用于降水测量的方法和设备与流程

本发明涉及一种用于降水测量的方法和设备。

背景技术：

当今的雷达降水传感器根据具有分开的发送和接收路径的多普勒雷达的原理来构造。在所谓的双基地（bistatisch）雷达系统中，电磁波在无线电频率范围内集束地作为所谓的一次信号被发送。由对象反射的回声随后作为二次信号由空间上与第一天线分离的第二天线来接收。由基于多普勒效应的所反射的信号的频移可以随后计算发送器/接收器系统和对象之间的相对移动。

在降水测量情况下，借助于这种多普勒雷达来测量雨水滴的速度。因为在雨水滴的直径和速度之间存在固定关联、也即正相关性，可以由所测量的速度来推论出水滴的直径和体积。通过信号评估，可以此外识别水滴是否撞击到雷达的天线罩（radome）上或者该水滴是否飞过该雷达的天线罩。如果所有水滴以其所属的撞击到天线罩上的体积来计数，则可以确定关于天线罩的参考表面所落下的降水量。

在现有技术中已知的双基地雷达降水传感器具有一系列的缺点。

基于雨水滴的小雷达横截面，天线必须紧密置于天线罩表面之下，以便使与雨水滴的间距保持得尽可能小。同时，所述天线需要大的张角，例如40°×60°，以便在视线范围内具有天线罩的尽可能大的部分。因此确保所识别的所撞击的雨水滴的抽样量是足够大的，以便能够推论总降水量和总降水强度。如果水滴撞击在天线罩的边缘上，则所测量的速度vgemessen减小为值：

。

相应状况在图1a中示出。该图示出雷达降水传感器的发送天线110和接收天线120，这些天线共同地紧密地布置在天线罩130的表面之下。图1a此外示出雨水滴101，该雨水滴以速度vtropfen来撞击到天线罩130的边缘。由发送天线110发送的雷达一次信号以与雨水滴101的移动方向成角度αtx地检测水滴101。所反射的二次信号（回声）以与水滴101的移动方向成角度αrx地由接收天线120来接收。因为这两个角度大于0°，所测量的速度vgemessen根据公式1小于雨水滴101的实际速度vtropfen。

具有分开的发送和接收天线的双基地降水雷达此外在风影响的情况下导致水滴速度的歪曲的测量。水滴速度和水滴直径的相关性由水滴的重力和流动阻力的组合而产生。雨水滴可以一般除了由于重力引起的加速度以外也通过风的影响而被加速，就如在图1b中示出的。如果水滴这样通过风影响被加速，使得该水滴倾斜地飞向天线上，则这两个速度的叠加被测量。在图1b中示出的雨水滴102已经例如通过风而被加速到水平速度vwind，与此同时其已经通过重力而被加速到垂直速度vgravitation。由这两个速度的叠加得出水滴的速度vtropfen，其中雨水滴102以该速度撞击到天线罩130的表面上。最终得出的速度因此大于通过重力引起的速度。作为结果，所测量的速度一般也大于通过重力引起的速度，使得错误地推论出过大的雨水滴。因此也在风影响的情况下对降水量过高估计。

如在公式1中示出，通过分开的发送和接收路径得出双基地多普勒频移。由此将雨水滴的速度测量得过小，即便是在该水滴103如在图1c中所示地在天线罩130的中心中撞击的情况下。该效应并不是可忽略地小的，因为发送和接收天线的间距相对于雨水滴与相应天线的间距而言并不是可忽略地小的。所测量的速度如在公式1中所示地那样减小到如下值，所述值小于雨水滴103的实际速度vtropfen。

鉴于现有技术中的所述问题，本发明的任务是，提供用于借助雷达进行降水测量的方法和设备，所述方法和设备以高精度测量实际降水量。此外，该设备应该具有良好的信噪比并且构造得紧凑。

技术实现要素：

上面提到的任务通过用于借助雷达进行降水测量的设备来解决，该设备具有：天线，该天线被构造用于，发送和接收雷达波；和介电透镜，其中该天线这样对于介电透镜对准，使得由天线所发射的雷达波穿过介电透镜。与上述的现有技术的双基地雷达不同，本发明是单基地降水雷达，在该单基地降水雷达情况下，相同天线不仅被用于发送雷达波、也即一次信号也被用于接收所反射的雷达波、也即二次信号。所述设备可以尤其是具有恰好一个天线，所述天线因此同时用作发送和接收天线。

