本公开涉及气象观测领域，特别涉及一种利用毫米波监测降水的方法和系统。
背景技术：
降水是指空气中的水汽冷凝并降落到地表的现象，对我们的生命起着重要的作用。从大气中降落的雨，雪，冰雹等，统称为降水，是气象观测中重要的要素。准确的降水测量对于气象、水文、地质、以及洪涝等自然灾害的监测与预警有着重要的意义。密集、实时、准确的降水以及水汽监测，对提高天气预报，气候分析，和气象服务的能力以及自然灾害及时预警都有十分重要的意义。
降水的主要形式是降雨。目前，降雨测量的主要方法是雨量计，天气雷达和气象卫星等。在过去的40年间，全球大约有20万个标准雨量计，安装在世界各地。但是在城市，山区等区域存在极为复杂的时空变化，雨量计站点分布不均匀，受费用和人工等限制，即使在城市等站点相对密集的地区，仍难以检测到降水的精细时空变化，而且对小雨和大雨的测量效果较差。天气雷达虽然可以估计大范围的降雨场分布，但是在高仰角条件下只能测量到部分降水体或云体，在低仰角下易受地物回波影响，因而在城市和山区的测量效果有限，测雨卫星只能自上而下测量云顶或穿透云顶，与降落到地表附近的实际降雨之间存在较大差别，难以根据回波反演准确的降水分布。由于天气雷达和测雨卫星受到测量远离和扫描方式的限制，所发射的电磁波信号往往难以与降落到地面附近的降水粒子进行完全作用，成为限制区域降水测量效果进一步提高的主要原因。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
针对背景技术中的问题，本公开提出了一种利用毫米波监测降水的方法，以解决上述高费用、地物影响回波信号以及覆盖范围小等问题。
(二)技术方案
本公开一方面提供了一种利用毫米波监测降水的方法，包括：通过第五代通信网络的毫米波回传链路和/或信号链路发射毫米波信号，通过第五代通信网络的毫米波回传链路和/或信号链路接收毫米波信号，计算毫米波信号在所述毫米波回传链路和/或信号链路中传输时产生的衰减，以及根据所述衰减反演得到降水状况。
可选地，上述第五代通信网络使用30ghz到300ghz频段的毫米波。
可选地，上述第五代通信网络建造的信号链路距离为100到200米。
可选地，上述毫米波回传链路和/或信号链路包括至少一个发射端和至少一个接收端。
可选地，上述计算毫米波信号在所述毫米波回传链路和/或信号链路中传输时产生的衰减包括计算接收端接收到的毫米波信号相对于发射端发射的毫米波信号所产生的衰减。
可选地，上述降水状况包括降雨强度和水汽密度。
可选地，上述根据衰减反演得到降雨强度通过下述公式获得：
a＝arb(db/km)
其中，r是降雨强度，a和b是回归系数。
可选地，上述根据衰减反演得到水汽密度通过下述公式获得：
γ＝0.1820fn″(db/km)
其中，n″＝n″(p，t，ρ，f)，ρ为水汽密度，p为大气压强，t为温度，f为毫米波频率。
本公开另一方面提供了一种利用毫米波监测降水的系统，包括：发射端、接收端、计算模块、以及反演模块。发射端通过第五代通信网络的毫米波回传链路和/或信号链路发射毫米波信号，接收端通过第五代通信网络的毫米波回传链路和/或信号链路接收毫米波信号，计算模块计算毫米波信号在所述毫米波回传链路和/或信号链路中传输时产生的衰减，反演模块根据所述衰减反演得到降水状况。
可选地，上述第五代通信网络使用30ghz到300ghz频段的毫米波。
可选地，上述第五代通信网络建造的信号链路距离为100到200米。
可选地，上述计算毫米波信号在所述毫米波回传链路和/或信号链路中传输时产生的衰减包括计算接收端接收到的毫米波信号相对于发射端发射的毫米波信号所产生的衰减。
可选地，上述降水状况包括降雨强度和水汽密度。
可选地，上述根据衰减反演得到降雨强度通过下述公式获得：
a＝arb(db/km)
其中，r是降雨强度，a和b是回归系数。
可选地，上述根据衰减反演得到水汽密度通过下述公式获得：
γ＝0.1820fn″(db/km)
其中，n″＝n″(p，t，ρ，f)，ρ为水汽密度，p为大气压强，t为温度，f为毫米波频率。
(三)有益效果
