專利名稱：一種基于雨聲譜的水面降雨強度測量方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種水面降雨強度的測量，尤其是涉及一種基于雨聲譜的水面降雨強度測量方法及其裝置。

背景技術：
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。氣候學家希望獲取海面上的降雨強度，以了解每次降雨所釋放的潛熱。在海洋科研調查中，一般需要相應的氣象輔助信息，然而，因沒有適合于海上的降雨強度測量儀器，使得歷次的海洋調查中往往缺少降雨強度這一重要氣象要素。此外，雨水降落至海面上會在水中產(chǎn)生聲音，成為影響海洋環(huán)境背景噪聲級的一個重要噪聲干擾源，因此海洋學家為了評估和改善海上的聲納性能，收集海面降雨強度并了解海面降雨強度對水下聲譜的影響，也是十分必要的。
水面上的降雨強度，特別在開闊海面上的降雨強度難于測量。首先，在陸地上通常使用的雨量計不再有效。其次，船載常規(guī)雨量計受海水飛沫、平臺穩(wěn)定性、船舶誘導風的影響，精確的雨量測量數(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度統(tǒng)計的較有效方法，它雖能夠提供大尺度的空間覆蓋，但由于降雨具有很強的時空不連續(xù)性，因此衛(wèi)星遙感方法缺乏在時間分辨率上能連續(xù)觀測的海面上降雨強度數(shù)據(jù)(Pumphery，H.C.，Crum，L.A.，and Bjorno，L.Underwater sound produced by individual drop impacts and rainfall[J]，J.Acoust.Soc.Am，1989，85，1518-1526)。
雨水降落至水面上會在水中產(chǎn)生聲音，不同的水面降雨強度會在水中產(chǎn)生截然不同的聲譜，籍此可以在水面下采用“聽聲音”的方式來測量水面降雨強度。在無指向性水聽器接收的海洋噪聲中，水面上不同降雨強度產(chǎn)生的水下雨聲譜具有獨特的譜形狀，因此可以通過收集、測量水中的雨聲譜，檢查每種降雨類型的信號頻率和時間特征，發(fā)展基于聲譜特征的經(jīng)驗算法，進而用聲學方法計算得到水面降雨強度。
國外的研究表明水面上的降雨會極大增加水中的環(huán)境噪聲譜(R.J.尤立克.水聲原理[M]，哈爾濱大學出版社，1990)。下暴雨時，在譜的5～10kHz頻段，譜級幾乎增加了30dB；在二級海況條件下，即使是平穩(wěn)的降雨，在19.5kHz的頻率上，噪聲級也提高了10dB，達到了六級海況下的值。1955年Heindsman等(Heindsman，T.E.，R.H.Smith，and A.D.Arneson.Effect of rain upon underwater noise levels[J]，J.Acoust.Soc.Am.，1955，27，378)對降雨噪聲進行了實際測量，在1～10kHz頻段，暴雨的噪聲譜近于“白噪聲”，而在10kHz處，暴雨下的噪聲級超過無雨時18分貝。
因此，從20世紀50年代起，許多科學家(1、Pumphery，H.C.，Crum，L.A.，and Bjorno，L.Underwater sound produced by individual drop impacts and rainfall[J]，J.Acoust.Soc.Am，1989，85，1518-1526；2、Franz，G.，1959Splashes as sources of sound in liquids.J.Acoust.Soc.Am.，31，1080-1096；3、Medwin，H.，Nysturen，J.A，Jacobus，P.W.，Snyder，D.E.，and Ostwald，L.H.，Theanatomy of underwater rain noise[J]，J.Acoust.Soc.Am，1992，92，1613-1623；4、Nystuen J A.，McGlothin C C.and Cook M S.The underwater sound generated by heavy rainfall[J].J.Acoust.Soc.Am.，1993，73(6)，3169-3177)開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驗研究，從微觀上逐步揭示了水面上降雨產(chǎn)生水中雨聲譜的機理。一般說來，水面降雨產(chǎn)生水中聲音至少存在三種機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，這種過程聲音比較大，且通常發(fā)生在毛毛雨天氣的小雨滴中，導致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，飛濺導致雨滴的二次撞擊并在水中產(chǎn)生聲音。
在實際觀測降雨的實驗中，許多學者記錄了不同降雨強度下的水中聲譜級隨頻率變化的典型曲線。盡管這些雨聲譜來自于不同的測量區(qū)域(有的來自內湖、有的來自近岸淺海和有的來自深海區(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13～25kHz中存在一個較寬的譜峰；二是中雨和暴雨，這種過程產(chǎn)生的聲音很大，頻率更低，其頻譜曲線呈負斜率趨勢。此外，這兩種類型的降雨產(chǎn)生的聲譜無論是在低頻段(2～10kHz)還是在高頻段(15～30kHz)，均明顯高于風關噪聲譜(Nystuen J A.Listening to Raindrops from UnderwaterAnAcoustic Disdrometer[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2001，18(10)1640-1657)。因此，可以利用雨聲譜特征反演水面降雨強度。
