CN1285918C

CN1285918C - 遥测降水参数的方法及高频多普勒声雷达装置

Info

Publication number: CN1285918C
Application number: CN 200410056588
Authority: CN
Inventors: 庞世瑄
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-08-11
Filing date: 2004-08-11
Publication date: 2006-11-22
Anticipated expiration: 2024-08-11
Also published as: CN1588125A

Abstract

本发明涉及一种利用高频多普勒声波法定量遥测降水的粒度分布、降水量以及其他降水参数的方法以及实现该方法的高频多普勒声雷达装置。本发明通过雷达天线发送频率不低于6kHz的高频声波脉冲，并用多个麦克风来接收返回的声波信号，通过PC机和DSP电路控制探测声波的发送，并对接收到的信号进行分析处理，同时得到降水功率谱和大气扰动功率频谱，从降水功率谱推导出降水粒度分布以及其他降水参数，并从所得到的大气扰动功率频谱推导出垂直平均风速和其他大气扰动参数，据此对垂直风的影响进行校正，以提高测量精度。

Description

遥测降水参数的方法及高频多普勒声雷达装置

技术领域

本发明涉及一种用于定量遥测各种大气降水，如雨、雪、冰雹及其混合相的粒度分布、降水量以及其他降水参数的方法，以及实现该方法的高频多普勒声雷达。本发明所述的高频多普勒声雷达装置还可用于测量沙尘暴。

背景技术

迄今为止，测量降水的记录和资料的准确度都远远不能满足要求。虽然降水粒度分布的常规测量对于天气预报、大气污染分析预报等都非常重要，但至今尚未有常规降水粒度分布测量的记录。

目前，可用于定量测雨滴粒度分布的仪器包括Joss-Waldvogel(J-W)雨滴测量器、光学雨量计(OP)以及高频微波小型多普勒雷达。前两种仪器不但价格昂贵，而且对于大雨、暴雨等气候情况测量准确度不高。这是因为它们的测量接收面积或测量接收体积很小，对于J-W雨滴测量器来说，测量接收面积约为50cm²，对于一种已知的光学雨量计来说，测量接收体积约为80cm³。而且J-W雨滴测量器和光学雨量计受风速的影响很大。此外，对于小颗粒，例如直径小于0.4mm-1.0mm的雨滴，以及对于大颗粒，例如直径大于5.2-5.75mm的雨滴(在暴雨的情况下)，已超出了J-W仪器的测量范围。

微波雷达是通过测量雨滴下降速度来实现测量目的的。根据下降速度和雨滴大小的固定关系，可以推导出雨滴的大小，从而得到雨滴的粒度分布以及其他降水参数。但由于大气中垂直风速的影响，微波雷达只能测出合成的雨滴下降速度，即雨滴的实际下降速度与垂直风速之和，因此只有用这个合成下降速度减去垂直风速才能得到实际的雨滴下降速度。如果不利用垂直风速进行校正，则所测得的降水量可能会造成100％的误差。而现有的微波雷达只能测出降水功率频谱，而无法测量垂直风的影响，从而导致测量精度较低。而且微波雷达只能测量降雨，不能在雪、冰雹和冰水混合相降水的气象情况下准确测量。

现在已有的低频多普勒声雷达一般采用发送与接收传感器合一的压电喇叭，以阵列形式排列在天线板上，例如由37个字音压电喇叭组成。在这种设计中，由于从发送到接收的转换过渡时间需要100多毫秒，限制了可靠的最低测量高度为15-20米左右。这种低频声雷达所用的频率范围为1000Hz到4500Hz，而不能用于高频(6kHz以上)，这种低频声波只能测出大气扰动功率频谱，而测不出降水功率频谱，因而只能用于测量低空风场，无法定量测量降水参数。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种方法和装置，能够在雨、雪、冰雹及其混合相等各种气象条件下遥测降水的粒度分布、降水量以及其他降水参数，并且可同时获得平均垂直风速等大气扰动参数，从而对垂直风造成的误差进行校正，提高测量精确度。

