CN106547036A - 一种多频段微波链路联合的区域降水测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多频段微波链路联合的区域降水测量方法，在每个微波链路发射与接收基站上加装数据采集装置，将微波发射和接收端的信号电平值RSL实时采集并发送到中心服务器；然后根据点对点微波链路计算得到每一条微波链路的路径衰减值。中心服务器以FTP文件形式存储各个基站站点发来的信号电平值RSL，并按照点对点微波链路进行匹配，基于微波链路发射与接收基站地理位置建立多频段微波链路的拓扑结构；根据拓扑结构建立二维网格，对每个网格内的链路数进行标记；本发明具有覆盖范围广、硬件成本低等优点，有助于弥补现有气象观测站网在观测分辨率和覆盖范围方面的不足。

Description

一种多频段微波链路联合的区域降水测量方法

技术领域

本发明涉及一种多频段微波链路联合的区域降水测量方法，主要用于地面气象要素的自动化探测中。

背景技术

降水的实时准确监测对于洪涝灾害预警、农业灌溉、交通运输以及数值天气预报等有着十分重要的意义。虽然目前气象观测业务中雨量计、天气雷达已经广泛布网，但是雨量计站点分布不均匀，即使在城市等站点相对密集的地区，仍难以监测到降水的精细时空变化；天气雷达可以实时监测降水及云体的运动，但是其定量降水估计的精度受到雨区衰减、有效照射深度和地物杂波等影响，难以满足降水高时空分辨率的监测需求。近年来出现了利用微波链路在传播路径上的信号衰减来反演降水强度的方法，是现有降水监测手段的一种有效补充，具有覆盖范围广、时空分辨率高、成本低、无需额外增加硬件等优点。但是现有国外研究大多利用某一种固定频段的微波链路进行降水反演，微波链路资源并没有得到充分利用。

在我国范围内，海事、电力、移动通信等现行业务中均运行有多种不同频段、不同距离和不同体制的微波链路，这些链路广泛分布在城市、山区、湖泊、流域和城际之间，多频段微波链路所经区域比单一微波链路所经区域更为广泛，比气象观测站网的空间分辨率也更为精细。因此综合利用不同领域中的多频段微波链路，将有助于充分发挥微波链路测量降水的效能，进一步提高降水监测的时空覆盖和分辨率。

发明内容

本发明的目的是：提出一种多频段微波链路联合的区域降水测量方法，基于不同领域多种频段的微波链路构建拓扑结构及二维网格，实时提取微波链路发射与接收之间信号传播的衰减信息并建立微波网格，同时利用不同频段的微波雨衰关系建立迭代算法，最终反演得到区域降水强度的分布。

为了实现上述发明目的，本发明技术方案是，一种多频段微波链路联合的区域降水测量方法，包括如下步骤：

(1)在每个微波链路发射与接收基站上加装数据采集装置，将微波发射和接收端的信号电平值RSL实时采集并发送到中心服务器；然后根据点对点微波链路计算得到每一条微波链路的路径衰减值A_A。

(2)中心服务器以FTP文件形式存储各个基站站点发来的信号电平值RSL，并按照点对点微波链路进行匹配，基于微波链路发射与接收基站地理位置建立多频段微波链路的拓扑结构；

(3)根据拓扑结构建立二维网格，将目标的区域划分M×N的二维网格，每一个网格内有可能经过1条或数条微波链路，也有可能没有链路经过；对每个网格内的链路数进行标记；

(4)根据匹配结果，计算每一对微波链路发射和接收之间的链路总衰减A_A，并扣除路径损耗、气体吸收等非降水因素导致的衰减A_path，计算每条链路上的雨致微波衰减A_rain＝A_A-A_path；计算所有微波传播过程中的路径损耗、气体吸收等非降水因素导致的衰减A_path：

A_path＝A_o+A_w

其中，A_o为干燥空气的特征衰减，A_w为水汽的特征衰减。然后在总衰减值上扣除该因素，得到有效雨致微波衰减值A_rain＝A_A-A_path。

(5)根据微波雨衰的幂律关系，将所有微波链路的雨致衰减与链路频率、链路长度、链路平均雨强、雨衰幂律参数建立以下关系：

其中，i＝1,2,…n(n条微波链路)，A_i为第i条微波链路的总衰减，R_i为第i条链路的路径平均雨强，d_i为第i条链路的长度，a_i、b_i第i条链路的雨衰转换常数，与链路频率有关；

(6)将微波链路的总衰减表示为链路L_i在各网格内衰减的总和：

采用泰勒展开的方法对非线性方程进行线性化处理，得到微波链路衰减网格的稀疏矩阵得到微波链路衰减网格的稀疏矩阵其中，为投影矩阵，r(t)为降雨强度矩阵，Q(t)为观测矩阵；

(7)采用但不限于代数重建技术(Algebraic Reconstruction Techniques，ART)对稀疏矩阵进行迭代求解，首先假设任意初始场，然后利用计算值与投影实测值相比较，并以计算值与实测值之差作为修正因子，不断重复比较-修正的过程直到计算值与实测值相同或误差达到允许的范围，从而得到重建降雨场。具体过程为：

