CN114265128A - 一种无线电雨量监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线电雨量监测方法及系统，其系统包括依次连接的天线、雷达收发模块、混频模块、数模转换与信号处理模块。本发明采用恒虚警检测方法，降低不同环境下背景噪声的影响，降低了两部雷达之间潜在的相互干扰；利用收尾速度对降雨量进行校正，降低了雨水杂质含量的变化，对于测量结果的影响；降低了天线罩透播率和天线安装精度对测量结果的影响；降低了对硬件各个部分的稳定性、一致性要求，减少了系统校准的工作量；采用加权滑窗方式对频域信号滤波，减少了信号奇异值和频域噪声的影响。

Description

一种无线电雨量监测方法及系统

技术领域

本发明涉及气象监测技术领域，特别是涉及一种无线电雨量监测方法及系统。

背景技术

雨量探测是在各行各业的气象测量中，有着广泛的应用。对于降雨的雨量进行实时测量，在各类气象测量的设备中，具有巨大的需求。

目前用于雨量测量的设备主要分为两类：机械结构雨量测量设备和无线电雨量测量设备。

机械结构雨量测量设备以量筒式和翻斗式为主。量筒式雨量测量设备需要人工参与，无法远程获得实时降雨的数据。翻斗式雨量监测系统可以提供准实时雨量监测数据，同时实现远程无人值守；但翻斗容易被落叶等杂物遮盖、阻塞，需要频繁进行人工维护；另外翻斗式雨量设备存在作动结构件，对于震动非常敏感。

如图1所示，无线电雨量测量设备通过发射无线电波1，根据雨滴反射的无线电回波2的强度，对雨滴3的大小进行估算，累积得到雨量。由于雨滴由液体组成，其形状会随着风速的大小和方向而变化，不同地区环境下雨水含杂质的比例各不相同，上述两个因素都将影响雨滴的等效雷达反射截面积，引起回波强度的变化，影响实际测量精度。

此外，无线电雨量测量设备依赖于无线电的功率精度，其产品的外壳透波率与加工精度、天线安装位置精度、发射/接收模块一致性和稳定性，均会对最终的测量结果产生较大影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种无线电雨量监测方法及系统，更好的排除设备硬件、机械部件安装精度和外部使用环境的影响。

所述的无线电雨量监测方法包括以下步骤：

步骤1，雷达收发模块产生无线电辐射信号通过天线向外部空间进行辐射，并接收空间中被雨滴反射的无线电回波信号；

步骤2，无线电回波信号经过混频，得到回波基带信号，该基带信号携带有雨滴的特征信息；

步骤3，通过数模变换，将回波多普勒模拟信号转换为回波时域数字信号；

步骤4，对回波时域数字信号进行恒虚警检测，当回波时域数字信号中没有信号幅值超过恒虚警检测阈值时，判定当前没有降雨，输出当前降雨量为零；

步骤5，当回波时域数字信号中，有信号幅值超过恒虚警检测阈值时，判定当前时刻存在降雨，并对超出阈值部分的信号进行快速傅里叶变换，将时域信号转换为频域信号；在频域信号的正、负频域轴上，分别寻找最大值组，对正负频域轴上的最大值组进行功率加权平均计算，分别得到正、负频域轴上的功率加权平均位置；根据正、负频域轴上的功率加权平均位置和快速傅里叶变换对频域轴的定义，计算出雨滴的收尾速度；

步骤6，根据雨滴收尾速度，通过雨滴收尾速度与雨滴大小映射关系模型，计算雨滴体积的估计值；同时，根据回波时域数字信号峰峰值拟合时域信号包络，计算雨滴回波功率及其对应的雨滴体积；

步骤7，分别融合基于雨滴收尾速度的雨滴体积与基于雨滴回波功率的雨滴体积，计算当前降雨量和/或降雨强度并输出。

具体的，步骤1中所述无线电辐射信号向外部空间垂直向上进行辐射。

具体的，所述恒虚警检测的输入信号为回波时域数字信号，在内存中表现为数据流浮点数组X；恒虚警检测对数组中的每一个数值都进行比较检测，对数组X中的某一个数值X(k)检测时，k为数组X中的可检测数值的位置，为确保检测的可行性，k需要大于d+p+r；d是单边参与检测单元数量，则参与检测的单元数量是2d+1，p是检测保护单元的单边数量，r为检测参考单元数量的一半，即检测参考单元的数量是2*r；

