CN116184534A - 一种降雨量的测量方法及相关装置 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了一种降雨量的测量方法及相关装置，利用电磁波穿透雨区时的衰减来测量降雨量，可以准确测量降雨量的分布信息。本申请实施例方法包括：首先，通过天线发射探测信号。之后，确定探测信号在距离天线不同距离处经过反射的回波信号的能量分布。接下来，根据能量分布确定降雨区间，并确定探测信号在降雨区间内经过反射的回波信号的能量变化斜率。进而，根据能量变化斜率确定降雨区间内的降雨量。

Description

一种降雨量的测量方法及相关装置
技术领域
本申请涉及雷达天线领域，尤其涉及一种降雨量的测量方法及相关装置。
背景技术
降雨量测量对农业生产，水利防汛和自然灾害预警至关重要。现有基于雨量计的物理测量方式受到机械结构的限制，在复杂野外环境下的可靠性和灵敏度不易保障。随着电子元器件技术的发展，电子式的降雨量测量方式得到了越来越多的应用。目前主流的电子式测量技术是使用雷达作为降水传感器，利用短波长的电磁波在传播过程中与雨滴的相互作用来测量降水量。
由于实际降雨分布的不均匀性，降雨量测量还需要对降雨的区域分布进行测量和描述。然而，由于大部分的降水传感器仅能测量所在区域的局部降雨量，因此需要将多个站点的数据进行统计分析才能得到降雨的区域分布信息。对于大量山区、丘陵等复杂地貌的区域，由于建站和维护难度大，站点数量不足，准确的降雨分布测量也一直是气象和水利领域的难题。
发明内容
本申请实施例提供了一种降雨量的测量方法及相关装置。本申请利用电磁波穿透雨区时的衰减来测量降雨量，可以准确测量降雨量的分布信息。
第一方面，本申请提供了一种降雨量的测量方法。该方法包括如下步骤：首先，通过天线发射探测信号。之后，确定探测信号在距离天线不同距离处经过反射的回波信号的能量分布。接下来，根据能量分布确定降雨区间，并确定探测信号在降雨区间内经过反射的回波信号的能量变化斜率。进而，根据能量变化斜率确定降雨区间内的降雨量。
在该实施方式中，利用距离维度上的回波能量衰减特征测量降雨量。一方面，避免了现有技术直接测量雨水滴的多普勒频移时受到风速的干扰。另一方面，也避免了在测量远距离目标统计反射率时受到传输路径上近距离目标的干扰，测量准确度和空间分辨率得到了提高。因此，采用本申请提供的降雨量测量方法，在扩大测量范围的同时还能准确测量降雨量的分布信息。并且，远距离降雨区反射的回波信号都会被近距离降雨区所衰减，导致远距离降雨区反射的总能量降低，但其能量曲线的衰减斜率不会被近距离降雨区改变，因此，本申请提供的降雨量测量方法还可以更加有效地估计不均匀或不连续降雨区域的降雨量分布。
在一些可能的实施方式中，根据能量变化斜率确定降雨区间内的降雨量包括：根据能量变化斜率、雷达信号的自由空间损耗、雷达信号的频率和天线的极化方向确定降雨区间内的降雨量，雷达信号包括探测信号和回波信号。上述实施例提供了一种根据能量变化斜率测量降雨量的具体实现方式，增强了本方案的可实现性。
在一些可能的实施方式中，探测信号具有目标波束方向，目标波束方向的俯仰角的绝对值小于15°，或者，俯仰角的绝对值小于俯仰波束宽度的2倍。该实施方式采用俯仰角度较小的波束以提高探测覆盖距离。因此，在固定的公里级覆盖范围内，本申请采用的雷达天线的孔径尺寸和发射功率需求相对现有气象雷达大大减小，可使用小型化高集成度的雷达设备实现降雨测量，降低了雷达测雨站点布置的难度和成本，便于在复杂地貌的区域大量布置。
在一些可能的实施方式中，目标波束方向的俯仰角为正，可以有效减小地面反射对测量的干扰。
在一些可能的实施方式中，回波信号的能量分布为排除了被固定障碍物反射的杂波干扰的能量分布，从而可以更为准确地判定降雨区间。
在一些可能的实施方式中，确定探测信号在距离天线不同距离处经过反射的回波信号的能量分布包括：根据天线接收的回波信号确定探测信号在距离天线不同距离处经过反射的回波信号的幅度分布。进而，根据幅度分布确定能量分布。也就是说，可以先确定回波信号在距离维度上的幅度分布，再根据回波信号的幅度分布确定回波信号在距离维度上的能量分布，提高了本方案的可实现性。
