一种三维微波链路组网探测近地面三维降水实验场系统

1.本技术属于微波遥感技术领域，具体涉及一种三维微波链路组网探测近地面三维降水实验场系统。


背景技术：

2.降水是导致洪涝灾害、山体滑坡、泥石流等自然灾害频繁发生的重要自然现象之一，是气象、水文、农业、交通等领域共同关注的对象。由于降水存在极为复杂的粒子碰撞、破碎、合并、凝结和蒸发等过程，降水强度、粒子谱分布在不同高度分布不均匀，尤其是在近地面(300米以下)，受到大气湍流的影响，降水宏观物理特征的时空变化更为复杂。从大气科学研究角度出发，迫切研究不同地区、不同季节、不同云系、不同发展阶段的三维降水宏观物理特征，为了解云中成雨过程、云动力学和微物理学之间的相互制约，掌握降水的微观物理特征和宏观动力结构的相互关系，加深对云和降水物理的科学认识，进一步推动大气遥感及相关应用奠定技术基础。
3.已有测量手段中，雨滴谱仪架设在铁塔可以获取不同高度的雨滴谱和降水强度，但是只能获取有限个点的样本；微雨雷达通过垂直发射调频连续波，可以获取不同高度雨滴谱和降水强度，但是只能获取垂直方向的廓线；天气雷达通过扫描可以获取大范围降水情况，但是受到地球曲率的影响，难以获取近地面的降水情况，而且时空分辨率较低。微波链路降雨测量方法是目前大范围区域降雨监测的新方法，单条微波链路可以反演获取路径平均雨强，多条微波链路组网可以反演得到区域降雨分布。该方式具有时空分辨率高、反演结果代表性高、性价比高、补充盲区等特点。但是，现有研究只针对移动通信网中水平分布的微波链路，只能获取水平降雨场。
4.目前，如何将商用微波链路应用于近地面三维降水场，已成为本领域的研究热点。