用于雷达波的发送和接收天线在现有技术中明确已知并且因此在此并不详细地被描述。因此仅提及：该天线能够构造有足够大的张角，以便在视线范围中具有天线罩的对于降水测量足够大的部分。为了实现在雨水滴上的所发送的一次信号的反射，用于发送和接收无线电波的天线可以与适合的频率相应地来确定尺寸。例如该天线可以这样构造，使得其能够以natok带、例如24ghz，以natoj带或natol带的频率来发送和接收无线电波。天线尺寸在此在厘米或亚厘米（subzentimeter）范围内。

根据本发明，在发射方向上在天线前方布置介电透镜，其中该天线这样对于介电透镜对准，使得由天线发射的雷达波穿过介电透镜。尤其是，该天线这样对于介电透镜对准并且与其间隔开，使得由天线发射的雷达波基本上、也即除了制造公差外地完全地击中到介电透镜上。这可以例如通过在天线和介电透镜之间布置锥形的圆形波导来实现。然而，所发射的雷达波的一部分也可以在介电透镜处经过地被发射。通过使用唯一的用于发送和接收雷达波的天线，获得雷达系统的共同的发送和接收路径。尤其是，在如下视角之间的差异被消除，雨水滴以所述视角关于分开的发送和接收天线击中到天线罩上。得出的多普勒频移因此是单基地多普勒频移，该多普勒频移避免双基地多普勒频移的所测量的速度的上述减小。

在介电透镜的情况下，击中到介电透镜上的平行的无线电波（与光学透镜的折射类似地）在一个点中聚焦在角点。该介电透镜的材料在此可以与用于上面提到的雷达波的应用相应地被选择。对于构成介电透镜的介电材料，可以使用树脂、陶瓷、树脂陶瓷复合材料、具有环绕地布置在其上的金属的人工介电材料、光子水晶和其他具有不等于1的比介电常数的材料。在24ghz的无线电频率情况下，可以例如使用具有3.11的相对介电常数和0.0015的损耗因子的介电透镜。优选地，介电透镜可以由对于所使用的雷达波接近无损耗的介电材料来构造。

根据一种扩展方案，介电透镜可以这样构造并且相对于天线对准，使得由所述天线所发射的波前在穿过介电透镜时变形成基本上平面的波前。这可以通过适合地选择介电透镜的介电常数的形状和/或变化来实现。例如，介电透镜可以是具有在透镜之内恒定的介电常数的构造得凸的透镜。然而，介电常数可以也根据与透镜的（光）轴的径向间距来变化。这也可以在不同于凸形形状的情况下这样发生，使得由天线发射的球形波前在穿过介电透镜时变形成基本上平面的波前。在此情况下，基本上平面的波前理解为这种波前，沿着所述波前的延伸，波矢量的方向以小于10°的程度变化。介电透镜可以尤其是关于其光轴旋转对称地构造，然而其中也能够设想不对称形状，所述不对称形状考虑天线的不对称发射角。此外，介电透镜可以构造为分区透镜（zonenlinse），所述分区透镜与菲涅尔波带片（fresnel-zonenplatte）类似地围绕透镜的光轴的同心地布置不同波长的区。仅仅重要的是，介电透镜具有至少一个折射雷达波的透镜面并且这样构造并关于天线来布置，使得由天线发射的球形波前在穿过介电透镜时变形成平面的波前。

根据另一扩展方案，天线可以被布置在介电透镜的焦点中，其中天线这样对准，使得其在介电透镜的方向上发射。尤其是，天线的发射特征的中央轴或对称轴可以在介电透镜的光轴的方向上对准。在这种情况下，由天线发射的、球形的波前在穿过介电透镜时变形成平面的波前，所述波前在穿过介电透镜之后平行于透镜的主平面地延伸并且在与其正交的方向上沿着介电透镜的光轴传播。