在一些可能的实施方式中，探测信号来自调频连续波(Frequency ModulatedContinuous Wave，FMCW)信号源、连续波信号源或脉冲信号源，以便于扩展到更多的应用场景中使用。其中，FMCW信号源检测速度更快，结构简单，但是频率范围有限，对扫描线性度有要求。连续波信号源频率扫面范围更大，没有扫描线性度的要求，测距精度更高。脉冲信号源的结构更简单，也简化了雷达收发机的结构。
在一些可能的实施方式中，探测信号的波束方向在水平方向上的覆盖范围是360°，以便于遍历所有水平波束指向，从而得到周边所有覆盖区域的二维降雨量分布数据。
第二方面，本申请提供了一种雷达收发机。该雷达收发机包括信号源、天线控制模块、信号收发模块、能量检测模块和降雨量分析模块。信号收发模块用于将来自信号源的探测信号输出至天线。天线控制模块用于控制天线发射探测信号。信号收发模块还用于接收探测信号经过反射的回波信号。能量检测模块用于确定探测信号在距离天线不同距离处经过反射的回波信号的能量分布。降雨量分析模块用于根据能量分布确定降雨区间，并确定探测信号在降雨区间内经过反射的回波信号的能量变化斜率，再根据能量变化斜率确定降雨区间内的降雨量。
在一些可能的实施方式中，降雨量分析模块具体用于根据能量变化斜率、雷达信号的自由空间损耗、雷达信号的频率和天线的极化方向确定降雨区间内的降雨量，雷达信号包括探测信号和回波信号。
在一些可能的实施方式中，探测信号具有目标波束方向，目标波束方向的俯仰角的绝对值小于15°，或者，俯仰角的绝对值小于俯仰波束宽度的2倍。
在一些可能的实施方式中，目标波束方向的俯仰角为正。
在一些可能的实施方式中，回波信号的能量分布为排除了被固定障碍物反射的杂波干扰的能量分布。
在一些可能的实施方式中，信号源为FMCW信号源，信号收发模块包括混频器，能量检测模块包括快速傅里叶变换(fast Fourier transform，FFT)单元和功率检测单元。混频器用于对来自天线的回波信号和探测信号进行混频。FFT单元用于对混频后的信号进行傅里叶变换得到探测信号在距离天线不同距离处经过反射的回波信号的幅度分布。功率检测单元用于根据幅度分布确定能量分布。
在一些可能的实施方式中，信号源为连续波信号源，信号收发模块包括载波发射单元和混频器，能量检测模块包括解算器和功率检测单元。混频器用于对来自天线的回波信号和来自载波发射单元的载波进行混频。解算器检测混频后的信号的频率、幅度和相位，并根据混频后的信号的频率、幅度和相位确定探测信号在距离天线不同距离处经过反射的回波信号的幅度分布。功率检测单元用于根据幅度分布确定能量分布。
在一些可能的实施方式中，信号源为脉冲信号源，信号收发模块包括载波发射单元和混频器，能量检测模块包括相关器和功率检测单元。混频器用于对来自天线的回波信号和来自载波发射单元的载波进行混频。相关器用于对混频后的信号和探测信号进行相干计算以确定探测信号在距离天线不同距离处经过反射的回波信号的幅度分布。功率检测单元用于根据幅度分布确定能量分布。
在一些可能的实施方式中，雷达收发机还包括方位向扫描模块。方位向扫描模块用于向天线控制模块和降雨量分析模块输出指示信号，指示信号用于指示探测信号的水平波束方向。天线控制模块用于根据指示信号控制天线在水平方向上扫描。降雨量分析模块用于根据指示信号将降雨区间内的降雨量与水平波束方向进行匹配。
在一些可能的实施方式中，探测信号的波束方向在水平方向上的覆盖范围是360°。
第三方面，本申请提供了一种降雨量测量系统。该降雨量测量系统包括天线和如第二方面任一实施方式介绍的雷达收发机。雷达收发机和天线通过线缆连接。天线用于将来自雷达收发机的探测信号发射出去，并将探测信号经过反射的回波信号传输至雷达收发机。
本申请实施例中，利用距离维度上的回波能量衰减特征测量降雨量。一方面，避免了现有技术直接测量雨水滴的多普勒频移时受到风速的干扰。另一方面，也避免了在测量远距离目标统计反射率时受到传输路径上近距离目标的干扰，测量准确度和空间分辨率得到了提高。因此，采用本申请提供的降雨量测量方法，在扩大测量范围的同时还能准确测量降雨量的分布信息。并且，远距离降雨区反射的回波信号都会被近距离降雨区所衰减，导致远距离降雨区反射的总能量降低，但其能量曲线的衰减斜率不会被近距离降雨区改变，因此，本申请提供的降雨量测量方法还可以更加有效地估计不均匀或不连续降雨区域的降雨量分布。
附图说明
图1为本申请实施例的一种应用场景示意图；
图2为雷达测雨站点所采用的一种雷达天线的示意图；
图3为本申请实施例中降雨量测量方法的一种流程示意图；