利用雨聲譜信號來檢測和量化降雨強度的思想在20世紀八、九十年代就已經(jīng)形成。文獻(Nystuen J A.，McGlothin C C.and Cook M S.The underwater sound generated by heavyrainfall[J].J.Acoust.Soc.Am.，1993，73(6)3169-3177)給出了基于水下聲譜量化估計水面降雨率的經(jīng)驗算法 log10R＝(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，單位為dB re1μPa2/Hz，該經(jīng)驗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驗觀測結果(Nystuen J A，Proni J R，Black PG，Wilkerson J C.A Comparison of Automatic Rain Gauges[J].Journal of Atmospheric and OceanicTechnology，1996，13(1)62-73)，提出了以下修正的經(jīng)驗式 log10R＝(SPL5kHz-50)/17 (2) 式(2)與式(1)不同的是，式(2)所采用的頻點聲譜由原來的5.5kHz改為5kHz處的聲譜級。
2000年，Nystuen又根據(jù)南海SCSMEX的實測結果，將式(2)改為 log10R＝(SPL4-10kHz-57)/13(3) 式(3)中，SPL4-10kHz是指在4～10kHz處的頻帶聲級。
2005年，Ma和Nystuen通過在西太平洋暖池測量的降雨噪聲譜和降雨率(Barry B.Ma，Jeffrey A.Nystuen，and Ren-chieh Lien，Prediction of underwater sound levels from rain andwind，J.Acoust.Soc.Am.117(6)，June，2005，3555-3565)，又將式(3)修正為 log10R＝(SPL5kHz-42.4)/15.4 (4) 式(2)、(3)和(4)中利用5kHz或者頻段4～10kHz的頻帶聲級計算降雨強度，在它們各自的測量區(qū)域是可接受的，但在其他海域未見適用的報道。式(2)和(4)之所以把5kHz作為反演的頻率點，據(jù)說是該頻率點具有大的動態(tài)范圍，且假定該頻率的譜級不受風速的影響(Nystuen J A，McPhaden M J，F(xiàn)reitag H P.Surface Measurements of Precipitation from anOcean MooringThe Underwater Acoustic Log from the South China Sea[J].Journal of AppliedMeteorology，2000，39(12)2182-2197)。而且，一旦指定的5kHz的單頻譜級或是4～10kHz的頻段譜級受到污染，則上述算法將不再有效。
此外，另一個重要任務是需要對不同降雨強度下產(chǎn)生的雨聲譜進行分類，如分成無雨過程的聲譜、風影響過程的聲譜，小雨過程的聲譜、大雨過程的聲譜等。為了對雨聲譜類型進行分類，文獻(Nystuen J A，Selsor H D.Weather Classification Using Passive Acoustic Drifters[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，1997，14(3)656-666)利用500Hz、5kHz、8kHz和25kHz 4個頻率點聲譜級的大小進行比較，將聲源類型大致分為低頻聲與船舶的污染、大雨聲譜、小雨聲譜和風生聲譜等4類。例如，當同時滿足式(5)和式(6)兩個條件時，則認為是大雨過程發(fā)生。
SPL5000＞52dB (5) 0.9SPL5000+SPL25000＞98 or SPL5000＞46dB(6) 采用類似于式(5)和(6)兩個條件來判斷大雨過程發(fā)生與否的方法，事實上間接利用了大雨和小雨時噪聲譜的截然不同的形狀，只不過仍然基于選取某些孤立頻率點的譜級進行比較而已。
由此可見，現(xiàn)有基于雨聲譜量化水面降雨強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度的量化算法仍然僅限于研究降雨強度與某些孤立頻率點的譜級對應關系。這種算法存在一定缺陷首先，在不同學者研究的成果中，利用的頻率點可能不同，導致在同一測量的噪聲譜中，利用各頻率點的譜級反演的降雨強度存在“多值”現(xiàn)象，結果無法統(tǒng)一。其次，這些被人為指定的孤立頻點的譜級若受到各類噪聲的污染，算法將不再有效。因此欲利用當前的算法反演水面降雨強度，就需要在使用聲譜前對這些孤立頻點的譜線開展受噪聲污染與否的檢查。第三，每個式的系數(shù)只適用于某個觀測水域，已知的算法不能應用于未知的水域，無法得到普適式。如果能利用降雨聲譜的形狀而非幾個單一頻率譜線，尋找最佳反演頻帶或整個頻段的降雨主成分特征，進而最終估計降雨強度，將更具有現(xiàn)實的意義。


發(fā)明內容
本發(fā)明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)海量存儲等優(yōu)點的水面降雨強度測量裝置。