第i条射线对各自的K_j的值修正完以后，再用第(i+1)条射线对各K_j值进行修正，如比重复，直到最后一条射线，即完成了第一轮迭代；再从第i条射线开始，对K_j值进行修正，到最后一条射线，即可完成第二轮迭代。如此重复循环，直到各K_j的值达到收敛要求为止。第q轮迭代时第i条射线对第j个格点的向量估计计算为则第i条射线的理论投影数据为

其中，a_ij是第i条射线穿过第j个网格的长度。对下一条射线(i+1)，如果它通过格点j，则对格点向量作如下修改：

其中，μ为弛豫参数，0<μ≤1，用于增加计算的稳定性。

在微波链路的发射与接收基站上加装信号采集装置，将RSL以1sec的时间分辨率采集并传输到中心服务器；

基于不规则拓扑结构的二维网格分辨率可以根据微波链路分布进行自动调整，分辨率从500m～5km不等；

在计算有效雨致微波衰减时，采用但不限于经验公式和晴雨信号差分方法，实现对干燥空气和水汽等非降水因素衰减的有效排除；

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：利用不同领域的多频段微波链路对区域降水分布进行测量，充分挖掘已有微波链路资源在气象探测中的应用。采用代数重建技术(ART)等方法对非线性稀疏矩阵的迭代求解，通过解决反演中的不适定问题来提高区域降水的反演精度。通过计算所有微波传播过程中的路径损耗、气体吸收多频段微波链路联合的区域降水测量方法，利用海事、电力、移动通信等不同领域多种频段的微波链路构建拓扑结构及二维网格，实时提取微波链路发射与接收之间信号传播的衰减信息并建立基于微波网格的稀疏矩阵，针对不同频段的微波雨衰关系，采用代数重建技术等方法对非线性稀疏矩阵进行迭代求解，最终反演得到区域降水强度的分布。该方法充分挖掘已有微波链路资源在气象探测中的应用。

只要有微波链路覆盖的区域，就可以实时获取降水资料，具有覆盖范围广、硬件成本低等优点，弥补了现有气象观测站网在观测分辨率和覆盖范围方面的不足，可以作为现有业务降水观测的一种补充手段。

附图说明

图1是本发明的多频段微波链路联合测量区域降水的工作示意图；

图2是多频段微波链路的拓扑结构及二维网格；

图3是以代数重建技术(ART)方法为例，进行多频微波链路的区域降水反演流程。

具体实施方式

本发明的一种多频段微波链路联合的区域降水测量方法，主要包括如下步骤：

步骤1：获取各微波链路的衰减信息。在发射与接收基站上加装数据采集装置，将微波发射和接收端的信号电平值RSL实时采集并发送到中心服务器，然后根据点对点微波链路计算得到每一条微波链路的路径衰减值A_A。

步骤2：基于拓扑结构建立二维网格。分别根据微波链路基站的地理位置，建立多频段微波链路的拓扑结构，基于此将目标区域划分M×N的二维网格，每一个网格内有可能经过1条或数条链路，也有可能没有链路经过，对每个网格内的链路数进行标记。

步骤3：有效雨致微波衰减的计算。计算微波传播过程中的路径损耗、气体吸收等非降水因素导致的衰减A_path：

A_path＝A_o+A_w

其中，A_o为干燥空气的特征衰减，A_w为水汽的特征衰减。然后在总衰减值上扣除该因素，得到有效雨致微波衰减值A_rain＝A_A-A_path。

步骤4：建立多频段微波的雨衰关系。根据微波雨衰的幂律关系，将路径衰减与链路频率、链路长度、链路平均雨强、雨衰幂律参数建立以下关系：

其中，i＝1,2,…n(n条微波链路)，A_i为第i条微波链路的总衰减，R_i为第i条链路的路径平均雨强，d_i为第i条链路的长度，a_i、b_i第i条链路的雨衰转换常数，与链路频率有关。

步骤5：基于层析技术开展区域降水强度的反演，具体包括：

1)将微波链路的总衰减表示为链路L_i在各网格内衰减的总和：

采用泰勒展开的方法对非线性方程进行线性化处理，得到微波链路衰减网格的稀疏矩阵其中，为投影矩阵，r(t)为降雨强度矩阵，Q(t)为观测矩阵；

2)对向量r进行初始化，采用但不限于反投影法(Back Projection Technique，BPT)或随机赋值方法，给出t＝0时刻的初始值r(t)；

3)设定终止迭代的条件(误差ε)；

4)根据方程和计算和Q(t)；

5)通过方程估计r(t)，采用但不限于代数重建技术(AlgebraicReconstruction Techniques，ART)进行迭代求解。第q轮迭代时第i条射线对第j个格点的向量估计计算为则第i条射线的理论投影数据为：