图4为本申请中探测信号的俯仰波束方向的一种示意图；
图5为探测信号穿过降雨区间时被雨滴反射的示意图；
图6为探测信号穿过降雨区间时的回波能量示意图；
图7为本申请实施例中降雨量测量方法的另一种流程示意图；
图8为本申请实施例中降雨量测量系统的第一种结构示意图；
图9为本申请实施例中降雨量测量系统的第二种结构示意图；
图10为本申请实施例中降雨量测量系统的第三种结构示意图；
图11为本申请实施例中降雨量测量系统的第四种结构示意图。
具体实施方式
本申请实施例提供了一种降雨量的测量方法及相关装置。本申请利用电磁波穿透雨区时的衰减来测量降雨量，可以准确测量降雨量的分布信息。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
图1为本申请实施例的一种应用场景示意图。如图1所示，本申请可应用于山区或丘陵等复杂地貌区域部署雷达测雨站点的场景中，在该场景下，雷达测雨站点可以单独建站，也可以与现有的无线基站、广播电视塔等通信基础设施共用塔杆以进行部署。图2为雷达测雨站点所采用的一种雷达天线的示意图。如图2所示，雷达收发机通过天线发射探测信号，并通过天线接收探测信号的回波信号。具体地，本申请提供的雷达收发机是通过检测回波能量在距离维度上的分布特性，并利用电磁波路径衰减的特征实现复杂降雨分布环境下的降雨量测量。并且，本申请提供的天线可以使用近似水平指向的俯仰角度以提高探测覆盖距离。
下面对本申请提供的降雨量测量方法进行详细介绍。
图3为本申请实施例中降雨量测量方法的一种流程示意图。在该示例中，降雨量测量方法包括如下步骤。
301、通过天线发射探测信号。
本实施例中，可以通过雷达收发机中的信号源产生特定格式的探测信号并通过天线发射。其中，天线与雷达收发机之间通过射频线缆相连，实现探测信号的发送、回波信号的接收以及控制信号的传输。具体地，本申请可以采用多种信号源来发射探测信号，该信号源包括但不限于调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)信号源、连续波信号源和脉冲信号源。
在一些可能的实施方式中，本申请对探测信号的波束方向是有特定要求的。应理解，若波束方向的俯仰角较大，则会降低波束的覆盖范围。为此，本申请要求具有近似水平的俯仰波束方向以提高探测覆盖距离。本申请不限定波束方向的俯仰角的具体大小，作为一个示例，波束方向的俯仰角的绝对值小于15°，例如，该俯仰角可以是5或-1°等。还应理解，探测信号的波束在俯仰方向上具有一定的宽度，即俯仰波束宽度。作为另一个示例，波束方向的俯仰角的绝对值小于俯仰波束宽度的2倍。在实际应用中只要满足上述两个示例中的任一条件即可。例如，对于窄波束来说其俯仰波束宽度假设为2°，而波束方向的俯仰角为6°，该俯仰角大于俯仰波束宽度的2倍但小于15°，因此也符合要求。又例如，对于宽波束来说其俯仰波束宽度假设为10°，而波束方向的俯仰角为18°，该俯仰角大于15°但小于俯仰波束宽度的2倍，因此也符合要求。
在一些可能的实施方式中，若波束方向为水平方向或水平偏下的方向，则会有较强的能量照射到地面，从而增加地面的回波干扰。为此，本申请还可以要求在俯仰方向上波束方向为水平偏上，即探测信号的波束方向的俯仰角为正，减小地面反射对测量的干扰。
图4为本申请中探测信号的俯仰波束方向的一种示意图。如图4所示，该扇区天线可以是长弧形的抛物面天线或长条状的平板波导缝隙天线。在俯仰方向上波束方向为水平偏上，使得至少3dB波束角范围内的辐射电磁波不与地面相交，这样可以尽量减小地面反射对测量的干扰。并且，波束方向的俯仰角较小，提高了探测覆盖距离。因此，在固定的公里级覆盖范围内，本申请采用的雷达天线的孔径尺寸和发射功率需求相对现有气象雷达大大减小，可使用小型化高集成度的雷达设备实现降雨测量，降低了雷达测雨站点布置的难度和成本，便于在复杂地貌的区域大量布置。
需要说明的是，探测信号的波束方向在水平方向上的覆盖范围可以是360°，从而可以获取周围完整的雷达探测信息。具体地，该天线可以采用多种不同的结构，具体此处不做限定。例如，可以采用一个具有水平圆周扫描能力的固定单波束天线。又例如，也可以采用多个水平宽波束的扇区天线。再例如，还可以采用多个具有水平波束电调功能的相控阵天线。
302、确定回波信号在距离维度上的能量分布。
