，就需要在使用聲譜前對(duì)這些孤立頻點(diǎn)的譜線開(kāi)展受噪聲污染與否的檢查。第三，每個(gè)式的系數(shù)只適用于某個(gè)觀測(cè)水域，已知的算法不能應(yīng)用于未知的水域，無(wú)法得到普適式。如果能利用降雨聲譜的形狀而非幾個(gè)單一頻率譜線，尋找最佳反演頻帶或整個(gè)頻段的降雨主成分特征，進(jìn)而最終估計(jì)降雨強(qiáng)度，將更具有現(xiàn)實(shí)的意義。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種基于DSP數(shù)字采集系統(tǒng)，具有較高抗干擾性、低自噪聲、高可靠性、高帶寬、數(shù)據(jù)海量存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)的水面降雨強(qiáng)度測(cè)量裝置。本實(shí)用新型設(shè)有密封倉(cāng)、密封倉(cāng)浮子、水聽(tīng)器、水聽(tīng)器浮子和電路部分，密封倉(cāng)浮子通過(guò)浮子儲(chǔ)架與密封倉(cāng)連接，水聽(tīng)器浮子通過(guò)繩索與密封倉(cāng)連接，水聽(tīng)器設(shè)于繩索上，電路部分設(shè)于密封倉(cāng)內(nèi)，電路部分設(shè)有模擬電路、數(shù)字電路和電源，模擬電路設(shè)有放大電路、濾波電路和光藕隔離電路，數(shù)字電路設(shè)有A/D轉(zhuǎn)換電路和DSP數(shù)字處理器，放大電路輸入端與水聽(tīng)器信號(hào)輸出端連接，放大電路輸出端接濾波電路輸入端，濾波電路輸出端接光藕隔離電路輸入端，光藕隔離電路輸出端接數(shù)字電路的A/D轉(zhuǎn)換電路輸入端，A/D轉(zhuǎn)換電路輸出端接DSP數(shù)字處理器。[0028]所述浮子儲(chǔ)架最好設(shè)于密封倉(cāng)上部外側(cè)。所述密封倉(cāng)最好為T(mén)字形密封倉(cāng)，T字形密封倉(cāng)橫臂部分呈扁圓柱體，T字形密封倉(cāng)豎臂部分呈長(zhǎng)圓柱體。所述放大電路可采用自動(dòng)增益放大電路。所述濾波電路最好采用帶通濾波電路。所述DSP數(shù)字處理器可采用TMS320C5509處理器。本實(shí)用新型可用于水面降雨強(qiáng)度的測(cè)量，其具體測(cè)量方法如下1)采集現(xiàn)場(chǎng)雨聲數(shù)據(jù)，具體方法如下將本實(shí)用新型布放至待測(cè)水域中，根據(jù)需要設(shè)置數(shù)據(jù)采集時(shí)間，開(kāi)啟本實(shí)用新型的工作電源，測(cè)量系統(tǒng)按照指令要求采集整個(gè)降雨過(guò)程的水下噪聲時(shí)域信號(hào)數(shù)據(jù)；2)計(jì)算水下環(huán)境噪聲譜，具體方法如下將本實(shí)用新型采集的水下噪聲時(shí)域信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲功率譜的計(jì)算，功率譜的計(jì)算方法可采用基于韋爾奇(Welch)的平均周期譜計(jì)算方法，并應(yīng)用漢寧窗(Harming)的窗計(jì)權(quán)函數(shù)，得到整個(gè)頻率軸上的雨聲功率譜；3)將降雨天類型進(jìn)行分類，具體方法如下利用雨聲譜級(jí)的高頻段1530kHz，采用基于最小二乘法的對(duì)數(shù)線性回歸模型SPL15__z=A+Blog10(f)進(jìn)行擬合，其中SPL15_3QkHz是頻段1530kHz內(nèi)對(duì)應(yīng)的各頻率的譜級(jí)，f是對(duì)應(yīng)頻率，A和B均為待回歸的參數(shù)；在擬合的結(jié)果中，計(jì)算回歸值與真實(shí)值的殘差，并利用最小卡方系數(shù)χ2和修正的相關(guān)系數(shù)的平方R2，結(jié)合t檢驗(yàn)方法檢查回歸結(jié)果，若不理想，可以逐漸剔除殘差的最大的數(shù)據(jù)，并重新進(jìn)行回歸計(jì)算，所述最小卡方系數(shù)X2和修正的相關(guān)系數(shù)的平方R2為R^=\-RSS‘^rrorTSSIdfrotal其中，df為對(duì)應(yīng)的自由度數(shù)，RSS=^iy1-P,)2‘=1,ηTSS=Yiyi-y,)2‘=1,Yi是實(shí)測(cè)值，y,是實(shí)測(cè)的平均值，是估計(jì)值；利用基于最小二乘法的對(duì)數(shù)線性回歸模型SPL15_3_z=A+Blog10(f)和最小卡方系數(shù)Χ2和修正的相關(guān)系數(shù)的平方R2回歸后得參數(shù)B值，利用參數(shù)B值作為降雨天氣類型的分類指標(biāo)無(wú)雨(Omm/h):在非降雨期間的參數(shù)B值為_(kāi)4dB/十倍頻程_7dB/十倍頻程；小雨(<10mm/h)在小雨期間的參數(shù)B值為_(kāi)24dB/十倍頻程_40dB/十倍頻程；大雨(>10mm/h)在大雨期間的參數(shù)B值為_(kāi)17dB/十倍頻程_24dB/十倍頻程；4)計(jì)算降雨強(qiáng)度，具體方法如下根據(jù)步驟3)獲得大雨過(guò)