本發(fā)明的另一目的是為了克服現(xiàn)有技術中采用孤立頻率(段)反演降雨率存在多值和易受噪聲污染等缺點，提供一種采用上述水面降雨強度測量裝置，反演的降雨強度與實測降雨強度吻合精度較高，能夠充分反映實際降雨過程強度變化的基于雨聲譜的水面降雨強度測量方法。
本發(fā)明的技術方案是分頻段利用水下雨聲譜的形狀，結合最小二乘法和非線性方法反演水面降雨強度；根據(jù)雨聲譜在頻段15～30kHz的對數(shù)線性變化規(guī)律，并依據(jù)特征將降雨類型分成無雨過程、小雨過程(＜10mm/h)和大雨過程(＞10mm/h)三種天氣類型；采用統(tǒng)計學中的S型增長模型(Logistic模型)研究小雨過程的雨聲譜規(guī)律，量化小雨過程的降雨強度；采用對數(shù)線性模型，研究大雨過程的雨聲譜規(guī)律，利用雨聲譜的低頻段2～10kHz和對數(shù)模型中的參量值量化大雨過程的降雨強度。結果表明，基于雨聲譜量化的降雨強度與實測的降雨強度比較吻合，能充分反映實際的降雨強度變化過程，每分鐘平均降雨量的誤差只有1％～4％。因此，通過測量降雨過程水中的雨聲譜，可以較好地檢測水面上的降雨強度。
本發(fā)明所述水面降雨強度測量裝置設有密封倉、密封倉浮子、水聽器、水聽器浮子和電路部分，密封倉浮子通過浮子儲架與密封倉連接，水聽器浮子通過繩索與密封倉連接，水聽器設于繩索上，電路部分設于密封倉內，電路部分設有模擬電路、數(shù)字電路和電源，模擬電路設有放大電路、濾波電路和光藕隔離電路，數(shù)字電路設有A/D轉換電路和DSP數(shù)字處理器，放大電路輸入端與水聽器信號輸出端連接，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轉換電路輸入端，A/D轉換電路輸出端接DSP數(shù)字處理器。
所述浮子儲架最好設于密封倉上部外側。所述密封倉最好為T字形密封倉，T字形密封倉橫臂部分呈扁圓柱體，T字形密封倉豎臂部分呈長圓柱體。
所述放大電路可采用自動增益放大電路。
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。
本發(fā)明所述的一種基于雨聲譜的水面降雨強度測量方法，采用上述水面降雨強度測量裝置(以下簡稱為測量裝置)，包括以下步驟 1)采集現(xiàn)場雨聲數(shù)據(jù)； 2)計算水下環(huán)境噪聲譜； 3)將降雨天類型進行分類； 4)計算降雨強度； 采集現(xiàn)場雨聲數(shù)據(jù)可采用以下方法 將測量裝置布放至待測水域中，根據(jù)需要設置數(shù)據(jù)采集時間，開啟測量裝置的工作電源，測量系統(tǒng)按照指令要求采集整個降雨過程的水下噪聲時域信號數(shù)據(jù)； 計算水下環(huán)境噪聲譜可采用以下方法 將測量裝置采集的水下噪聲時域信號數(shù)據(jù)進行噪聲功率譜的計算，功率譜的計算方法可采用基于韋爾奇(Welch)的平均周期譜計算方法，并應用漢寧窗(Hanning)的窗計權函數(shù)，得到整個頻率軸上的雨聲功率譜； 將降雨天類型進行分類可采用以下方法 利用雨聲譜級的高頻段15～30kHz，采用基于最小二乘法的對數(shù)線性回歸模型SPL15-30kHz＝A+Blog10(f)進行擬合，其中SPL15-30kHz是頻段15～30kHz內對應的各頻率的譜級，f是對應頻率，A和B均為待回歸的參數(shù)；在擬合的結果中，計算回歸值與真實值的殘差，并利用最小卡方系數(shù)χ2和修正的相關系數(shù)的平方R2，結合t檢驗方法檢查回歸結果，若不理想，可以逐漸剔除殘差的最大的數(shù)據(jù)，并重新進行回歸計算，所述最小卡方系數(shù)χ2和修正的相關系數(shù)的平方R2為 其中，df為對應的自由度數(shù)，
yi是實測值，yi是實測的平均值，

是估計值； 利用基于最小二乘法的對數(shù)線性回歸模型SPL15-30kHz＝A+Blog10(f)和最小卡方系數(shù)χ2和修正的相關系數(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 無雨(0mm/h)在非降雨期間的參數(shù)B值為-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-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-17dB/十倍頻程～-24dB/十倍頻程； 計算降雨強度可采用以下方法 根據(jù)步驟3)獲得大雨過程、小雨過程和非降雨過程的分類結果之后，依據(jù)各自的譜特征進一步進行降雨強度的量化計算，得到每種過程相應的水面降雨強度，具體步驟如下 (1)計算大雨過程的降雨強度 利用雨聲譜級的低頻段2～8kHz，采用基于最小二乘法的對數(shù)線性回歸模型進行擬合，所述基于最小二乘法的對數(shù)線性回歸模型為SPL2-8kHz＝A+Blog10(f)，其中，SPL2-8kHz表示在頻段2～8kHz內對應的各頻率的譜級，A和B是待回歸的參數(shù)，在擬合的結果中，計算回歸值與真實值的殘差，利用最小卡方系數(shù)χ2和修正的相關系數(shù)的平方R2，結合t檢驗方法檢查回歸結果，若不理想，可以逐漸剔除殘差的最大的數(shù)據(jù)，并重新進行回歸計算； 利用最小卡方系數(shù)χ2和修正的相關系數(shù)的平方R2以及基于最小二乘法的對數(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log10R1計算式作為大雨強度的計算式，所述log10R1計算式為log10R1＝(A-53.6)/17.4其中，R1是量化后的降雨強度； (2)計算小雨過程的降雨強度 