CN111474606B - 基于双频双极化微波链路的降雨与水汽综合测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双频双极化微波链路的降雨与水汽综合测量装置及方法，由双频发射机、双频接收机、双极化天线、数据采集器和数据处理终端组成。双频发射机结合双极化天线交替发射微波信号，双频接收机结合双极化天线同步接收对应频率和极化方式的微波信号，数据采集器实时采集微波信号并传入数据处理终端。首先进行晴雨期区分，晴期进行水汽信息反演，雨期进行降雨信息反演。利用确定参考基准电平值，计算降雨导致的衰减或水汽导致的衰减，并根据对应经验关系确定降雨强度或水汽密度。本发明在双频判断晴雨期的基础上，晴天进行水汽密度反演，雨天进行降雨强度反演。更为重要的是，充分发挥微波链路衰减效应获取大气信息的效益。

Description

基于双频双极化微波链路的降雨与水汽综合测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于双频双极化微波链路的降雨与水汽综合测量装置与方法，其属于气象信息自动化观测领域，更为具体的说是涉及利用降雨和水汽对微波链路信号的衰减作用反演降雨和水汽信息。

背景技术

降水现象是对流层中最活跃的天气现象，降水的准确监测对生产生活、微波通信、航空飞行等都具有重要意义。现有的降水测量手段主要有雨量计、测雨雷达和测雨卫星。雨量计为单点测量，空间代表性差；测雨雷达易受杂波干扰，难以获取准确的近地面降水信息；测雨卫星时空分辨率低，难以满足短时预报要求。

水汽是最重要的温室气体，水汽循环是地气系统热量传递的主要方式。水汽在中尺度上具有高度可变性，同时水汽含量的精确获取是大气模型能准确进行天气预报的前提条件。传统的水汽含量测量方法主要有地面气象站、探空气球以及卫星系统。地面气象站的局地观测难以代表区域特征。探空气球每天2-4次释放获取信息十分有限。卫星难以获得精确的近地面水汽信息。

近年来发展的微波链路降水监测技术具有数据来源广、结果反应真实地面降水以及高时空分辨率等优势，在降雨期内根据雨衰关系可以获得连续的路径平均降水信息。然而在时间更长的无雨期，微波链路衰减信号很少被用于气象要素观测。因此，需要构建一种装置和方法来在有雨期进行降水观测的基础上，也能用于在无雨期进行如水汽等气象要素的观测。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于双频双极化微波链路的降雨与水汽综合测量装置及方法，在双频判断晴雨期的基础上，晴天进行水汽密度反演，雨天进行降雨强度反演。更为重要的是，充分发挥微波链路衰减效应获取大气信息的效益。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于双频双极化微波链路的降雨与水汽综合测量装置，包括双频发射机、双频接收机、双极化天线、数据采集器和数据处理终端，其中：

双频发射机以频段一和频段二发射频综信号源，经过倍频器、带通滤波器和功率放大器，经由双极化天线将频段一和频段二极化为第一频段一和第二频段二的双极化微波信号，同时通过双极化天线交替发射第一频段一和第二频段二的双极化微波信号，双频接收机结合第一频段一和第二频段二的双极化微波信号，经过低噪音放大器、带通滤波器、混频器以及中频处理模块同步接收第一频段一和第二频段二的双极化微波信号。数据采集器实时采集第一频段一和第二频段二的双极化微波信号并传入数据处理终端，数据处理终端实现对降雨和水汽信息的反演。

优选的：双极化天线同时发射或接收水平或垂直极化的微波信号。

优选的：数据处理终端根据历史晴雨期电平信号概率分别确定降雨电平阈值，利用第一频段一和第二频段二的双极化微波信号的衰减信息进行晴雨期区分，晴期利用第二频段二的双极化微波信号的微波衰减进行水汽反演，雨期利用第一频段一的双极化微波信号的微波衰减进行降雨反演。

优选的：利用过去一段时间的最大电平值确定参考基准电平值，获得的降雨导致衰减或水汽导致衰减，并根据对应经验关系确定降雨强度或水汽密度。

优选的：频段一为9GHz，频段二为11GHz，第一频段一为18GHz，第二频段二为22GHz。

一种基于双频双极化微波链路的降雨与水汽综合测量方法，双频发射机结合双极化天线交替发射18GHz/22GHz双频、水平/垂直双极化的微波信号，双频接收机结合双极化天线同步接收对应频率和极化方式的微波信号，数据采集器实时采集微波信号并传入数据处理终端。数据处理终端首先进行晴雨期区分，晴期进行水汽信息反演，雨期进行降雨信息反演。利用确定参考基准电平值，计算降雨导致的衰减或水汽导致的衰减，并根据对应经验关系确定降雨强度或水汽密度，具体包括以下步骤：