技术实现要素：

5.本技术提出了一种三维微波链路组网探测近地面三维降水实验场系统，通过建立多条视距微波链路，构建起一个三维微波链路网，然后对微波发射功率和接收功率进行反演计算，得到降雨强度。
6.为实现上述目的，本技术提供了如下方案：
7.一种三维微波链路组网探测近地面三维降水实验场系统,包括多频微波收发系统、微波系统搭载平台、微波链路数据传输系统和三维降水场反演系统；
8.所述多频微波收发系统用于组成三维微波链路网；
9.所述微波系统搭载平台用于安装所述多频微波收发系统；
10.所述微波链路数据传输系统用于采集所述多频微波收发系统发出的微波数据，并传输至所述三维降水场反演系统；
11.所述三维降水场反演系统用于对所述微波数据进行反演处理，生成三维降水场雨强数据，所述三维降水场雨强数据用于反映近地面三维降水场的时空分布和规律。
12.优选的，所述多频微波收发系统包括若干个微波发射单元和若干个微波接收单元；
13.所述微波发射单元和微波接收单元用于组成视距微波链路，基于所述视距微波链路，生成微波数据，所述微波数据包括所述微波发射单元的发射功率和所述微波接收单元的接收功率。
14.优选的，每个所述微波发射单元的频段均不同。
15.优选的，所述微波系统搭载平台包括地面塔式搭载平台和空中悬浮搭载平台；
16.所述地面塔式搭载平台和所述空中悬浮搭载平台均安装所述微波发射单元和所述微波接收单元。
17.优选的，所述微波链路数据传输系统包括若干个微波信号采集单元和一个物联网数传单元；
18.所述微波信号采集单元用于采集所述微波数据；
19.所述物联网数传单元用于将所述微波数据发送至所述三维降水场反演系统。
20.优选的，所述微波信号采集单元的数量等于所述微波接收单元的数量；
21.所述微波信号采集单元与所述视距微波链路相连接对应连接。
22.优选的，所述三维降水场反演系统包括数据中心单元、反演单元和用户终端单元；
23.所述数据中心单元用于对所述微波数据进行预处理和存储；
24.所述反演单元用于对所述微波数据进行反演处理，生成所述三维降水场雨强数据；
25.所述用户终端单元用于显示所述三维降水场雨强数据。
26.优选的，所述反演单元包括晴雨区分模块、晴空基值模块、路径雨强反演模块和三维降水场重构模块；
27.所述晴雨区分模块用于根据所述微波数据得到天气晴雨状态；
28.所述晴空基值模块用于根据所述微波数据得到晴空指数；
29.所述路径雨强反演模块用于根据所述晴空指数和所述天气晴雨状态，得到雨强反演数据；
30.所述三维降水场重构模块用于根据所述雨强反演数据生成所述三维降水场雨强数据。
31.本技术的有益效果为：
32.本技术公开了一种三维微波链路组网探测近地面三维降水实验场系统，通过架设三维微波链路网，以探测获取高时空分辨率的三维降水场，为降水物理机理揭示、降水动力过程演变、电磁波传播效应评估等研究和应用可靠依据，降水科学研究和遥感应用中提供高时空分辨率的探测实验环境，本实验场系统架设便捷，可重复利用，实用性强，便于推广。
附图说明
33.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本技术实施例一种三维微波链路组网探测近地面三维降水实验场系统结构
示意图；
35.图2为本技术实施例的三维微波组网探测示意图。
具体实施方式
36.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
37.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。
38.如图1所示，本技术实施例三维微波链路组网探测近地面三维降水实验场系统结构示意图，包括多频微波收发系统、微波系统搭载平台、微波链路数据传输系统和三维降水场反演系统。其中，多频微波收发系统用于组成三维微波链路网；微波系统搭载平台用于安装多频微波收发系统；微波链路数据传输系统用于采集多频微波收发系统发出的微波数据，并传输至三维降水场反演系统；三维降水场反演系统用于对微波数据进行反演处理，生成三维降水场雨强数据，三维降水场雨强数据用于反映近地面三维降水场的时空分布和规律。
39.具体的，微波系统搭载平台包括地面塔式搭载平台和空中悬浮搭载平台，在本实施例中，采用常见的铁塔作为地面塔式搭载平台，在图1中铁塔按顺序依次标记为铁塔1、铁塔2
……
铁塔n1。进一步的，铁塔可分为固定式和可移动式两种，对于关键区域，可以加装可移动式铁塔及相应微波设备，进行加密观测。采用浮空气球作为空中悬浮搭载平台，在图1中与铁塔采用类似标记方式，标记为浮空气球1
……