利用2～15kHz的雨聲譜級，采用非線性最小二乘法的S形增長曲線回歸模型(Logistic模型)，進行擬合，所述非線性最小二乘法的S形增長曲線回歸模型為 其中，A1和A2是待回歸參數(shù)，f0是參考頻率，SPL2-15kHz是頻率f對應聲譜級，在擬合的結果中，計算回歸值與真實值的殘差，利用所述最小卡方系數(shù)χ2和修正的相關系數(shù)的平方R2，結合t檢驗方法檢查回歸結果，若不理想，可以逐漸剔除殘差的最大的數(shù)據(jù)，并重新進行回歸計算； 利用式最小卡方系數(shù)χ2和修正的相關系數(shù)的平方R2以及非線性最小二乘法的S形增長曲線回歸模型回歸后得到參數(shù)A1和A2的值，再采用降雨強度的三次多項式計算降雨強度R2值，所述降雨強度的三次多項式為求解降雨強度的三次多項式得到3個根，為了得到降雨強度的唯一解，將降雨強度限定在0～10mm/h的區(qū)間內，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+8.92log10(R3)，利用所述A1參數(shù)求解中間變量R3公式求解得到的R3具有單調性，可依據(jù)A1和A2參數(shù)聯(lián)合計算求得小雨天氣時降雨強度； (3)無雨過程的降雨強度 在步驟3)中，當判定為非降雨過程時，則該段時間內的降雨強度直接設0mm/h。
與現(xiàn)有技術比較，本發(fā)明具有如下突出優(yōu)點和顯著效果 本發(fā)明通過測量水面上降雨產(chǎn)生的水中雨聲譜特征，采用了對數(shù)線性回歸模型和統(tǒng)計學中的S型增長模型(Logistic模型)，結合最小二乘法和非線性回歸方法，分別根據(jù)實測的雨聲譜反演水面降雨強度。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，反演的降雨強度與實測降雨強度吻合精度高，每分鐘平均降雨量誤差只有1％～4％，能夠充分反映實際降雨過程的強度變化。本發(fā)明所述測量裝置具有較高抗干擾能力、低自噪聲、高可靠性、高帶寬、數(shù)據(jù)海量存儲等優(yōu)點。
測量裝置的電路部分具有如下功能和優(yōu)點 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時多任務嵌入式操作系統(tǒng)和FAT文件系統(tǒng)； 4)采用SD卡實時存儲數(shù)據(jù)，保證低功耗、大容量、小體積。



圖1為實測的不同降雨強度產(chǎn)生的雨聲頻譜圖。橫坐標表示頻率，單位kHz，縱坐標表示聲譜級，單位dB re1μPa2/Hz；每條曲線均標注了對應的降雨強度，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1mm/h，曲線g為0.3mm/h，曲線h為0mm/h。
圖2為測量裝置實施例的結構示意圖。
圖3為測量裝置實施例的使用布放示意圖。
圖4為為測量裝置實施例的電路總體組成框圖。
圖5為測量裝置數(shù)據(jù)采集流程圖。
圖6為基于水中雨聲譜的水面降雨強度的算法流程圖。
圖7為小雨過程降雨強度的量化算法流程圖。
圖8為常規(guī)雨量計觀測所得的降雨強度與基于雨聲譜計算的降雨強度的比較結果圖(采集時間段為1007～1015min)。圖8中的橫坐標均表示時間(min)，其中A圖是實測的降雨量，縱坐標為降雨量(mm)；B圖是實測降雨強度，縱坐標為降雨強度(mm/hour)；C圖是同一時間段實測記錄的水下雨聲時頻圖，縱坐標為頻率(kHz)；D圖的實線部分是根據(jù)雨聲譜反演得到的降雨強度，空心圓圈是實測的降雨強度，縱坐標為降雨強度(mm/hour)。
圖9為常規(guī)雨量計觀測所得的降雨強度與基于雨聲譜計算的降雨強度的比較結果圖(采集時間段為1904～1918min)。圖9中的橫坐標均表示時間(min)，其中A圖是實測的降雨量，縱坐標為降雨量(mm)；B圖是實測降雨強度，縱坐標為降雨強度(mm/hour)；C圖是同一時間段實測記錄的水下雨聲時頻圖，縱坐標為頻率(kHz)；D圖的實線部分是根據(jù)雨聲譜反演得到的降雨強度，空心圓圈是實測的降雨強度，縱坐標為降雨強度(mm/hour)。

具體實施例方式 下面結合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明。
參見圖1，為了從雨聲譜中反演計算水面降雨強度，需要匹配不同水聲譜對應的降雨率大小。在匹配分析過程中主要基于時間同步匹配。通過匹配，可以清楚地了解實測水面降雨過程在水中產(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量得到的，與降雨期間的雨聲譜級相比，它在整個頻帶(2～30kHz)的譜級值均較低；當降雨強度達到0.3mm/h(相當于毛毛雨過程)時，水下聲譜中較高頻段(＞10kHz)的譜級就有3～10dB的增加，并在14～15kHz附近存在一個明顯的譜峰。隨著降雨強度的增大，整個頻帶的譜級均有增長趨勢，且當降雨率＜10mm/h時，譜的形狀基本保持S形不變。當降雨強度繼續(xù)增大至圖中的18mm/h、36mm/h和72mm/h時(相當于大雨過程)，整個頻帶(2～30kHz)的譜級及形狀(線性)均與小雨過程存在明顯差異，低頻段(＜10kHz)的譜級大幅提高，高頻段(＞10kHz)的譜級的增速幅度較小，當降雨強度為18mm/h時高頻段的譜級低于降雨強度9mm/h高頻段的譜級。與國外學者獲取的聲譜數(shù)據(jù)相比，實測的降雨聲頻譜曲線趨勢性與國外在不同測量地點觀測的噪聲頻譜形狀相當一致。
