CN111751826B - 一种基于双极化信息的降水量测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于双极化信息的降水量测量方法及装置，该方法通过双极化雷达传感器向降水区域发射正交电磁波，接收包含双极化信息的回波信号；计算回波信号功率及降水粒子的功率谱分布，通过获取的双极化信息对降水进行分类；双极化雷达传感器在垂直或非垂直范围内指向天空时，都可计算降水强度；对降水强度进行时间积分，得到降水量。本发明减小传感器的体积，在进行降水量测量的同时利用双极化信息对降水进行分类，灵敏度和时间分辨率高，传感器不必保持垂直指向天空，抗风性能强。

Description

一种基于双极化信息的降水量测量方法及装置

技术领域

本发明属于气象探测领域，尤其涉及一种基于双极化信息的降水量测量方法及装置。

背景技术

降水观测是水文、气象监测的重要内容，对大气水循环监测、防灾减灾以及人民生产生活有重要作用，随着自动化技术应用领域的拓展，降水测量的需求从传统的气象、水文观测拓展到农业、自动驾驶、工程建造等领域。降水包括雨、雪、雹等形式，由于天气的复杂性，能够精确观测单一降水类型和混合降水类型的降水量对降水观测十分重要，常用的降水测量装置为雨量计和雪量计，雨量计多为翻斗式和虹吸式，均为机械式雨量计，雪量计多为称重式或加热式，称重式雪量计通过称量平台的重量变化测量降雪量，加热式雪量计则需要先将雪融化再测量降雪量，几种降水测量装置均存在响应时间长、维护保养不便、体积大等缺点，现有的加热式雨雪量计虽然将雨和雪的测量合二为一，但区分降水类型需要其他传感器辅助，不能精确地区分降水类型。现有机械式的降水测量装置通常需要使用漏斗形的圆筒来汇集降水，使得传感器暴露在外部环境中，极易受到灰尘、树叶、花絮等物质的影响，在维护仪器时需要频繁地对内部结构进行清理，仍难以避免仪器被污染，影响了降水测量的精度和数据的一致性。由于降水粒子在重力作用下从空中降落，传统的降水测量装置都需要垂直指向天空收集降水粒子后再测量降水量，在移动平台等非垂直指向天空的场使用会影响测量准确性。

当电磁波在大气中遇到降水粒子时会发生散射现象，其中一部分散射波返回雷达传感器方向被接收，形成回波信号。通过该回波信号，可以分析相关降水信息。但现有技术中，传统的降水测量装置需要垂直指向天空，只能适用于固定场所，应用场景受到了极大的限制。并且在降水测量领域，现有雷达天线因为抛物面反射体的存在多设计为圆锥形，大大增加了天线的体积并限制了安装环境。

综上所述，当前降水测量装置普遍存在的传感器体积大、易污染、响应时间长、降水分类能力弱、必须垂直指向天空等问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于双极化信息的降水量测量方法及装置，采用双极化雷达传感器对降水粒子进行分类及降水测量，相比单一极化的雷达，不仅可以从第二个维度对降水粒子进行量度，响应时间短、降水分类能力强，而且由于雷达传感器使用平面微带技术，体积较小。

本发明的技术方案为：

一种基于双极化信息的降水量测量方法，包括以下步骤：

1)通过双极化雷达传感器向降水区域发射正交电磁波，接收包含双极化信息的回波信号；

2)计算回波信号功率及降水粒子的功率谱分布，通过获取的双极化信息对降水进行分类；

3)当双极化雷达传感器在垂直范围内指向天空时，通过降水类别及计算得到的降水粒子功率谱分布获取降水强度；当双极化雷达传感器在非垂直范围内指向天空时，根据回波功率及回波功率-降水强度关系，计算降水强度；