雷达收发机还将通过天线接收探测信号经过反射的回波信号，回波信号经过混频后转变为中频信号或基带信号。进而，可以将中频信号或基带信号变换为距离维度上的回波信号，并计算出完整回波信号在距离维度上的能量变化曲线。也就是说，雷达收发机可以确定探测信号在距离天线不同距离处经过反射的回波信号的能量分布。具体地，雷达收发机可以先确定回波信号在距离维度上的幅度分布，再根据回波信号的幅度分布确定回波信号在距离维度上的能量分布。
303、根据回波信号在距离维度上的能量分布确定降雨区间。
具体地，可以通过检测不同距离处反射的回波信号的功率来反映回波信号在距离维度上的能量分布。作为一个示例，P(r)表示与天线之间距离为r处反射的回波信号的功率，通过将P(r)与预设阈值T(r)进行比较以将所有P(r)＞T(r)的区间判定为降雨区。应理解，阈值T(r)可以根据实际需要灵活变化，具体此处不做限定。
在一些可能的实施方式中，当因为地理因素或系统因素导致探测信号会被地面或障碍物反射时，特定方位向的回波信号的功率P(r)中会存在一些固定的大功率反射点，例如P(R1)、P(R2)、P(R3)等。此时，需要将R1、R2、R3等位置从降雨区间中去除。例如，可以先根据回波信号在距离维度上的能量分布确定被固定障碍物反射的杂波，进而删除杂波的干扰后再确定降雨区间。也就是说，最终是根据排除了杂波干扰后的回波信号在距离维度上的能量分布来确定降雨区间。其中，可以通过对非降雨时间的回波信号的功率P(r)进行长时间的均值滤波得到被固定障碍物反射的杂波。
304、确定探测信号在降雨区间内经过反射的回波信号的能量变化斜率。
图5为探测信号穿过降雨区间时被雨滴反射的示意图。如图5所示，在一个均匀降雨区间内，不同距离处的反射率近似相同，但不同位置反射的回波信号在降雨区间中传播的距离是不同的。例如，图5中降雨区间内部L距离处的回波信号为a2，与降雨区间前边界处的回波信号a1相比，电磁波在降雨区间的传输距离增加了2L的长度。因此，a2的回波能量会比a1小(2L(γ+β))dB。其中β为雷达信号的自由空间损耗，它由雷达信号的频率确定。γ为雷达信号的路径雨衰，其单位为dB/km，表示雷达信号在降雨量为R mm/h的雨区中传播时，每传播1km会在自由空间传输损耗的基础上，额外产生γdB的能量损失。同理，降雨区间后边界处的回波信号a3与回波信号a2相比，回波信号a3的能量衰减也会按传输距离成比例增加。在本申请中，将上述探测信号和回波信号统称为雷达信号，探测信号和回波信号具有相同的频率。也就是说，β包括探测信号的自由空间损耗和回波信号的自由空间损耗，γ包括探测信号的路径雨衰和回波信号的路径雨衰。
图6为探测信号穿过降雨区间时的回波能量示意图。如图6所示，横坐标表示与天线之间的距离L，纵坐标表示回波信号的功率P。其中，r1和r2之间的区间为降雨区间。通过对降雨区间内回波信号的功率下降曲线进行拟合可以得到回波信号的能量变化斜率
Figure BDA0003381661270000061
需要说明的是，当探测信号穿越多个不均匀或者不连续的降雨区时，回波信号中将出现若干个具有不同斜率或不连续的反射能量曲线段。此时，可以根据回波信号的能量衰减斜率对能量衰减斜率一致的区间进行识别分割，从而完成均匀降雨区间的检测和分割。
305、根据能量变化斜率确定降雨区间内的降雨量。
电磁波在降雨区间传播时，会因为雨滴的散射和吸收导致传输损耗变大。由降雨引起的电磁波空间传输损耗被称为雨衰。电磁波的雨衰幂律模型为：γ＝k·Rα。其中，k是与探测信号的频率相关的参数，α是与天线的极化方向相关的参数。当探测信号的频率和天线的极化方向确定的基础上，k和α的取值可以唯一确定。R是传播路径上的降雨量，计算单位为mm/h。γ为电磁波的路径雨衰，其单位为dB/km。根据上述304步骤的介绍可知，回波信号的能量变化斜率v＝2(γ+β)，其中，v和β是可以确定的，那么就可以计算出γ。进而，根据上述雨衰幂律模型，在γ、k和α都确定的情况下即可计算得到降雨量R。
此外，降雨量的计算也可以利用机器学习的方式。针对同一种规格的雷达收发机，先采集其所在区域的降雨量数据和回波信号，用采集的信息训练一个机器学习的算法模型，在实际测量时，用训练好的算法模型实时分析该规格雷达收发机检测到的回波信号，直接得到降雨区间的降雨量。在一些可能的实施方式中，也可以针对不同规格的雷达收发机，先采集其所在区域的降雨量数据、回波信号、雷达信号的频率、天线极化方向、雷达信号调制模式等数据，用采集的信息训练一个通用的机器学习模型。在实际测量时，用将某种规格的雷达收发机接收的回波信号、雷达信号的频率、天线极化方向、雷达信号调制模式等数据输入到训练好的模型中，通过实时分析直接得到降雨区间的降雨量。