程、小雨過(guò)程和非降雨過(guò)程的分類結(jié)果之后，依據(jù)各自的譜特征進(jìn)一步進(jìn)行降雨強(qiáng)度的量化計(jì)算，得到每種過(guò)程相應(yīng)的水面降雨強(qiáng)度，具體步驟如下(1)計(jì)算大雨過(guò)程的降雨強(qiáng)度利用雨聲譜級(jí)的低頻段28kHz，采用基于最小二乘法的對(duì)數(shù)線性回歸模型進(jìn)行擬合，所述基于最小二乘法的對(duì)數(shù)線性回歸模型為SPL2_8kHz=A+Blog10(f)，其中，SPL2_8kHz表示在頻段2SkHz內(nèi)對(duì)應(yīng)的各頻率的譜級(jí)，A和B是待回歸的參數(shù)，在擬合的結(jié)果中，計(jì)算回歸值與真實(shí)值的殘差，利用最小卡方系數(shù)χ2和修正的相關(guān)系數(shù)的平方R2，結(jié)合t檢驗(yàn)方法檢查回歸結(jié)果，若不理想，可以逐漸剔除殘差的最大的數(shù)據(jù)，并重新進(jìn)行回歸計(jì)算；利用最小卡方系數(shù)X2和修正的相關(guān)系數(shù)的平方R2以及基于最小二乘法的對(duì)數(shù)線性回歸模型回歸后得到參數(shù)B值，利用參數(shù)B值，并采用IogltlR1計(jì)算式作為大雨強(qiáng)度的計(jì)算式，所述IogltlR1計(jì)算式為IogltlR1=(A-53.6)/17.4其中，R1是量化后的降雨強(qiáng)度；(2)計(jì)算小雨過(guò)程的降雨強(qiáng)度利用215kHz的雨聲譜級(jí)，采用非線性最小二乘法的S形增長(zhǎng)曲線回歸模型(Logistic模型)，進(jìn)行擬合，所述非線性最小二乘法的S形增長(zhǎng)曲線回歸模型為SPL2-^=^L7o+A'/o其中，A1和A2是待回歸參數(shù)，&是參考頻率，SPL2_15kHz是頻率f對(duì)應(yīng)聲譜級(jí)，在擬合的結(jié)果中，計(jì)算回歸值與真實(shí)值的殘差，利用所述最小卡方系數(shù)χ2和修正的相關(guān)系數(shù)的平方R2，結(jié)合t檢驗(yàn)方法檢查回歸結(jié)果，若不理想，可以逐漸剔除殘差的最大的數(shù)據(jù)，并重新進(jìn)行回歸計(jì)算；利用式最小卡方系數(shù)X2和修正的相關(guān)系數(shù)的平方R2以及非線性最小二乘法的S形增長(zhǎng)曲線回歸模型回歸后得到參數(shù)AJPA2的值，再采用降雨強(qiáng)度的三次多項(xiàng)式計(jì)算降雨強(qiáng)度&值，所述降雨強(qiáng)度的三次多項(xiàng)式為為=0.1232殆-2.4014足2+13.5817及2+57.1189，求解降雨強(qiáng)度的三次多項(xiàng)式得到3個(gè)根，為了得到降雨強(qiáng)度的唯一解，將降雨強(qiáng)度限定在O10mm/h的區(qū)間內(nèi)，并利用A1參數(shù)求解中間變量R3公式求解中間變量R3,所述A1參數(shù)求解中間變量R3公式為A1=54.28+8.921og1(1(R3)，利用所述A1參數(shù)求解中間變量R3公式求解得到的R3具有單調(diào)性，可依據(jù)A1和A2參數(shù)聯(lián)合計(jì)算求得小雨天氣時(shí)降雨強(qiáng)度；(3)無(wú)雨過(guò)程的降雨強(qiáng)度在步驟3)中，當(dāng)判定為非降雨過(guò)程時(shí)，則該段時(shí)間內(nèi)的降雨強(qiáng)度直接設(shè)Omm/h。與現(xiàn)有技術(shù)比較，本實(shí)用新型具有如下突出優(yōu)點(diǎn)和顯著效果本實(shí)用新型通過(guò)測(cè)量水面上降雨產(chǎn)生的水中雨聲譜特征，采用了對(duì)數(shù)線性回歸模型和統(tǒng)計(jì)學(xué)中的S型增長(zhǎng)模型(Logistic模型)，結(jié)合最小二乘法和非線性回歸方法，分別根據(jù)實(shí)測(cè)的雨聲譜反演水面降雨強(qiáng)度。充分利用了不同降雨類型在水下產(chǎn)生截然不同的聲譜形狀，克服了孤立頻率反演存在多值和易受噪聲污染等缺點(diǎn)，反演的降雨強(qiáng)度與實(shí)測(cè)降雨強(qiáng)度吻合精度高，每分鐘平均降雨量誤差只有4%，能夠充分反映實(shí)際降雨過(guò)程的強(qiáng)度變化。本實(shí)用新型具有較高抗干擾能力、低自噪聲、高可靠性、高帶寬、數(shù)據(jù)海量存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)用新型具有如下功能和優(yōu)點(diǎn)[0063]1)低噪聲輸入端短路，系統(tǒng)的輸出噪聲<100μV；2)低功耗選用低功耗器件和高效、小容積的鋰電池；3)高穩(wěn)定性和可靠性采用基于搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)和FAT文件系統(tǒng)；4)采用SD卡實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，保證低功耗、大容量、小體積。