几种小型雨量计优缺点对比分析--翻斗式、压电式、微型雷达、光学雨量计

气象学中的雨量，指的是在一定时段中，无渗漏、蒸发、流失的条件下降落到水平面上的雨水深度，单位为毫米/小时（ｍｍ/h）。

按照气象局地面气象观测规范，在有降水时，气象站需要每隔６小时测量一次降雨量。降雨按降雨量和降雨强度的大小可以划分为：小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨。

雨量的测量与统计是气象观测工作中十分重要的一部分，及时和准确的获取雨量数据更是对防治洪涝、干旱等自然灾害以及泥石流、山体崩塌和滑坡等次生地质灾害具有重要作用，与生产建设和日常生活息息相关，在气象观测、水文测量、水利开发、水电工程、交通运输、环保监测、农田灌溉、水土保持、防洪防汛指挥、微波通讯和工程管理等方面发挥着重大作用。

现就目前市面上常用小型雨量计按测量方式区分主要有翻斗式、压电式、微型雷达、光学雨量计等几种，现对各自原理和优缺点进行简述如下：

一、翻斗式雨量计

1、测量原理：翻斗式雨量桶工作原理比较简单。如图，首先雨水通过引水漏斗注入小翻斗中，当小翻斗的储水达到一定高度（如图，翻斗翻倒，雨水被倒出。翻斗每翻到一次，都会触发开关，接通电路，向记录仪器发出一个脉冲信号，采集器将此信号记录下来，如此反复将降雨过程测量并记录下来。

由于翻斗式雨量计经历了长足的发展，由于采用的是传统的称重原理，在雨量计中是最准确的，现今研究出了无线传输分体雨量计，雨量测量装置置于室外，显示输出部分置于室内，工作人员在室内就可以观察降雨量。

2、翻斗式雨量计的优缺点：

优点：翻斗式雨量计，采用单/双翻斗构造，输出信号为开关量/数字信号。相比其他的传统称重式雨量计，翻斗式雨量计的自动化程度比较高，测量及时性较强，成本低，应用较为广泛。

缺点：翻斗雨量计的翻斗容量有限，当雨量较大时，翻斗式雨量计的误差会增加，所以翻斗式雨量计不适合精准的暴雨测量。另外由于其机械结构较为复杂，长期与降水接触容易引起机械部件锈蚀、老化以及泥沙淤积等情况，从而加大翻斗的运动阻力并影响计量精度。翻斗式雨量计的安装需要水平度较高，安装不规范不但造成误差增加，还降低了内部运动部件的使用寿命。翻斗式雨量计只能进行宏观的累积雨量和降雨强度，而且具有一定的延时性。对降雨的微观过程，雨滴的大小、速度以及粒子数等情况的监测显得无能为力。翻斗雨量计由于引水漏斗狭小，容易淤堵，而且在冬季需要防止结冰，还需进行加热，要频繁的人工保养、维护才能保证其正常运行。

二、压电式雨量计

1、测量原理：基于动力学方法的降雨测量方法是通过测量不同大小雨滴下落的冲击力，从而间接测得雨滴的粒径大小。

压电传感元件测量雨滴粒径的方法如图１（ａ）所示，通过测量雨滴下落的动量来间接估计雨滴的粒径大小。雨量传感器由金属壳体和粘贴在金属壳体内部的压电传感元件两部分组成。当雨滴撞击金属壳体时会引起传感器产生微小的机械振动，压电元件在振动时由于机械应力的作用，会在电极之间产生电压差，对外输出电信号。雨滴撞击的冲击力越大，则振动幅值越大，传感元件输出电压的幅值也越大。因此，可以通过采集压电元件输出信号得到雨滴对传感器表面的冲击力来间接测量雨滴下落动量。当雨滴速度已知时，可以得到雨滴粒径的大小。

2、压电是雨量计的优缺点

优点：设备简单，易于集成，测量精度较高，不但能够检测宏观的累积雨量和降雨强度，同时还能够检测降雨的微观过程，对雨滴的大小及降落速度均可进行检测。压电式降雨测量仪器具有功耗低、成本低、体积和重量小、测量实时性好及自动化程度高等优点，具有较广泛的应用前景。