应理解，由于距离天线较远的降雨区反射的回波信号会再次穿越距离天线较近的降雨区，远距离降雨区反射的回波信号都会被近距离降雨区所衰减，导致远距离降雨区反射的总能量降低，但其能量曲线的衰减斜率不会被近距离降雨区改变。例如，距离天线r1和r2远处的两个点在一个孤立的均匀降雨区X内。若没有其他降雨区，在r1和r2两个距离点上测量的回波能量分别为P1和P2，此时计算r1与r2之间的能量变化斜率可得v＝(P1-P2)/(r1-r2)。若降雨区X与天线之间增加了另一个孤立的降雨区Z，降雨区Z会对穿越的探测信号和回波信号总计产生大小为D的能量衰减，则此时再计算r1与r2之间的能量变化斜率可得v’＝((P1-D)-(P2-D))/(r1-r2)＝v。因此，雷达能量曲线在远处的衰减斜率不会被近距处的雨区所改变，故远处雨区的降雨量仍然可以正确测量。因此，本申请基于回波信号的能量斜率估计降雨量的方法，与通过降雨区反射率和电磁波反射总能量估计降雨量的方法相比，可以更加有效地估计不均匀或不连续降雨区域的降雨量分布。
本申请实施例中，利用距离维度上的回波能量衰减特征测量降雨量。一方面，避免了现有技术直接测量雨水滴的多普勒频移时受到风速的干扰。另一方面，也避免了在测量远距离目标统计反射率时受到传输路径上近距离目标的干扰，测量准确度和空间分辨率得到了提高。因此，采用本申请提供的降雨量测量方法，在扩大测量范围的同时还能准确测量降雨量的分布信息。
下面结合一个具体的示例对上述的降雨量测量方法进行进一步介绍。
图7为本申请实施例中降雨量测量方法的另一种流程示意图。在该示例中，降雨量测量方法包括如下步骤。
701、调节探测信号的俯仰波束方向为水平偏上。
本申请使用俯仰波束方向为水平偏上的探测信号以减小地面反射对测量的干扰，并且波束方向的俯仰角较小以提高探测覆盖距离。关于俯仰波束方向为水平偏上的定义可以参考上述图3所示实施例中步骤301的相关描述，此处不再赘述。
702、配置探测信号的水平波束方向。
本实施例需要依次遍历天线所有可配置的水平波束方向，在每个水平波束方向上，雷达收发机进行一次或若干次探测。
703、通过天线发射探测信号，并确定回波信号在距离维度上的能量分布。
本实施例中的步骤703与上述图3所示实施例中步骤301-302类似，具体此处不再赘述。
704、根据回波信号在距离维度上的能量分布确定降雨区间和一维降雨量分布。
本实施例中的步骤704与上述图3所示实施例中步骤303-305类似，具体此处不再赘述。应理解，基于上述步骤702配置的水平波束指向，步骤704中获取的降雨量为一维降雨量分布。
705、判断所有水平波束指向是否遍历完成，若是，则执行步骤706，若否，则执行步骤702。
本实施例中，完成当前方位向的一维降雨量分布计算后，还将调节天线的水平波束指向以开始测量下一个水平方向的一维降雨量分布，即重复执行上述步骤703-704。
706、合并所有一维降雨量分布得到二维降雨量分布。
在所有水平方向的一维降雨量分布测量完成后，设备可通过合并拼接所有方向的一维分布得到测量站点周边所有覆盖区域的二维降雨量分布数据。
上面对本申请提供的降雨量测量方法进行了介绍，下面对本申请提供的降雨量测量系统进行介绍。
图8为本申请实施例中降雨量测量系统的第一种结构示意图。如图8所示，该降雨量测量系统包括雷达收发机10和天线20。雷达收发机10还包括信号源101、信号收发模块102、天线控制模块103、能量检测模块104和降雨量分析模块105。具体地，信号源101用于输出探测信号。信号收发模块102用于将来自信号源101的探测信号输出至天线20。天线控制模块103用于控制天线20发射探测信号。信号收发模块102还用于接收探测信号经过反射的回波信号。能量检测模块104用于确定回波信号在距离维度上的能量分布。降雨量分析模块105用于根据回波信号在距离维度上的能量分布确定降雨区间，并确定探测信号在所述降雨区间内经过反射的回波信号的能量变化斜率，再根据能量变化斜率确定降雨区间内的降雨量。