取X(k-d-p-r)～X(k-d-p-1)与X(k+d+p+1)～X(k+d+p+r)的信号幅度数据，计算其算数平均数，再乘以门限系数a1，得到门限阈值T；取X(k-d)～X(k+d)的信号幅度数据，计算其平均值，得到目标均值V，即信号幅值；比较V值与门限阈值T：如果V值大于门限阈值T，则判定为有降水，如果V值小于门限阈值T，则判定为没有降水。

具体的，步骤5雨滴收尾速度的计算方法包括：

步骤5.1，对表示为数组Z的回波频域数字信号进行滑窗加权平均计算，s表示加权滑窗的单边长度，即滑窗的长度为2s+1；

步骤5.2，针对数组Z中的每一个Z(k)值，取出滑窗范围内的值,即Z(k-s)～Z(k+s)；为确保滑窗加权平均计算的可行性，k的取值范围为s+1～n-s，共n-2s个值，此处n表示数组Z的长度，也即快速傅里叶变换的点数；

步骤5.3，将Z(k-s)～Z(k+s)的每个值，分别乘以对应的加权数值，再将加权之后的数值求算数平均数，得到数值W(k)；n-2s个W(k)全部计算完成后，得到数组W，数组W分为两部分：W(s+1)～W(n/2+s)表示正频域信号，W(n/2+s+1)～W(n-s)表示负频域信号；查找正频域信号的最大值，得出其数组编号为k1；查找负频域信号的最大值，得出其数组编号为k2；

步骤5.4，计算雨滴收尾速度V＝Fs*C*(n+k1-k2)/(4*n*Fz)；其中，Fs为数模变换的采样频率，Fz是无线电载波频率，C表示光速。

具体的，步骤6所述雨滴收尾速度与雨滴大小映射关系模型为：

Vr＝4/3*pi*(V*V/5151.8/g)^3

其中Vr是雨滴体积的估计值，V是雨滴收尾速度，g是重力加速度，pi是圆周率。

具体的，步骤6回波时域数字信号峰峰值拟合时域信号包络的方法为：

步骤6.1，对恒虚警检测出的时域数字信号取绝对值，得到数组A；

步骤6.2，将数组A中的每一个值A(i)与其前后值A(i-1)和A(i+1)进行比较，如果A(i)大于A(i-1)且A(i)大于A(i+1),那么将当前A(i)的值输出至数组B(i),否则，将B(i)设置为零；

步骤6.3，步骤6.2最终得到的数组B由零值和非零值构成，数组B中的非零值，即为信号极大值；基于相邻两个极大值，用插值算法更新数组B中的零值，即得到回波信号的时域包络，记为数组C；

步骤6.4，根据以下公式计算回波功率对应的降雨量Vp：

其中C为信号包络数组，K为标定系数，n为数组C的长度。

具体的，步骤7的融合方法为Vol＝a*Vr+b*Vp；其中，Vol表示最终输出的降雨量，Vp表示步骤6由雨滴的回波功率计算得出的降雨量，Vr表示以雨滴收尾速度计算的雨滴体积的估计值，a和b是加权系数，取值范围均为0～1。

作为优选参数，r的取值范围为10～20；p取值范围为50～200；d取值范围为0～7；数组Z的数组长度是256或512；门限系数a1的取值范围是1.0～1.3。

步骤6.3所述插值算法可以采用线性插值、三次回归或三阶贝塞尔曲线的方法。

本发明所述的无线电雨量监测系统，包括依次连接的天线、雷达收发模块、混频模块、数模转换与信号处理模块，其特征在于，雷达收发模块内部产生特定的无线电发射信号通过天线向外部空间进行辐射，同时，雷达收发模块经天线接收雨滴反射的无线电回波，所述混频模块、数模转换与信号处理模块按照上述方法进行信号处理和计算，输出当前降雨量和/或降雨强度数值。