圖1為實(shí)測(cè)的不同降雨強(qiáng)度產(chǎn)生的雨聲頻譜圖。橫坐標(biāo)表示頻率，單位kHz，縱坐標(biāo)表示聲譜級(jí)，單位dBrelμPa2/Hz；每條曲線均標(biāo)注了對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度，曲線a為72mm/h,曲線b為36mm/h，曲線c為9mm/h，曲線d為6mm/h，曲線e為18mm/h，曲線f為lmm/h，曲線g為0.3mm/h,曲線h為Omm/h。圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例的使用布放示意圖。圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例的電路總體組成框圖。圖5為本實(shí)用新型數(shù)據(jù)采集流程圖。圖6為基于水中雨聲譜的水面降雨強(qiáng)度的算法流程圖。圖7為小雨過(guò)程降雨強(qiáng)度的量化算法流程圖。圖8為常規(guī)雨量計(jì)觀測(cè)所得的降雨強(qiáng)度與基于雨聲譜計(jì)算的降雨強(qiáng)度的比較結(jié)果圖(采集時(shí)間段為10071015min)。圖8中的橫坐標(biāo)均表示時(shí)間(min)，其中A圖是實(shí)測(cè)的降雨量，縱坐標(biāo)為降雨量(mm)；B圖是實(shí)測(cè)降雨強(qiáng)度，縱坐標(biāo)為降雨強(qiáng)度(mm/hour)；C圖的實(shí)線部分是根據(jù)雨聲譜反演得到的降雨強(qiáng)度，空心圓圈是實(shí)測(cè)的降雨強(qiáng)度，縱坐標(biāo)為降雨強(qiáng)度(mm/hour)。圖9為常規(guī)雨量計(jì)觀測(cè)所得的降雨強(qiáng)度與基于雨聲譜計(jì)算的降雨強(qiáng)度的比較結(jié)果圖(采集時(shí)間段為19041918min)。圖9中的橫坐標(biāo)均表示時(shí)間(min)，其中A圖是實(shí)測(cè)的降雨量，縱坐標(biāo)為降雨量(mm)；B圖是實(shí)測(cè)降雨強(qiáng)度，縱坐標(biāo)為降雨強(qiáng)度(mm/hour)；C圖的實(shí)線部分是根據(jù)雨聲譜反演得到的降雨強(qiáng)度，空心圓圈是實(shí)測(cè)的降雨強(qiáng)度，縱坐標(biāo)為降雨強(qiáng)度(mm/hour)。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。參見(jiàn)圖1，為了從雨聲譜中反演計(jì)算水面降雨強(qiáng)度，需要匹配不同水聲譜對(duì)應(yīng)的降雨率大小。在匹配分析過(guò)程中主要基于時(shí)間同步匹配。通過(guò)匹配，可以清楚地了解實(shí)測(cè)水面降雨過(guò)程在水中產(chǎn)生的聲譜特征。在圖1中，降雨率為0mm/h的聲譜是在非降雨期間測(cè)量得到的，與降雨期間的雨聲譜級(jí)相比，它在整個(gè)頻帶(230kHz)的譜級(jí)值均較低；當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到0.3mm/h(相當(dāng)于毛毛雨過(guò)程)時(shí)，水下聲譜中較高頻段(>IOkHz)的譜級(jí)就有3IOdB的增加，并在1415kHz附近存在一個(gè)明顯的譜峰。隨著降雨強(qiáng)度的增大，整個(gè)頻帶的譜級(jí)均有增長(zhǎng)趨勢(shì)，且當(dāng)降雨率<10mm/h時(shí)，譜的形狀基本保持S形不變。當(dāng)降雨強(qiáng)度繼續(xù)增大至圖中的18mm/h、36mm/h和72mm/h時(shí)(相當(dāng)于大雨過(guò)程)，整個(gè)頻帶(230kHz)的譜級(jí)及形狀(線性)均與小雨過(guò)程存在明顯差異，低頻段(<IOkHz)的譜級(jí)大幅提高，高頻段(>IOkHz)的譜級(jí)的增速幅度較小，當(dāng)降雨強(qiáng)度為18mm/h時(shí)高頻段的譜級(jí)低于降雨強(qiáng)度9mm/h高頻段的譜級(jí)。與國(guó)外學(xué)者獲取的聲譜數(shù)據(jù)相比，實(shí)測(cè)的降雨聲頻譜曲線趨勢(shì)性與國(guó)外在不同測(cè)量地點(diǎn)觀測(cè)的噪聲頻譜形狀相當(dāng)一致。參見(jiàn)圖2，本實(shí)用新型設(shè)有T字形的密封倉(cāng)1、密封倉(cāng)浮子4、水聽(tīng)器5、水聽(tīng)器浮子6和電路部分。T字形的密封倉(cāng)1橫臂部分(上端部分)呈扁圓柱體，豎臂部分呈長(zhǎng)圓柱體。密封倉(cāng)浮子4置于浮子儲(chǔ)架3中，浮子儲(chǔ)架3與密封倉(cāng)1連接，水聽(tīng)器浮子6通過(guò)繩索7(尼絨繩)與密封倉(cāng)4連接，水聽(tīng)器5設(shè)于繩索7上，電路部分設(shè)于密封倉(cāng)1內(nèi)。水聽(tīng)器5與密封倉(cāng)1之間用電纜51軟連接，電纜51不受力。密封倉(cāng)1要求水密，密封倉(cāng)1上端12上設(shè)有水密接頭11，水密接頭11用于連接電纜51。