CN105321313A - 用于双频、多频微波链路测量降水量的采集装置以及基于这一采集装置的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气象信息处理与应用领域，特别是涉及用于双频、多频微波链路测量降水量的信息处理与应用领域，更为具体的说是涉及用于双频、多频微波链路测量降水量的采集装置以及基于这一采集装置的测量方法。创造性地提出了公开了一种双频、多频微波链路测量降水量的采集装置以及基于这一采集装置的测量方法，从而可以实现长时间、自动化的降水测量，更为重要地是可以准确、长时、高效地获得检测数据，对理论测定方法的实际应用与推广具有重要的意义。

Description

用于双频、多频微波链路测量降水量的采集装置以及基于这一采集装置的测量方法

技术领域

本发明涉及一种气象信息处理与应用领域，特别是涉及用于双频、多频微波链路测量降水量的信息处理与应用领域，更为具体的说是涉及用于双频、多频微波链路测量降水量的采集装置以及基于这一采集装置的测量方法。

背景技术

利用微波链路测量降水是近年来提出的降水测量的最新方法，具有高时空分辨率的独特优势。主要依据雨衰—降水量关系模型，通过实际测量降水时微波链路上的雨致信号衰减，反演计算得到实际降水量。由于雨致衰减受雨滴谱分布、雨滴形状、雨滴温度等因素影响，并且这些因素通常是未知的。为了在未知这些信息的情况下，获得更小的反演误差，人们提出利用双频链路或多频链路测量降水量的思想，即近距离平行设置两条或多条不同频段的试验链路，同时对降水进行观测。

在试验过程中，由于试验链路上的每个频率均需要一套独立的发送及接收设备，并且每间隔一段时间采集一次数据，利用双频/多频微波链路进行降水测量则需要2套或多套信号发射及信号接收设备并行设置在试验链路的发送端和接收端，使用仪器较多，不同频段的试验仪器为了避免相互影响还需要间隔一定距离，导致空间上采集数据的误差。

因此目前关于利用双频或多频微波链路测量降水的研究主要停留在理论方面，没有对该理论的实现技术进行专门探讨，尤其是实现自动化测量是将其推广应用的必要条件。

发明内容

本发明正式基于这样的研究基础，创造性的公开了一种用于双频、多频微波链路测量降水量的采集装置，并且配套的公开了基于这一采集装置的测量方法，从而实现了利用双频链路或多频链路测量降水量的目的。更为重要的是，保证了采集过程中数据的可靠性和准确性。

本发明的发明目的之一，是公开一种将双频、多频微波链路测量降水量方法实现的实验装置，而其中最为重要就是要保证采集过程中获得的数据的可靠性和准确性，为了实现这一发明目的，本发明公开了用于双频、多频微波链路测量降水量的采集装置，所述采集装置的组成部分如下，首先有一宽带信号发生器，以及与宽带信号发生器连接的发送端微波电子开关，所述发送端微波电子开关处设置有n个不同频率的发送天线，所述发送天线分别与发送端电子开关信号连接；其次有一宽带信号频谱分析仪，以及与宽带信号频谱仪连接的接收端微波电子开关，所述接收端微波电子开关处设置有n个不同频率的接收天线，所述接收天线与发送天线相互对应，并与接收端微波电子开关信号连接。

宽带信号发生器用于产生双频、多频微波链路所需要的2个或者多个频率的微波信号。发送端微波电子开关用以切换不同的发射频率，并通过与之信号连接的发送天线将微波信号发射至空中。与发送天线对应的接收天线接收到来自空中的微波信号，并在接收端微波电子开关的配合下，将接收到的微波信号传送至宽带信号频谱分析仪。

至此，就完成了双频、多频微波链路测量降水量所需要的信号采集工作。

进一步地，我们公开了还包括有微波电子开关控制器。从而可以实现不同频率之间的自动切换。

这里这个微波电子开关控制器可以用单片机电路实现，也可以选择PC机与外围电路组合的方式实现，通过产生0~5V的定时方波信号，作为微波电子开关的输入控制信号。发送端和接收端的微波电子开关定时信号必须保持同步。为了保证方波信号的统一调配，我们可以直接利用单片机进行同步，也可以用PC机将多个外围方波发射电路统一联网至PC机，利用PC机本身的时间统一性，定时、统一开启方波发射电路。