与目前使用的无线电雨量测量设备的功率测量方法相比，本发明的优点是：

1)采用恒虚警检测方法，降低不同环境下背景噪声的影响，降低了两部雷达之间潜在的相互干扰。

2)利用收尾速度对降雨量进行校正，降低了雨水杂质含量的变化，对于测量结果的影响；降低了天线罩透播率和天线安装精度对测量结果的影响；降低了对硬件各个部分的稳定性、一致性要求，减少了系统校准的工作量。

3)采用加权滑窗方式对频域信号滤波，减少了信号奇异值和频域噪声的影响。

附图说明

图1是无线电探测雨量原理图。

图2是无线电雨量监测信号处理流程图。

图3是恒虚警检测方法示意图。

图4是雨滴收尾速度计算方法示意图。

具体实施方式

无线电雨量监测系统的设备结构一般包括：天线、无线电收发与混频模块(包括雷达收发模块和混频模块)、数模转换与信号处理模块、电源模块以及外壳。

无线电雨量监测的基本工作原理，如图1所示，过程如下：

1.无线电雨量监测系统的雷达收发模块内部产生特定的无线电发射信号。

2.无线电发射信号通过天线向外部空间进行辐射。在本例中，采取了垂直向上辐射的方式。因为雨滴通常是从上向下降落，采取垂直向上辐射无线电信号的方式，便于获取雨滴的降落速度。

3.垂直向上辐射的无线电波在空间中与降落中的雨滴相遇。雨滴反射无线电波，产生带有雨滴速度及大小信息的无线电回波，向空间各方向辐射。

4.雨滴反射的无线电回波，有一部分垂直向下传播，经天线被无线电雨量检测设备的雷达收发模块接收。

5.被雷达收发模块接收到的无线电回波，经过无线电雨量检测设备进行信号处理，得出当前的降雨量数值。

为了保证测量精度，以下结合附图和实施例对本发明做详细说明。

如图2所示，本发明的无线电雨量监测方法的信号处理流程如下：

1.雷达收发模块的无线电发射通道产生无线电辐射信号。在本实施例中，无线电信号采用频率24GHz左右的连续波。

2.无线电发射信号经雷达天线对空间辐射。在空间与雨水相遇后，产生散射、反射，并通过天线接收。

3.雷达收发模块通过无线电接收通道，接收到空间中被雨滴反射的无线电回波信号。

4.无线电回波信号经过混频(下变频)，得到回波基带信号，该基带信号携带有雨滴的特征信息。混频是通过非线性器件将两不同频率的振荡变换成一个与两者都相关的新振荡。新振荡频率为上述两不同频率之差，振幅包络与其中之一一致。在接收机中，如果经过混频后得到的中频信号比原始信号低，则称为下变频。下变频的目的是为了降低信号的载波频率或是直接去除载波频率得到基带信号。

5.通过数模变换，将回波多普勒模拟信号转换为回波时域数字信号。

6.对回波时域数字信号进行恒虚警(CFAR)检测。

7.当回波时域数字信号中，没有信号幅值超过恒虚警检测阈值时，判定当前没有降雨，输出当前降雨量为零。

8.当回波时域数字信号中，有信号幅值超过恒虚警检测阈值时，判定当前时刻存在降雨，并对超出阈值部分的信号进行快速傅里叶变换，将时域信号转换为频域信号。在频域信号的正负频域轴上，分别寻找最大值组，对正负频域轴上的最大值组进行功率加权平均计算，分别得到正负频域轴上的功率加权平均位置。根据正负频域轴上的功率加权平均位置和快速傅里叶变换对频域轴的定义，可计算得出雨滴的收尾速度。

9.根据雨滴收尾速度，通过雨滴收尾速度与雨滴大小映射关系模型，计算得到雨滴体积的估计值。该关系模型即雨滴收尾速度与雨滴尺寸的近似关系公式，雨滴体积Vr＝4/3*pi*(V*V/5151.8/g)^3。其中Vr是雨滴体积，V是收尾速度，g是重力加速度，pi是圆周率。