需要说明的是，信号源101包括但不限于FMCW信号源、连续波信号源和脉冲信号源，后面会结合具体的实施例分别进行介绍。信号收发模块102还可以包括混频器、放大器和双工器等器件，具体此处不做限定。能量检测模块104用于执行上述图3所示实施例的步骤302，降雨量分析模块105用于执行上述图3所示实施例的步骤303-305，具体可以参考图3所示实施例的相关描述，此处不再赘述。
天线控制模块103可以通过调节天线20使得探测信号的俯仰波束方向为水平偏上，关于俯仰波束方向为水平偏上的定义可以参考上述图3所示实施例中步骤301的相关描述，此处不再赘述。在一些可能的实施方式中，雷达收发机10还可以包括方位向扫描模块106，方位向扫描模块106用于向天线控制模块103和降雨量分析模块105输出指示信号，该指示信号用于指示探测信号的水平波束方向。进而，天线控制模块103可以根据该指示信号控制天线20在水平方向上扫描。并且，降雨量分析模块105可以根据指示信号将降雨区间内的降雨量与水平波束方向进行匹配，从而在天线20遍历所有水平波束指向后，可以生成全区域二维降雨量分布数据。
需要说明的是，本申请不限定天线20的具体结构。作为一个示例，天线20为6个在水平方向上环形排列的固定波束的扇区天线，以实现360°的水平方位覆盖。在雷达收发机10中可以设置一个1:6的通道选择开关，通过切换开关实现雷达收发机与不同天线之间的时分连通，从而产生不同水平方位指向的波束。单刀多置的通道选择开关的控制端口用于接收方位向扫描模块106发送的指示信号。该通道选择开关具体可以是一组微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)波导开关。作为另一个示例，具有360°水平覆盖能力的天线还可以用一个装配在水平转动的电机上的固定波束天线实现，此时，天线控制模块103可以是一个程控电机。作为又一个示例，具有360°水平覆盖能力的雷达天线还可以用3个或更多环形排列的相控阵天线组成。其中，每个相控阵天线可以产生一个俯仰指向固定，但水平指向在一定范围内可调的窄波束。此时，天线控制模块103包含两个子功能模块。一个是天线选择模块，用于选择覆盖指示方位的相控阵天线，可以由一套单刀多置的开关实现。另一个是相控波束电调模块，用于在选通的相控阵天线上产生对准指示方位的天线波束，可以由一组移相器实现。
下面提供几种采用不同信号源的具体实现方式。
图9为本申请实施例中降雨量测量系统的第二种结构示意图。如图9所示，信号源采用FMCW信号源101。信号收发模块102包括功率放大器102a、双工器102b、低噪声放大器102c和混频器102d。能量检测模块104包括快速傅里叶变换(fast Fourier transform，FFT)单元104a和功率检测单元104b。
具体地，FMCW信号源101产生的探测信号先经过功率放大器102a进行放大，之后通过双工器102b输出至天线20进行发射。其中，双工器102b用于完成双向信号的分离和收发信号隔离的功能，例如可以是一个铁氧体的微波环形器。天线20接收到的回波信号也将经过双工器102b分离后输出至低噪声放大器102c。回波信号经过低噪声放大器102c放大后，在混频器102d与FMCW信号源101输出的探测信号进行混频和低通滤波，从而得到中频回波信号。FFT单元104a对中频回波信号进行傅里叶变换后可以得到距离雷达天线不同距离处回波信号的幅度分布。功率检测单元104b随后根据回波信号的幅度分布分别计算不同距离处回波信号的能量分布，并在一段时间内对多帧回波信号的能量按距离分别积分，最终输出一个完整的距离维度上的回波能量分布信号至降雨量分析模块105。
图10为本申请实施例中降雨量测量系统的第三种结构示意图。如图10所示，信号源采用连续波信号源101。信号收发模块102包括功率放大器102a、双工器102b、低噪声放大器102c、混频器102d和载波发射单元102e。能量检测模块104包括解算器104a和功率检测单元104b。
