CN111311895A - 面向道路级环境感知的微波衰减信号联合变频采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种上述面向道路级环境感知的微波衰减信号联合变频采集系统，其中终端服务器设置微波发射频率和数据采集频率，将微波发射频率发送至微波发射器，将数据采集频率发送至信号采集器，使微波发射器依据微波发射频率，定时向微波链路发射电平值，信号采集器根据数据采集频率，定时采集微波链路接收的电平值，得到微波信号，根据所述微波信号生成数据采集文件，将所述数据采集文件发送至信号发射器，这样信号发射器将数据采集文件发送至终端服务器，使终端服务器可以读取数据采集文件携带的微波信号，并存储微波信号，所存储的微波信号便为需要采集的环境要素监测数据，其中获得的环境要素监测数据具有更高的准确性和可靠性。

Description

面向道路级环境感知的微波衰减信号联合变频采集系统

技术领域

本发明涉及环境监测技术领域，尤其涉及一种面向道路级环境感知的微波衰减信号联合变频采集系统。

背景技术

利用微波链路网络进行环境要素监测是近年来新兴的监测手段。该技术通过利用网络中各条链路的信号衰减过程来反演得到链路覆盖范围内的区域环境变量的变化情况，目前已成功应用于降雨、露水、浓雾、空气湿度及PM2.5等多种环境要素的监测中。与传统监测相比，该技术具有覆盖范围广、时空分辨率高等显著优势，且借助于现有的通信基础设施，大大节省了建设及运维成本；另一方面，由于微波信号的采样频率能够达到秒级，完全满足环境要素的监测需求，为环境监测提供海量的实时监测数据，因此，该技术在理论上能够为精细化环境监测提供了一种有效途径。

然而，如何有效应用高密度的微波监测网络进行精细化环境监测一直是一个难题。一方面，各环境要素所要求的监测采样频率不尽相同，相对于以空气湿度为例的长持续性环境要素而言，降雨、露水、浓雾等突发性的环境要素对监测的采样频率要求更高；且当季节改变时，长持续性环境要素的变化速度也随之变化。因此，当网络链路较为密集时，若各链路长期处在某一种采样频率下工作，势必会带来数据冗余、资源浪费或数据稀疏、精度不足的问题，成为该技术实现道路级环境监测的桎梏。另一方面，由于下垫面条件的复杂性，当微波链路网路密度增加时，复杂环境要素带来的干扰种类增多，采集资料的可靠性大大减弱；且微波链路网络监测属于间接测量的范畴，很难依赖网络自身剔除错误数据。可见传统的环境要素监测数据的采集往往存在准确性低、可靠性差的问题。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种面向道路级环境感知的微波衰减信号联合变频采集系统。

为实现本发明的目的，提供一种面向道路级环境感知的微波衰减信号联合变频采集系统，包括微波发射器、信号采集器、信号发射器和终端服务器；

所述终端服务器分别连接所述微波发射器、信号采集器和信号发射器；

所述终端服务器设置微波发射频率和数据采集频率，将微波发射频率发送至微波发射器，将数据采集频率发送至信号采集器，接收信号发射器发送的数据采集文件，读取数据采集文件携带的微波信号，并存储微波信号；

所述微波发射器依据接收的微波发射频率，定时向微波链路发射电平值；

所述信号采集器根据数据采集频率，定时采集微波链路接收的电平值，得到微波信号，根据所述微波信号生成数据采集文件，将所述数据采集文件发送至所述信号发射器；

所述信号发射器将所述数据采集文件发送至所述终端服务器。

在一个实施例中，所述终端服务器若识别到微波信号超过合理值范围，则对该条微波信号进行插值替换，以存储插值替换后的微波信号。

在一个实施例中，所述微波发射频率为38Ghz，所述数据采集频率为23Ghz。

在一个实施例中，所述信号采集器获取微波链路的链路状态信息，设置时间戳，根据所述链路状态信息、时间戳和微波信号生成数据采集文件。

在一个实施例中，上述面向道路级环境感知的微波衰减信号联合变频采集系统，还包括地面监测站，所述地面监测站连接终端服务器；

所述地面监测站获取地面监测数据，将地面监测数据发送至终端服务器，以使终端服务器检测所存储的数据的准确性。

上述面向道路级环境感知的微波衰减信号联合变频采集系统中，终端服务器可以设置微波发射频率和数据采集频率，将微波发射频率发送至微波发射器，将数据采集频率发送至信号采集器，使微波发射器依据接收的微波发射频率，定时向微波链路发射电平值，信号采集器根据数据采集频率，定时采集微波链路接收的电平值，得到微波信号，根据所述微波信号生成数据采集文件，将所述数据采集文件发送至所述信号发射器，这样信号发射器将数据采集文件发送至终端服务器，使终端服务器可以读取数据采集文件携带的微波信号，并存储微波信号，所存储的微波信号便为需要采集的环境要素监测数据，其中获得的环境要素监测数据具有更高的准确性和可靠性。