10.根据回波时域数字信号峰峰值拟合时域信号包络，计算雨滴回波功率及其对应的雨滴体积。

11.分别融合步骤9和10中基于雨滴收尾速度的雨滴体积与基于雨滴回波功率的雨滴体积，计算当前降雨量和/或降雨强度。

12.输出当前降雨量和/或降雨强度。

其中，恒虚警检测方法是常用的雷达检测方法，但在雨量监测领域尚无应用先例。恒虚警检测根据系统与环境的噪声，来确定对目标回波信号进行检测的阈值，能够有效地适应噪声变化的强度，降低虚警率。恒虚警检测的基本原理如图3所示。

恒虚警检测的输入信号为图2中的回波时域数字信号，在嵌入式系统内存中，表现为数据流浮点数组X，即如图3中的数组X。数组X为数据流浮点数组，因此数组长度n是一个大数(以下描述中均以n表示当前讨论的数组的长度)。

恒虚警检测对数组中的每一个数值都进行比较检测，下面的介绍以对数组X中的某一个数值X(k)的检测为例，k为数组X中的可检测数值的位置，为确保检测的可行性，k需要大于d+p+r。其中，r为检测参考单元数量的一半(即检测参考单元的数量是2*r)，r的取值范围为10～20，本例中取值为10；p是检测保护单元的单边数量，取值范围为50～200，本例中取值为100；d是单边参与检测单元数量(即参与检测的单元数量是2d+1)，取值范围为0～7，本例中取值为1。

取X(k-d-p-r)～X(k-d-p-1)与X(k+d+p+1)～X(k+d+p+r)的信号幅度数据，计算其算数平均数，再乘以门限系数a，得到门限阈值T。a的取值范围通常是1.0～1.3,本例取值为1.1。

取X(k-d)～X(k+d)的信号幅度数据，计算其平均值，得到目标均值V。该平均值计算可以使用加权平均数或算数平均数，本例中采用的是算术平均数的计算方法。

比较V与门限阈值T：如果V值大于门限阈值T，则判定为有降水，如果V幅值小于门限阈值T，则判定为没有降水。

快速傅里叶变换是业界常用的时域信号转换为频域信号的数学方法。为满足快速傅里叶变换的蝶形运算，本实例中采用256点或512点快速傅里叶变换。

如图4所示，雨滴收尾速度计算方法的输入是回波频域数字信号，即图4中的数组Z；其输出是计算得出的雨滴的收尾速度。该方法包括以下步骤：

1.对回波频域数字信号数组Z进行滑窗加权平均计算。s表示加权滑窗的单边长度，即滑窗的长度为2s+1，s的取值范围为1～10，本例中取值为5；为确保滑窗加权平均计算的可行性，k的取值范围为s+1～n-s，共n-2s个值。此处n是数组Z的长度，也即快速傅里叶变换的点数：256或512。

2.针对每一个Z(k)值，取出滑窗范围内的值,即Z(k-s)～Z(k+s)。

3.将Z(k-s)～Z(k+s)的每个值，分别乘以对应的加权数值(本例所采用的加权数值是海明窗函数)，再将加权之后的数值求算数平均数，得到数值W(k)。

4.n-2s个k值全部计算完成后，得到数组W。

5.数组W分为两部分：W(s+1)～W(n/2+s)表示正频域信号，W(n/2+s+1)～W(n-s)表示负频域信号。

6.查找正频域信号的最大值，得出其数组编号为k1；查找负频域信号的最大值，得出其数组编号为k2。

7.计算得到雨滴收尾速度V＝Fs*C*(n+k1-k2)/(4*n*Fz)。其中，Fs为图1中数模变换的采样频率，取值范围为1000Hz到10000Hz,本例采用了5000Hz；Fz是无线电载波频率，本例中为24GHz；C为C为光速，即30万千米/秒。

上述回波时域数字信号峰峰值拟合时域信号包络的方法为：

1.对恒虚警检测出的时域数字信号(数组Y)取绝对值，得到数组A。

2.将数组A中的每一个值A(i)与其前后值A(i-1)和A(i+1)进行比较。如果A(i)大于A(i-1)且A(i)大于A(i+1),那么将A(k)的值输出至数组B(i),否则，将B(i)设置为零。