密封倉(cāng)浮子4使密封倉(cāng)1懸浮于水中。水聽(tīng)器5為無(wú)指向的標(biāo)量水聽(tīng)器，水聽(tīng)器浮子6使水聽(tīng)器5懸浮于水中。密封倉(cāng)浮子4和水聽(tīng)器浮子6選用聚氨酯發(fā)泡材料制作。參見(jiàn)圖3，本實(shí)用新型采用全錨鏈?zhǔn)讲挤判问?。由于水?tīng)器5用于接收水面的降雨聲音，故水聽(tīng)器5的懸浮位置應(yīng)低于水面P1，高于密封倉(cāng)1，尼絨繩7與密封倉(cāng)1拉直。密封倉(cāng)1底部用尼絨繩8連接重塊9而沉于水底P2，使本實(shí)用新型懸浮在水中。圖3中的其余標(biāo)號(hào)與圖2對(duì)應(yīng)一致。本實(shí)用新型的功能是實(shí)現(xiàn)降雨過(guò)程中水下噪聲譜數(shù)據(jù)采集及降雨強(qiáng)度的估計(jì)。由于水下噪聲譜的數(shù)據(jù)采集是任何算法研究的基礎(chǔ)，故水下噪聲數(shù)據(jù)的采集是本實(shí)用新型的基本功能。目前國(guó)內(nèi)外水下噪聲數(shù)據(jù)采集的電路設(shè)計(jì)有可借鑒的資料浮標(biāo)、聲納浮標(biāo)等電路設(shè)計(jì)方案，但需要選擇適應(yīng)降雨噪聲譜采集的高標(biāo)準(zhǔn)。水下環(huán)境噪聲譜的測(cè)量與其他水質(zhì)、水文等海洋要素的測(cè)量不同，它要求更嚴(yán)格，高抗干擾能力、低自噪聲、高可靠性、高帶寬、數(shù)據(jù)海量存儲(chǔ)等是它的主要特點(diǎn)。而且，與用于測(cè)量水下環(huán)境噪聲譜的浮標(biāo)系統(tǒng)不同，由于水聽(tīng)器主要用于接收水面降雨產(chǎn)生的聲音，因此在水聽(tīng)器可接收的水面范圍內(nèi)最好不能有平臺(tái)影響，故水下密封倉(cāng)應(yīng)置于水聽(tīng)器之下。此外，為了方便本實(shí)用新型的運(yùn)輸攜帶、存放和安裝，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用模塊化設(shè)計(jì)，采用浮球或浮子代替浮桶等。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單、方便和可靠，其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在浮球平時(shí)不用的時(shí)候可以拆下鋼架欄，便于裝卸、調(diào)試及運(yùn)輸，同時(shí)起到自適應(yīng)平臺(tái)穩(wěn)定的作用。此外，浮球便于調(diào)整浮力大小，可以根據(jù)需要增減沉底重塊。此種結(jié)構(gòu)形式在國(guó)外較普遍采用。由于本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)較小，可采用不銹鋼(鋼密度大(7.8g/cm3)作為倉(cāng)體材料。當(dāng)然，若條件合適，也可采用鈦合金、有機(jī)高分子等密度小、有足夠強(qiáng)度、耐海水腐蝕的材料。參見(jiàn)圖4，各標(biāo)號(hào)分別表示接收水聽(tīng)器5，阻抗匹配電路41，放大濾波電路42，光耦隔離電路43，模數(shù)轉(zhuǎn)換器44，數(shù)據(jù)緩沖器45，DSP核心處理器46，軟件模塊47，同步存儲(chǔ)器48，SD存儲(chǔ)卡(16G)49，RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘與只讀存儲(chǔ)器50，邏輯控制器(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA)510，電源511，時(shí)鐘復(fù)位512，虛線框內(nèi)為模擬電路部分。阻抗匹配電路41的輸入端與接收水聽(tīng)器5的信號(hào)輸入端連接，放大濾波電路42輸入端與阻抗匹配電路的信號(hào)輸出端連接，放大濾波電路42輸出端接光藕隔離電路43輸入端，光藕隔離電路43輸出端接數(shù)字電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器44輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換器44輸出端接DSP數(shù)字處理器46，DSP數(shù)字處理器46采用TMS320C5509芯片，它完成從邏輯控制器(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA)510中讀出采集到的數(shù)據(jù)，并利用前述算法實(shí)現(xiàn)水下雨聲譜的估計(jì)和降雨強(qiáng)度的計(jì)算，計(jì)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡上。電源511的控制部分主要提供不同大小的電壓和控制電源的通和斷。