浮空气球n2。每座铁塔和每个浮空气球根据实际需要配置有相对应支撑连接件。在本实施例中，如图2所示，每座铁塔和每个浮空气球上均安装有微波发射单元和微波接收单元。特别的，每座铁塔上分层安装微波发射单元和微波接收单元，以实现不同角度的微波探测。进一步的，微波发射单元与微波接收单元架设于不同高度，构成多频微波链路的三维网络。上述铁塔的层数和高度、浮空气球的位置、高度可以根据实验需求进行随时调整。除了自建铁塔和浮空气球以外，还可以利用已有的通信基站铁塔、高楼和山顶等。进一步的，在本实施例中，微波发射单元和微波接收单元的天线方向可以根据实验需求进行调整，可形成若干层的二维水平网络、二维垂直网络，也可形成多层相互交叉的三维网络，从而实现对三维降水场的立体采样和重构。微波发射单元和微波接收单元支持一对一、多对一、多对多模式，在降低硬件成本的同时，增加了微波链路的条数和空间覆盖，从而提高降水采样的空间代表性。
40.在本实施例中，数个微波发射单元和数个微波接收单元合成为多频微波收发系统，每一个微波发射单元与微波接收单元相对应，组成一条视距微波链路，多条微波链路组成三维微波链路网，用于得到微波数据，在本实施例中，微波数据包括微波发射单元的发射功率和微波接收单元的接收功率。为了尽可能的广泛的采集不同频率的微波数据，因此，本实施例中所有的微波发射单元的频率均彼此不同，用以涵盖多个频段，包括但不限于10ghz～80ghz。鉴于此，在本实施例中，微波发射单元采用与铁塔相同的标记方式，如图1所示，微波发射单元标记为微波发射单元1、微波发射单元2
……
微波发射单元n3，响应的，与微波发
射单元相对应的微波接收单元分别标记为微波接收单元1、微波接收单元2
……
微波接收单元n3。
41.在本实施例中，微波链路数据传输系统包括若干个微波信号采集单元和一个物联网数传单元；微波信号采集单元实时采集微波数据，必要时，可根据实际需要，采集包括信噪比、时延等参量，这些数据可以直观的反映出微波信号的衰减情况。物联网数传单元将微波数据汇总发送至三维降水场反演系统，数据传输方式不限于有线或无线方式，例如光纤、数据线缆、wifi、lora、4g/5g、微波回传、北斗等方式。
42.在本实施例中，微波信号采集单元的数量等于微波接收单元的数量，每一个微波信号采集单元与只与一条视距微波链路相连接对应连接。如图1所示，微波信号采集单元也参照前述标记方式，分别标记为微波信号采集单元1、微波信号采集单元2
……
微波信号采集单元n4。由于统一使用一个物联网数传单元，所以只标记为物联网数传单元1。
43.在本实施例中，三维降水场反演系统包括数据中心单元、反演单元和用户终端单元；其中，数据中心单元用于对微波数据进行预处理和存储；反演单元用于对微波数据进行反演处理，生成三维降水场雨强数据；用户终端单元用于显示三维降水场雨强数据。
44.具体的，数据中心单元对微波数据(主要是多频微波发射功率和接收功率)的预处理操作包括将接收到的微波数据按照时间-频点，建立时间与微波频率的对应关系，以及按照频率分类，以方便后期数据处理。同时，所有的微波数据和时间-频点对应关系同步存入数据库中。
45.在本实施例中，反演单元包括四个子模块，分别是晴雨区分模块、晴空基值模块、路径雨强反演模块和三维降水场重构模块
46.具体的，晴雨区分模块根据微波数据得到天气晴雨状态。在微波降雨观测中，微波的衰减程度可直观的反映出天气状况，衰减越小，越表示天气晴朗，衰减越大，表示降雨强度雨大。据此，由微波数据即可反映出目前的天气晴雨状态，是晴天，或是雨天。
47.晴空基值模块在晴天状态下，根据微波信号衰减情况，可得出晴空指数。当探测为雨天时，路径雨强反演模块对晴空指数反演，即可得到雨强反演数据。最后，三维降水场重构模块根据雨强反演数据进行重构，生成三维降水场雨强数据，实现近地面三维降水场的探测，反演数据结果输出到用户终端，供查询、显示、存储等交互。
48.本实施例在三维降水场探测实验时，可参照如下步骤进行：
49.1)确定三维降水观测场及观测范围；
50.2)设计三维链路网的拓扑结构，确定铁塔和浮空气球的位置、层数和高度；
51.3)在指定地点架设铁塔和浮空气球，在铁塔和浮空气球上分别架设微波发射单元和接收单元；
52.4)调整微波发射单元和接收单元的天线方位角和俯仰角，使其接收功率最大，形成一对一、多对一或多对多条视距微波链路；
53.5)联调联试后，上电工作；
54.6)信号采集单元实时采集微波信号的发射功率与接收功率等，通过物联网数传模块回传至三维降水场反演系统；
55.7)数据中心单元对回传的多频微波发射功率和接收功率进行预处理和入库；
56.8)反演单元分别进行晴雨区分、晴空基值确定、路径雨强反演和三维降水场重构，
得到三维降水场雨强数据；
57.9)通过用户终端，进行查询、显示、存储等交互。
58.10)根据探测需求，对链路拓扑结构和铁塔、天线等进行调整，重复步骤2)—9)。
59.以上所述的实施例仅是对本技术优选方式进行的描述，并非对本技术的范围进行限定，在不脱离本技术设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本技术的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本技术权利要求书确定的保护范围内。