缺点：难以保证对于大雨、小雨以及降雨微观特征都具有较高的测量精度。传感器灵敏度不足，难以精确测量较小雨滴的尺寸；在大降雨强度的测量中，短时间间隔采集到的两个雨滴信号易发生混叠，引起测量误差。同时，容易收到强风、振动和雷电等外部环境因素的干扰，造成误判和误差。

三、微型雷达雨量计

1、检测原理

微型雷达探测的目标主要是雨滴，雨滴大小范围从几十微米到几毫米。雨滴在微型雷达发射的高频电磁波作用下，发生散射，形成反射信号。通过对这些反射信号进行采样和处理，可以获得雨滴的径向速度、回波强度、径向分布等信息，从而实现对降水的检测和定量分析。微型雷达的工作原理是利用FMCW技术，将频率线性增加的连续波发射至空气中，当电磁波与雨滴相遇时，雨滴会部分吸收和散射电磁波，使得发射和接收之间的波长发生变化。雷达接收到反射波后，将其与发射信号进行相位比较，就可以得到反射波的频移或频率差。通过对频率差进行解析，就可以获得雨滴的径向速度信息。同时，微型雷达还可以计算接收到的回波功率，从而获得降水的强度信息。为了获得更加精确的径向速度和回波功率信息，雷达通常采用多频发射和多通道接收的方式，以增加信号的灵敏度和分辨率。此外，雷达还可利用时分多址（TDMA）技术协调多个雷达的信号，实现高精度的径向速度和回波功率的估计。

2、微型雷达雨量计的优缺点

优点：设备简单，易于集成，测量精度较高，不但能够检测宏观的累积雨量和降雨强度，同时还能够检测降雨的微观过程，对雨滴的大小及降落速度均可进行检测。同时还能对其他天气现象如雪、冰雹等进行测量。微型雷达雨量计具有功耗低、成本低、体积和重量小、测量实时性好及自动化程度高等优点，具有较广泛的应用前景。

缺点：难以精确测量较小雨滴的尺寸，目前的技术水平只能测量直径大于0.25mm的雨滴，造成对毛毛雨或小雨的出差。在大降雨强度的测量中，短时间间隔采集到的两个雨滴信号易发生混叠，引起测量误差。容易受到风的干扰，造成误差增大。

四、光学雨量计

当发生降水时，降水粒子会对正常传播的探测光产生影响，基于光学原理识别降水的测量仪器就是通过探测器感应并捕获检测光包含的降水粒子信息，来观测降水。不同的识别方法的选取，可以把探测方法主要分成以下两类：光强衰减法、光散射法。这两种方法分别对应雨滴滴谱仪和前向散射能见度雨量计。

4.1 雨滴滴谱仪

滴谱仪是用了光强衰减法探测原理：探测降水粒子对检测光的衰减信息，测量粒子的降速及尺寸。从光源发出一束平行片光作为检测光，检测光薄而宽，经过有降水粒子下落的检测区后，被汇聚打入接收端。检测区域下落的降水粒子对片光的遮挡作用导致检测光的光强衰减，其衰减量与粒子尺寸有关，粒子的降速与通过采样区域的时间有关。通过获取检测区域降水粒子所产生的脉冲信号以及通过检测区域所用的时间来确定粒子的尺寸和降速。

如图所示：（a）表示为粒子遮挡了部分光照，造成探测器输出脉冲信号，如图（b）所示，通过脉冲信号的宽度以及下降可得粒子穿过采样区的时间t和脉冲下降Umax，信号经过转换、放大和滤波后（如图c)将下降脉冲通过算法处理变成粒子的有效直径d和速度v。

4.2 散射式雨量计

光散射法测量降水粒子是利用降水粒子在可见光或是近红外光波段的散射效应。其主要基于光的衍射理论和米氏（散射理论，工作原理是：激光束经准直扩束后照射到待釆样的粒子场，光打在粒子上后发生散射，采用一个或者两个接收器接收被降水粒子散射的信号，得到与被照粒子尺寸分布相对应的数字信号，对此信号进行优化处理，得出检测区域中下落粒子的粒径分布。如图所示。基于以上两种散射理论测量原理，一般只适用于较小尺寸的降水粒子情况，当粒子尺寸较大时，对光散射原理的分析要结合几何光学的理论同时进行。

