一种地表雨量测量系统及方法

本发明涉及气象测量，具体为一种地表雨量测量系统及方法。

背景技术：

1、现今地表降雨测量技术发展迅速，雨量测量设备分为接触式和非接触式。接触式的有：翻斗式雨量筒、称重式雨量筒、压电式雨量计和称重式雨量计等，而非接触式的主要有：光学雨量计和雷达式雨量计。雨量筒对于水定量测量，其量程窄、响应速度慢、易受外界环境干扰；压电式雨量计用冲击测压原理，可识别降雨类型，但量程两端测量误差大、且须定期维护；地基和星载气象雷达无法精确测量地表降雨量。当前，地表雨量的测量主要是采用传统的雨量测量设备，但是，传统地表雨量测量的精度低、时效性能差，不能很及时的预防暴雨等气象灾害。

2、ka波段连续波雷达是一种频率范围为26.5-40ghz的连续毫米波雷达，它具有分辨率高、抗干扰能力强的特点，在航空航天、军事、气象和地球科学等领域有广泛应用，因此，我们提出一种地表雨量测量系统及方法，以解决传统地表雨量测量设备测量精度低，响应速度慢和量程窄的缺点。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对背景技术中存在的缺点和问题加以改进和创新，提供一种地表雨量测量系统及方法。

2、根据本发明的第一方面，提供一种地表雨量测量系统，包括连续波雷达模块、数据采集模块和降雨数据处理模块，所述连续波雷达模块和数据采集模块电连接，所述数据采集模块和降雨数据处理模块电连接，所述连续波雷达模块用于发射连续电磁波信号，并接收散射回波信号；所述数据采集模块用于将散射回波信号转换成离散回波序列，所述降雨数据处理模块用于对离散回波序列进行计算处理，反演降雨强度。

3、进一步的方案是，所述连续波雷达模块包括收发天线、前端组件和收发模块，收发天线包括多个发射天线和接收天线，所述发射天线和接收天线阵列分布在天线板的上表面两侧，发射天线用于发射电磁波信号，接收天线用于接收散射回波信号，前端组件用于对接收到的散射回波信号进行增益控制，收发模块用于对散射回波信号进行混频和放大处理。

4、根据本发明的第二方面，提供一种地表雨量测量方法，具体包括以下步骤：

5、设置雷达发射功率pt、电磁波波长λ、天线增益gt，确定采样频率fs和采样时间t，在一个采样时间t后，获取到散射回波信号对应的第一数组数据序列x(n)＝[x1,x2,...xn]，其中n＝fs×t，xn表示信号幅度值，即为电压值；其中，发射功率的单位为dbm，波长的单位为m，天线增益的单位为dbi，采样频率的单位为hz，采样时间的单位为s，电压的单位为v；

6、对第一数组数据序列x(n)＝[x1,x2,...xn]进行mti处理，以去除杂波信号，得到第二数组数据序列y(n)＝[y1,y2,...yn-1]，其中y(n)＝x(n+1)-x(n)；

7、对第二数组数据序列取点数n，其中n<n-1，由n值知，再经快速傅里叶变换后，以得到在数字频率范围内的数字信号数据幅度谱图x(k)，其中数字信号数据幅度谱图x(k)的纵坐标为电压值，横坐标为数字频率，纵坐标的单位为mv，横坐标的单位为hz；

8、对数字信号数据幅度谱图x(k)中各个数字频率对应的电压值乘上系数并进行加权校正，校正后求平方，得到数字信号功率谱图p(k)，功率谱图p(k)的纵坐标的单位为mw，横坐标的单位为hz；

9、根据数字信号功率谱图p(k)中各个点的功率pr值，求和计算并取平均后得到雨滴的回波功率pr，其中

10、根据回波功率pr，计算得到降雨强度r；

11、其中，

12、式中，σi为单位体积散射体的散射截面积，r为进入天线波束范围的雨滴到雷达的距离，di表示为第i个雨滴直径，θh表示天线波束的仰角，θv表示天线波束的方位角，c为常数；|k2|为复折射率，π为圆周率；

13、而z＝arb，z为雷达反射率因子，r为降雨强度，a，b均为常数，则pr＝carb；回波功率pr单位为mw，r降雨强度单位为mm3/h，z雷达发射率因子单位为mm6/m3；

14、将所得降雨强度r与预设的降雨强度等级比较，从而得出降雨类型，所述降雨类型至少包括小雨、中雨、大雨和暴雨。

15、进一步的方案是，所述对第二数组数据序列y(n)取点数n的步骤之前包括：

16、对第二数组数据序列y(n)进行快速傅里叶变换，将第二数组数据序列y(n)对应的时域信号转换为频域信号，绘制出模拟信号数据幅度谱图，其中模拟信号数据幅度谱图的纵坐标为电压值，横坐标为模拟频率即多普勒频率，纵坐标的单位为mv，横坐标的单位为hz；