參見圖2，本發(fā)明所述測量裝置設有T字形的密封倉1、密封倉浮子4、水聽器5、水聽器浮子6和電路部分。T字形的密封倉1橫臂部分(上端部分)呈扁圓柱體，豎臂部分呈長圓柱體。密封倉浮子4置于浮子儲架3中，浮子儲架3與密封倉1連接，水聽器浮子6通過繩索7(尼絨繩)與密封倉4連接，水聽器5設于繩索7上，電路部分設于密封倉1內。水聽器5與密封倉1之間用電纜51軟連接，電纜51不受力。密封倉1要求水密，密封倉1上端12上設有水密接頭11，水密接頭11用于連接電纜51。密封倉浮子4使密封倉1懸浮于水中。水聽器5為無指向的標量水聽器，水聽器浮子6使水聽器5懸浮于水中。密封倉浮子4和水聽器浮子6選用聚氨酯發(fā)泡材料制作。
參見圖3，測量裝置采用全錨鏈式布放形式。由于水聽器5用于接收水面的降雨聲音，故水聽器5的懸浮位置應低于水面P1，高于密封倉1，尼絨繩7與密封倉1拉直。密封倉1底部用尼絨繩8連接重塊9而沉于水底P2，使測量裝置懸浮在水中。圖3中的其余標號與圖2對應一致。
測量裝置的功能是實現(xiàn)降雨過程中水下噪聲譜數(shù)據(jù)采集及降雨強度的估計。由于水下噪聲譜的數(shù)據(jù)采集是任何算法研究的基礎，故水下噪聲數(shù)據(jù)的采集是測量裝置的基本功能。目前國內外水下噪聲數(shù)據(jù)采集的電路設計有可借鑒的資料浮標、聲納浮標等電路設計方案，但需要選擇適應降雨噪聲譜采集的高標準。水下環(huán)境噪聲譜的測量與其他水質、水文等海洋要素的測量不同，它要求更嚴格，高抗干擾能力、低自噪聲、高可靠性、高帶寬、數(shù)據(jù)海量存儲等是它的主要特點。而且，與用于測量水下環(huán)境噪聲譜的浮標系統(tǒng)不同，由于水聽器主要用于接收水面降雨產(chǎn)生的聲音，因此在水聽器可接收的水面范圍內最好不能有平臺影響，故水下密封倉應置于水聽器之下。此外，為了方便測量裝置的運輸攜帶、存放和安裝，結構設計上采用模塊化設計，采用浮球或浮子代替浮桶等。測量裝置結構緊湊、簡單、方便和可靠，其特點主要體現(xiàn)在浮球平時不用的時候可以拆下鋼架欄，便于裝卸、調試及運輸，同時起到自適應平臺穩(wěn)定的作用。此外，浮球便于調整浮力大小，可以根據(jù)需要增減沉底重塊。此種結構形式在國外較普遍采用。由于該測量裝置結構較小，可采用不銹鋼(鋼密度大(7.8g/cm3)作為倉體材料。當然，若條件合適，也可采用鈦合金、有機高分子等密度小、有足夠強度、耐海水腐蝕的材料。
參見圖4，各標號分別表示接收水聽器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，同步存儲器48，SD存儲卡(16G)49，RTC實時時鐘與只讀存儲器50，邏輯控制器(現(xiàn)場可編程門陣列FPGA)510，電源511，時鐘復位512，虛線框內為模擬電路部分。阻抗匹配電路41的輸入端與接收水聽器5的信號輸入端連接，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)轉換器44輸入端，模數(shù)轉換器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)場可編程門陣列FPGA)510中讀出采集到的數(shù)據(jù)，并利用前述算法實現(xiàn)水下雨聲譜的估計和降雨強度的計算，計算數(shù)據(jù)存儲在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。下面對電路各部分進一步說明 (1)模擬部分 模擬部分主要的功能，是完成對接收到的弱信號進行調理，包括對信號的放大、衰減濾波以使接收到的水聽器信號經(jīng)過調理后能滿足A/D輸入信號的要求。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，放大采用自動增益控制放大器，以實現(xiàn)對信號進行動態(tài)范圍壓縮。此外，自動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)字信號驅動，因此必須采用光耦隔離； (2)數(shù)字部分 數(shù)字部分主要完成A/D采集的控制，對采集的數(shù)據(jù)經(jīng)DSP處理后存儲。數(shù)字部分的硬件主要由一片DSP、一片F(xiàn)PGA和兩片SD卡來完成。DSP可采用TMS320C5509，它具有運算能力強、功耗低的特點，并有兩個MMC/SD控制器，可用于數(shù)據(jù)的SD卡存儲設計。采用FPGA的設計方式，主要是用來完成A/D和時序控制，實現(xiàn)兩路數(shù)據(jù)緩沖(FIFO)，控制兩片模數(shù)轉換器(AD7654)。
(3)電源 由于測量裝置工作在水中，是由電池工作?？紤]到模擬通道低噪聲的要求，模擬電源和數(shù)字電源單獨供電，各用一組高容量鋰電池供電，在電源附近一點共地。分離供電的好處在于可利用軟件單獨控制各部分電源的通和斷，使系統(tǒng)中空閑部分斷電，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2.7～10V，雙輸出電壓3.3V和1.5～5.5V可調。
電路硬件主要的設計指標如下 1)放大器輸入動態(tài)范圍70dB； 2)放大、濾波帶寬100Hz～30kHz； 3)放大器輸入阻抗＞10MΩ； 4)放大器共模抑制比＞100dB； 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)濾波器通帶內起伏小于±1dB； 7)放大器輸入短路，100Hz～30kHz頻段濾波器輸出的寬帶噪聲＜100μV。
8)通道數(shù)1或2個； 9)采樣頻率每通道采樣頻率是至少80kHz(可調)； 10)16bit A/D轉換。