3.数组B由零值和非零值构成，数组B中的非零值，即为信号极大值。基于相零两个极大值，用插值算法更新数组B中的零值，即得到回波信号的时域包络，记为数组C。插值算法可采用线性插值、三次回归或三阶贝塞尔曲线等方法。在本实例中，采用线性插值的方法。

4.根据下面的公式，可计算得出回波信号功率强度对应的雨量：

其中C为信号包络数组，K为标定系数，由实验得到，n为数组C的长度。

最终的融合公式为Vol＝a*Vr+b*Vp。其中，a和b是加权系数，取值范围均为0～1。在本例中，a取值0.4，b取值为0.6。Vol表示最终输出的降雨量，Vp表示由雨滴的回波功率计算得出的雨滴体积，Vr表示以雨滴收尾速度计算的雨滴体积的估计值。

基于发明方法所设计的雨量监测系统，其雷达收发模块内部产生特定的无线电发射信号通过天线向外部空间进行辐射，同时，雷达收发模块经天线接收雨滴反射的无线电回波，所述混频模块、数模转换与信号处理模块按照本发明所述雨量监测方法进行信号处理和计算，输出当前降雨量和/或降雨强度数值。

本发明可以远程、实时监测降雨量和降雨强度，实现无人值守，且对设备硬件、机械部件和使用环境要求较低，几乎不需要维护。

本发明首次采用雨滴收尾速度与雨滴体积之间的线性单调函数对应关系，通过测量收尾速度来计算雨滴的体积。首次在无线电雨量监测领域，应用恒虚警时域检测方法，有效地提高了监测设备的抗干扰能力，并快速分辨有无降雨的场景，大幅度降低了在无降水场景下的信号处理量，有效降低了设备的功率。

本发明首次峰峰值拟合信号包络的方法，估算雨滴回波功率，并与降水回波功率值与首位速度进行数据融合修正，减少了测量容易受到的各种环境因素对于雨滴回波功率的干扰和对计算雨滴的体积的不良影响。

Claims (10)

1.一种无线电雨量监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，雷达收发模块产生无线电辐射信号通过天线向外部空间进行辐射，并接收空间中被雨滴反射的无线电回波信号；

步骤2，无线电回波信号经过混频，得到回波基带信号，该基带信号携带有雨滴的特征信息；

步骤3，通过数模变换，将回波多普勒模拟信号转换为回波时域数字信号；

步骤4，对回波时域数字信号进行恒虚警检测，当回波时域数字信号中没有信号幅值超过恒虚警检测阈值时，判定当前没有降雨，输出当前降雨量为零；

步骤5，当回波时域数字信号中，有信号幅值超过恒虚警检测阈值时，判定当前时刻存在降雨，并对超出阈值部分的信号进行快速傅里叶变换，将时域信号转换为频域信号；在频域信号的正、负频域轴上，分别寻找最大值组，对正负频域轴上的最大值组进行功率加权平均计算，分别得到正、负频域轴上的功率加权平均位置；根据正、负频域轴上的功率加权平均位置和快速傅里叶变换对频域轴的定义，计算出雨滴的收尾速度；

步骤6，根据雨滴收尾速度，通过雨滴收尾速度与雨滴大小映射关系模型，计算雨滴体积的估计值；同时，根据回波时域数字信号峰峰值拟合时域信号包络，计算雨滴回波功率及其对应的雨滴体积；

步骤7，分别融合基于雨滴收尾速度的雨滴体积与基于雨滴回波功率的雨滴体积，计算当前降雨量和/或降雨强度并输出。

2.根据权利要求1所述的无线电雨量监测方法，其特征在于，步骤1中所述无线电辐射信号向外部空间垂直向上进行辐射。

3.根据权利要求1所述的无线电雨量监测方法，其特征在于，所述恒虚警检测的输入信号为回波时域数字信号，在内存中表现为数据流浮点数组X；恒虚警检测对数组中的每一个数值都进行比较检测，对数组X中的某一个数值X(k)检测时，k为数组X中的可检测数值的位置，为确保检测的可行性，k需要大于d+p+r；d是单边参与检测单元数量，则参与检测的单元数量是2d+1，p是检测保护单元的单边数量，r为检测参考单元数量的一半，即检测参考单元的数量是2*r；