具体地，连续波信号源101可以发送若干个不同频点的单音连续波信号，在每个方位向的测量过程中，连续波信号源周期性地遍历所有频点发送单音连续波信号。连续波信号源101产生的探测信号先经过功率放大器102a进行放大，之后通过双工器102b输出至天线20进行发射。其中，双工器102b用于完成双向信号的分离和收发信号隔离的功能，例如可以是一个铁氧体的微波环形器。天线20接收到的回波信号也将经过双工器102b分离后输出至低噪声放大器102c。回波信号经过低噪声放大器102c放大后，在混频器102d与载波发射单元102e发射的载波进行混频，得到若干个中频频点的单音回波信号。载波发射单元102e发射的载波的频率小于连续波信号源101可以发送的探测信号频点中最低的频率。解算器104a检测并记录每个遍历周期内所有单音频点回波的幅度和相位，并通过所有频点的频率、幅度和相位解算出在雷达天线不同距离处回波信号的幅度分布。解算器可以是一个使用最小二乘(LS)规则的矩阵乘法器，当频点为均匀间隔时，也可以是一个FFT单元。功率检测单元104b随后根据回波信号的幅度分布分别计算不同距离处回波信号的能量分布，并在一段时间内对多帧回波信号的能量按距离分别积分，最终输出一个完整的距离维度上的回波能量分布信号至降雨量分析模块105。
图11为本申请实施例中降雨量测量系统的第四种结构示意图。如图11所示，信号源采用脉冲信号源101。信号收发模块102包括功率放大器102a、双工器102b、低噪声放大器102c、混频器102d和载波发射单元102e。能量检测模块104包括相关器104a和功率检测单元104b。
具体地，脉冲信号源101按照固定的周期连续产生短脉冲信号，载波发射单元102e发射的载波会对短脉冲信号进行调制。调制后的探测信号先经过功率放大器102a进行放大，之后通过双工器102b输出至天线20进行发射。其中，双工器102b用于完成双向信号的分离和收发信号隔离的功能，例如可以是一个铁氧体的微波环形器。天线20接收到的回波信号也将经过双工器102b分离后输出至低噪声放大器102c。回波信号经过低噪声放大器102c放大后，在混频器102d与载波发射单元102e发射的载波进行混频，得到基带的短脉冲回波。相关器104a对来自混频器102d的短脉冲信号和来自脉冲信号源101的短脉冲信号进行滑动相关计算，输出两个信号在不同相对延迟下的相似性度量值。相关器104a输出的不同延迟时刻的相似性度量值即对应了在雷达天线不同距离处回波信号的幅度分布。功率检测单元104b随后根据回波信号的幅度分布分别计算不同距离处回波信号的能量分布，并在一段时间内对多帧回波信号的能量按距离分别积分，最终输出一个完整的距离维度上的回波能量分布信号至降雨量分析模块105。
通过对比上述提供的三种实现方式可知，FMCW信号源检测速度更快，结构简单，但是频率范围有限，对扫描线性度有要求。连续波信号源频率扫面范围更大，没有扫描线性度的要求，测距精度更高。脉冲信号源的结构更简单，也简化了雷达收发机的结构。
此外，本申请实施例还提供了一种雷达收发机，该雷达收发机可以采用上述图8至图11所提供的任一降雨量测量系统中所示的雷达收发机。
最后应说明的是：以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (18)

1.一种降雨量的测量方法，其特征在于，包括：
通过天线发射探测信号；
确定所述探测信号在距离所述天线不同距离处经过反射的回波信号的能量分布；
根据所述能量分布确定降雨区间，并确定所述探测信号在所述降雨区间内经过反射的回波信号的能量变化斜率；
根据所述能量变化斜率确定所述降雨区间内的降雨量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述能量变化斜率确定所述降雨区间内的降雨量包括：
根据所述能量变化斜率、雷达信号的自由空间损耗、所述雷达信号的频率和所述天线的极化方向确定所述降雨区间内的降雨量，所述雷达信号包括所述探测信号和所述回波信号。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述探测信号具有目标波束方向，所述目标波束方向的俯仰角的绝对值小于15°，或者，所述俯仰角的绝对值小于俯仰波束宽度的2倍。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述目标波束方向的俯仰角为正。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述回波信号的能量分布为排除了被固定障碍物反射的杂波干扰的能量分布。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述探测信号来自调频连续波FMCW信号源、连续波信号源或脉冲信号源。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述探测信号的波束方向在水平方向上的覆盖范围是360°。
