基于微波链路的路径雨强反演方法及实验研究

从大气气体吸收衰减模型出发, 基于微波雨衰特性和雨滴谱统计资料建立了微波链路降雨有效衰减的修正模型和视距微波链路的降雨反演模型. 设计并搭建一条视距微波链路测雨实验系统, 利用降雨反演模型反演了路径平均降雨强度, 并与雨滴谱仪进行了同步对比. 观测结果表明, 视距微波链路降雨反演模型的反演雨强与雨滴谱仪测量结果的相关系数大多高于0.6, 最高可达0.9647; 累积降雨量的绝对误差大多在0.5 mm以内, 最小偏差仅有0.0827 mm; 相对偏差大部分在15%以内, 最小相对误差为3.3415%. 实验结果验证了微波链路反演降雨的有效性和准确性.     

基于支持向量机的微波链路雨强反演方法

为提高微波链路雨致衰减反演雨强精度, 在Mie散射理论、气体吸收衰减模型以及Gamma雨滴谱分布的基础上, 将支持向量机引入到微波链路测量降水中, 提出了基于支持向量机的微波链路雨强反演方法, 并开展了15–20 GHz频段的视距微波链路与地面雨滴谱仪的同步观测降雨实验. 实验结果表明, 基于支持向量机的微波链路雨强反演模型的反演雨强与实测雨强的相关系数全部高于0.6, 最高达到0.9674; 雨强的均方根误差最小值为0.5780 mm/h, 累积降雨量的绝对最小误差仅为0.0080 mm; 相对偏差大部分在10%以内, 最小偏差为0.7425%. 实验结果验证了基于支持向量机的微波链路雨强反演方法的有效性、准确性和适用性, 对于进一步提高微波链路反演降雨精度、改善降水监测效果具有重要意义.     

基于微波链路的降雨场反演方法研究

本文基于微波雨衰的幂律关系, 研究了使用微波链路反演降雨场的方法, 采用层析技术建立了降雨场反演模型. 并利用SIRT算法与正则化算法实现对降雨场层析反演模型的求解. 数值模拟结果表明, 该模型与反演算法能够较为准确地重建降雨场强度与空间分布特征, 能够提供高时空分辨率的二维降雨强度分布. 因此, 利用微波衰减数据进行降雨探测可以作为常规的雨量计与天气雷达观测手段的有效补充. 关键词： 微波雨衰 微波链路 降雨场重建 层析反演     

基于1–10GHz空地链路信号的雨强监测方法可行性研究

空地链路上的微波信号受降雨影响, 会产生功率衰减和去极化效应. 基于这些物理特性, 本文提出利用1–10 GHz空地链路信号的降雨干扰项获取雨强的方法, 并开展了相关理论研究. 根据空地链路信号与雨滴复杂的相互作用, 研究了空地链路信号频率为1–10 GHz时, 雨强 (rain rate, R) 对衰减 (attenuation, A) 和交叉极化分辨率 (cross-polarization discrimination, XPD)的影响, 分别建立了A-R和XPD-R关系模型. 通过数值模拟, 分别分析了利用上述两个关系模型估测雨强的可行性, 并系统研究了不同频率、极化方式和仰角条件下的适用性. 研究结果表明, 对于水平极化或圆极化, 且频率较高的空地链路信号, 利用A-R关系反演强降雨具有理论上的可行性; 对于不同频率和极化方式的信号, XPD-R关系模型都可以用于反演雨强, 并且对于1–50 mm·h^-1范围内的雨强, XPD较为敏感; 不同仰角条件下, A-R和XPD-R 模型都适用. 在4–10 GHz时, 本文的XPD-R模型和国际电信联盟ITU-R中XPD预测模型的结果非常接近. 所得出的结论对于下一步开展相关的验证实验, 拓展卫星系统的气象应用, 实时估测降雨强度, 实现全球降雨观测具有重要的参考价值. 关键词： 空地链路信号 雨强 衰减特性 交叉极化分辨率(XPD)     

降雨对微波传输特性的影响分析

在归一化雨滴谱分布、雨滴的介电模型和Mie散射理论的基础上计算群雨滴在微波波段的散射和衰减特性,讨论分析雨滴谱分布、降雨强度、入射波频率和温度等因素对微波传输特性的影响.数值模拟结果表明,不同谱分布的群雨滴散射能力从大到小依次为JD,MP,Gamma和JT分布,降雨强度对微波传输特性的影响最大,入射波频率次之,温度的影响最小.所得出的结论有助于准确评估降雨对微波传输的影响以及提高利用测雨雷达和毫米波雷达等定量探测降水的精度. 关键词： 微波传输 雨滴谱分布 Mie散射 散射衰减特性     

激光雷达雨中能见度测量

 分析了雨中能见度测量值偏高是由于雨滴的前向散射效应的原因。针对这一情况,在假设雨滴谱分布满足Marshall-Palmer分布条件下,提出了激光雷达前向散射修正模型。利用自行研制的CSY2型能见度激光雷达在孝感、北京进行了为期半年的比对实验。结果显示：在中雨和大雨条件下,利用该修正算法能大大减少能见度测量误差。     

基于星地链路的垂直降雨场反演方法

在分析星地链路几何结构及传播模型的基础上,研究基于联合代数重建技术的星地链路反演二维垂直降雨场的方法.利用实测降雨资料构建3类降雨场,并搭建3条17 GHz垂直极化星地链路进行数值仿真.实验结果表明:单星地链路无法实现二维垂直降雨场的重构,反演场与真实场的相关系数分别为0.556,0.504和0.364;基于双星地链路的反演结果和真实场的相关系数均高于0.98,平均偏差分别为0.122, 0.159和0.537 mm/h,欧式距离均低于0.9 mm/h,熵的相对误差均小于1.6%,基本实现了二维垂直降雨场的反演;三星地链路的应用进一步提升了反演精度,相关系数接近于1,能够精准重构降雨场.实验结果验证了基于星地链路的垂直降雨场反演方法的可行性、准确性和有效性.星地链路的架设和维护简单,探测降雨范围广,易于在高原、山区、海岛等传统地面观测资料缺失的地区使用,可以作为已有降水测量手段的补充.     