4)对降水强度进行时间积分，得到降水量。

进一步地，双极化雷达传感器采用平面微带技术。

进一步地，通过双极化雷达传感器的双极化多普勒天线模块、射频低噪声放大器及中频前置放大器发射正交电磁波。

进一步地，双极化信息包括降水粒子的形状、尺寸及指向角分布情况。

进一步地，垂直范围为双极化雷达传感器指向天空方向与竖直方向的夹角小于等于5度；非垂直范围为双极化雷达传感器指向天空方向与竖直方向的夹角大于5度。

进一步地，通过对回波信号进行快速傅里叶变换，得到降水粒子的功率谱分布。

进一步地，当双极化雷达垂直指向天空时，通过以下步骤计算降水强度：

1)通过功率谱分布及多普勒效应，得到降水粒子的径向速度；

2)根据径向速度计算降水粒子的直径和体积；

3)根据降水类别、径向速度及降水粒子的直径和体积，计算降水强度。

一种基于双极化信息的降水量测量装置，包括：

1)双极化雷达传感器，用以发射正交电磁波，接收包含双极化信息的回波信号；

2)信号处理器，用以获取回波信号中的双极化信息，计算回波信号功率及降水粒子的功率谱分布；

3)数据处理器，用以通过双极化信息对降水进行分类，当双极化雷达传感器垂直指向天空时，通过功率谱分布及降水类别计算降水强度，当双极化雷达传感器非垂直指向天空时，根据回波功率及通过样本数据得到的回波功率-降水强度关系，计算降水强度，对降水强度进行时间积分，得到降水量。

进一步地，当数据处理器不在本地时，还包括一通信模块，用以将双极化信息、回波信号功率及降水粒子的功率谱分布发送至数据处理器。

进一步地，还包括一保护罩，用以包裹双极化雷达传感器、信号处理器及通信模块。

进一步地，保护罩的材质包括聚碳酸酯。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

1)减小传感器的体积，在进行降水量测量的同时利用双极化信息对降水进行分类，灵敏度和时间分辨率高；

2)传感器不必保持垂直指向天空，拓宽了降水测量装置的应用场景，可以在汽车、轮船等移动平台上使用，也可以安装在控制智能窗户的垂直墙面上，解决了传统降水测量装置需要垂直指向天空的问题；

3)一体化的传感器在封装后和外界没有直接接触，测量过程没有机械动作，易于维护保养；

4)扁平的平面微带天线使得天线能够被隐藏安装在汽车车体、窗框等对美观要求较高的地方，具有更强的抗风性能。

附图说明

图1为降水测量装置结构示意图；

具体实施方式

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

本发明的基于双极化信息的降水量测量方法，包括：

1、电磁波的发射与接收

本发明使用一个雷达传感器发射与接收电磁波，雷达传感器可以垂直指向天空，也可以指向任意方向。

雷达传感器包括双极化多普勒天线模块、射频低噪声放大器和中频前置放大器，能够发射一束能量集中的正交电磁波向空间传播，电磁波经降水粒子散射后作为回波信号向天线方向传播，由雷达传感器接收并传输至信号处理器。

双极化雷达传感器能够收发的正交电磁波信号，通过在两个方向上对降水粒子进行度量，估算出降水粒子的形状、尺寸及指向角的分布情况等双极化信息，从而实现对降水的识别和分类，有利于通过不同类型的降水粒子与速度的关系更准确地计算降水量。

2、信号处理

1)计算回波信号的回波功率Z；

2)获取回波信号中的双极化信息；

3)将回波信号进行快速傅里叶变换等处理后，得到降水粒子的功率谱分布。

3、数据分析

数据处理系统包含了降水量计算软件和控制软件，系统接收来自信号处理器的回波功率Z、双极化信息及功率谱分布后，利用双极化信息对降水进行分类(“What is Dual-Polarization Radar and What Can It Do For Me”，National Weather ServiceLouisville，KY)。当天线在垂直范围内(与垂直方向的夹角小于等于5度)指向天空时，基于多普勒效应，由功率谱分布和降水粒子径向速度的关系计算出降水粒子的径向速度；由于降水粒子的直径和径向速度之间存在正相关性，可以由所测量的速度来推论出降水粒子的直径和体积；再根据不同类型降水粒子的径向速度和直径及体积的相关性来确定降水强度，经过时间积分得到降水量。当天线非垂直范围内(与垂直方向的夹角大于5度)指向天空时，利用现有的回波功率Z和降水强度R的Z-R关系确定降水强度，经过时间积分得到降水量。

本发明采取的技术方案所述的雷达传感器采用平面微带技术，能够减少传感器的体积。

本发明采取的技术方案还包括保护罩，用于保护装置裸露在外的部分免受外部环境的污染，保护罩的材质应有利于电磁波信号的传播。

根据一种拓展方案，所述测量降水装置可以增加本地电源和通信模块，本地电源为雷达传感器、信号处理器和通信模块供电，通信模块将信号处理器的输出数据通过无线电通讯的方式传输至数据处理系统，实现装置的远端控制和数据传输处理。

本发明采取的技术方案中，雷达传感器可以垂直指向天空，也可以指向其他方向，当雷达传感器垂直指向天空时，由功率谱计算降水粒子的速度，根据不同类型降水粒子的速度和大小的相关性得到降水强度，通过时间积分计算降水量并转换为降水产品；当传感器非垂直指向天空时，利用现有的回波功率与降水强度的Z-R关系确定降水强度，经过时间积分得到降水量。