本公开涉及一种利用毫米波监测降水的方法，可以得到覆盖范围广、时域和空间域上分辨率高、实时监测、准确度高以及低成本的降水分布信息。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了根据本公开实施例的水汽和氧气对不同频段信号的衰减；
图2示意性示出了根据本公开实施例的降雨量对不同频段信号的衰减；
图3示意性示出了根据本公开实施例的利用毫米波监测降水的方法流程图；
图4示意性示出了根据本公开实施例的利用毫米波监测降水的系统的框图；以及
图5示意性示出了根据本公开实施例的利用毫米波监测降水的计算机系统的方框图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“a、b和c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b和c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。在使用类似于“a、b或c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b或c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。本领域技术人员还应理解，实质上任意表示两个或更多可选项目的转折连词和/或短语，无论是在说明书、权利要求书还是附图中，都应被理解为给出了包括这些项目之一、这些项目任一方、或两个项目的可能性。例如，短语“a或b”应当被理解为包括“a”或“b”、或“a和b”的可能性。
微波信号在近地层大气中传播时会受到大气介质的吸收，散射衰减影响以及产生极化差异等，其中雨、雪等降水粒子对微波的影响尤为明显，这一影响在通讯领域是需要尽量避免并消除的，但是将其引入到气象中，微波在近地表传播可以保证电磁波与降水粒子直接作用，既有效解决了扫描方式和地物影响等问题，又可以根据降水粒子对微波传播路径上的衰减信息反演得到覆盖范围广，高时空分辨率的降水分布信息。
微波是指频率为300mhz-300ghz的电磁波，是通信所使用的主要频段之一，也是天气雷达测量降水的主要频段。微波信号在大气中传播时会受到大气介质的吸收、散射影响而衰减其中降水是对微波信号影响最大的，尤其是较短的微波波段，例如毫米波波段，大大影响了基于毫米波的通信、制导、遥感等系统的性能。
毫米波信号的波长非常短，所以毫米波信号在自由空间长距离传输的时候，空气和水对传输损耗起了主要作用。
本公开实施例提供了一种利用毫米波监测降水的方法，该方法通过第五代通信网络的毫米波回传链路和/或信号链路发射毫米波信号，通过第五代通信网络的毫米波回传链路和/或信号链路接收毫米波信号，计算毫米波信号在毫米波回传链路和/或信号链路中传输时产生的衰减，以及根据衰减反演得到降水状况。
本公开实施例通过第五代通信网络的毫米波监测降水，通过毫米波链路检测降雨可以采集很高时间分辨率的数据，实现利用已经存在的通信基站基础设施反演得到降水状况，提高降雨的预测准确性以及降低预测降雨的成本。
图1示意性示出了根据本公开实施例的水汽和氧气对不同频段信号的衰减。
如图1所示，所述衰减为在一个典型的气候条件(气压为101千帕，气温为22摄氏度，相对湿度为10％，悬浮水滴浓度为0g/m)下测量所得，当信号频率越高时，水汽对信号的衰减作用越明显。
图2示意性示出了根据本公开实施例的降雨量对不同频段信号的衰减。
如图2所示，在强降雨的情况下(25mm/h)，衰减为7db/km。当传输频率在5ghz以下的时候，即便是很高的降雨强度，对微波信号的衰减也不高。然而随着信号频率的升高，降雨对高频段的毫米波信号影响越大。
本公开的实施例利用毫米波链路监测降水的原理是根据微波传播过程中的衰减和极化变化信息来反演降雨量，降雨强度和分布等。
图3示意性示出了根据本公开实施例的利用毫米波监测降水的方法流程图。
如图3所示，该方法包括操作s310～s340。
在操作s310，通过第五代通信网络的毫米波回传链路和/或信号链路发射毫米波信号。