介电透镜因此引起从雨水滴返回的雷达波的聚焦。在此，由远离的雨水滴反射的雷达波也被足够地聚焦到天线上，使得得出良好的信噪比。此外，所发射的雷达波穿过介电透镜之后以平面波前的形式的传播引起：现在起无关于如下角度地测量到通过雨水滴的反向散射引起的多普勒频移，雨水滴在所述角度情况下关于天线击中到天线罩上。所述视角对所测量的速度的影响因此可以以简单的方式被消除。

可替代地，可以在天线和介电透镜之间布置圆形波导，该圆形波导被构造用于，在天线和透镜之间传导雷达波。尤其是，该圆形波导可以在其远离天线的末端处与介电透镜处于直接接触，该介电透镜例如可以构造得半凸形，以便保障所发射的雷达波到介电透镜中的理想输入耦合。该圆形波导在此可以具有与透镜直径相应的直径。圆形波导的在天线侧的开口这样对于天线对准，使得所发射的功率基本上输入耦合到圆形波导中。在使用圆形波导时，可以放弃关于介电透镜的光轴的天线的上述布置，使得设备的形状能够灵活地适配于相应要求。

根据一种扩展方案，该天线可以构造为贴片天线。这种贴片天线可以作为单独的贴片天线以矩形的金属面的形式来构造，其纵向侧具有如下长度，该长度相应于所使用的雷达波的半个波长。利用单独的贴片天线，可以以尤其紧凑的方式发射和接收雷达波，其中所述单独的贴片天线可以尤其是垂直于介电透镜的光轴对准。如上述地，可以在此将贴片天线尤其是以其几何中心点布置在介电透镜的焦点中。可替代地，可以使用1×2的贴片阵列，因为其旋转对称地具有90°的张角。以1×2的贴片阵列构造的天线可以以其天线重心点在介电透镜的焦点中放置。天线重心点在此作为所发射的坡印亭流（poynting-fluss）的重心点来限定并且在此情况下并不相应于几何中心点，而是略微地位移。贴片天线可以尤其是这样与介电透镜间隔开，使得由贴片天线发射的、球形的波前基本上完全地击中到介电透镜上。

该设备可以此外包括天线罩，该天线罩在介电透镜的远离天线侧布置并且部分地包围该介电透镜。该天线罩可以例如以空心的半球的形式或者以空心的截锥的形式来构造，其此外可以连接到圆柱体上，其中该天线罩和圆柱体共同地包围用于降水测量的设备、包括下述的信号处理单元在内。在此，圆柱体可以锥形地构造。该雷达波穿过该截锥。因此确保，通过天线罩来保持获得波前的平面特征。该天线罩由对于所发出的雷达波可穿透的、基本上无损耗的材料来构成。该天线罩一方面保护位于其下的天线、介电透镜和电子装置免受湿气和脏污，另一方面构成用于雨水滴的击中面。

该设备可以此外包括用于解耦接收和发送信号的环形耦合器。因为为了发送和接收雷达波来使用唯一的天线，在根据本发明的用于降水测量的设备的情况下，发送和接收路径被耦合。通过使用环形耦合器、也即鼠圈式耦合器，可以在通过与发送信号的叠加在单基地天线的连接端处通过干涉（interferenz）将接收信号从经结合的接收和发送信号分离。

根据一种扩展方案，根据本发明的设备可以此外包括用于处理高频信号的信号处理单元，该信号处理单元被构造用于，产生用于天线的发送信号并且基于天线的接收信号来确定多普勒频移。发送信号在此在使用作为连续波雷达传感器（dauerstrichradarsensor）的设备的情况下可以是连续的或者在使用作为脉冲雷达传感器的设备的情况下可以是脉冲的。此外，该发送信号可以是未调制的（cw连续波）。尤其是天线和信号处理单元单元也可以这样被构造，使得其发送相干的无线电信号，以用于测量多普勒频移。信号处理单元可以由所发送的信号和所接收的信号之间的频率改变来确定多普勒频移。

用于雷达天线的信号发生器在现有技术中是普遍已知的。在此，该信号产生尤其是可以借助于上混频器（aufwärtsmischer）来进行，该上混频器将辅助频率与中间频率结合，以便通过天线产生用于发射的所期望的高频率。类似地，信号处理单元可以具有下混频器，该下混频器将所接收的高频率与本机振荡器的辅助频率结合，以便将接收频率转换成更低的、并且因此待更容易地处理的中间频率。