本发明的基于双极化信息的降水量测量装置，包括雷达传感器、信号处理器、电源、通信模块、保护罩和数据处理系统：

1)雷达传感器：包括双极化多普勒天线模块、射频低噪声放大器和中频前置放大器，雷达的传感器采用平面微带技术，能够发射一束能量集中的正交电磁波向空间传播，电磁波经降水粒子散射后作为回波信号向天线方向传播，由雷达传感器接收并传输至信号处理器，传感器垂直指向天空。

2)信号处理器：包括一片集成了雷达信号处理算法的DSP芯片，将雷达传感器接收到的回波信号进行快速傅里叶变换等处理后，通过通信模块向数据处理系统输出降水粒子的功率谱分布。

3)电源：为雷达传感器、信号处理器和通信模块供电。

4)通信模块：将信号处理器的输出数据通过无线电通讯的方式传输至数据处理系统，实现装置的远端控制和数据传输处理。

5)保护罩：材质为聚碳酸酯，包裹在雷达传感器、信号处理器、电源和通信模块外部，用于保护装置免受外部环境的污染。

6)数据处理系统：包含了降水量计算软件和控制软件，系统接收来自信号处理器的功率谱，根据双极化信息对降水进行分类，由功率谱和降水粒子速度的关系计算出降水粒子的径向速度，再根据不同类型降水粒子的速度和大小的相关性来确定降水强度，经过时间积分得到降水量。根据预设的时间间隔，如1秒、1分钟、2分钟、10分钟等，得到每单位间隔时间的降水量数据。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。显然，本领域的普通技术人员可以对本发明的示例进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和原则。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本包括发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (8)

1.一种基于双极化信息的降水量测量方法，包括以下步骤：

1)通过双极化雷达传感器向降水区域发射正交电磁波，接收包含双极化信息的回波信号；

2)计算回波信号功率及降水粒子的功率谱分布，通过获取的双极化信息对降水进行分类；

3)当双极化雷达传感器在垂直范围内指向天空时，通过降水类别及计算得到的降水粒子功率谱分布获取降水强度；当双极化雷达传感器在非垂直范围内指向天空时，根据回波功率及回波功率-降水强度关系，计算降水强度；

4)对降水强度进行时间积分，得到降水量；

其中，双极化雷达传感器采用平面微带技术；当双极化雷达在垂直范围内指向天空时，通过以下步骤获取降水强度：

1)通过降水粒子功率谱分布及多普勒效应，得到降水粒子的径向速度；

2)根据径向速度计算降水粒子的直径和体积；

3)根据降水类别、径向速度及降水粒子的直径和体积，计算降水强度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过双极化雷达传感器的双极化多普勒天线模块、射频低噪声放大器及中频前置放大器发射正交电磁波。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，双极化信息包括降水粒子的形状、尺寸及指向角分布情况。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，垂直范围为双极化雷达传感器指向天空方向与竖直方向的夹角小于等于5度；非垂直范围为双极化雷达传感器指向天空方向与竖直方向的夹角大于5度。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过对回波信号进行快速傅里叶变换，得到降水粒子功率谱分布。

6.一种基于双极化信息的降水量测量装置，包括：

1)双极化雷达传感器，用以发射正交电磁波，接收包含双极化信息的回波信号；

2)信号处理器，用以获取回波信号中的双极化信息，计算回波信号功率及降水粒子的功率谱分布；

3)数据处理器，用以通过双极化信息对降水进行分类，当双极化雷达传感器垂直指向天空时，通过功率谱分布及降水类别计算降水强度，当双极化雷达传感器非垂直指向天空时，根据回波功率及通过样本数据得到的回波功率-降水强度关系，计算降水强度，对降水强度进行时间积分，得到降水量；

其中，双极化雷达传感器采用平面微带技术；当双极化雷达垂直指向天空时，通过以下步骤获取降水强度：

1)通过降水粒子功率谱分布及多普勒效应，得到降水粒子的径向速度；

2)根据径向速度计算降水粒子的直径和体积；

3)根据降水类别、径向速度及降水粒子的直径和体积，计算降水强度。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，当数据处理器不在本地时，还包括一通信模块，用以将双极化信息、回波信号功率及降水粒子的功率谱分布发送至数据处理器。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括一保护罩，用以包裹双极化雷达传感器、信号处理器及通信模块；保护罩的材质包括聚碳酸酯。

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