其中，a_ij是第i条射线穿过第j个网格的长度。对下一条射线(i+1)，如果它通过格点j，则对格点向量作如下修改：

其中，μ为弛豫参数，0<μ≤1，用于增加计算的稳定性。

6)计算误差||r(t)-r(t-1)||，当误差不满足终止迭代条件时，重复4-6)过程；

7)当误差满足终止迭代条件||r(t)-r(t-1)||＜ε时，结束迭代，输出迭代结果。

虽然上述说明描述了完整的实施例，包括多频段微波链路信号的获取、基于稀疏矩阵的非线性方程求解、基于层析技术的降水反演等，但并不限于上述举例。本领域的技术人员，在本发明的实质范围做出的变型、修改或替换，都应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种多频段微波链路联合的区域降水测量方法，其特征是包括如下步骤：

1)在每个微波链路发射与接收基站上加装数据采集装置，将微波发射和接收端的信号电平值RSL实时采集并发送到中心服务器；然后根据点对点微波链路计算得到每一条微波链路的路径衰减值A_A。

2)中心服务器以FTP文件形式存储各个基站站点发来的信号电平值RSL，并按照点对点微波链路进行匹配，基于微波链路发射与接收基站地理位置建立多频段微波链路的拓扑结构；

3)根据拓扑结构建立二维网格，将目标的区域划分M×N的二维网格，每一个网格内有可能经过1条或数条微波链路，也有可能没有链路经过；对每个网格内的链路数进行标记；

4)根据匹配结果，计算每一对微波链路发射和接收之间的链路总衰减A_A，并扣除路径损耗、气体吸收等非降水因素导致的衰减A_path，计算每条链路上的雨致微波衰减A_rain＝A_A-A_path；计算所有微波传播过程中的路径损耗、气体吸收等非降水因素导致的衰减A_path：

A_path＝A_o+A_w

其中，A_o为干燥空气的特征衰减，A_w为水汽的特征衰减。然后在总衰减值上扣除该因素，得到有效雨致微波衰减值A_rain＝A_A-A_path。

5)根据微波雨衰的幂律关系，将所有微波链路的雨致衰减与链路频率、链路长度、链路平均雨强、雨衰幂律参数建立以下关系：

其中，i＝1,2,…n(n条微波链路)，A_i为第i条微波链路的总衰减，R_i为第i条链路的路径平均雨强，d_i为第i条链路的长度，a_i、b_i第i条链路的雨衰转换常数，与链路频率有关；

6)将微波链路的总衰减表示为链路L_i在各网格内衰减的总和：

采用泰勒展开的方法对非线性方程进行线性化处理，得到微波链路衰减网格的稀疏矩阵得到微波链路衰减网格的稀疏矩阵其中，为投影矩阵，r(t)为降雨强度矩阵，Q(t)为观测矩阵；

7)采用代数重建技术(Algebraic Reconstruction Techniques，ART)对稀疏矩阵进行迭代求解，首先假设任意初始场，然后利用计算值与投影实测值相比较，并以计算值与实测值之差作为修正因子，不断重复比较-修正的过程直到计算值与实测值相同或误差达到允许的范围，从而得到重建降雨场。具体过程为：

第i条射线对各自的K_j的值修正完以后，再用第(i+1)条射线对各K_j值进行修正，如比重复，直到最后一条射线，即完成了第一轮迭代；再从第i条射线开始，对K_j值进行修正，到最后一条射线，即可完成第二轮迭代。如此重复循环，直到各K_j的值达到收敛要求为止。第q轮迭代时第i条射线对第j个格点的向量估计计算为则第i条射线的理论投影数据为

其中，a_ij是第i条射线穿过第j个网格的长度。对下一条射线(i+1)，如果它通过格点j，则对格点向量作如下修改：

其中，μ为弛豫参数，0<μ≤1，用于增加计算的稳定性。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在微波链路的发射与接收基站上加装信号采集装置，将RSL以1sec的时间分辨率采集并传输到中心服务器。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：基于不规则拓扑结构的二维网格分辨率可以根据微波链路分布进行自动调整，分辨率从500m～5km不等。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在计算有效雨致微波衰减时，采用但不限于经验公式和晴雨信号差分方法，实现对干燥空气和水汽等非降水因素衰减的有效排除。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：区域降水强度的反演包括如下步骤：

(1)将微波链路的总衰减表示为链路L_i在各网格内衰减的总和：

采用泰勒展开的方法对非线性方程进行线性化处理，得到微波链路衰减网格的稀疏矩阵

(2)对向量r进行初始化，采用但不限于反投影法(Back Projection Technique，BPT)或随机赋值方法，给出t＝0时刻的初始值r(t)，同时设定终止迭代的条件：误差ε；

(3)根据方程和计算和Q(t)；

(4)通过方程估计r(t)，采用但不限于代数重建技术(AlgebraicReconstruction Techniques，ART)进行迭代求解；

(5)计算误差||r(t)-r(t-1)||，当误差不满足终止迭代条件时，重复4-6)过程；

(6)当误差满足终止迭代条件||r(t)-r(t-1)||＜ε时，结束迭代，输出迭代结果，最终得到微波链路覆盖范围内的实时降水场。