對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，因此本發(fā)明在電路設計中采取了相應的措施以提高性能。下面作進一步說明 (1)電路的低噪聲設計 水聽器的輸出信號是毫伏級甚至微伏級的弱信號，經(jīng)過放大電路得到適當?shù)姆人腿階/D轉換。水聽器輸出信號經(jīng)過放大電路是會引入電路噪聲，如果引入的電路噪聲較大，基自身產(chǎn)生的噪聲就會超過所接收到的弱信號從而無法有效檢測出目標信號。水聲信號是動態(tài)范圍很大的信號，必須對放大器特別是第一級放大器進行低噪聲設計。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)過分析，在多級放大電路中，各級噪聲因素對總噪聲因數(shù)的貢獻是不同的，越是前級的放大器，其噪聲影響越大。由于減小第一級放大器的噪聲因素，提高第一級增益，能夠有效地降低總噪聲因素，因此，應選用共模抑制比高的放大器。
(2)電路的低功耗設計 電路的功耗大小直接影響了電池的供電時間長短，因此，需要從整體考慮電路的低功耗設計。當然，最好降低功耗的方法是當不需要采集時，能及時的切斷電源。對于信號調理電路來說，可以增大運放電路中電阻和電路的靜態(tài)偏置電阻來降低電流的消耗，但增大電阻可能會增加電阻的熱噪聲，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計 由于本發(fā)明的電路部分是設在水下的金屬殼倉里，水和金屬殼倉都是很好的屏蔽層，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計。由于在同一印刷電路板上同時存在數(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印刷板上； 2)將數(shù)字地和模擬地分開，并在電源附近一點相連； 3)電源和地之間加電解電容和小容量的獨石電容，以減少芯片之間的耦合； 4)模數(shù)轉換器所需的+5V的模擬電源單獨由+12V電池經(jīng)線性穩(wěn)壓模塊7805提供； 5)自動增益控制放大器需由模擬電源供電，但其數(shù)控端由數(shù)字信號驅動，因此必須采用光耦隔離； 6)對于電路的高頻部分，印制板表面覆銅； 7)從水聽器的出口到采集板信號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)大容量快速存儲設計 所選用的DSP芯片(TMS320v5509)具有兩個SD/MMC控制器接口，在基于MMC/SD協(xié)議時使用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SD/MMC控制器可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲。很明顯，4線模式比1線模式快得多，因此，選用2片SD卡作為存儲介質。結合市面上目前已有很多每片達16G以上容量的SD卡，因此，可以較容易地實現(xiàn)數(shù)據(jù)大容量快速存儲。
電路部分的軟件系統(tǒng)設計的成功與否決定著本測量裝置的成敗。軟件部分的設計主要包括實時操作系統(tǒng)μC/OS-II的移植、文件系統(tǒng)的移植、SD卡驅動的編寫、數(shù)據(jù)采集模塊的設計、數(shù)據(jù)存儲讀取、增益控制、信號處理(噪聲譜計算和降雨強度估計)等內容，下面具體說明 (1)操作系統(tǒng)μC/OS-II的移植 實時操作系統(tǒng)的使用，可以簡化嵌入式系統(tǒng)的應用開發(fā)，有效地確保穩(wěn)定性和可靠性，便于維護和二次開發(fā)。μC/OS-II是一個基于搶占式的實時多任務內核，可固化，可剪裁，具有高穩(wěn)定性和可靠性，除此之外，μC/OS-II的鮮明特點是源碼公開，便于移植和維護。
測量裝置工作在湖中或海上，是無人值守的，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時人工不能干預，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。在軟件任務方面，本裝置需要數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、增益控制、信號處理等任務，顯然DSP工作在一個多任務的環(huán)境中，而且這些任務幾乎是同時進行的，若采用多核處理器來完成，往往非常復雜，故采用μC/OS-II操作系統(tǒng)實現(xiàn)多任務管理。
(2)文件系統(tǒng)的移植 文件系統(tǒng)主要用于明確磁盤或分區(qū)上的文件的方法和數(shù)據(jù)結構，即在磁盤上組織文件的方法?？紤]到本裝置采用介質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)來管理采集到數(shù)據(jù)?？紤]到自開發(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)μC/FS的移植。μC/FS是一個高度可移植、可固化的嵌入式FAT文件系統(tǒng)，它適用于所有存儲介質，并且它與MS-DOS/MS-Windows FAT16和FAT32兼容。由于μC/FS和μC/OS-II是同一公司的產(chǎn)品，故移植起來較為方便。