同时，作为一种自动记录的优选方式，我们还公开还包括有发送端记录仪、接收端记录仪。

记录仪可以选用PC机，测量仪器通过网口或者GPIB端口与PC机相连接，PC机通过发送读取数据指令，获取测量仪器的输出数据，并保存在本地文件内。

本发明的另一发明目的，是在实现双频、多频微波链路测量降水量方法的基础上，进一步简化整个测量结构，合理利用测量时间，做到准确、高效的数据获取。为了实现这一目的，本发明进一步公开一种基于前述用于双频、多频微波链路测量降水量的采集装置的降水量测定方法，包括以下步骤：

步骤1，确定用于测量降水量的微波链路的测量频率个数为n个，确定信号采集的个数为m个/分钟，设定发送端微波电子开关的切换频率为秒/次；

步骤2，发送端微波电子开关每间隔秒在n个测量频率间顺序切换一次发送频率，并记录发射时间、发射频率、发射功率；

步骤3，接收端微波电子开关与发送端微波电子开关保持同步，每间隔秒在n个频率间顺序切换一次对应的接收频率，并记录接收时间、接收频率、接收电平；

发送端和接收端微波电子开关控制器可与发送端和接收端记录仪相连接，由其提供统一的控制器开启信号，保证开关控制器同步。

步骤4，比对发送端记录下的发射时间与接收端记录下的接收时间，确定时间的同步与否；如果时间一致，则为有效数据；如果时间不一致，则认为是无效数据，丢弃数据，同时进行发送端与接收端的时间同步调整；

这里我们所说的进行发送端与接收端的时间同步调整，其方法是：

可以在测量初期采用手动调整办法，对比发送端与接收端的时间，将两部记录仪的时钟调为一致。

在运行期间也可采用自动调整办法，将两台记录仪同时接入互联网，利用Internet时间服务器达到同步。

步骤5，针对步骤4中认为是有效数据的部分，进一步比对发送端记录下的发射频率与接收端记录下的接收频率，如果频率一致，则认为数据有效；如果频率不一致，则丢弃数据，同时进行发送端与接收端的频率同步调整；

这里我们所说的进行发送端与接收端的频率同步调整，其方法是：

将两台记录仪同时接入互联网，发送端记录仪向接收端记录仪发送当前发送频率，接收端记录仪收到后，通过GPIB端口或者网口向测量仪器发送频率调整指令实现频率同步调整。

步骤6，将通过步骤5后仍认为是有效数据的部分作为计算样本，利用发射功率、接收电平，按照多频微波链路测量降水的算法计算该路径上的平均降水量。

具体的降水量计算方法，可以参考姜世泰等人发表的《基于微波链路的降雨场反演方法研究》（物理学报，Vol62，No.15(2013)154303-1~154303-8）。

基于本发明所公开的技术方案，可以实现长时间、自动化的降水测量，更为重要地是可以准确、长时、高效地获得检测数据，对理论测定方法的实际应用与推广具有重要地意义。

附图说明

图1为用于双频、多频微波链路测量降水量的采集装置示意图；

图2为基于用于双频、多频微波链路测量降水量的采集装置的降水量测定方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的阐述。

实施例1

如图1所示，用于双频、多频微波链路测量降水量的采集装置，所述采集装置的组成部分如下，首先有一宽带信号发生器1，以及与宽带信号发生器连接的发送端微波电子开关2，所述发送端微波电子开关处设置有n个不同频率的发送天线3，所述发送天线3分别与发送端电子开关2信号连接；其次有一宽带信号频谱分析仪4，以及与宽带信号频谱仪4连接的接收端微波电子开关5，所述接收端微波电子开关5处设置有n个不同频率的接收天线6，所述接收天线6与发送天线3相互对应，并与接收端微波电子开关5信号连接。

宽带信号发生器1用于产生双频、多频微波链路所需要的2个或者多个频率的微波信号。发送端微波电子开关2用以切换不同的发射频率，并通过与之信号连接的发送天线3将微波信号发射至空中。与发送天线3对应的接收天线6接收到来自空中的微波信号，并在接收端微波电子开关5的配合下，将接收到的微波信号传送至宽带信号频谱分析仪4。