附图说明

图1是一个实施例的面向道路级环境感知的微波衰减信号联合变频采集系统结构示意图；

图2是一个实施例的面向道路级环境感知的微波衰减信号联合变频采集系统的系统架构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

参考图1所示，图1为一个实施例的面向道路级环境感知的微波衰减信号联合变频采集系统结构示意图，包括微波发射器11、信号采集器12、信号发射器13和终端服务器14；

所述终端服务器14分别连接所述微波发射器11、信号采集器12和信号发射器13，所述信号采集器12连接信号发射器13；

所述终端服务器14设置微波发射频率和数据采集频率，将微波发射频率发送至微波发射器11，将数据采集频率发送至信号采集器12，接收信号发射器13发送的数据采集文件，读取数据采集文件携带的微波信号，并存储微波信号；

所述微波发射器13依据接收的微波发射频率，定时向微波链路发射电平值；

所述信号采集器12根据数据采集频率，定时采集微波链路接收的电平值，得到微波信号，根据所述微波信号生成数据采集文件，将所述数据采集文件发送至所述信号发射器；

所述信号发射器13将所述数据采集文件发送至所述终端服务器14。

终端服务器14可以根据所采集数据的具体类型设置微波发射频率和数据采集频率，比如若所采集数据为浓雾，微波发射频率可以设置为38Ghz，所述数据采集频率可以设置为23Ghz。

上述地面监测站15可以收集环境要素的预报信息，通过网络发送到终端服务器14中的高性能计算机中存储、计算分析，终端服务器14确定适合不同环境要素的微波发射频率和数据采集频率。

上述面向道路级环境感知的微波衰减信号联合变频采集系统中，终端服务器14可以设置微波发射频率和数据采集频率，将微波发射频率发送至微波发射器11，将数据采集频率发送至信号采集器12，使微波发射器13依据接收的微波发射频率，定时向微波链路发射电平值，信号采集器12根据数据采集频率，定时采集微波链路接收的电平值，得到微波信号，根据所述微波信号生成数据采集文件，将所述数据采集文件发送至所述信号发射器，这样信号发射器13将数据采集文件发送至终端服务器14，使终端服务器14可以读取数据采集文件携带的微波信号，并存储微波信号，所存储的微波信号便为需要采集的环境要素监测数据，其中获得的环境要素监测数据具有更高的准确性和可靠性。在一个实施例中，所述终端服务器若识别到微波信号超过合理值范围，则对该条微波信号进行插值替换，以存储插值替换后的微波信号。

上述合理值范围可以依据微波信号对应的属性特征设置。

上述插值替换过程中，用来替换超过合理值范围的微波信号的数据的确定过程可以包括：利用前一次和后一次单位时间内采集到的在合理范围内的数据取平均得到。

具体地，终端服务器可以调整微波发射频率的指令发送给微波发射器，将调整数据采集频率的指令发送给数据采集器。微波发射器调整微波发射频率；数据采集器调整数据采集频率，定时采集微波链路发射和接收的电平值；数据采集器与信号发射器相连，通过信号发射器利用无线通信模块将经过数据采集器处理后的文件发射至终端服务器；同时收集地面监测站同时刻的实测数据，利用信号发射器发射至终端服务器；终端服务器根据同时刻的地面监测站数据对收到的微波信号进行检验，若超过合理值范围，则剔除该条数据并进行插值替换；终端服务器将微波信号进行存储。

进一步地，终端服务器将调整微波发射频率指令给数据采集器，数据采集器通过信号连接器与微波基站信号采集节点相连，根据终端服务器指示的时间间隔，在精确授时时钟的控制下，定时采集微波链路发射和接收信号电平值，并对采集到的信号(微波信号)电平值进行缓存和平均，以实现对相应数据的存储。

在一个实施例中，所述微波发射频率为38Ghz，所述数据采集频率为23Ghz。

由于适用于监测浓雾的微波频率最佳值为38Ghz，适用于监测空气湿度的微波频率最佳值为23Ghz，本实施例可以针对浓雾进行更为准确的采集。

在一个实施例中，所述信号采集器获取微波链路的链路状态信息，设置时间戳，根据所述链路状态信息、时间戳和微波信号生成数据采集文件。

上述链路状态信息包括基站状态、信号质量等信息。时间戳的授时方式包括但不限于GPS和北斗授时。

上述数据采集器还将链路状态信息(包括基站状态、信号质量等信息)、时间戳(授时方式包括但不限于GPS和北斗授时)连同单位时间平均信号电平值一起打包，以便于不同微波链路在同一时间点上的统一比较；终端服务器会每个链路发来的打包文件进行解包，并进行时间戳匹配；终端服务器连接的地面监测站的数据还可以包括站点的坐标及运行情况。