下面對(duì)電路各部分進(jìn)一步說(shuō)明[0083](1)模擬部分模擬部分主要的功能，是完成對(duì)接收到的弱信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，包括對(duì)信號(hào)的放大、衰減濾波以使接收到的水聽(tīng)器信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理后能滿足A/D輸入信號(hào)的要求。本裝置的前放采用成熟的的商品化前放模塊，濾波采用帶通濾波，放大采用自動(dòng)增益控制放大器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)范圍壓縮。此外，自動(dòng)增益控制放大器需由模擬電源供電，但其數(shù)控端需由數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)，因此必須采用光耦隔離；(2)數(shù)字部分?jǐn)?shù)字部分主要完成A/D采集的控制，對(duì)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)DSP處理后存儲(chǔ)。數(shù)字部分的硬件主要由一片DSP、一片F(xiàn)PGA和兩片SD卡來(lái)完成。DSP可采用TMS320C5509，它具有運(yùn)算能力強(qiáng)、功耗低的特點(diǎn)，并有兩個(gè)MMC/SD控制器，可用于數(shù)據(jù)的SD卡存儲(chǔ)設(shè)計(jì)。采用FPGA的設(shè)計(jì)方式，主要是用來(lái)完成A/D和時(shí)序控制，實(shí)現(xiàn)兩路數(shù)據(jù)緩沖(FIFO)，控制兩片模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD7654)。(3)電源由于本實(shí)用新型工作在水中，是由電池工作。考慮到模擬通道低噪聲的要求，模擬電源和數(shù)字電源單獨(dú)供電，各用一組高容量鋰電池供電，在電源附近一點(diǎn)共地。分離供電的好處在于可利用軟件單獨(dú)控制各部分電源的通和斷，使系統(tǒng)中空閑部分?jǐn)嚯?，降低功耗。模擬電池組提供+12V、-12V的電壓為模擬電路供電，其他+5V、-5V的電源可由其抽頭經(jīng)穩(wěn)壓得到。數(shù)字電源選用TI公司的電源芯片TPS767D301，它的輸入電壓2.710V，雙輸出電壓3.3V和1.55.5V可調(diào)。電路硬件主要的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下1)放大器輸入動(dòng)態(tài)范圍70dB；2)放大、濾波帶寬100Hz30kHz；3)放大器輸入阻抗>10ΜΩ；4)放大器共模抑制比>IOOdB；5)濾波器阻帶衰減低通滿足60dB/倍頻程，高通滿足40dB/倍頻程；6)濾波器通帶內(nèi)起伏小于士1dB；7)放大器輸入短路，IOOHz30kHz頻段濾波器輸出的寬帶噪聲<100μV。8)通道數(shù)1或2個(gè)；9)采樣頻率每通道采樣頻率是至少80kHz(可調(diào))；10)16bitA/D轉(zhuǎn)換。對(duì)硬件電路的性能要求包含低噪聲、低功耗、抗干擾和大容量存儲(chǔ)，因此本實(shí)用新型在電路設(shè)計(jì)中采取了相應(yīng)的措施以提高性能。下面作進(jìn)一步說(shuō)明(1)電路的低噪聲設(shè)計(jì)水聽(tīng)器的輸出信號(hào)是毫伏級(jí)甚至微伏級(jí)的弱信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大電路得到適當(dāng)?shù)姆人腿階/D轉(zhuǎn)換。水聽(tīng)器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路是會(huì)引入電路噪聲，如果引入的電路噪聲較大，基自身產(chǎn)生的噪聲就會(huì)超過(guò)所接收到的弱信號(hào)從而無(wú)法有效檢測(cè)出目標(biāo)信號(hào)。水聲信號(hào)是動(dòng)態(tài)范圍很大的信號(hào)，必須對(duì)放大器特別是第一級(jí)放大器進(jìn)行低噪聲設(shè)計(jì)。為此，引入噪聲因素F，F(xiàn)可等效定義為輸入信噪比與輸出信噪比之比。經(jīng)過(guò)分析，在多級(jí)放大電路中，各級(jí)噪聲因素對(duì)總噪聲因數(shù)的貢獻(xiàn)是不同的，越是前級(jí)的放大器，其噪聲影響越大。由于減小第一級(jí)放大器的噪聲因素，提高第一級(jí)增益，能夠有效地降低總噪聲因素，因此，應(yīng)選用共模抑制比高的放大器。(2)電路的低功耗設(shè)計(jì)電路的功耗大小直接影響了電池的供電時(shí)間長(zhǎng)短，因此，需要從整體考慮電路的低功耗設(shè)計(jì)。當(dāng)然，最好降低功耗的方法是當(dāng)不需要采集時(shí)，能及時(shí)的切斷電源。對(duì)于信號(hào)調(diào)理電路來(lái)說(shuō)，可以增大運(yùn)放電路中電阻和電路的靜態(tài)偏置電阻來(lái)降低電流的消耗，但增大電阻可能會(huì)增加電阻的熱噪聲，因此只能在低功耗和低噪聲中尋求一種平衡。從器件的選擇上要考慮優(yōu)質(zhì)器件，首先考慮低噪聲，在滿足低噪聲條件下再考慮低功耗。