根据本公开实施例，毫米波回传链路或信号链路包括至少一个发射端和至少一个接受端。例如毫米波回传链路包括的发射端例如为通讯基站，接收端例如为通讯基站。毫米波信号链路包括的发射端例如为通讯基站，接收端例如为移动终端。
在本公开实施例中，发射端例如可以是通讯基站。随着移动通讯的发展，尤其是城市中基站的密集很高。通讯基站的分布广，每隔350-550米就是一个通讯基站。随着第四代无线通讯网络在世界范围内已经广泛覆盖，第五代无线通讯技术的研究已经开始。在人口稠密的城市地区提供关键的连接性，高密度的小基站组网来满足5g通讯时代的高速的移动服务需求。
毫米波通讯传输的优势是可以高速传输大量数据，另外一个优势是波束宽带窄，可以配置小型的天线。因此本公开实施例基于毫米波的优势，通过构建毫米波链路来实现监测降水。
根据本公开实施例，通过第五代通信网络(5g通讯网络)的毫米波回传链路和/或信号链路发射毫米波信号，例如可以通过至少一个发射端发射毫米波信号，该射端发射毫米波信号可以在空气中传播。发射端以一个特定功率发射微波信号，在每次有降雨发生的时候，微波信号经过传播路径上的降雨发生衰减。
根据本公开实施例，第五代通信网络将采用30ghz到300ghz频段的毫米波，具体地，第五代通信网络利用频率在30ghz到300ghz的毫米波无线电频谱，设置高密度的小基站。
根据本公开实施例，除了采用30ghz到300ghz频段的毫米波，还可以采用其他频段，例如25ghz左右的频段。可以理解，本公开实施例不限制具体的频段，本领域技术人员可根据实际应用情况具体设定。
根据本公开实施例，第五代通信网络建造的信号链路距离例如为100到200米。
根据本公开实施例，包含毫米波链路的5g通讯网络覆盖面大，密度较高，一般通讯链路的距离在100-200米，基站与基站之间的距离从几百米到几公里甚至数十公里。
在本公开实施例中，利用第五代通信网络的基站设施，可以实现近地面降水的观测以及实时的、密集的、持续的、准确的降水观测。
在操作s320，通过第五代通信网络的毫米波回传链路和/或信号链路接收毫米波信号。
根据本公开实施例，通过第五代通信网络的毫米波回传链路和/或信号链路接收毫米波信号，例如可以通过至少一个接收端接收毫米波信号。具体的，通过发射端发射毫米波信号在空气中传播，达到接收端，并由接收端接收由发射端发射的毫米波信号。
在本公开实施例中，接收端可以是基站或者移动终端，其中，接收端接收由发射端发射的毫米波信号，例如可以是通过基站或移动终端接收由发射端发射的毫米波信号。
在操作s330，计算毫米波信号在毫米波回传链路或信号链路中传输时产生的衰减。
根据本公开实施例，通过发射端发射毫米波信号，信号在空气中传播，到达接受端。计算毫米波信号在毫米波回传链路或信号链路中传输时产生的衰减，包括计算接收端接收到的毫米波信号相对于发射端发射的毫米波信号所产生的衰减，即对比接收端的毫米波信号与相应的发射端发射的毫米波信号得到毫米波信号在传输过程中的衰减。
在本公开实施例中，第五代通信网络具有高密度的小基站，每个基站都可以设有发射端和接收端，基站间构建形成毫米波通信网络，得到大面积，高密度地毫米波信号以及毫米波信号在传输中的衰减。
在本公开实施例中，气象领域可以利用通讯信号来反演降水的方法。微波是通信所使用的主要频段之一。微波信号在大气中传播时会受到大气介质的吸收、散射影响而衰减，其中降水是对微波信号影响较大，尤其是较短的微波波段，例如毫米波波段，大大影响了基于毫米波的通信，制导，遥感等系统的性能。因此本公开可以通过毫米波信号的衰减来反演降水状况。
根据本公开实施例，当信号到达接收端时，发射信号强度和接收信号强度之差为整条毫米波链路的总衰减，然后结合降雨强度与微波衰减的关系来评估链路的平均降雨强度。
在操作s340，反演衰减得到降水状况。
根据本公开实施例，毫米波信号的波长非常短，所以毫米波信号在自由空间长距离传输的时候，空气和水对传输损耗起了主要作用。因此，可以通过降水等气候条件对毫米波传播路径上的衰减而推算反演得到降水情况等数据，以下对根据反演毫米波信号的衰减得到降水情况做出具体描述。