本发明的任务这样来实现：在根据本发明的方法中，通过高频多普勒声雷达天线以一定时间间隔垂直向上发出频率不低于6kHz的高频声波脉冲，在经过一段时间的延迟后，用多个声波接收传感器接收由降水颗粒以及大气扰动散射回的声波信号，接收到的声波信号经过放大、加和后送至一个数据采样及处理部分，进行模/数(A/D)转换，并对所得到的数字信号进行快速傅立叶变换(FFT)，从时域信号变换为频域信号，同时得到降水功率频谱和大气扰动功率频谱，然后对所获得的降水功率频谱和大气扰动功率频谱进行分析，从降水功率频谱推导出降水粒度分布和其他降水参数，并从所得到的大气扰动功率频谱推导出平均垂直风速和其他大气扰动参数，利用平均垂直风速和/或其他大气扰动参数对降水粒度分布和其他降水参数进行校正，以提高测量精确度。

根据本发明的高频多普勒声雷达装置由天线部分和数据采样及处理部分构成，其中天线部分包括垂直向上开口的漏斗形发射/接收罩，用于发送和接收声波的天线板；在所述天线板上用电磁喇叭来发送频率不低于6kHz的高频声波脉冲，用多个声波接收装置来接收散射回的声波信号；在接收天线板后设置有前置放大电路，用于将采集到的声波信号进行放大、加和；经过放大、加和的声波信号送至数据采样及处理部分，所述数据采样及处理部分对放大、加和后的信号进行模/数转换，并对得到的数字信号进行快速傅立叶变换，从时域信号变换为频域信号，同时得到降水功率频谱和大气扰动功率频谱，并且，所述数据采样及处理部分对所获得的降水功率频谱和大气扰动功率频谱进行分析，从降水功率频谱推导出降水粒度分布和其他降水参数，并从所得到的大气扰动功率频谱推导出平均垂直风速和其他大气扰动参数，利用平均垂直风速和/或其他大气扰动参数对降水粒度分布和其他降水参数进行校正。

在根据本发明的声雷达装置中，在漏斗形发射/接收罩以及机壳的内壁都贴有吸声泡沫材料，用于接收高频声波的多个声波接收装置最好采用麦克风，所述每个麦克风可带有用于采集声波的喇叭裙。

根据本发明的一个优选实施例，所述麦克风安装在所述天线板上的小孔中，从小孔的开口到小孔内麦克风的声波传感器之间有一段间距，形成了一个声波滤波器，所述间距根据所发出的高频声波脉冲的波长来进行调整，使所述间距约为所发出的高频声波脉冲波长的四分之一，以降低接收噪声。

与J-W雨滴测量器和光学雨量计不同，根据本发明的方法和装置检测体积可达到6-7m³，可测降水颗粒等效直径为0.2mm到无限制大小的大颗粒。J-W和OP仪器不能对雪、冰雹等气象进行检测，而本发明可定量自动识别和测量上述气象条件下的降水量和粒度分布。

与微波小型多普勒雷达相比，由于声波从大气扰动中产生的散射比微波产生的散射强约1000倍，因此高频声雷达(频率不低于6kHz，甚至达到20kHz以上)可同时测出降水功率频谱和大气扰动功率频谱(由此可推导出平均垂直风速)，从而可以校正垂直风造成的误差，而微波雷达是无法做到这一点的。另外，由于水的介电常数约为冰的介电常数的5倍，因此从冰粒散射的电磁波信号远远小于从水滴散射的电磁波信号，这样就使得微波雷达不能准确测量雪、冰雹和冰水混合相降水。声波在水和冰中衰减很小，可以忽略不计，但高频微波在冰和水中的衰减很大且很不相同，所以造成高频微波雷达更大的测量误差。但声波从水滴和冰粒散射时的信号强度相同，因此可大大提高冰水混合相降水的测量准确度。