光学雨量计的优缺点

优点：光学雨量计也称为实时天气现象传感器，特点是该仪器高度集成，能对降雨的微观过程如雨滴大小和雨滴速度进行比较精细的检测。整套设备轻便，易于安装，自动化程度高，维护成本低等特点。同时还能识别影响其他的天气类型，如雾霾天气；还可以识别七种降水类型：雨、冻雨、毛毛雨、雨夹雪、雪及冰雹。

缺点：光学雨量计最大的缺点是设备成本高。普及推广难度较大。

五、优劣对比分析

5.1 宏观测量vs.微观测量

翻斗式雨量计：强于宏观，弱于微观。

优点互换：它的结构简单、高可靠性（在常规雨量下）、精度高和广泛适用性，是以完全牺牲对降雨微观过程（雨滴大小、速度、谱分布）的监测能力为代价的。

它和另外三种设备在这个维度上形成了直接的“互换”：你选择了传统高精度和大规模部署，就放弃了获取精细化的降雨物理特征。

压电式、微型雷达、光学雨量计：兼具宏观与微观。

这三者都能提供微观信息，但它们之间又在其他维度上继续进行“互换”。

5.2 机械结构vs.电子/光学传感

翻斗式（机械结构）：

缺点互换：其机械结构带来了易锈蚀、易泥沙淤积、有活动部件磨损和需经常性的人工维护和保养的固有缺点。这是它与其他三种（均为静态传感器）最根本的区别之一。

压电式、微型雷达、光学式（电子/光学传感）：

优点互换：它们没有活动部件，免维护因此在抗磨损和长期稳定性上潜力更大。但这是以测量精度低、更高的成本和电子复杂性为代价的。

5.3  抗干扰能力vs.测量精度与信息量

翻斗式：

对电磁干扰和雨滴粒径大小不敏感，但受外部自然因素（树叶、泥沙、风溅、蒸发等）影响大。

压电式与微型雷达：

它们共享一个非常相似的缺点：易受大风干扰。因为两者都基于“动力学”原理（测量雨滴冲击或电磁波反射），风会改变雨滴的落速和轨迹，直接引入误差。

这里形成了一个“互换”：你选择了能测雨滴速度和大小的方法，就不得不接受它对风扰的敏感性。

光学雨量计：

其光学路径也可能受强风引起的振动、以及镜面污染（如灰尘、雨水等污染）的影响。但它通常不受风改变雨滴动力学特性的直接影响。

这里形成了一个更复杂的“互换”：你选择了理论上更精确、信息更丰富的光学方法，但获得了对环境洁净度的高要求和最高的成本。

5.4 成本与技术成熟度

翻斗式：

成熟度与成本的互换：技术最成熟，精度最高、成本最低，普及度最高。这是用“运行过程中高人工维护成本”换来的。

压电式/微型雷达：

处于中间位置，试图在成本、功能和性能之间取得平衡。

光学式：

性能与成本的互换：提供了顶级的微观监测能力和多天气现象识别能力，但这是以最高的设备成本为代价的。

总结表格：优缺点对比

结论：

这些雨量计的优缺点并非孤立存在，而是构成了一个典型的“技术权衡”：

1、在一端是低成本、高可靠性但信息维度单一的翻斗式雨量计。

2、在另一端是高成本、提供丰富微观信息的光学雨量计。

3、在中间则是试图折衷的压电式和微型雷达雨量计，它们用适中的成本和一定的技术复杂性，来换取对降雨微观过程的探测能力，但同时引入了新的挑战（如风扰）。

因此，翻斗式、压电式、微型雷达和光学雨量计各有其独特的优势与局限性，适用于不同的降雨监测场景。至于选择哪种雨量计，本质上就是在根据具体的应用场景、预算和对检测精度的需求，来选择你愿意接受哪些缺点，以换取你最看重的那些优点。这里没有最好的雨量计，只有最适合你需求的。