步骤一：通过双频接收机交替接收第一频段一和第二频段二的双极化微波信号，分别得到极化方式为水平h和垂直v的实时电平值信息。

步骤二：将步骤一得到的实时电平值信息传至数据处理终端。

步骤三：根据实时传回数据以及历史数据库，数据处理终端反演降雨强度和水汽密度：

(1)晴雨期区分：

根据历史记录的晴期和雨期的电平值分布，选择其相交处的电平值作为晴雨期区分阈值，

(2)电平信号参考基准值的确定：

在晴天状况下反演水汽含量，取过去一段时间内历史数据库中第二频段二链路最大接收电平值A_v,ref为水汽参考基值。在雨天状况下反演降雨强度，取过去一段时间内历史数据库中第一频段一链路最大接收电平值A_r,ref为降雨参考基值。

(3)降雨导致衰减和水汽导致衰减的确定：

降雨导致衰减ΔA_r,i通过降雨参考基准值A_r,ref和第一频段一链路实时电平值A_r,i确定：

ΔA_r,i＝A_r,ref-A_r,i

水汽导致衰减ΔA_v,i通过水汽参考基准值A_v,ref和第二频段二链路实时电平值A_v,i确定：

ΔA_v,i＝A_v,ref-A_v,i

其中，r表示降雨，v表示水汽，i表示时间序列。

(4)降雨强度的反演

降雨强度ΔA_r,i根据雨衰幂率关系确定：

ΔA_r,i＝αR_i ^β

其中，系数α和β的计算方法为：

式中，i表示1～5的索引，j表示1～4的索引，f表示频率，a¹ _j、b¹ _j、c¹ _j、m¹ _α、c¹ _α、a² _i、b² _i、c² _i、m² _β、c² _β是与所选择的极化方式有关的参数。

(5)水汽密度的反演

水汽密度根据如下关系确定：

A_t,i＝ΔA_v,i+A_a＝0.1820fN”

其中，A_t,i为晴天大气所造成的总衰减，ΔA_v,i表示水汽导致的衰减，A_a为干空气所造成的衰减，N”为负折射率的虚部。

优选的：负折射率的虚部N”通过典型气象条件确定。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

与现有的单频或双频微波链路测量降水方法相比，本发明将水汽吸收带设为双频微波链路其中的一个频段，兼顾降雨和水汽的测量。利用一套设备，在降雨期进行降雨强度的测量，在非降雨期进行水汽密度的测量，且获得的数据都具有反应真实近地面气象状况、高时空分辨率等特点。本发明进一步挖掘了微波链路信号在气象信息监测领域的潜力，显著提高了微波链路的应用效益，可以作为一种新的降水和水汽探测手段，用于常规气象观测业务的补充。

附图说明

图1是本发明的双频微波降雨与水汽综合测量方法的晴雨区分阈值确定示意图；

图2是本发明的双频微波降雨与水汽综合测量装置发射机内部接线图；

图3是本发明的双频微波降雨与水汽综合测量装置接收机内部接线图；

图4是本发明的双频微波降雨与水汽综合测量方法的流程图；

图5是本发明的双频微波降雨与水汽综合测量装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，一种基于双频双极化微波链路的降雨与水汽综合测量装置，包括双频发射机、双频接收机、双极化天线、数据采集器和数据处理终端，其中：

双频发射机以9GHz和10GHz发射频综信号源，经过倍频器、带通滤波器和功率放大器，经由双极化天线将9GHz和10GHz极化为18GHz和22GHz的双极化微波信号，同时通过双极化天线交替发射18GHz和22GHz的双极化微波信号，双频接收机结合18GHz和22GHz的双极化微波信号，经过低噪音放大器、带通滤波器、混频器以及中频处理模块同步接收18GHz和22GHz的双极化微波信号；数据采集器实时采集18GHz和22GHz的双极化微波信号并传入数据处理终端，数据处理终端实现对降雨和水汽信息的反演。双极化天线同时发射或接收水平或垂直极化的微波信号。数据处理终端根据历史晴雨期电平信号概率分别确定降雨电平阈值，利用18GHz和22GHz的双极化微波信号的衰减信息进行晴雨期区分，晴期利用22GHz的双极化微波信号的微波衰减进行水汽反演，雨期利用18GHz的双极化微波信号的微波衰减进行降雨反演。