在一个实施例中，面向道路级环境感知的微波衰减信号联合变频采集系统，还包括地面监测站，所述地面监测站连接终端服务器；

所述地面监测站获取地面监测数据，将地面监测数据发送至终端服务器，以使终端服务器检测所存储的数据的准确性。

本实施例采用地面监测站获取地面监测数据，以对终端服务器获取的微波数据进行比较分析，以检测所存储的数据的准确性，进而提高终端服务器所获取数据的完整性。

进一步地，终端服务器与地面的地面监测站联合组网获取多种环境要素的实测数据，通过预报信息对每一个信号源的链路状态进行检查，同时对周边若干链路的数据进行相关性分析。如果终端服务器判断微波链路的发射值和接收值计算出的链路衰减值超出正常范围，并且与周边链路相关性不强，则剔除该次数据，并结合前后时刻的数据利用线性插值的方法插补本时刻数据；否则，接受微波数据，对结合地面站前后时刻数据对地面站本时刻数据进行修正。在一个示例中，地面监测站提供的降雨、露水、浓雾、空气湿度及PM2.5等多种环境要素的预测预报数据，实际工作过程中，可以根据不同的物衰模型是有对应的微波衰减值范围的，超出这个范围，就是不合理的超过合理值范围。监测的环境要素不同，合理值范围也不同，这个合理值范围需要论文试验数据得到，并输入到终端服务器中。

在一个示例中，地面监测站提供的降雨、露水、浓雾、空气湿度及PM2.5等多种环境要素的预测预报信息。各个数值区间的空气湿度、降雨、露水、浓雾都有其对应最适合的微波发射频率，就依据大量论文文献的物衰模型在终端服务器中构建一个数据库。一个区间范围内的环境要素预测预报信息，终端服务器就自动确定微波发射频率。如果需要监测空气湿度为例的长持续性环境要素，因为变化不会太大，数据采集频率就可以不那么频繁，一开始可以两到三小时采集一次数据，如果终端服务器两次采集到的数据差距超过百分之五十，终端服务器可以切换采集数据频率，改为一小时采集一次。降雨、露水、浓雾等突发性的环境要素对监测的采样频率要求更高，应当分类讨论。如果预测预报信息是没雨，终端服务器确定采集频率可以是2小时一次，如果终端服务器发现当前微波衰减值较大且当前下雨时，终端服务器加大数据采集频率，可以是几分钟采集一次数据，这可以依据需要的监测精度来调整数据采集频率。

可选地，露水和浓雾等环境要素数据采集频率切换与降雨类似。

上述面向道路级环境感知的微波衰减信号联合变频采集系统，有效解决了高密度微波环境监测网络的数据冗余、资源浪费问题，为精细化环境监测的数据获取、处理及存储提供了一种思路；其提出的面向不同环境要素的变频监测方式能够有效提高对各环境要素的监测效果，提升微波环境监测技术的精度；通过结合地面站数据有效剔除微波监测网络中的异常数据，同时，地面站数据还可以为后期数据应用时的数据融合做支撑，充分整合了社会资源。

在一个实施例中，上述面向道路级环境感知的微波衰减信号联合变频采集系统的系统架构也可以参考图2所示。其用于监测降雨、露水、浓雾、空气湿度及PM2.5等多种环境要素的道路级环境感知的微波衰减信号联合采集系统，可以包括预报信息、地面监测站、信号连接器、数据采集器、信号发射器和终端服务器。

地面监测站将各环境要素的预报信息发送到终端服务器。终端服务器根据所预报的环境要素计算确定适合的微波发射频率和数据采集频率；终端服务器将调整微波发射频率和数据采集频率指令发送给数据采集器和微波发射器；数据采集器通过信号连接器与微波基站信号采集节点相连，根据终端服务器指示的数据采集频率定时采集信号电平值；数据采集器经过缓存和统计后将单位时间的信号电平值经信号发射器发送到终端服务器；终端服务器实时接收并存储多个站点发送的信号电平值，并按时间戳进行排列和整理；终端服务器与地面站联合组网获取多种环境要素的实测数据，通过预报信息对每一个信号源的链路状态进行检查，同时对周边若干链路的数据进行相关性分析。如果终端服务器判断微波链路的发射值和接收值计算出的链路衰减值超出正常范围，并且与周边链路相关性不强，则剔除该次数据，并结合前后时刻的数据利用线性插值的方法插补本时刻数据；否则，接受微波数据，对结合地面站前后时刻数据对地面站本时刻数据进行修正；

面向道路级环境感知的微波衰减信号联合变频采集系统用于监测降雨、露水、浓雾、空气湿度及PM2.5等多种环境要素的道路级环境感知的微波衰减信号联合采集系统，具体如下：