由此可见，高频多普勒声雷达与J-W雨滴测量器、光学雨量计和其他常规雨量计以及高频微波雷达相比，大大提高了测量准确度，而且可以在雪、冰雹及混合相降水等气象条件下进行测量，而上述三种常规测量仪器一般不能定量测量雪、冰雹及混合相降水。

本发明与已有的多普勒声雷达的主要区别在于：本发明所述的声雷达装置工作在较高的频率范围内，为6kHz到20kHz，或者达到40kHz，这取决于所采用的接收麦克风的灵敏度，优选的工作频率为10.3kHz～10.8kHz，因此可以用于定量遥测降水参数。根据本发明的方法和装置不仅可测出降水功率频谱，还能同时得到大气扰动功率频谱，并据此对得到的降水粒度分布、降水量和其他降水参数进行校正。当工作频率超过20kHz后，本发明所述装置不会对人耳听力产生影响。

本发明的一个重要思想还在于，除了天线的声波发送和接收传感器元件、前置放大器、用于驱动电磁喇叭的功率放大器等必须用硬件实现外，整个声雷达装置的其他功能，如声波脉冲发生器、超外差接收器、低通及带通滤波器、声雷达运行控制器、以及实时的数字信号处理(如FFT)等功能，均可由软件来实现。例如可以采用内置到PC机中的DSP电路板，与PC机相结合，通过编程来实现上述功能。这样整个数据处理和记录过程全部是实时、在线(on-line)地进行的，而整个仪器可以自动运行，无需由人员来看管和操作。同时本发明的实现非常方便，降低了设备成本。

利用根据本发明的方法和装置能够弥补现有测量各种降水粒度分布的常规技术的空白，提高测雨量的精确度，特别是在大风、暴风条件下测量大雨、暴雨的精确度，同时弥补了常规技术中不能自动测量雪、冰雹及冰水混合相降水的空白。

本发明也可用作声波频谱分析仪；当改用低频天线板(1500Hz到4500Hz)时可用于测量低空风场(低于500米到1000米)。由于高频声雷达可同时测出大气扰动多普勒频谱，从而可推导出径向风速，因此也可用于机场实时风速切变监视。此外也可推广到用于定量测量沙尘暴的仪器。

附图说明

下面借助于附图中所示的实施例详细地说明本发明。如图所示：

图1简要示出了根据本发明的声雷达装置的原理框图；

图2示出了根据本发明的电磁喇叭与接收麦克风在天线板上的排列的剖视图；

图3示出了根据本发明的电磁喇叭与接收麦克风在天线板上的排列的主视图；

图4示出了根据本发明的声波滤波器的放大示意图；

图5示出了根据本发明的声雷达装置的第一种实施方式；

图6示出了根据本发明的声雷达装置的第二种实施方式。

具体实施方式

图1简要示出了根据本发明的高频多普勒声雷达装置的原理框图。在根据本发明的高频多普勒声雷达装置主要包括天线部分1和数据采样及处理部分3。天线部分1用于以一定时间间隔垂直向上发射高频声波，并接收散射回的声波信号。天线部分1还包括一前置放大电路2，用于对各声波传感器接收的信号进行前置放大和加和，这种前置放大电路是本领域技术人员所常用的。经过放大和加和后的信号被送至数据采样及处理部分3，在数据采样及处理部分3中进行变换、处理和分析，同时数据采样及处理部分3还可对声雷达的运行参数进行设定和控制。

下面简单描述声雷达装置的测量过程：首先从声雷达天线以一定时间间隔(例如每秒)垂直向上发出一个声波脉冲，脉冲的宽度例如为50ms，在经过一段时间后，例如经过10ms的延迟后，开始接收从各种降水颗粒以及大气扰动造成的散射信号，接收到的在时间上连续的模拟信号经过前置放大后(其放大倍数最好为60-70dB)被相加，所得到的信号再送至数据采样及处理部分，进行A/D转换，由时间上连续的模拟信号转换为数字信号序列，然后经过快速傅立叶变换(FFT)，计算得到降水(雨、雪、冰雹或混合相降水)在频域内的功率谱，由此可推导出降水粒度分布以及其他降水的参数，同时还得到了大气扰动功率频谱，由此推导出垂直平均风速和其他大气扰动参数，从而对垂直风的影响进行校正，以提高降水参数的测量精度。