取X(k-d-p-r)～X(k-d-p-1)与X(k+d+p+1)～X(k+d+p+r)的信号幅度数据，计算其算数平均数，再乘以门限系数a1，得到门限阈值T；取X(k-d)～X(k+d)的信号幅度数据，计算其平均值，得到目标均值V，即信号幅值；比较V值与门限阈值T：如果V值大于门限阈值T，则判定为有降水，如果V值小于门限阈值T，则判定为没有降水。

4.根据权利要求3所述的无线电雨量监测方法，其特征在于，步骤5雨滴收尾速度的计算方法包括：

步骤5.1，对表示为数组Z的回波频域数字信号进行滑窗加权平均计算，s表示加权滑窗的单边长度，即滑窗的长度为2s+1；

步骤5.2，针对数组Z中的每一个Z(k)值，取出滑窗范围内的值,即Z(k-s)～Z(k+s)；为确保滑窗加权平均计算的可行性，k的取值范围为s+1～n-s，共n-2s个值，n表示数组Z的长度，也即快速傅里叶变换的点数；

步骤5.3，将Z(k-s)～Z(k+s)的每个值，分别乘以对应的加权数值，再将加权之后的数值求算数平均数，得到数值W(k)；n-2s个W(k)全部计算完成后，得到数组W，数组W分为两部分：W(s+1)～W(n/2+s)表示正频域信号，W(n/2+s+1)～W(n-s)表示负频域信号；查找正频域信号的最大值，得出其数组编号为k1；查找负频域信号的最大值，得出其数组编号为k2；

步骤5.4，计算雨滴收尾速度V＝Fs*C*(n+k1-k2)/(4*n*Fz)；其中，Fs为数模变换的采样频率，Fz是无线电载波频率，C表示光速。

5.根据权利要求1所述的无线电雨量监测方法，其特征在于，步骤6所述雨滴收尾速度与雨滴大小映射关系模型为：

Vr＝4/3*pi*(V*V/5151.8/g)^3

其中Vr是雨滴体积的估计值，V是雨滴收尾速度，g是重力加速度，pi是圆周率。

6.根据权利要求1所述的无线电雨量监测方法，其特征在于，步骤6回波时域数字信号峰峰值拟合时域信号包络的方法为：

步骤6.1，对恒虚警检测出的时域数字信号取绝对值，得到数组A；

步骤6.2，将数组A中的每一个值A(i)与其前后值A(i-1)和A(i+1)进行比较，如果A(i)大于A(i-1)且A(i)大于A(i+1),那么将当前A(i)的值输出至数组B(i),否则，将B(i)设置为零；

步骤6.3，步骤6.2最终得到的数组B由零值和非零值构成，数组B中的非零值，即为信号极大值；基于相邻两个极大值，用插值算法更新数组B中的零值，即得到回波信号的时域包络，记为数组C；

步骤6.4，根据以下公式计算回波功率对应的降雨量Vp：

其中C为信号包络数组，K为标定系数，n为数组C的长度。

7.根据权利要求1所述的无线电雨量监测方法，其特征在于，步骤7的融合方法为Vol＝a*Vr+b*Vp；其中，Vol表示最终输出的降雨量，Vp表示步骤6由雨滴的回波功率计算得出的雨滴体积，Vr表示以雨滴收尾速度计算的雨滴体积的估计值，a和b是加权系数，取值范围均为0～1。

8.根据权利要求3所述的无线电雨量监测方法，其特征在于，r的取值范围为10～20；p取值范围为50～200；d取值范围为0～7；数组Z的数组长度是256或512；门限系数a1的取值范围是1.0～1.3。

9.根据权利要求6所述的无线电雨量监测方法，其特征在于，步骤6.3所述插值算法采用线性插值、三次回归或三阶贝塞尔曲线的方法。

10.一种无线电雨量监测系统，包括依次连接的天线、雷达收发模块、混频模块、数模转换与信号处理模块，其特征在于，雷达收发模块内部产生特定的无线电发射信号通过天线向外部空间进行辐射，同时，雷达收发模块经天线接收雨滴反射的无线电回波，所述混频模块、数模转换与信号处理模块按照权利要求1～9所述的方法进行信号处理和计算，输出当前降雨量和/或降雨强度数值。

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