基于压电技术的降雨测量方法研究

发布时间：2020-10-11 04:04

　　 降雨量观测是气象和水文部门的重要工作,对于我国工农业生产、水利开发、江河防洪和工程管理都有着积极的指导意义。随着信息技术的发展,自动化检测技术在降雨量观测中得到了广泛的应用。但是由于自动气象站在数据采集方式、数据观测时间等方面与人工降雨量的观测存在差异,严重影响降雨量观测数据有效性。为了解决雨量及降雨微观特征同步监测的难题,本文提出基于压电效应的雨量感知方法,并且设计了一种低成本、低功耗的压电式雨量传感器,从而实现了利用动力学原理测量降雨量及雨滴粒径。论文首先比较了各种降雨量测量与雨滴粒径测量方法的优势与缺点,提出了基于压电效应原理的测量方案并且设计了软、硬件测量平台的总体方案。然后设计了压电式雨量传感器的机械结构、硬件电路、数据采集程序以及上位机用户界面,并对现有测量的方法进行了优化,包括利用阵列式压电换能器消除传感器的边界效应,准确测量雨滴下落末动量;采用不同放大倍数的两路信号并行处理分析的方法,保证足够的量程和分辨率来兼顾大、小雨滴的测量;以及提出基于电压真有效值信号的信号峰值识别方法,有效降低信号处理的采样分辨率,通过累加雨滴体积得到降雨量和降雨强度。其次本文通过等动量法初步标定单个雨滴激励下的压电式雨量传感器的输入输出关系和传感器分辨率,再以同步采集的翻斗雨量计输出信号为参考雨量,利用基于模型的自适应训练和优化方法,实现了在模拟降雨中传感器输出与雨滴粒径关系的标定。通过累加雨滴体积得到降雨量和降雨强度,综合雨滴粒径和数量获得雨滴谱,从而完成降雨量以及雨滴谱分布的测量。通过在模拟降雨和实际降雨中分别进行的测量实验,验证了本文测量方案和传感器功能,实验表明,本文的测量方法可以实现连续测量记录雨滴的数量、粒径大小、累积降雨量和实时降雨强度等信息,而且能够保证对于大雨、小雨以及降雨微观特征都具有较高的测量精度。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P412
【部分图文】：

??应用激光原理对运动中的雨滴进行测定的光学雨滴谱仪主要有Ｖａｉｓａｌａ?ＦＤ１２Ｐ、??ＷＩＶＩＳ、ＰＡＲＳＩＶＥＬ和ＬＰＭ，如图１－１所示。光学雨滴谱仪通过测量雨滴穿过测??量空间时接收到的光强衰减或散射来测量雨滴的大小和降落速度，并且识别降水??类型，但是这种雨滴谱仪体积和重量大、成本高、功耗大、并且需要频繁的维护［１７，１８］。??＾ｒｒ??图１－ｌＴｈｉｅｓＣｌｉｍａ激光降水监测系统（ＬＰＭ）??Ｆｉｇ．?１－１?Ｔｈｉｅｓ?Ｃｌｉｍａ?Ｌａｓｅｒ?Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ?Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ?Ｓｙｓｔｅｍ?（ＬＰＭ）??（３）摄像法：通过线阵或者面阵ＣＣＤ相机等图像传感器获取降水粒子的图??像，通过图像采集和处理技术来测量降水粒子的大小、形状、速度及谱分布。??图１－２Ｗ２Ｄ视频雨滴谱仪（２ＤＶＤ）??Ｆｉｇ．?１－２?Ｖｉｄｅｏ?Ｄｉｓｄｒｏｍｅｔｅｒ?（２ＤＶＤ）??奥地利Ｓｃｈｏｎｈｕｂｅｒ等研制Ｗ２Ｄ视频雨滴谱仪（２ＤＶＤ）可以测量雨滴的粒径??大小、雨滴形状、下落速度和雨滴谱分布等［１９］，如图１＿２所示。吕达仁和吴北婴??提出了依据光闪烁技术感测雨滴的检测算法，并通过数值实验证明了该检测方法??４??

??应用激光原理对运动中的雨滴进行测定的光学雨滴谱仪主要有Ｖａｉｓａｌａ?ＦＤ１２Ｐ、??ＷＩＶＩＳ、ＰＡＲＳＩＶＥＬ和ＬＰＭ，如图１－１所示。光学雨滴谱仪通过测量雨滴穿过测??量空间时接收到的光强衰减或散射来测量雨滴的大小和降落速度，并且识别降水??类型，但是这种雨滴谱仪体积和重量大、成本高、功耗大、并且需要频繁的维护［１７，１８］。??＾ｒｒ??图１－ｌＴｈｉｅｓＣｌｉｍａ激光降水监测系统（ＬＰＭ）??Ｆｉｇ．?１－１?Ｔｈｉｅｓ?Ｃｌｉｍａ?Ｌａｓｅｒ?Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ?Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ?Ｓｙｓｔｅｍ?（ＬＰＭ）??（３）摄像法：通过线阵或者面阵ＣＣＤ相机等图像传感器获取降水粒子的图??像，通过图像采集和处理技术来测量降水粒子的大小、形状、速度及谱分布。??图１－２Ｗ２Ｄ视频雨滴谱仪（２ＤＶＤ）??Ｆｉｇ．?１－２?Ｖｉｄｅｏ?Ｄｉｓｄｒｏｍｅｔｅｒ?（２ＤＶＤ）??奥地利Ｓｃｈｏｎｈｕｂｅｒ等研制Ｗ２Ｄ视频雨滴谱仪（２ＤＶＤ）可以测量雨滴的粒径??大小、雨滴形状、下落速度和雨滴谱分布等［１９］，如图１＿２所示。吕达仁和吴北婴??提出了依据光闪烁技术感测雨滴的检测算法，并通过数值实验证明了该检测方法??４??

?北京交通大学硕士学位论文通过这种原理测量每个雨滴粒径，然后累加为雨量大小输出的。相比于上检测原理的雨滴谱仪，压电式雨滴谱仪体积小、耗电低，适合作为密集分动气象站的雨量检测设备［２７］。图１－５是荷兰代尔夫特理工大学设计的低成电式雨滴谱仪，实验验证了在大雨中它的测量结果和翻斗式雨量计的测量乎相同，但在小雨中由于灵敏度不足造成小尺寸雨滴数据缺失，使压电式仪的检测数据偏小［２８］。江苏省气象探测与信息处理重点实验室刘清惓等人一种基于现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）的降水粒子信号采集处理系统，利用各的响应函数与各粒子的响应函数实现了对固体粒子的测量［２９］。??
【参考文献】

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本文编号：2836037