大气扰动散射信号(布拉克散射)正比于f^1/3(其中f为声波频率)，而降水的散射信号(瑞利散射)正比于f⁴。因此，常规的低频声雷达(1000-4500Hz)虽可探测大气扰动，但来自降水颗粒的散射信号太弱，即使用4500Hz的声波也只能探测到大雨的频谱。实验证明，只有频率达到约6000Hz以上时探测到的降水多普勒频谱才足够大，具有实用价值。为了用高频声波来探测降水的散射信号，最好选用适当的麦克风。

例如声波频率在10kHz左右时，商业中可用的麦克风灵敏度较高，特性平坦，可达到最优的检测效果，即使很小的颗粒，如直径为0.2mm的雨滴或冰渣也可被探测到。目前市场上可获得40kHz的商用超声波传感器，但40kHz的声雷达得到的大气扰动谱过小。目前商用麦克风的特性在10kHz左右为最佳。

图1中的数据采样及处理部分3优选地由一台用作工作站的PC机以及DSP电路组成。根据本发明，除了天线的声波发送和接收传感器元件、前置放大器、功率放大器等必须用硬件实现外，其他声雷达装置的操作和运行控制，发送、接收信号处理功能等可全部由软件(子程序)来实现。声雷达的工作参数，如声波频率、声波脉冲宽度及发出声波的重复频率、频谱的平均时间、显示降水量及垂直风速的时间间隔等，可以通过软件在PC机上设定。此外，其他有关数据处理的参数，包括采样频率倍数(4倍或8倍)，频谱平滑的方法和平滑次数等也可以通过软件来设定。声波脉冲发生器、超外差接收器、低通及带通滤波器、实时数字信号处理(FFT，功率谱计算等)、以及声雷达运行控制器等功能可在DSP及PC机中通过编程来实现。这样本发明可以实现全机自动化和无人操作，仪器的工作更为可靠，并且基本不需要维护，同时测量的精度和准确度高。DSP和PC机也可全部集成在声雷达装置的机壳内，从而减小设备体积，并防止外部干扰。

目前有多种集成DSP芯片可用，这些DSP芯片具有流水线结构，计算功能强大，非常适合于FFT运算。DSP电路除DSP芯片外还包含有A/D、D/A转换接口、存储器等组成部分，整个DSP电路可以设计为插件板的形式，内置到PC机中。当然也可以采用其他的微处理器来实现DSP的功能，或者仅用PC机来实现所有的数据处理功能，但DSP的运算速度较快，便于实现实时、在线的测量。

其中DSP用相应的汇编语言来编程，而用作工作站的PC机可用各种程序语言，如C++、Visual Basic等来编程。

图2和图3分别用纵向剖视图和主视图示出了根据本发明的天线板4的构造及设计。天线板4例如可由木板或铝板制成，可以设计为矩形，其尺寸例如为40cm×40cm，或者也可以设计为圆形，其直径例如为40cm。天线板4的厚度例如为15mm。当然，天线板4的尺寸可以根据实际应用情况来设计，并与前置放大电路2一起设置在高频声雷达装置的机壳内。

在如图2和图3所示的天线板4上，用于发送测试高频声波的装置与用于接收返回声波的传感器分开设置：将一个大功率的电磁喇叭5设置在天线板4的中央，用于发送高频声波；用多个带喇叭接收裙的麦克风6作为声波接收传感器(例如为20个到26个麦克风)，围绕在发送声波的电磁喇叭5周围布置。