从而完成了双频、多频微波链路测量降水量所需要的信号采集。

实施例2

在实施例1的基础上，我们还进一步公开有微波电子开关控制器，并且分别将这一微波电子开关控制器配置在发送端和接收端，从而形成发送端微波电子开关控制器71、接收端微波电子开关控制器72。本实施例中微波电子开关控制器可以用单片机电路实现，也可以选择PC机与外围电路组合的方式实现，通过产生0~5V的定时方波信号，作为微波电子开关的输入控制信号。发送端和接收端的微波电子开关定时信号必须保持同步。为了保证方波信号的统一调配，我们可以直接利用单片机进行同步，也可以用PC机将多个外围方波发射电路统一联网至PC机，利用PC机本身的时间统一性，定时、统一开启方波发射电路。

实施例3

更为优选的方式，是在实施例1或者实施例2的基础上，我们进一步公开还包括有发送端记录仪81、接收端记录仪82。

实施例4

基于实施例1、或者是实施例2，特别更为优选的是基于实施例3，我们进一步配合图2，公开了一种基于前述用于双频、多频微波链路测量降水量的采集装置的降水量测定方法，包括以下步骤：

步骤1，确定用于测量降水量的微波链路的测量频率个数为n个，确定信号采集的个数为m个/分钟，设定发送端微波电子开关的切换频率为秒/次；

步骤2，发送端微波电子开关每间隔秒在n个测量频率间顺序切换一次发送频率，并记录发射时间、发射频率、发射功率；

步骤3，接收端微波电子开关与发送端微波电子开关保持同步，每间隔秒在n个频率间顺序切换一次对应的接收频率，并记录接收时间、接收频率、接收电平；

步骤4，比对发送端记录下的发射时间与接收端记录下的接收时间，确定时间的同步与否；如果时间一致，则为有效数据；如果时间不一致，则认为是无效数据，丢弃数据，同时进行发送端与接收端的时间同步调整；

例如，发送端记录仪与接收端记录仪同时接入互联网，利用Internet时间服务器达到同步。发送端记录仪将记录的发送时间、发送频率、发送功率等数据记录文件发送或共享给接收端记录仪。接收端记录仪读取发送端记录仪的记录数据，并与本地的记录数据进行比较，如果发送时间与接收时间不一致，可主动进行Internet时间同步。

步骤5，针对步骤4中认为是有效数据的部分，进一步比对发送端记录下的发射频率与接收端记录下的接收频率，如果频率一致，则认为数据有效；如果频率不一致，则丢弃数据，同时进行发送端与接收端的频率同步调整；

具体来说，两台记录仪同时接入互联网，发送端记录仪将记录的发送时间、发送频率、发送功率等数据记录文件发送或共享给接收端记录仪。接收端记录仪读取发送端记录仪的记录数据，并与本地的记录数据进行比较，如果发送频率与接收频率不一致，接收端记录仪可通过GPIB端口或者网口向测量仪器发送频率调整指令实现频率同步调整。

步骤6，将通过步骤5后仍认为是有效数据的部分作为计算样本，利用发射功率、接收电平，按照多频微波链路测量降水的算法计算该路径上的平均降水量。具体来说，收集在某一发送频率上，信号接收频率与发送频率相同、信号接收时间与发送时间一致，并且发送功率相同的情况下，在不同时间和天气状况下的若干个接收电平样本值，按照多频微波链路测量降水的算法计算该路径上的平均降水量。

实施例5

作为一种更进一步的细化说明，我们在实施例4的基础上，进一步说明。

首先，确定用于测量降水量的微波链路的测量频率个数为2个，分别是11GHz和20GHz，确定信号采集的个数为3个/分钟，即每个频率上每20秒采集1次数据，基于此设定发送端微波电子开关的切换频率为10秒/次；

其次，要求发送端和接收端均可在11GHz和20GHz频段上正常工作，发送端和接收端首先在2013年7月5号九点10分00秒同时工作在11GHz上，间隔10秒后，发送端和接收端同时切换到20GHz的工作频率，再间隔10秒后，发送端和接收端再同时切换到11GHz的工作频率，以此类推，反复进行。在发送端和接收端同时切换工作频率后5秒时，进行发送信号和接收信号的数据采集。

表1发送端记录的数据

表2接收端记录的数据

然后，比对发送端记录下的发射时间与接收端记录下的接收时间，确定时间的同步与否；如果时间一致，则为有效数据；如果时间不一致，则认为是无效数据，丢弃数据，同时进行发送端与接收端的时间同步调整；

例如，发送接收数据中的第3组数据，接收端记录时间为9点10分26秒，发送记录时间为9点10分25秒，此时时间不同步，此数据为无效数据，并触发发送端与接收端进行时间同步调整。