根据历史晴雨期电平信号概率分别确定降雨电平阈值，利用18GHz和22GHz微波衰减信息进行晴雨期区分，晴期利用22GHz微波衰减进行水汽反演，雨期利用18GHz微波衰减进行降雨反演。

如图2所示，双频发射机以9GHz和10GHz作为频综信号源，经过倍频器、带通滤波器和功率放大器，经由双极化天线交替发射18GHz和22GHz双极化微波信号。双频发射机可交替发射不同频段的微波信号，接收机同步接收不同频段的微波信号，双极化天线同时发射或接收水平或垂直极化的微波信号。利用过去一段时间的最大电平值确定参考基准电平值，获得的降雨导致衰减或水汽导致衰减，并根据对应经验关系确定降雨强度或水汽密度。双频微波可采用但不限于18GHz和22GHz，双极化微波可采用但不限于水平极化和垂直极化。降雨信息反演所采用的微波衰减可采用但不限于18GHz。水汽信息反演所采用的微波衰减可采用但不限于22GHz水汽吸收带。降雨参考基准电平值确定方法可采用但不限于只采用过去一段雨期最大电平值。水汽参考基准电平值确定方法可采用但不限于只采用过去一定晴期最大电平值。

如图3所示，双频接收机结合双极化天线，经过低噪音放大器、带通滤波器、混频器以及中频处理模块同步接收18GHz和22GHz双极化微波信号。

数据采集器实时采集微波信号并传入数据处理终端，数据处理终端实现对降雨和水汽信息的反演。

下面以一种具体的基于双频微波链路降雨与水汽综合测量方法为例，但不限于下述方法，主要包括以下步骤：

步骤一：通过双频接收机交替接收18GHz和22GHz的微波信号，分别得到极化方式为水平(h)和垂直(v)的实时电平值信息。

步骤二：将步骤一得到的实时电平值信息传至数据处理终端。

步骤三：根据实时传回数据以及历史数据库，在数据处理终端反演降雨强度和水汽密度，流程如图5所示，具体方法如下：

(1)晴雨期区分：

根据历史记录的晴期和雨期的电平值分布，选择其相交处的电平值作为晴雨期区分的阈值。晴雨期区分的方法以此方法为例但不限于此方法。

(2)电平信号参考基准值的确定：

在晴天状况下反演水汽含量，取过去24h内历史数据库中22GHz链路最大接收电平值A_v,ref为水汽参考基值；在雨天状况下反演降雨强度，取过去15min内历史数据库中18GHz链路最大接收电平值A_r,ref为降雨参考基值。参考基准值确定以此方法为例但不限于本方法。

(3)降雨导致衰减和水汽导致衰减的确定：

降雨导致衰减ΔA_r,i通过降雨参考基准值A_r,ref和18GHz链路实时电平值A_r,i确定：

ΔA_r,i＝A_r,ref-A_r,i

水汽导致衰减ΔA_v,i通过水汽参考基准值A_v,ref和22GHz链路实时电平值A_v,i确定：

ΔA_v,i＝A_v,ref-A_v,i

其中，r表示降雨，v表示水汽，i表示时间序列。

(4)降雨强度的反演

降雨强度ΔA_r,i根据雨衰幂率关系确定：

ΔA_r,i＝αR_i ^β

其中系数α和β的计算方法为：

其中，i表示1～5的索引，j表示1～4的索引，f表示频率，a¹ _j、b¹ _j、c¹ _j、m¹ _α、c¹ _α、a² _i、b² _i、c² _i、m² _β、c² _β是与所选择的极化方式有关的参数。

降雨信息反演所采用的衰减关系可采用但不限于经验拟合的微波雨衰公式。水汽信息反演所采用的衰减关系可采用但不限于经验统计到的水汽衰减公式。

(5)水汽密度的反演

水汽密度根据如下关系确定：

A_t,i＝ΔA_v,i+A_a＝0.1820fN”