(3)電路的抗干擾能力設(shè)計(jì)由于本實(shí)用新型的電路部分是設(shè)在水下的金屬殼倉(cāng)里，水和金屬殼倉(cāng)都是很好的屏蔽層，外界的電磁干擾被很好的屏蔽掉了，因此，主要討論電子元器件本身的本征噪聲源及抗干擾設(shè)計(jì)。由于在同一印刷電路板上同時(shí)存在數(shù)字電路和模擬電路，很容易產(chǎn)生干擾，因此采取了以下措施1)將數(shù)字電路和模擬電路分在兩個(gè)印刷板上；2)將數(shù)字地和模擬地分開(kāi)，并在電源附近一點(diǎn)相連；3)電源和地之間加電解電容和小容量的獨(dú)石電容，以減少芯片之間的耦合；4)模數(shù)轉(zhuǎn)換器所需的+5V的模擬電源單獨(dú)由+12V電池經(jīng)線性穩(wěn)壓模塊7805提供；5)自動(dòng)增益控制放大器需由模擬電源供電，但其數(shù)控端由數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)，因此必須采用光耦隔離；6)對(duì)于電路的高頻部分，印制板表面覆銅；7)從水聽(tīng)器的出口到采集板信號(hào)入口采用屏蔽線接入，并將屏蔽線的地網(wǎng)直接接入到板卡的系統(tǒng)地上。(4)大容量快速存儲(chǔ)設(shè)計(jì)所選用的DSP芯片(TMS320V5509)具有兩個(gè)SD/MMC控制器接口，在基于MMC/SD協(xié)議時(shí)使用1條雙向數(shù)據(jù)線(MMC卡)或4條雙向數(shù)據(jù)線(SD卡)。利用這兩個(gè)SD/MMC控制器可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。很明顯，4線模式比1線模式快得多，因此，選用2片SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)。結(jié)合市面上目前已有很多每片達(dá)16G以上容量的SD卡，因此，可以較容易地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)大容量快速存儲(chǔ)。電路部分的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成功與否決定著本實(shí)用新型的成敗。軟件部分的設(shè)計(jì)主要包括實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)yc/os-n的移植、文件系統(tǒng)的移植、SD卡驅(qū)動(dòng)的編寫(xiě)、數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)讀取、增益控制、信號(hào)處理(噪聲譜計(jì)算和降雨強(qiáng)度估計(jì))等內(nèi)容，下面具體說(shuō)明(1)操作系統(tǒng)μC/0S-II的移植實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的使用，可以簡(jiǎn)化嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，有效地確保穩(wěn)定性和可靠性，便于維護(hù)和二次開(kāi)發(fā)。μC/OS-II是一個(gè)基于搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，可固化，可剪裁，具有高穩(wěn)定性和可靠性，除此之外，yc/os-n的鮮明特點(diǎn)是源碼公開(kāi)，便于移植和維護(hù)。本實(shí)用新型工作在湖中或海上，是無(wú)人值守的，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)人工不能干預(yù)，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性要求很高。系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性由硬件和軟件系統(tǒng)共同完成。在軟件任務(wù)方面，本裝置需要數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、增益控制、信號(hào)處理等任務(wù)，顯然DSP工作在一個(gè)多任務(wù)的環(huán)境中，而且這些任務(wù)幾乎是同時(shí)進(jìn)行的，若采用多核處理器來(lái)完成，往往非常復(fù)雜，故采用μC/OS-II操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)管理。(2)文件系統(tǒng)的移植文件系統(tǒng)主要用于明確磁盤(pán)或分區(qū)上的文件的方法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即在磁盤(pán)上組織文件的方法。考慮到本裝置采用介質(zhì)SD卡，為便于與現(xiàn)有PC系統(tǒng)的連接，采用FAT文件組織，故采用文件系統(tǒng)來(lái)管理采集到數(shù)據(jù)。