(1)包括支持串口、光纤接口的信号连接器、信号协议、串口连接线、数据采集器、信号发射器和终端服务器；

(2)对于移动通信，分别采用网络和光纤连接线接入到其基站的网管和信令网；串口连接线用于连接基站端口或者连接信号发射器；

(3)信号协议运行于数据采集器上，主要是针对不同领域的微波基站通信协议，采用适用的查询指令来得到微波链路发射与接收电平值；

(4)数据采集器接收单位时间的信号电平值并进行平均处理，得到单位时间的信号电平值，并在文件头封装精确授时时间戳(授时方式包括但不限于GPS和北斗授时)和状态信息(包括基站状态、信号质量等信息)，以便于不同微波链路在同一时间点上的统一比较，随后将信号传输到信号发射器；

(5)信号发射器主要利用无线通信模块将信号电平值定时发送到终端服务器，依

托广泛覆盖的移动通信网络传输数据；

(6)终端服务器以高性能计算机为核心，服务器接收并存储多个站点发送的信号电平值，高性能计算机通过与地面监测站联合组网所提供的预报信息判断衰减值是否合理，在微波发射基站与接收基站的经纬度信息的基础上，再现区域微波链路组网的信号分布情况。

在进行微波链路信号采集与传输时，具体实施步骤如下：

(1)地面监测站与终端服务器联合组网，地面监测站中的计算机将各种环境要素的预报信息打包发送到终端服务器中；

(2)终端服务器针对不同的环境要素所需求的数据采集频率计算分析得出适合当前条件下的数据采集频率和微波发射频率；

(3)终端服务器将调整微波发射频率和数据采集频率的指令分别发送给微波发射器和数据采集器；

(4)在每一个微波链路发射与接收端加装信号采集装置，信号连接器与微波基站

信号采集节点相连，在信号发射器设置上传FTP的目标地址；

(5)采集装置根据指令要求的数据采集频率采集发射或接收的电平值RSL，并进行缓存，经单位时间平均后得到单位时间平均的RSL；

(6)将链路状态信息、时间戳连同单位时间平均RSL一起打包进文件；

(7)打包文件通过信号发射器实时发送到终端服务器，并进行存储；

(8)服务器将每个链路发来的打包文件进行解包，并进行时间戳匹配；

(9)终端服务器与地面站联合组网获取多种环境要素预报信息，通过预报信息对每一个信号源的链路状态进行检查，如果终端服务器判断微波链路的发射值和接收值计算出的链路衰减值超出正常范围，则剔除该次数据，重复步骤(4)-(8)；如果终端服务器判断链路衰减值正常，则存储该次数据；

(10)在多站微波链路的发射和接收端重复步骤(4)-(9)，计算得到微波链路的衰减值；

(11)结合组网微波链路基站的经纬度信息，最终得到区域微波链路的衰减分布情况；

(12)地面监测站还定时发送实测数据给终端服务器，根据实测数据与推演数据比较分析，判断推演数据是否准确。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种面向道路级环境感知的微波衰减信号联合变频采集系统，其特征在于，包括微波发射器、信号采集器、信号发射器和终端服务器；

所述终端服务器分别连接所述微波发射器、信号采集器和信号发射器；

所述终端服务器设置微波发射频率和数据采集频率，将微波发射频率发送至微波发射器，将数据采集频率发送至信号采集器，接收信号发射器发送的数据采集文件，读取数据采集文件携带的微波信号，并存储微波信号；

所述微波发射器依据接收的微波发射频率，定时向微波链路发射电平值；

所述信号采集器根据数据采集频率，定时采集微波链路接收的电平值，得到微波信号，根据所述微波信号生成数据采集文件，将所述数据采集文件发送至所述信号发射器；

所述信号发射器将所述数据采集文件发送至所述终端服务器。

2.根据权利要求1所述的面向道路级环境感知的微波衰减信号联合变频采集系统，其特征在于，所述终端服务器若识别到微波信号超过合理值范围，则对该条微波信号进行插值替换，以存储插值替换后的微波信号。

3.根据权利要求1所述的面向道路级环境感知的微波衰减信号联合变频采集系统，其特征在于，所述微波发射频率为38Ghz，所述数据采集频率为23Ghz。

4.根据权利要求1所述的面向道路级环境感知的微波衰减信号联合变频采集系统，其特征在于，所述信号采集器获取微波链路的链路状态信息，设置时间戳，根据所述链路状态信息、时间戳和微波信号生成数据采集文件。

5.根据权利要求1所述的面向道路级环境感知的微波衰减信号联合变频采集系统，其特征在于，还包括地面监测站，所述地面监测站连接终端服务器；

所述地面监测站获取地面监测数据，将地面监测数据发送至终端服务器，以使终端服务器检测所存储的数据的准确性。

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