根据本公开实施例，降水状况可以包括降雨强度和水汽密度。
根据本公开实施例，降雨强度的反演过程如下：
在本公开实施例中，信号发射端以一个特定功率发射微波信号，在每次有降雨发生的时候，微波信号经过传播路径上的降雨发生衰减。当信号到达接收端，发射信号强度和接收信号强度之差为整条毫米波链路的总衰减，然后结合降雨强度与微波衰减的关系来评估链路的平均降雨强度，进而来实现近地面降雨的。降雨衰减与雨滴的大小和分布都有关系。根据衰减反演得到降雨强度通过下述公式获得，即可以根据以下公式计算降雨衰减a和雨强关系的公式：
a＝arb(db/km)(1)
其中，r是降雨强度，a和b是回归系数，与频率、极化方式、相对水平未知的极化斜角以及路径仰角等有关，会随着区域和地点的变化而变化。通过对毫米波链路发送端和接收端信号的检测与对比，可以计算出由于降雨引起的信号衰减，以及降雨强度。
根据本公开实施例，水汽密度的反演过程如下：
无线电波在大气中的特征衰减在几十吉赫兹(ghz)，主要吸收气体是氧气和水汽。氧气的吸收带在60ghz左右，而水汽的吸收带则在22.235ghz。因此，当一个微波信号与水分子相互作用的时候，微波信号可能会产生衰减，尤其是当频率接近水分子的吸收带频率的时候。由于干燥空气和水汽对微波信号产生的衰减(db/km)是按如下计算方法：
γ＝aw+a0(db/km)(2)
其中，aw是由于水汽产生的衰减(db/km)，a0是由于干燥空气产生的衰减(db/km)，a0要比aw小很多，因为低频段的时候，衰减主要是由于水汽造成的，因此，根据衰减反演得到水汽密度通过下述公式获得：
γ＝0.1820fn″(db/km)(3)
n″＝n″(p，t，ρ，f)是该频率相关的复合折射率的虚部；其中，p(hpa)为气压，t(℃)为温度，f(ghz)为频率，ρ(g/m3)为水汽密度。根据实验链路接收端检测的信号强度，可以推算出衰减系数γ。并且，通过自动气象站测量气温，大气压力，以及已知链路的频率，通过公式(2)和公式(3)可以得到空气中的水汽密度。
根据本公开实施例，降水状况还可以包括降水量和降水分布。
根据本公开实施例，降水量指从天空中降落到地面上的液态或固态(经融化后)降水，未经蒸发、渗透、流失而在水平面上积聚的深度。降水量是指在一定时间内降落到地面的水层深度。
根据本公开实施例，降雨强度由公式(1)反演得到，通讯链路分布广，通过每条链路可以反演得到沿此链路路径的平均降雨强度，那么由大量通讯链路组成的网络可以获得高时空分辨率的降水分布。
在本公开实施例中，毫米波信号在近地层大气中传播时会受到大气介质的吸收，散射衰减影响以及产生极化差异等，其中雨、雪等降水粒子对微波的影响尤为明显，将其引入到气象中，毫米波信号在近地表传播可以保证电磁波与降水粒子直接作用，既有效解决了扫描方式和地物影响等问题，又可以根据降水粒子对微波传播路径上的衰减信息反演得到覆盖范围广、高时空分辨率的降水分布信息。
因此，通过本公开实施例的毫米波监测降水的方法，提高了降水测量效果。具体地，未来包含毫米波链路的5g通讯网络覆盖面大，密度较高，一般通讯链路的距离在100-200米，基站与基站之间的距离从几百米到几公里甚至数十公里。而且，毫米波链路检测降雨可以采集很高时间分辨率的数据，每10秒甚至更短，比雷达和翻斗雨量筒高很多。另一个优势是利用毫米波链路来检测降雨不需要大量的投资，因为通信基站基础设施将已经存在。这对于尤其是发展中国家来说，将可以为社会带来增值价值。在丘陵地带，降雨是很难预测的，如果能够通过通讯网络来提高降水的预测，将能显著提高农业生产效率。密集、实时、准确的降水以及水汽监测，对提高天气预报，气候分析，和气象服务的能力以及自然灾害(如洪涝灾害)及时预警都有十分重要的意义。
图4示意性示出了根据本公开实施例的利用毫米波监测降水的系统的框图。
如图4所示，利用毫米波监测降水的系统400可以包括发射端410、接收端420、计算模块430、以及反演模块440。
发射端410可以通过第五代通信网络的毫米波回传链路和/或信号链路发射毫米波信号。根据本公开实施例，发射端410例如可以执行上文参考图3描述的操作s310，在此不再赘述。