该信号处理单元可以此外被构造用于，根据i/q方法（同相和正交的（(in-phaseundquadrature）方法）由所接收的雷达信号来确定相位信息。对此，该信号处理单元可以具有mti（运动目标指示（movingtargetindication））电路。由相位信息的时间上的改变可以于是同样地计算多普勒频移。因为根据本发明的用于降水测量的设备是单基地雷达系统，这两种用于确定多普勒频移的方法可以以同样的方式来应用。

信号处理单元可以此外具有其他元件、例如模拟数字变换器、数字模拟变换器、其他混频器、数字信号处理器和/或其他在现有技术中已知的元件。信号处理单元可以也由发送信号和所接收的信号产生差分的i-q信号。

根据另一扩展方案，信号处理单元此外可以被构造用于，由多普勒频移以及雨水滴的速度和大小的相关性来确定降水量。为此，信号处理单元可以具有存储单元或与这种存储单元连接，在所述存储单元中例如以表格的形式来存储雨水滴的速度和大小的相关性。所述雨水滴的速度可以借助信号处理单元根据已知的规则由多普勒频移和所发射的一次信号的已知频率来确定。该速度可以也直接由相位信息的上述时间上的改变来确定。相应地，上述信号处理单元可以被构造用于，直接基于天线的接收信号来确定雨水滴的速度。

根据一种扩展方案，该信号处理单元可以具有单片微波集成电路（mmic）。在此，所使用的高频率电路的所有有源组件和无源组件可以在半导体衬底上实现。所述单片微波集成电路可以例如以具有场效应晶体管的双推挽式混频器（doppelgegentaktmischers）的形式、所谓的吉尔伯特单元的形式来实施。除了单片微波集成电路的特别紧凑的结构型式以外，这种吉尔伯特单元允许对本机振荡器的am噪声的抑制并且此外保证电池的闸门（tor）的良好绝缘。此外，不需要分布式的电路元件。用于差分信号引导的mmic实现方案是特别简单并且节省空间的。

根据一种扩展方案，介电透镜可以以其光轴基本上在重力的方向上对准。当天线如上述地布置在介电透镜的焦点中并且以所发射的雷达波场的对称轴沿着光轴对准时，那么这是特别有利的。在这种情况下，基于在穿过介电透镜之后尽可能平面的波前始终以全尺寸测量雨水滴的竖直速度分量，即便是在水滴撞击在天线罩的边缘的情况下。这种与雨水滴击中的部位的不相关性由与平面的波前的传播方向的竖直速度分量的反平行性得出。

此外，尽可能平面的波前引起：雨水滴的由风影响引起的水平速度分量并不被测量或者仅以强烈减小的形式来被测量。对风影响的消除在此由水平速度分量与平面的波前的传播方向的正交性得出。

本发明也提供用于借助雷达进行降水测量的设备，该设备具有天线，该天线被构造用于，发送和接收雷达波，其中该天线包括贴片天线的二维阵列，所述贴片天线这样布置，使得能够由天线在远场中发送基本上平面的波前。尤其是，该天线可以具有由n×m的构造得相同的贴片天线组成的阵列，其中n≥10并且m≥10。所述天线可以在规则的场中、也即以恒定的间距来布置。贴片天线的这种二维的阵列以可忽略的旁瓣而具有高方向特性。

在适合地选择用于阵列的天线的各个控制流的相位和振幅的情况下，贴片天线的这种二维阵列在干涉之后、也即在远场中、发送在至少通过天线场的传播区域基本上平面的波前。借助以平面布置的贴片天线的二维阵列，可以因此也在不使用介电透镜的情况下产生基本上平面的波前，这如上述地导致落下的雨水滴的速度的更精确测量。然而，不同于在上述的设备情况下，根据这种扩展方案不发生所反射的雷达波的聚焦，从而在这种扩展方案情况下存在更小的信噪比。