根据本发明的一个优选实施例，如图2所示，每一个麦克风接收传感器元件7位于天线板上的一个小孔8内，小孔的直径例如为9.8mm。图4为图2中麦克风优选结构的放大视图。从所述小孔8的开口处到小孔内的麦克风接收传感器元件7之间有一段间距l，如设声波的波长为λ，则这段间距l最好约为λ/4，形成了一个声波滤波器。例如，当电磁喇叭5发射声波的中心频率为10kHz时，所述间距l约为7.8mm，形成的带通滤波器的品质因数Q约为10，其带宽约为1kHz，从而有效地减少了对接收信号噪声的干扰。

图5示出了根据本发明的高频多普勒声雷达装置的一种实施方式。从图中可以看到，在所述装置的机壳9外部设置有一垂直向上开口的漏斗形发射/接收罩10，其横截面可以为矩形或圆形，其横截面积从上至下逐渐减小。该发射/接收罩10可以是木制的，也可以由铝或塑料等制成，其侧面与地面法线之间的倾角例如为15°～18°，使得进入漏斗口的声波能够由天线板4充分采集。最好在漏斗形发射/接收罩10的内壁贴有吸声泡沫材料，以去除干扰噪声。漏斗形发射/接收罩10的尺寸也可以根据实际需要来设计，其尺寸越大则测量的灵敏度越高。

为了改变声波的传播方向，可以在漏斗形发射/接收罩10与天线板4之间设置一块反射板11。如图4所示，反射板11设置在漏斗形发射/接收罩10的下方，它与地面之间的倾角为45°，且天线板4垂直于地面设置。

图6示出了另外一种实施方式，其中设置有两块反射板11和12，其中第一块反射板11设置在漏斗形发射/接收罩10的下方，与地面之间的倾角为45°，第二块反射板12与第一块反射板11之间的夹角呈90°，且天线板4平行于地面设置，位于第二块反射板12的上方。采用两块反射板的优点是可以完全避免水滴经反射溅射到天线板上，从而减少了出现故障的可能。

反射板可由不锈钢板制成，其表面平滑，有利于反射声波。反射板的厚度最好大于0.5mm，其背面可装有加热溶雪装置，用于在寒冷的气候条件下去除附着在反射板表面的雪花和冰晶。但在采用两块反射板的实施方式中，第二块反射板12就不需要在背面设置这样的加热溶雪装置了，因为雪花和冰晶基本不会落到第二块反射板12上。

本发明并不局限于上述实施例，本领域技术人员可在本发明的范围内做出各种改变。

此外，由于对沙尘暴的测量与雨、雪等降水参数的测量原理基本相同，只是沙尘颗粒更小，因此根据本发明的方法和装置也可转用于对沙尘暴气象参数的测量。

Claims

1、一种定量遥测降水参数的方法，其特征在于，通过高频多普勒声雷达天线以一定时间间隔垂直向上发出频率不低于6kHz的高频声波脉冲，在经过一段时间的延迟后，用多个声波接收传感器接收由降水颗粒以及大气扰动散射回的声波信号，接收到的声波信号经过放大、加和后送至一个数据采样及处理部分，进行模/数转换，并对所得到的数字信号进行快速傅立叶变换，从时域信号变换为频域信号，同时得到降水功率频谱和大气扰动功率频谱，然后对所获得的降水功率频谱和大气扰动功率频谱进行分析，从降水功率频谱推导出降水参数，并从所得到的大气扰动功率频谱推导出大气扰动参数，利用大气扰动参数对降水参数进行校正，以提高测量精确度。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的降水参数是降水的粒度分布或降水量，而所述的大气扰动参数是平均垂直风速。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的多个声波接收传感器是麦克风。

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述高频多普勒声雷达天线具有一个天线板，所述麦克风安装在天线板上的小孔中，从小孔的开口到小孔内麦克风的声波传感器之间有一段间距，从而形成了一个声波滤波器，根据所发出的高频声波脉冲的波长来调整所述间距，使所述间距为所发出的高频声波脉冲波长的四分之一，以降低接收噪声。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的数据采样及处理部分由一台用作工作站的计算机和高速数据处理装置构成，其中模/数转换和快速傅立叶变换由所述高速数据处理装置完成，而对所获得的频谱进行的分析由所述计算机完成。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述高速数据处理装置是DSP电路。