考慮到自開(kāi)發(fā)文件系統(tǒng)的難度及可靠性、穩(wěn)性難以保證，故采用現(xiàn)有文件系統(tǒng)yC/FS的移植。yC/FS是一個(gè)高度可移植、可固化的嵌入式FAT文件系統(tǒng)，它適用于所有存儲(chǔ)介質(zhì)，并且它與MS-DOS/MS-WindowsFAT16和FAT32兼容。由于μC/FS和μC/OS-II是同一公司的產(chǎn)品，故移植起來(lái)較為方便。(3)SD卡驅(qū)動(dòng)程序的改進(jìn)μC/FS文件系統(tǒng)已提供對(duì)設(shè)備SD卡的驅(qū)動(dòng)，可以方便對(duì)SD卡控制器進(jìn)行訪問(wèn)和控制，但由于其提供的函數(shù)只能一次讀寫(xiě)512個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，這極大降低了讀寫(xiě)SD卡的速度。為了將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至SD卡，需要多次訪問(wèn)SD卡，因此，需要修改相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，可利用DMA控制SD卡的多塊讀寫(xiě)程序。(4)數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)DSP數(shù)據(jù)采集程序的參數(shù)設(shè)置以INI的形式存放在SD卡中，這樣便于使用者根據(jù)需求改變參數(shù)設(shè)置。DSP啟動(dòng)之后，首先讀取SD卡參數(shù)mi文件，根據(jù)采集的起始時(shí)間、終止時(shí)間等參數(shù)決定是否運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集工作。若暫時(shí)不需要進(jìn)入采集階段，則進(jìn)入節(jié)電模式，以降低功耗。若已進(jìn)入采集工作，則需不斷檢查該階段的終止時(shí)間是否已到，若時(shí)間已至IJ，則進(jìn)入下一階段的采集起始檢查，若下一次的采集時(shí)間距當(dāng)前時(shí)間較長(zhǎng)，則進(jìn)入節(jié)電模式，否則等待下一次采集時(shí)間開(kāi)始新一個(gè)階段的采集。如此，不斷循環(huán)，直到所有階段的數(shù)據(jù)采集過(guò)程完成，關(guān)機(jī)，工作結(jié)束。數(shù)據(jù)的采集結(jié)果存入到SD卡相應(yīng)的目錄之中。數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)功能包括新建目錄、進(jìn)入指定目錄、新建文件、打開(kāi)文件、添加數(shù)據(jù)到原有文件、讀取文件等功能。參見(jiàn)圖59，將該算法應(yīng)用至實(shí)測(cè)的雨聲譜中，計(jì)算觀測(cè)時(shí)間內(nèi)各時(shí)段的降雨強(qiáng)度。為了方便標(biāo)識(shí)多次測(cè)量的降雨噪聲譜數(shù)據(jù)，將每一次測(cè)量雨聲譜數(shù)據(jù)按照采集時(shí)間順序排列組成一矩陣(MXN，M行代表時(shí)間序列，N列代表不同頻率對(duì)應(yīng)的譜級(jí))，例如，第一次采集雨聲譜的起始時(shí)間設(shè)為0，然后按照實(shí)際時(shí)間排列(單位min)，第二次采集的起始時(shí)間排列在第一次采集終止時(shí)間之后，其他各次的采集起始時(shí)間和終止時(shí)間依次排列。反演結(jié)果參見(jiàn)圖8和圖9。由于用于觀測(cè)降雨強(qiáng)度的翻斗式雨量計(jì)實(shí)際上記錄的是降雨量，它是個(gè)時(shí)間積分過(guò)程，因此它的時(shí)間分辨率受實(shí)際降雨強(qiáng)度的影響很大當(dāng)小雨或毛毛雨發(fā)生時(shí)，計(jì)量翻斗可能連續(xù)幾個(gè)小時(shí)均無(wú)信號(hào)輸出；當(dāng)大雨發(fā)生時(shí)，在設(shè)定的采集時(shí)間間隔內(nèi)可能有多次的信號(hào)輸出(見(jiàn)圖8中的A圖和圖9中的A圖)。這種現(xiàn)象反映在降雨強(qiáng)度這個(gè)參數(shù)中則應(yīng)視為降雨強(qiáng)度是某一時(shí)間積分的平均值，并非實(shí)時(shí)的降雨強(qiáng)度。大雨發(fā)生時(shí)計(jì)量翻斗集滿0.Imm降雨量的時(shí)間短，實(shí)時(shí)性較好；小雨發(fā)生時(shí)，計(jì)量翻斗累積0.Imm的降雨量需要很長(zhǎng)時(shí)間，計(jì)算的降雨強(qiáng)度平均效應(yīng)強(qiáng)、實(shí)時(shí)性差。因此，翻斗式雨量計(jì)測(cè)量小雨時(shí)存在誤差使得圖8中D圖和圖9中的D圖實(shí)測(cè)的降雨強(qiáng)度與基于反演的降雨強(qiáng)度存在差異，其差異表現(xiàn)在實(shí)際雨下得越大，實(shí)測(cè)降雨強(qiáng)度與反演的降雨強(qiáng)度越接近。