贴片天线的二维阵列可以与上面提及的扩展方案其中的每个并不明确地要求介电透镜的存在的扩展方案相结合。

所描述的设备可以作为用于降水测量的系统的部分被安装在固定位置处、例如安装在高速公路处或雨林中。在此，介电透镜的上面提及的光轴优选地在重力方向上对准。所描述的降水传感器此外可以装备有用于存储所测量的降水量的存储器和/或用于传送所测量的降水量到中央（天气）站的发送设备。

上面提及的任务也通过用于借助雷达确定雨水滴的速度的方法来解决，该方法包括以下步骤：借助天线来发射雷达信号；借助天线来接收所反射的雷达信号；和基于所接收的所反射的雷达信号来确定雨水滴的速度，其中介电透镜这样被布置在天线前方，使得所发射的雷达信号穿过该介电透镜。

在此情况下，在上文中与根据本发明的用于降水测量的设备相关联已经描述的相同的变化方案和扩展方案也可以被应用在用于降水测量的方法。尤其是，该天线可以被构造为单个贴片天线或者构造为具有1×2的贴片阵列的贴片天线。该介电透镜可以为了保护免受脏污而部分地由天线罩包围。介电透镜可以这样构造并且相对于天线来布置，使得由天线发射的雷达信号的波前在穿过介电透镜时变形成基本上平面的波前。所发射的雷达信号可以是具有恒定的、预给定的频率的连续雷达波或者可以是具有预给定的频率的被调制到载波的高频信号。该雷达信号可以此外是脉冲信号。如上述地，该天线可以布置在介电透镜的焦点中并且沿着介电透镜的光轴与发射特性的中央轴对准。由此，在穿过介电透镜之后产生平面的波前，所述平面的波前平行于介电透镜的主平面对准并且垂直于所述主平面传播。

根据一种扩展方案，所述方法可以此外包括：基于确定的速度来确定降水量。如上述地，可以为了确定雨水滴的速度来向下混频所接收的雷达信号并且根据i/q方法来处理，以便确定信号的相位信息。由相位信息的时间上的变化可以然后计算所反射的雨水滴的速度。可替代地，可以由接收和发送信号的频率的比较来确定多普勒频移，可以由其在了解发送信号的频率的情况下确定相对速度。在此情况下应考虑，该多普勒效应基于在雨水滴上的雷达信号的反射而两次地出现。

根据一种扩展方案，雨水滴的速度的确定可以包括：借助环形耦合器来将所发射的雷达信号和所反射的雷达信号分离。以这种方式，发送路径和接收路径可以毫无问题地结合。接收信号可以如上述地借助信号处理单元、例如利用单片微波集成电路来处理，以便确定雨水滴的速度并且由此确定其直径。对此，从存储单元读出雨水滴的直径和速度之间的相关性或者作为功能上的关联来评估。由击中到天线罩上的雨水滴的直径和天线罩的横截面可以然后确定降水量。各个确定步骤在此可以由信号处理单元和/或分开的处理器单元来执行。

所描述的设备和方法允许精确并且可靠地确定降水量，其中消除由风和雨水滴击中的部位的歪曲影响。该降水雷达此外是尤其紧凑的并且可以因此简单地并且节省空间地使用在最不同的部位处。

附图说明

本发明的其他特征和示例性的实施方式以及优点接下来根据附图进一步阐述。显而易见的是，所述实施方式并不详细阐明本发明的范围。此外，显而易见的是，在下文中描述的特征的一些特征或全部特征也可以以其他方式相互结合。其中：

图1a-c示例性地示出在使用现有技术的双基地雷达传感器情况下出现的对所测量的雨水滴的速度的歪曲影响；

图2示意性地示出根据本发明的用于降水测量的设备的示例性实施方案。

具体实施方式

图2示意性地示出根据本发明的用于借助雷达进行降水测量的设备的示例性实施方案。该图为了图示目的而在侧面示出该设备。然而，优选地，该设备可以这样对准，使得介电透镜250的光轴o如在图中通过速度分量vgravitation标出地在重力方向上对准，就如在这固定安装的降水雷达情况下值得力求的那样。此外，该图以强烈放大的形式示出环形耦合器260和单片微波集成电路270。然而，显而易见的是，该环形耦合器260、mmic270和其他需要的元件与介电透镜250和贴片天线240共同地作为紧凑构件来被安置在由天线罩230封闭的圆柱体（未示出）中。