7、如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，声波脉冲的发生和超外差接收、信号在数据采样及处理部分中的处理以及数据的分析均可通过软件自动、实时地实现。

8、一种用于定量遥测降水参数的高频多普勒声雷达装置，其特征在于，所述声雷达装置由天线部分和数据采样及处理部分构成，其中天线部分包括垂直向上开口的漏斗形发射/接收罩，用于发送和接收声波的天线板；在所述天线板上用电磁喇叭来发送频率不低于6kHz的高频声波脉冲，用多个声波接收传感器来接收散射回的声波信号；在接收天线板后设置有前置放大电路，用于将采集到的声波信号进行放大、加和；经过放大、加和的声波信号送至数据采样及处理部分，所述数据采样及处理部分对放大、加和后的信号进行模/数转换，并对得到的数字信号进行快速傅立叶变换，从时域信号变换为频域信号，同时得到降水功率频谱和大气扰动功率频谱，并且，所述数据采样及处理部分对所获得的降水功率频谱和大气扰动功率频谱进行分析，从降水功率频谱推导出降水参数，并从所得到的大气扰动功率频谱推导出大气扰动参数，利用大气扰动参数对降水参数进行校正。

9、如权利要求8的述的高频多普勒雷达装置，其特征在于，所述的降水参数是降水的粒度分布或降水量，而所述的大气扰动参数是平均垂直风速。

10、如权利要求8所述的高频多普勒声雷达装置，其特征在于，所述的多个声波接收传感器是麦克风。

11、如权利要求10所述的高频多普勒声雷达装置，其特征在于，所述麦克风安装在所述天线板上的小孔中，从小孔的开口到小孔内麦克风的声波传感器之间有一段间距，形成了一个声波滤波器，所述间距根据所发出的高频声波脉冲的波长来进行调整，使所述间距的长度为所发出的高频声波脉冲波长的四分之一，以降低接收噪声。

12、如权利要求10所述的高频多普勒声雷达装置，其特征在于，用于发射高频声波脉冲的电磁喇叭位于所述天线板的中央，用于接收声波的多个麦克风排列在所述电磁喇叭的周围。

13、如权利要求8所述的高频多普勒声雷达装置，其特征在于，所述的数据采样及处理部分由一台用作工作站的计算机和高速数据处理装置构成，其中模/数转换和快速傅立叶变换由所述高速数据处理装置完成，而对所获得的频谱进行的分析由所述计算机完成。

14、如权利要求13所述的高频多普勒声雷达装置，其特征在于，所述高速数据处理装置是DSP电路。

15、如权利要求14所述的高频多普勒声雷达装置，其特征在于，DSP电路被设计为插件板，内置到所述计算机中。

16、如权利要求8至15中任一项所述的高频多普勒声雷达装置，其特征在于，所述数据采样及处理部分可内置到所述高频多普勒声雷达装置的机壳内。

17、如权利要求8所述的高频多普勒声雷达装置，其特征在于，在漏斗形发射/接收罩下方设置有一块反射板，所述反射板与地面之间的倾角为45°，且天线板垂直于地面设置。

18、如权利要求17所述的高频多普勒声雷达装置，其特征在于，在所述反射板的背面装有加热溶雪装置。

19、如权利要求8所述的高频多普勒声雷达装置，其特征在于，设置有两块反射板，其中第一块反射板设置在漏斗形发射/接收罩下方，与地面之间的倾角为45°，第二块反射板与第一块反射板之间的夹角呈90°，且天线板平行于地面设置，位于第二块反射板的上方。

20、如权利要求19所述的高频多普勒声雷达装置，其特征在于，在所述第一块反射板的背面装有加热溶雪装置。

21、如权利要求8所述的高频多普勒声雷达装置，其特征在于，声波脉冲的产生和超外差接收、信号在数据采样及处理部分中的处理以及数据的分析均可通过软件自动、实时地实现。