17、根据多普勒频率，计算得到雨滴的直径和雨滴的速度，

18、

19、式中，d为雨滴直径，v为雨滴速度，e为自然常数，λ为发射的电磁波波长，f0表示多普勒频率。

20、进一步的方案是，所述对第二数组数据序列y(n)取点数n，其中n<n-1，由n值知，再经快速傅里叶变换后，以得到在数字频率范围内的数字信号数据幅度谱图x(k)的步骤具体包括：

21、依次将第二数组数据序列y(n)对应的电压电信号每间隔预设数量为一组，取平均值，得到对应的电压数字信号；所述预设数量等于n-1为n的比值；

22、将得到的电压数字信号经快速傅里叶变换后，得到在数字频率范围内的数字信号数据幅度谱图x(k)。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本申请通过在天线板上阵列分布的发射天线发射电磁波，形成天线波束，落入到天线波束区域的降雨散射电磁波信号，接收天线接收散射回波信号，数据采集模块将接收到的散射回波信号转换成离散回波数据序列，再对离散回波数据序列进行mti处理和快速傅里叶变换，以得到在数字频率范围内的数字信号数据幅度谱图x(k)，对数字信号数据幅度谱图x(k)中各个数字频率对应的电压值乘上系数并进行加权校正，校正后求平方，得到数字信号功率谱p(k)，根据功率谱p(k)中各个点的功率pr值，求和取平均计算得到雨滴的回波功率pr；根据回波功率pr，计算得到降雨强度r，实现雨强反演和降雨类型分类；此外本申请还可以对第二数组数据序列y(n)进行快速傅里叶变换，将第二数组数据序列y(n)对应的时域信号转换为频域信号，绘制出模拟信号数据幅度谱图，通过模拟信号数据幅度谱图对应的模拟频率，即多普勒频率，反演雨滴的直径和速度；本发明利用ka波段连续波雷达反演地表降雨量，能够实现高精度的测量结果，为天气预报和防洪抗旱等决策提供准确可靠的数据支持；采用高频率的雷达信号，能够实现对地表雨量的高频率测量，提高了测量的准确性。

技术特征：

1.一种地表雨量测量系统，其特征在于：包括连续波雷达模块(1)、数据采集模块(2)和降雨数据处理模块(3)，所述连续波雷达模块(1)和数据采集模块(2)电连接，所述数据采集模块(2)和降雨数据处理模块(3)电连接，所述连续波雷达模块(1)用于发射连续电磁波信号，并接收散射回波信号；所述数据采集模块(2)用于将散射回波信号转换成离散回波序列，所述降雨数据处理模块(3)用于对离散回波序列进行计算处理，反演降雨强度。

2.根据权利要求1所述的一种地表雨量测量系统，其特征在于：所述连续波雷达模块(1)包括收发天线(101)、前端组件(102)和收发模块(103)，收发天线(101)包括多个发射天线(1011)和接收天线(1012)，所述发射天线(1011)和接收天线(1012)阵列分布在天线板的上表面两侧，发射天线(1011)用于发射电磁波信号，接收天线(1012)用于接收散射回波信号，前端组件(102)用于对接收到的散射回波信号进行增益控制，收发模块(103)用于对散射回波信号进行混频和放大处理。

3.一种基于权利要求1～2任一项所述系统的一种地表雨量测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种地表雨量测量方法，其特征在于：所述对第二数组数据序列y(n)取点数n的步骤之前包括：

5.根据权利要求3所述的一种地表雨量测量方法，其特征在于：所述对第二数组数据序列y(n)取点数n，其中n<n-1，由n值，再经快速傅里叶变换后，以得到在数字频率范围内的数字信号数据幅度谱图x(k)的步骤具体包括：

技术总结
本发明公开了一种地表雨量测量系统及方法，包括连续波雷达模块、数据采集模块和降雨数据处理模块，连续波雷达模块和数据采集模块电连接，数据采集模块和降雨数据处理模块连接。本发明通过获得采样序号数组数据序列，再对采样序号数组数据序列进行MTI处理和快速傅里叶变换，以得到在数字频率范围内的数字信号数据幅度谱图X(k)，进一步得到数字信号功率谱图P(k)，根据数字信号功率谱图P(k)中各个点的功率p<subgt;r</subgt;值，求和取平均计算得到雨滴的回波功率P<subgt;r</subgt;；根据回波功率P<subgt;r</subgt;，计算得到降雨强度R，实现雨强反演和降雨类型分类。

技术研发人员：陈根华,邱涛荣,刘翠祯,刘玉兴,李鸿杰,江群烁
受保护的技术使用者：南昌工程学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15