如上述地，在根据本发明的设备情况下在天线罩230和天线240之间布置介电透镜250，其中该天线240同时用于发送和接收雷达信号。在这里示出的非限制的扩展方案中，贴片天线240布置在介电透镜250的焦点中。然而，该天线240可以也布置在介电透镜的焦点平面的另一点中。在这种情况下，在穿过介电透镜之后，所述平面的波前倾斜于光轴地传播。

如在图2中示出的，介电透镜250这样构造并且关于天线240来布置，使得由天线240发射的、球形的波前在穿过介电透镜之后变形成平面的波前w。所述平面的波前w平行于介电透镜250的主平面h地传播。换言之，平行雷达射束在穿过介电透镜250时聚焦在贴片天线240上。因此，由天线240所发射的雷达信号作为平行射束击中到落下的雨水滴201上。在介电透镜250的光轴o在重力方向上对准时，因此只有基于重力的雨水滴201的落下速度vgravitation在雨水滴上反射雷达信号时对多普勒频移作出贡献。雨水滴的总速度vtropfen的通过可能的风影响引起的水平分量vwind对反射回到贴片天线240的雷达信号的多普勒频移不具有影响。

因为所发射的雷达波在穿过介电透镜之后以平面的波前的形式传播，相反地也将由雨水滴所反射的雷达信号作为平行的射束反射回介电透镜250，该介电透镜如在图2中所示地将射束聚焦到贴片天线240上。作为平面的波前的结果，一方面所测量的速度不再通过如下部位被影响，相应雨水滴201在所述部位上撞击到天线罩230上。另一方面，经反射的雷达信号的聚焦引起信噪比的改善。

待发射的雷达信号tx在这里示出的非限制性的扩展方案中借助单片微波集成电路（mmic）270来产生并且置于环形耦合器260的第一闸门261上。因为在所示的单基地降水雷达情况下只有一个唯一的贴片天线被用于发送和接收，同时在闸门262处存在的一次信号tx和所接收的二次信号rx必须被解耦。这借助于环形耦合器260而发生，在所述环形耦合器的闸门263处因此通过干涉而输出耦合所接收的二次信号rx。所输出耦合的二次信号rx接下来为了进一步处理而被转发给mmic270的输入端。环形耦合器260的第四闸门264并不被需要并且可以如在图2中示出地被置于50ω的地连接端上。然而，显而易见的是，这种连接端的所示出的实施方案仅仅示出示例性的扩展方案，其能够根据要求而定地适配于高频电路。

如上述地，所接收的二次信号rx单独地或者在考虑一次信号tx的情况下可以由信号处理单元270处理。在此，能够由二次信号rx尤其是确定相位信息，就如通过差分信号输出端在图中所标明的。对于模拟信号处理，可以使用差分信号，因为所述差分信号相对共模干扰并不敏感。此外，总归由mmic提供的差分信号（例如ip-in）的信噪比（snr）大于单个信号（例如仅ip）的snr。可以由二次信号的相位信息的时间上的变化来直接确定雨水滴的速度vgravitation。可替代地，由能够通过二次信号与一次信号的频率比较所确定的多普勒频移能够间接确定雨水滴的速度vgravitation。在这两种情况下应考虑，由于所发射的雷达波的反射而出现效应的加倍。对于将多普勒频移换算成速度vgravitation所需的数据可以被存储在存储单元中，例如闪存存储器（未示出）中并且由mmic270或分开的处理器单元（未示出）读出。

可以通过雨水滴的速度和直径之间的相关性由雨水滴的所确定的速度来确定降水量。如果降水量以预给定的时间间隔、例如15秒、以规则的间隔、例如1分钟来确定，因此可以确定以每时间单位的降水量的时间上的变化。对于相关性所需的数据可以同样地被保存在存储单元中。可以由处理器单元执行必要的算法。具有介电透镜和单基地天线的降水雷达的所示的构造方案回避双基地降水雷达的所有缺点并且实现：以紧凑和可靠的方式确定降水量。