接收端420可以通过第五代通信网络的毫米波回传链路和/或信号链路接收毫米波信号。根据本公开实施例，接收端420例如可以执行上文参考图3描述的操作s320，在此不再赘述。
计算模块430可以计算毫米波信号在毫米波回传链路和/或信号链路中传输时产生的衰减。根据本公开实施例，计算模块430例如可以执行上文参考图3描述的操作s330，在此不再赘述。
反演模块440可以根据衰减反演得到降水状况。根据本公开实施例，反演模块440例如可以执行上文参考图3描述的操作s340，在此不再赘述。
可以理解的是，发射端410、接收端420、计算模块430、以及反演模块440可以合并在一个模块中实现，或者其中的任意一个模块可以被拆分成多个模块。或者，这些模块中的一个或多个模块的至少部分功能可以与其他模块的至少部分功能相结合，并在一个模块中实现。根据本发明的实施例，发射端410、接收端420、计算模块430、以及反演模块440中的至少一个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列(fpga)、可编程逻辑阵列(pla)、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路(asic)，或可以以对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式等硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式的适当组合来实现。或者，发射端410、接收端420、计算模块430、以及反演模块440中的至少一个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该程序被计算机运行时，可以执行相应模块的功能。
图5示意性示出了根据本公开实施例的利用毫米波监测降水的计算机系统的方框图。
如图5所示，实现用于运行过程的数据获取的计算机系统500包括处理器501、计算机可读存储介质502。该系统500可以执行上面参考图3描述的方法。
具体地，处理器501例如可以包括通用微处理器、指令集处理器和/或相关芯片组和/或专用微处理器(例如，专用集成电路(asic))，等等。处理器501还可以包括用于缓存用途的板载存储器。处理器501可以是用于执行参考图3描述的根据本公开实施例的方法流程的不同动作的单一处理单元或者是多个处理单元。
计算机可读存储介质502，例如可以是能够包含、存储、传送、传播或传输指令的任意介质。例如，可读存储介质可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置、器件或传播介质。可读存储介质的具体示例包括：磁存储装置，如磁带或硬盘(hdd)；光存储装置，如光盘(cd-rom)；存储器，如随机存取存储器(ram)或闪存；和/或有线/无线通信链路。
计算机可读存储介质502可以包括计算机程序503，该计算机程序503可以包括代码/计算机可执行指令，其在由处理器501执行时使得处理器501执行例如上面结合图3所描述的方法流程及其任何变形。
计算机程序503可被配置为具有例如包括计算机程序模块的计算机程序代码。例如，在示例实施例中，计算机程序503中的代码可以包括一个或多个程序模块，例如包括503a、模块503b、......。应当注意，模块的划分方式和个数并不是固定的，本领域技术人员可以根据实际情况使用合适的程序模块或程序模块组合，当这些程序模块组合被处理器501执行时，使得处理器501可以执行例如上面结合图3所描述的方法流程及其任何变形。
根据本发明的实施例，发射端410、接收端420、计算模块430、以及反演模块440中的至少一个可以实现为参考图5描述的计算机程序模块，其在被处理器501执行时，可以实现上面描述的相应操作。本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。