(3)SD卡驅動程序的改進 μC/FS文件系統(tǒng)已提供對設備SD卡的驅動，可以方便對SD卡控制器進行訪問和控制，但由于其提供的函數(shù)只能一次讀寫512個字節(jié)的數(shù)據(jù)，這極大降低了讀寫SD卡的速度。為了將采集的數(shù)據(jù)存儲至SD卡，需要多次訪問SD卡，因此，需要修改相應的驅動程序，可利用DMA控制SD卡的多塊讀寫程序。
(4)數(shù)據(jù)采集程序設計 DSP數(shù)據(jù)采集程序的參數(shù)設置以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)設置。DSP啟動之后，首先讀取SD卡參數(shù)INI文件，根據(jù)采集的起始時間、終止時間等參數(shù)決定是否運行數(shù)據(jù)的采集工作。若暫時不需要進入采集階段，則進入節(jié)電模式，以降低功耗。若已進入采集工作，則需不斷檢查該階段的終止時間是否已到，若時間已到，則進入下一階段的采集起始檢查，若下一次的采集時間距當前時間較長，則進入節(jié)電模式，否則等待下一次采集時間開始新一個階段的采集。如此，不斷循環(huán)，直到所有階段的數(shù)據(jù)采集過程完成，關機，工作結束。數(shù)據(jù)的采集結果存入到SD卡相應的目錄之中。數(shù)據(jù)文件的存儲功能包括新建目錄、進入指定目錄、新建文件、打開文件、添加數(shù)據(jù)到原有文件、讀取文件等功能。
參見圖5～9，將該算法應用至實測的雨聲譜中，計算觀測時間內各時段的降雨強度。為了方便標識多次測量的降雨噪聲譜數(shù)據(jù)，將每一次測量雨聲譜數(shù)據(jù)按照采集時間順序排列組成一矩陣(M×N，M行代表時間序列，N列代表不同頻率對應的譜級)，例如，第一次采集雨聲譜的起始時間設為0，然后按照實際時間排列(單位min)，第二次采集的起始時間排列在第一次采集終止時間之后，其他各次的采集起始時間和終止時間依次排列。反演結果參見圖8和圖9。
由于用于觀測降雨強度的翻斗式雨量計實際上記錄的是降雨量，它是個時間積分過程，因此它的時間分辨率受實際降雨強度的影響很大當小雨或毛毛雨發(fā)生時，計量翻斗可能連續(xù)幾個小時均無信號輸出；當大雨發(fā)生時，在設定的采集時間間隔內可能有多次的信號輸出(見圖8中的A圖和圖9中的A圖)。這種現(xiàn)象反映在降雨強度這個參數(shù)中則應視為降雨強度是某一時間積分的平均值，并非實時的降雨強度。大雨發(fā)生時計量翻斗集滿0.1mm降雨量的時間短，實時性較好；小雨發(fā)生時，計量翻斗累積0.1mm的降雨量需要很長時間，計算的降雨強度平均效應強、實時性差。因此，翻斗式雨量計測量小雨時存在誤差使得圖8中D圖和圖9中的D圖實測的降雨強度與基于反演的降雨強度存在差異，其差異表現(xiàn)在實際雨下得越大，實測降雨強度與反演的降雨強度越接近。
為克服翻斗式雨量計測量小雨時存在的誤差及從數(shù)值上描述反演的降雨強度的精度，本文改“降雨強度”參數(shù)為“降雨量”參數(shù)進行精度分析。與降雨強度不同，降雨量是時間積分結果，它在一段時間內的積分表達了該段時間內的降雨總量，不受翻斗式雨量計測量小雨時存在誤差的影響。
本實施例采用“降雨量”參數(shù)計算了7個降雨過程，每個降雨過程的積分區(qū)間均不同，計算結果見表1。
表1
從表1可見，各降雨過程的實測總降雨量與反演的總降雨量誤差值均很小，說明反演的降雨強度有較好的精度。本實施例的圖8所示的降雨總量的計算結果見表1中的序號4，在1007～1015min的降雨過程中，7.5min時間內總的實測降雨量為1.5mm，而同時間段內反演的總降雨量為1.66mm，每分鐘的平均誤差為2.13％。本實施例的圖9所示降雨總量的計算結果見表1中的序號7，在1904～1918min的降雨過程中，14.25min內總的實測降雨量為3.3mm，而同時間段內預測的總降雨量為3.22mm，每分鐘的平均誤差僅為0.56％。
權利要求
1.一種基于雨聲譜的水面降雨強度測量裝置，其特征在于設有密封倉、密封倉浮子、水聽器、水聽器浮子和電路部分，密封倉浮子通過浮子儲架與密封倉連接，水聽器浮子通過繩索與密封倉連接，水聽器設于繩索上，電路部分設于密封倉內，電路部分設有模擬電路、數(shù)字電路和電源，模擬電路設有放大電路、濾波電路和光藕隔離電路，數(shù)字電路設有A/D轉換電路和DSP數(shù)字處理器，放大電路輸入端與水聽器信號輸出端連接，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轉換電路輸入端，A/D轉換電路輸出端接DSP數(shù)字處理器。
2.如權利要求1所述的一種基于雨聲譜的水面降雨強度測量裝置，其特征在于所述浮子儲架設于密封倉上部外側。
3.如權利要求1所述的一種基于雨聲譜的水面降雨強度測量裝置，其特征在于所述密封倉為T字形密封倉，T字形密封倉橫臂部分呈扁圓柱體，T字形密封倉豎臂部分呈長圓柱體。
4.如權利要求1所述的一種基于雨聲譜的水面降雨強度測量裝置，其特征在于所述放大電路為自動增益放大電路；所述濾波電路為帶通濾波電路。
5.如權利要求1所述的一種基于雨聲譜的水面降雨強度測量裝置，其特征在于所述DSP數(shù)字處理器為MS320C5509處理器。
6.一種基于雨聲譜的水面降雨強度測量方法，其特征在于采用如權利要求1所述水面降雨強度測量裝置，包括以下步驟
1)采集現(xiàn)場雨聲數(shù)據(jù)；
2)計算水下環(huán)境噪聲譜；
3)將降雨天類型進行分類；
4)計算降雨強度；
7.如權利要求6所述的一種基于雨聲譜的水面降雨強度測量方法，其特征在于采集現(xiàn)場雨聲數(shù)據(jù)采用以下方法
將測量裝置布放至待測水域中，根據(jù)需要設置數(shù)據(jù)采集時間，開啟測量裝置的工作電源，測量系統(tǒng)按照指令要求采集整個降雨過程的水下噪聲時域信號數(shù)據(jù)。