其中，A_t,i为晴天大气所造成的总衰减，ΔA_v,i表示水汽导致的衰减，A_a为干空气所造成的衰减，对于该发明所述频段，其值远小于水汽，可以忽略。N”表示负折射率的虚部，为N”(P,T,ρ_i,f)简写，其受气压P、温度T的影响较小，可用典型气象条件确定(气压1013hPa，温度15℃)。降雨强度和水汽反演方法以此方法为例但不限于本方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于双频双极化微波链路的降雨与水汽综合测量装置，其特征在于:包括双频发射机、双频接收机、双极化天线、数据采集器和数据处理终端，其中：

双频发射机以频段一和频段二发射频综信号源，经过倍频器、带通滤波器和功率放大器，经由双极化天线将频段一和频段二极化为第一频段一和第二频段二的双极化微波信号，同时通过双极化天线交替发射第一频段一和第二频段二的双极化微波信号，双频接收机结合第一频段一和第二频段二的双极化微波信号，经过低噪音放大器、带通滤波器、混频器以及中频处理模块同步接收第一频段一和第二频段二的双极化微波信号；数据采集器实时采集第一频段一和第二频段二的双极化微波信号并传入数据处理终端，数据处理终端实现对降雨和水汽信息的反演；

数据处理终端根据历史晴雨期电平信号概率分别确定降雨电平阈值，利用第一频段一和第二频段二的双极化微波信号的衰减信息进行晴雨期区分，晴期利用第二频段二的双极化微波信号的微波衰减进行水汽反演，雨期利用第一频段一的双极化微波信号的微波衰减进行降雨反演。

2.根据权利要求1所述基于双频双极化微波链路的降雨与水汽综合测量装置，其特征在于：双极化天线同时发射或接收水平或垂直极化的微波信号。

3.根据权利要求2所述基于双频双极化微波链路的降雨与水汽综合测量装置，其特征在于：利用过去一段时间的最大电平值确定参考基准电平值，获得的降雨导致衰减或水汽导致衰减，并根据对应经验关系确定降雨强度或水汽密度。

4.根据权利要求3所述基于双频双极化微波链路的降雨与水汽综合测量装置，其特征在于：频段一为9GHz，频段二为11GHz，第一频段一为18GHz，第二频段二为22GHz。

5.一种基于双频双极化微波链路的降雨与水汽综合测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过双频接收机交替接收第一频段一和第二频段二的双极化微波信号，分别得到极化方式为水平h和垂直v的实时电平值信息；

步骤二：将步骤一得到的实时电平值信息传至数据处理终端；

步骤三：根据实时传回数据以及历史数据库，数据处理终端反演降雨强度和水汽密度：

(1)晴雨期区分：

根据历史记录的晴期和雨期的电平值分布，选择其相交处的电平值作为晴雨期区分阈值，

(2)电平信号参考基准值的确定：

在晴天状况下反演水汽含量，取过去一段时间内历史数据库中第二频段二链路最大接收电平值A_v,ref为水汽参考基值；在雨天状况下反演降雨强度，取过去一段时间内历史数据库中第一频段一链路最大接收电平值A_r,ref为降雨参考基值；

(3)降雨导致衰减和水汽导致衰减的确定：

降雨导致衰减ΔA_r,i通过降雨参考基准值A_r,ref和第一频段一链路实时电平值A_r,i确定：

ΔA_r,i＝A_r,ref-A_r,i

水汽导致衰减ΔA_v,i通过水汽参考基准值A_v,ref和第二频段二链路实时电平值A_v,i确定：

ΔA_v,i＝A_v,ref-A_v,i

其中，r表示降雨，v表示水汽，i表示时间序列；

(4)降雨强度的反演

降雨强度ΔB_r,i根据雨衰幂率关系确定：

ΔB_r,i＝αR_i ^β

其中，系数α和β的计算方法为：

其中，i表示1～5的索引，j表示1～4的索引，f表示频率，a¹ _j、b¹ _j、c¹ _j、m¹ _α、c¹ _α、a² _i、b² _i、c² _i、m² _β、c² _β是与所选择的极化方式有关的参数；

(5)水汽密度的反演

水汽密度根据如下关系确定：

A_t,i＝ΔA_v,i+A_a＝0.1820fN”

其中，A_t,i为晴天大气所造成的总衰减，ΔA_v,i表示水汽导致的衰减，A_a为干空气所造成的衰减，N”为负折射率的虚部。

6.根据权利要求5所述于双频双极化微波链路的降雨与水汽综合测量方法，其特征在于：负折射率的虚部N”通过典型气象条件确定。

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