8.一种雷达收发机，其特征在于，包括信号源、天线控制模块、信号收发模块、能量检测模块和降雨量分析模块；
所述信号收发模块用于将来自所述信号源的探测信号输出至天线；
所述天线控制模块用于控制所述天线发射所述探测信号；
所述信号收发模块还用于接收所述探测信号经过反射的回波信号；
所述能量检测模块用于确定所述探测信号在距离所述天线不同距离处经过反射的回波信号的能量分布；
所述降雨量分析模块用于根据所述能量分布确定降雨区间，并确定所述探测信号在所述降雨区间内经过反射的回波信号的能量变化斜率，再根据所述能量变化斜率确定所述降雨区间内的降雨量。
9.根据权利要求8所述的雷达收发机，其特征在于，所述降雨量分析模块具体用于根据所述能量变化斜率、雷达信号的自由空间损耗、所述雷达信号的频率和所述天线的极化方向确定所述降雨区间内的降雨量，所述雷达信号包括所述探测信号和所述回波信号。
10.根据权利要求8或9所述的雷达收发机，其特征在于，所述探测信号具有目标波束方向，所述目标波束方向的俯仰角的绝对值小于15°，或者，所述俯仰角的绝对值小于俯仰波束宽度的2倍。
11.根据权利要求10所述的雷达收发机，其特征在于，所述目标波束方向的俯仰角为正。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的雷达收发机，其特征在于，所述回波信号的能量分布为排除了被固定障碍物反射的杂波干扰的能量分布。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的雷达收发机，其特征在于，所述信号源为调频连续波FMCW信号源，所述信号收发模块包括混频器，所述能量检测模块包括快速傅里叶变换FFT单元和功率检测单元；
所述混频器用于对来自所述天线的回波信号和所述探测信号进行混频；
所述FFT单元用于对所述混频后的信号进行傅里叶变换得到所述探测信号在距离所述天线不同距离处经过反射的回波信号的幅度分布；
所述功率检测单元用于根据所述幅度分布确定所述能量分布。
14.根据权利要求8至12中任一项所述的雷达收发机，其特征在于，所述信号源为连续波信号源，所述信号收发模块包括载波发射单元和混频器，所述能量检测模块包括解算器和功率检测单元；
所述混频器用于对来自所述天线的回波信号和来自所述载波发射单元的载波进行混频；
所述解算器检测所述混频后的信号的频率、幅度和相位，并根据所述混频后的信号的频率、幅度和相位确定所述探测信号在距离所述天线不同距离处经过反射的回波信号的幅度分布；
所述功率检测单元用于根据所述幅度分布确定所述能量分布。
15.根据权利要求8至12中任一项所述的雷达收发机，其特征在于，所述信号源为脉冲信号源，所述信号收发模块包括载波发射单元和混频器，所述能量检测模块包括相关器和功率检测单元；
所述混频器用于对来自所述天线的回波信号和来自所述载波发射单元的载波进行混频；
所述相关器用于对所述混频后的信号和所述探测信号进行相干计算以确定所述探测信号在距离所述天线不同距离处经过反射的回波信号的幅度分布；
所述功率检测单元用于根据所述幅度分布确定所述能量分布。
16.根据权利要求8至15中任一项所述的雷达收发机，其特征在于，所述雷达收发机还包括方位向扫描模块；
所述方位向扫描模块用于向所述天线控制模块和所述降雨量分析模块输出指示信号，所述指示信号用于指示所述探测信号的水平波束方向；
所述天线控制模块用于根据所述指示信号控制所述天线在水平方向上扫描；
所述降雨量分析模块用于根据所述指示信号将所述降雨区间内的降雨量与所述水平波束方向进行匹配。
17.根据权利要求8至16中任一项所述的雷达收发机，其特征在于，所述探测信号的波束方向在水平方向上的覆盖范围是360°。
18.一种降雨量测量系统，其特征在于，包括如权利要求8至17中任一项所述的雷达收发机和天线，所述雷达收发机和所述天线通过线缆连接，所述天线用于将来自所述雷达收发机的探测信号发射出去，并将所述探测信号经过反射的回波信号传输至所述雷达收发机。
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