8.如權利要求6所述的一種基于雨聲譜的水面降雨強度測量方法，其特征在于計算水下環(huán)境噪聲譜采用以下方法
將測量裝置采集的水下噪聲時域信號數(shù)據(jù)進行噪聲功率譜的計算，功率譜的計算方法可采用基于韋爾奇的平均周期譜計算方法，并應用漢寧窗的窗計權函數(shù)，得到整個頻率軸上的雨聲功率譜。
9.如權利要求6所述的一種基于雨聲譜的水面降雨強度測量方法，其特征在于將降雨天類型進行分類采用以下方法
利用雨聲譜級的高頻段15～30kHz，采用基于最小二乘法的對數(shù)線性回歸模型SPL15-30kHz＝A+Blog10(f)進行擬合，其中SPL15-30kHz是頻段15～30kHz內對應的各頻率的譜級，f是對應頻率，A和B均為待回歸的參數(shù)；在擬合的結果中，計算回歸值與真實值的殘差，并利用最小卡方系數(shù)χ2和修正的相關系數(shù)的平方R2，結合t檢驗方法檢查回歸結果，若不理想，可以逐漸剔除殘差的最大的數(shù)據(jù)，并重新進行回歸計算，所述最小卡方系數(shù)χ2和修正的相關系數(shù)的平方R2為
其中，df為對應的自由度數(shù)，
yi是實測值，yi是實測的平均值，
是估計值；
利用基于最小二乘法的對數(shù)線性回歸模型SPL15-30kHz＝A+Blog10(f)和最小卡方系數(shù)χ2和修正的相關系數(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
無雨(0mm/h)在非降雨期間的參數(shù)B值為-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-17dB/十倍頻程～-24dB/十倍頻程；
10.如權利要求6所述的一種基于雨聲譜的水面降雨強度測量方法，其特征在于計算降雨強度采用以下方法
根據(jù)步驟3)獲得大雨過程、小雨過程和非降雨過程的分類結果之后，依據(jù)各自的譜特征進一步進行降雨強度的量化計算，得到每種過程相應的水面降雨強度，具體步驟如下
(1)計算大雨過程的降雨強度
利用雨聲譜級的低頻段2～8kHz，采用基于最小二乘法的對數(shù)線性回歸模型進行擬合，所述基于最小二乘法的對數(shù)線性回歸模型為SPL2-8kHz＝A+Blog10(f)，其中，SPL2-8kHz表示在頻段2～8kHz內對應的各頻率的譜級，A和B是待回歸的參數(shù)，在擬合的結果中，計算回歸值與真實值的殘差，利用最小卡方系數(shù)χ2和修正的相關系數(shù)的平方R2，結合t檢驗方法檢查回歸結果，若不理想，可以逐漸剔除殘差的最大的數(shù)據(jù)，并重新進行回歸計算；
利用最小卡方系數(shù)χ2和修正的相關系數(shù)的平方R2以及基于最小二乘法的對數(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log10R1計算式作為大雨強度的計算式，所述log10R1計算式為log10R1＝(A-53.6)/17.4其中，R1是量化后的降雨強度；
(2)計算小雨過程的降雨強度
利用2～15kHz的雨聲譜級，采用非線性最小二乘法的S形增長曲線回歸模型(Logistic模型)，進行擬合，所述非線性最小二乘法的S形增長曲線回歸模型為
其中，A1和A2是待回歸參數(shù)，f0是參考頻率，SPL2-15kHz是頻率f對應聲譜級，在擬合的結果中，計算回歸值與真實值的殘差，利用所述最小卡方系數(shù)χ2和修正的相關系數(shù)的平方R2，結合t檢驗方法檢查回歸結果，若不理想，可以逐漸剔除殘差的最大的數(shù)據(jù)，并重新進行回歸計算；
利用式最小卡方系數(shù)χ2和修正的相關系數(shù)的平方R2以及非線性最小二乘法的S形增長曲線回歸模型回歸后得到參數(shù)A1和A2的值，再采用降雨強度的三次多項式計算降雨強度R2值，所述降雨強度的三次多項式為求解降雨強度的三次多項式得到3個根，為了得到降雨強度的唯一解，將降雨強度限定在0～10mm/h的區(qū)間內，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+8.92log10(R3)，利用所述A1參數(shù)求解中間變量R3公式求解得到的R3具有單調性，可依據(jù)A1和A2參數(shù)聯(lián)合計算求得小雨天氣時降雨強度；
(3)無雨過程的降雨強度
在步驟3)中，當判定為非降雨過程時，則該段時間內的降雨強度直接設0mm/h。
全文摘要
一種基于雨聲譜的水面降雨強度測量方法及其裝置，涉及一種水面降雨強度的測量。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)海量存儲等優(yōu)點的水面降雨強度測量裝置及方法。裝置設有密封倉、密封倉浮子、水聽器、水聽器浮子和電路。采用分頻段利用水下雨聲譜的形狀，結合最小二乘法和非線性方法反演水面降雨強度；根據(jù)雨聲譜在頻段15～30kHz的對數(shù)線性變化規(guī)律，將降雨類型分成無雨、小雨、大雨；采用S型增長模型研究小雨過程的雨聲譜規(guī)律，量化小雨過程的降雨強度；采用對數(shù)線性模型，研究大雨過程的雨聲譜規(guī)律，利用雨聲譜的低頻段2～10kHz和對數(shù)模型中的參量值量化大雨過程的降雨強度。
文檔編號G01W1/14GK101609172SQ20091011218
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月14日 優(yōu)先權日2009年7月14日
發(fā)明者劉貞文, 楊燕明 申請人:國家海洋局第三海洋研究所