[发明专利]采用光纤光栅虹吸式雨量计的雨量监测网络及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量降雨量的雨量计，尤其涉及一种采用光纤光栅传感测量雨量的方式，同时涉及雨量计测量误差的修正及测量精度的提高，以及对于雨量网络化测量的具体实施方式。

背景技术

雨量计是一种气象学家和水文学家用来测量一段时间内某地区的降水量的仪器。目前，雨量计以虹吸式雨量计和翻斗式雨量计较为常见，同时存在部分压力雨量计，光学雨量计，容栅雨量计。虹吸雨量计通过测量浮子式中浮子的高度变化和虹吸次数来测量降雨量，翻斗式雨量计通过记录翻斗预设值和翻斗的翻转次数实现降雨量的统计。

传统虹吸式雨量计由于设计原理的缺陷不能实现信号的自动输出，而只能应于人工记录，这就大大的限制了其应用场合，翻斗式雨量计可以将雨量数据转化为电信号输出，因而被广泛应用于雨量采集自动化系统之中。然而由于核心传后的信息采集、传输方式大大的降低了雨量信息的实时性。

有关雨量计的研究论文中，对翻斗式和虹吸式改进的方案居多，如李弘洋等人在文章“全自动远程虹吸式雨量计的研制”中针对在野外环境中如何实时、准确地获取降雨资料的问题，在综合考虑各类雨量计的原理、使用方法以及优缺点后，设计了一种基于应变式压力传感器的新型虹吸式雨量计。它具有传统虹吸式雨量计低功耗、测量不受降雨强度大小的限制的优势，并通过压力传感器保证了测量精度，而且对虹吸过程中的降雨采用最小二乘法的算法进行补偿。最后，经过算法优化后的数据通过数据采集器上的GSM模块实现数据的远距离传输，从而大大提高了它的应用范围。压力传感器虽然具有自动化程度高等优点，但是由于电学传感器易受环境干扰等固有缺点，导致其可靠性较低，同时由于其组网成本较高，难以实现准分布式传感。

近来，人们开始将光纤光栅的传感特性应用于雨量监测，如冯军在中国申请的发明专利“采用光纤测量的雨量计和铁路防灾雨量监测系统”（申请号为201210333228.3）中，该雨量计包括光纤雨量筒和信号处理设备，光纤雨量筒中包括光纤传感器，光纤传感器通过光缆与信号处理设备连接，该专利介绍了其在虹吸式，翻斗式，称重式三种结构中的应用。但是，未能矫正降雨与虹吸排水同时进行时存在的误差，并且在桶内无足够雨水时浮子搁浅会造成测量初期的盲区。另外，该专利在雨量计网络组建方面并未提出实际可操作方案。

在精度方面，随着新技术的涌现，降雨量的测量误差改进方法也不断出现，如李青等人在中国申请的专利“有自补偿功能的远程虹吸排水式降雨量测量方法”（申请号为200910154169.1）中，提出根据降雨量测量管底部压力的大小与管内水位高度成正比压力传感器测量出降雨量测量管内水位的高度，水位高度与降雨量成正比，压力传感器的信号由测量仪器进行一系列处理，转换成降雨量并进行补偿测量算法。但是，该补偿方法的成立是基于无雨时雨量计虹吸的速度和有降雨时虹吸的净速度相等的前提，理论上容易分析这一前提并不完全成立。

发明内容

本发明的任务在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种采用光纤光栅虹吸式雨量计的雨量监测网络及方法，本发明测量精度高，能解决无足够雨水时浮子搁浅导致的测量盲区问题，校正降雨与排水同时进行时的误差，能够实现准分布式监测，能够在野外长时间连续工作，实现了自动化测量和数字化输出。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用光纤光栅虹吸式雨量计的雨量监测网络，其包括雨量计阵列和信号发生及解调单元，信号发生及解调单元通过光纤耦合器阵列与雨量计阵列相连；雨量计阵列包括复数个内设光纤光栅的雨量计，雨量计之间通过光纤互联。

所述的网络，雨量计包括盛水容器，盛水容器内设有带空腔的浮子，刻有光纤光栅的传感光纤从空腔内穿过，传感光纤的一端固定在盛水容器的内侧底部，传感光纤的另一端通过法兰盘与浮子的一个端面相固定，浮子下端浸入雨水中；盛水容器的侧壁接有虹吸管，盛水容器的上端设有漏斗，漏斗通过导水管升入盛水容器内部。

所述的网络，雨水与盛水容器底面之间还盛有密度大于水、不挥发且不与水混溶的液体，如三氯乙烷等。

所述的网络，信号发生及解调单元包括信号发生设备和信号解调设备，信号发生设备和信号解调设备均与光纤耦合器阵列相连。

所述的网络，信号发生设备采用脉冲光源。

所述的网络，信号解调设备包括依次相连的可调谐滤波器、光电探测器、数据处理单元和计算机，可调谐滤波器与光纤耦合器阵列相连。可调谐滤波器过滤出特定光波波长，通过光电探测器进行光电转换，将光信号转化成电信号，进而接入数据处理单元进行电信号的数据采集与处理分析，通过计算机整合数据的处理结果并提供实时显示与操作界面。