[發明專利]一種使用微波雷達全自動降水測量的系統及方法

在審

• 申請號: 202010356233.0
• 申請日: 2020-04-29
• 公開（公告）號: CN111487625A
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發明（設計）人: 王鵬;劉江峰;王新威;鄧致富;涂友超;余本海;耿曉菊;龔克;余大慶
• 申請（專利權）人: 信陽師范學院;東莞綠光新能源科技有限公司
• 主分類號: G01S13/95
• 分類號: G01S13/95;G01S7/34;G01S7/41;G01S7/35;G01S7/292;G01W1/14
• 代理公司: 鄭州中原專利事務所有限公司 41109
• 代理人: 李想

1.一種使用微波雷達全自動降水測量的系統，其特征在于：包括微波雷達收發模塊，與回波高增益放大模塊連接，用于實時監測降水回波信號并傳輸至回波高增益放大模塊；回波高增益放大模塊，與降水量分析統計模塊連接，用于將降水回波信號放大后進行模數轉換傳輸至降水量分析統計模塊；自動增益控制模塊，分別與降水量分析統計模塊和回波高增益放大模塊連接，用于根據降水量分析統計模塊中的當前的降水強度對回波高增益放大模塊進行自動控制；溫濕度監控模塊，與降水量分析統計模塊連接，用于監控環境溫濕度和電路板的實時溫度并傳輸至降水量分系統及模塊；降水量分析統計模塊，用于接收回波高增益放大模塊發送的放大后的回波信號數字量和溫濕度監控模塊發送的實時板上溫度值，并發送實時能量監測值至自動增益控制模塊，并對經過自動增益控制后的放大回波信號進行能量檢測和多譜勒分析，通過前者標定降水強度，通過后者檢測降水類型，還利用溫濕度監控模塊的測量值對能量統計結果進行修正。

2.如權利要求1所述的使用微波雷達全自動降水測量的系統，其特征在于：所述的系統還包括二次電源模塊，所述的二次電源模塊輸入12V電源，分別輸出提供給加熱模塊的大功率直流電、供模擬電路使用的模擬電和供數字電路使用的數字電。

3.如權利要求1所述的使用微波雷達全自動降水測量的系統，其特征在于：所述的系統還包括日志記錄與通信模塊，與降水量分析統計模塊連接，所述的日志記錄與通信模塊包括RTC實時時鐘和TF讀卡器，將降水量分析統計結果及溫濕度傳感數據等測量結果實時記錄在大容量TF卡中，同時，測量結果通過接口或無線網絡直接連接至計算機并通過專用的上位機軟件接收和分析。

4.如權利要求1所述的使用微波雷達全自動降水測量的系統，其特征在于：所述的系統還包括加熱模塊，與溫濕度監控模塊連接。

5.如權利要求1所述的使用微波雷達全自動降水測量的系統，其特征在于：所述的微波雷達收發模塊包括收發一體天線、高頻壓控振蕩器和混頻器，所述的高頻壓控振蕩器通過收發一體天線對外輻射高頻電磁波，所述的混頻器將高頻壓控振蕩器發射能量的一小部分耦合至混頻器與回波信號進行混頻，對外輸出回波基帶信號。

6.如權利要求1所述的使用微波雷達全自動降水測量的系統，其特征在于：所述的回波高增益放大模塊包括依次連接的第一級放大器和第二級放大器和模數轉換芯片；所述的第一級放大器和第二級放大器的放大增益的調節通過數控電阻的步進檔位控制，經2級放大器輸出后即為經過合適放大后的回波能量，由模數轉換芯片轉換至數字量，提供給自動增益控制模塊和降水量分析統計模塊。

7.如權利要求1所述的使用微波雷達全自動降水測量的系統，其特征在于：所述的自動增益控制模塊根據當前的回波能量強度，通過數控電阻步進控制回波高增益放大模塊選擇合適的放大倍數。

8.一種應用如權利要求1所述系統的測量方法，其特征在于：包括以下步驟：

S1：微波雷達收發模塊接收到降水回波信號后輸出回波基帶信號；

S2：回波基帶信號經回波高增益放大模塊放大后轉換為數字量信號數據發送至降水量分析統計模塊；

S3:降水量分析統計模塊結合電路板上溫度傳感器的實時溫度值，通過自動增益控制模塊修正真實放大倍數，得到原始回波能量值后，降水量分析統計模塊進行能量檢測分析，判斷是否有降水事件發生；

S3：將降水量分析統計結果連同對應的RTC實時時鐘信息共同組成完整的降水統計信息幀，并發送至日志記錄與對外通信模塊保存至TF卡或傳輸至外部上位機。

9.如權利要求8所述的測量方法，其特征在于：所述方法還包括根據同一能量檢測下對應的多普勒頻率進行閾值判斷實現對不同降水類型的區分。

10.如權利要求8所述的測量方法，其特征在于：所述的降水量分析統計模塊的工作過程具體如下：S1：判斷是否收到1s中斷，若是，對過去1s內收到的多組基帶數據進行帶通濾波以濾波帶外噪聲；

S2：對S1中濾波后的多組基帶數據進行2：1數據抽取，作為采樣數據；

S3：利用當前電路板上溫度修正放大增益系數，對采樣數據用該系數進行歸一化以得到真實回波信號；

S4：對歸一化時域采樣數據進行快速傅里葉變換，計算指定頻率F1-F2范圍內的回波能量累加值E1，E1是否超過設定閾值1，若否，則沒有降水事件發生，將降水統計信息發送至日志記錄與對外通信模塊；若是，則找出快速傅里葉變換后對應的回波強度最大頻率分量及臨近分量能量值E2；

S5：對E2進行指定窗口大小的中值濾波，得到E3，E3是否連續超過10次超過設定閾值2，若否，則未達可靠閾值條件，認定為異常干擾，不構成降水事件；若是，則降雨事件發生，開始累加E3，記做ACC；

S6：將ACC轉換為對應的降水量；獲取電路板上實時時鐘信息，與降水強度數據共同組成降水統計信息，將降水統計信息發送至日志記錄與對外通信模塊。