為克服翻斗式雨量計(jì)測(cè)量小雨時(shí)存在的誤差及從數(shù)值上描述反演的降雨強(qiáng)度的精度，本文改“降雨強(qiáng)度”參數(shù)為“降雨量”參數(shù)進(jìn)行精度分析。與降雨強(qiáng)度不同，降雨量是時(shí)間積分結(jié)果，它在一段時(shí)間內(nèi)的積分表達(dá)了該段時(shí)間內(nèi)的降雨總量，不受翻斗式雨量計(jì)測(cè)量小雨時(shí)存在誤差的影響。本實(shí)施例采用“降雨量”參數(shù)計(jì)算了7個(gè)降雨過(guò)程，每個(gè)降雨過(guò)程的積分區(qū)間均不同，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>[0132]從表1可見(jiàn)，各降雨過(guò)程的實(shí)測(cè)總降雨量與反演的總降雨量誤差值均很小，說(shuō)明反演的降雨強(qiáng)度有較好的精度。本實(shí)施例的圖8所示的降雨總量的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1中的序號(hào)4，在10071015min的降雨過(guò)程中，7.5min時(shí)間內(nèi)總的實(shí)測(cè)降雨量為1.5mm，而同時(shí)間段內(nèi)反演的總降雨量為1.66mm，每分鐘的平均誤差為2.13%。本實(shí)施例的圖9所示降雨總量的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1中的序號(hào)7，在19041918min的降雨過(guò)程中，14.25min內(nèi)總的實(shí)測(cè)降雨量為3.3mm，而同時(shí)間段內(nèi)預(yù)測(cè)的總降雨量為3.22mm，每分鐘的平均誤差僅為0.56%。權(quán)利要求水面降雨強(qiáng)度測(cè)量裝置，其特征在于設(shè)有密封倉(cāng)、密封倉(cāng)浮子、水聽(tīng)器、水聽(tīng)器浮子和電路部分，密封倉(cāng)浮子通過(guò)浮子儲(chǔ)架與密封倉(cāng)連接，水聽(tīng)器浮子通過(guò)繩索與密封倉(cāng)連接，水聽(tīng)器設(shè)于繩索上，電路部分設(shè)于密封倉(cāng)內(nèi)，電路部分設(shè)有模擬電路、數(shù)字電路和電源，模擬電路設(shè)有放大電路、濾波電路和光藕隔離電路，數(shù)字電路設(shè)有A/D轉(zhuǎn)換電路和DSP數(shù)字處理器，放大電路輸入端與水聽(tīng)器信號(hào)輸出端連接，放大電路輸出端接濾波電路輸入端，濾波電路輸出端接光藕隔離電路輸入端，光藕隔離電路輸出端接數(shù)字電路的A/D轉(zhuǎn)換電路輸入端，A/D轉(zhuǎn)換電路輸出端接DSP數(shù)字處理器。2.如權(quán)利要求1所述的水面降雨強(qiáng)度測(cè)量裝置，其特征在于所述浮子儲(chǔ)架設(shè)于密封倉(cāng)上部外側(cè)。3.如權(quán)利要求1所述的水面降雨強(qiáng)度測(cè)量裝置，其特征在于所述密封倉(cāng)為T(mén)字形密封倉(cāng)，T字形密封倉(cāng)橫臂部分呈扁圓柱體，T字形密封倉(cāng)豎臂部分呈長(zhǎng)圓柱體。4.如權(quán)利要求1所述的水面降雨強(qiáng)度測(cè)量裝置，其特征在于所述放大電路為自動(dòng)增益放大電路。5.如權(quán)利要求1所述的水面降雨強(qiáng)度測(cè)量裝置，其特征在于所述濾波電路為帶通濾波電路。6.如權(quán)利要求1所述的水面降雨強(qiáng)度測(cè)量裝置，其特征在于所述DSP數(shù)字處理器為MS320C5509處理器。專利摘要水面降雨強(qiáng)度測(cè)量裝置，涉及一種水面降雨強(qiáng)度的測(cè)量。提供一種基于DSP數(shù)字采集系統(tǒng)，具有較高抗干擾性、低自噪聲、高可靠性、高帶寬、數(shù)據(jù)海量存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)的水面降雨強(qiáng)度測(cè)量裝置。設(shè)有密封倉(cāng)、密封倉(cāng)浮子、水聽(tīng)器、水聽(tīng)器浮子和電路。采用分頻段利用水下雨聲譜的形狀，結(jié)合最小二乘法和非線性方法反演水面降雨強(qiáng)度；根據(jù)雨聲譜在頻段15～30kHz的對(duì)數(shù)線性變化規(guī)律，將降雨類型分成無(wú)雨、小雨、大雨；采用S型增長(zhǎng)模型研究小雨過(guò)程的雨聲譜規(guī)律，量化小雨過(guò)程的降雨強(qiáng)度；采用對(duì)數(shù)線性模型，研究大雨過(guò)程的雨聲譜規(guī)律，利用雨聲譜的低頻段2～10kHz和對(duì)數(shù)模型中的參量值量化大雨過(guò)程的降雨強(qiáng)度。文檔編號(hào)G01H17/00GK201576102SQ200920139430公開(kāi)日2010年9月8日申請(qǐng)日期2009年7月14日優(yōu)先權(quán)日2009年7月14日發(fā)明者劉貞文,楊燕明申請(qǐng)人:國(guó)家海洋局第三海洋研究所