然后，针对步骤4中认为是有效数据的部分，进一步比对发送端记录下的发射频率与接收端记录下的接收频率，如果频率一致，则认为数据有效；如果频率不一致，则丢弃数据，同时进行发送端与接收端的频率同步调整；

例如，发送接收数据中的第5组数据，发射和接收频率均为11.005GHz，与设定的11GHz实验频率不一致，此数据为无效数据，并触发发送端与接收端进行频率同步调整。

最后，获得的可用数据是发送端和接收端记录的第1组、第2组、第4组、第6组等数据。

基于上述的电平样本值，对每个频率的微波链路，利用发射功率、接收电平，参考姜世泰等人发表的《基于微波链路的降雨场反演方法研究》（物理学报，Vol62，No.15(2013)154303-1~154303-8），按照多频微波链路测量降水的算法计算该路径上的平均降水量。

Claims (5)

1.用于双频、多频微波链路测量降水量的采集装置，其特征是，所述采集装置的组成部分如下，首先有一宽带信号发生器，以及与宽带信号发生器连接的发送端微波电子开关，所述发送端微波电子开关处设置有n个不同频率的发送天线，所述发送天线分别与发送端电子开关信号连接；其次有一宽带信号频谱分析仪，以及与宽带信号频谱仪连接的接收端微波电子开关，所述接收端微波电子开关处设置有n个不同频率的接收天线，所述接收天线与发送天线相互对应，并与接收端微波电子开关信号连接。

2.根据权利要求1所述的用于双频、多频微波链路测量降水量的采集装置，其特征是，还包括有微波电子开关控制器。

3.根据权利要求1或2所述的用于双频、多频微波链路测量降水量的采集装置，其特征是，还包括有发送端记录仪、接收端记录仪。

4.一种基于权利要求1或2所述的用于双频、多频微波链路测量降水量的采集装置的降水量测定方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1，确定用于测量降水量的微波链路的测量频率个数为n个，确定信号采集的个数为m个/分钟，设定发送端微波电子开关的切换频率为秒/次；

步骤2，发送端微波电子开关每间隔秒在n个测量频率间顺序切换一次发送频率，并记录发射时间、发射频率、发射功率；

步骤3，接收端微波电子开关与发送端微波电子开关保持同步，每间隔秒在n个频率间顺序切换一次对应的接收频率，并记录接收时间、接收频率、接收电平；

步骤4，比对发送端记录下的发射时间与接收端记录下的接收时间，确定时间的同步与否；如果时间一致，则为有效数据；如果时间不一致，则认为是无效数据，丢弃数据，同时进行发送端与接收端的时间同步调整；

步骤5，针对步骤4中认为是有效数据的部分，进一步比对发送端记录下的发射频率与接收端记录下的接收频率，如果频率一致，则认为数据有效；如果频率不一致，则丢弃数据，同时进行发送端与接收端的频率同步调整；

步骤6，将通过步骤5后仍认为是有效数据的部分作为计算样本，利用发射功率、接收电平，按照多频微波链路测量降水的算法计算该路径上的平均降水量。

5.一种基于权利要求3所述的用于双频、多频微波链路测量降水量的采集装置的降水量测定方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1，确定用于测量降水量的微波链路的测量频率个数为n个，确定信号采集的个数为m个/分钟，设定发送端微波电子开关的切换频率为秒/次；

步骤2，发送端微波电子开关每间隔秒在n个测量频率间顺序切换一次发送频率，并记录发射时间、发射频率、发射功率；

步骤3，接收端微波电子开关与发送端微波电子开关保持同步，每间隔秒在n个频率间顺序切换一次对应的接收频率，并记录接收时间、接收频率、接收电平；

步骤4，比对发送端记录下的发射时间与接收端记录下的接收时间，确定时间的同步与否；如果时间一致，则为有效数据；如果时间不一致，则认为是无效数据，丢弃数据，同时进行发送端与接收端的时间同步调整；

步骤5，针对步骤4中认为是有效数据的部分，进一步比对发送端记录下的发射频率与接收端记录下的接收频率，如果频率一致，则认为数据有效；如果频率不一致，则丢弃数据，同时进行发送端与接收端的频率同步调整；

步骤6，将通过步骤5后仍认为是有效数据的部分作为计算样本，利用发射功率、接收电平，按照多频微波链路测量降水的算法计算该路径上的平均降水量。