一种基于雨声谱形状的水面降雨强度反演方法

本文依据雨声谱的不同特征,结合最小二乘法和非线性方法,分频段使用不同的模型反演水面降雨的强度。文中首先研究雨声谱在15~30 kHz的对数线性变化规律,并利用模型中的参数值将降雨类型分为无雨、小雨(＜10 mm/h)及中雨或大雨(＞10 mm/h);其次采用S型增长模型(Logistic模型)拟合小雨时的雨声谱,获得小雨期间降雨强度的量化算法;第三,研究2~10 kHz雨声谱的对数线性规律,利用回归中的参数值获得大雨期间降雨强度的量化算法。反演精度的分析结果表明,利用本算法反演的水面降雨强度与实测的水面降雨强度比较一致,每分钟平均降雨量的误差只有1%~4%,因此,本算法可以较好地反演水面降雨的强度。      

T矩阵散射模拟双偏振测雨雷达偏振及衰减特性

通过T矩阵散射模拟,研究X、C和S波段双偏振测雨雷达在单分散雨滴谱、不同雨强和不同最大雨滴直径下的偏振和雨区衰减特性,分别建立三种不同波段双偏振雷达反射率因子和差分反射率的雨区衰减订正关系.最后,用实测雨滴谱数据和X波段双偏振雷达实测反射率数据验证散射模拟结果的准确性.     

星地微波光传输链路分析

根据星地大容量通信发展需求,研究了基于微波空间光传输技术的星地激光通信链路。在建立星地微波光传输链路模型的基础上,分析了链路光功率衰减、输出微波信号、噪声功率以及在大气湍流信道下系统的误码率。仿真分析了调制器直流偏置电压大小对链路输出信噪比和误码率的影响,结果表明,相对于通常的正交偏置工作点,通过优化控制直流偏置点的位置,可以提高链路输出信噪比和误码率,这种改善程度随着调制系数的减小而增大。该研究为建立星地微波光传输系统提供了有益参考。     

Statistical Prediction Modeling of Rain Induced Attenuation and Depolarization

Millimeter wave rain co-polarization attenuation, CPA, and cross polarization discrimination, XPD, measurements have been made at 35GHz and 94GHz over a line-of-sight link. On the basis of these experimental results, a study of this rain medium has been made with the method of link measurements. In this paper, we presented a statistical prediction modeling of rain-induced attenuation and depolarization from the statistical distribution of the rain intensity, and the size, and canting angle of raindrops. Our computational results are in good agreement with data of measurements.     

The Prediction of Rain-Induced Attenuation in MM Wave Band by Rain Medium System Model

While the millimeter radio wave propagates through rainfall, it will be attenuated heavily due to assimilation and scattering of rain. It is imperative to establish a simple and effective model to predict the rain-induced attenuation. In this paper, the rainfall is taken as a random system that can attenuate the radio wave. The transfer function matrix model is selected to be the random system model. Using experiment rain attenuation data at different rain rate, the correlation entropy and residue error of the system is obtained by system identification method. On the basis of correlation entropy and residue error, we can determine the order of the predication system. At last, the predication model that can forecast heavy rain attenuation by small rain attenuation is gotten by applying the least square method. The comparison shows that the discrepancy between the predication result of the obtained model and the experiment rain attenuation data is relatively minor.     

降雨粒子的无线紫外光散射特性

紫外光与降雨粒子相互作用发生散射,散射光特性改变能够反映降雨粒子的相关物理特性（如粒子尺寸参数、浓度、形态）,因此研究粒子的物理参数对散射光特性的影响对有效提高光谱法定量探测降水的精度有很大意义。由于雨滴在非球形降水粒子中具有代表性,以群雨滴粒子为例,采用T矩阵理论,利用紫外光直视和非直视单次散射模型,分析了入射光波长、群雨滴粒子形态、降雨强度、粒径大小与散射光强之间的关系。并用蒙特卡洛方法仿真分析了非球形群雨滴粒子在不同降雨强度和粒径下散射角与散射光强之间的关系,以及降雨环境中的风切变对紫外光散射特性的影响。通过理论及仿真分析,得到了不同群雨滴粒子形态下的路径损耗,不同降雨强度、风切变率和粒径下的散射光强分布。仿真结果表明：在紫外光直视与非直视通信方式下,降雨环境中的通信质量比晴天条件下的通信质量差,即路径损耗增大。当粒径分布已知时,随着降雨强度的增大,衰减系数增大,路径损耗增加,且直视通信方式的路径损耗比非直视降低7 dB左右。随着降雨强度、风切变率和粒子粒径的增大,散射光强曲线整体呈下降趋势,其中,降雨强度的变化对散射光强分布影响程度最大。相同通信距离时,不同降雨强度下的紫外光散射光强分布均随着散射角的增大而减小,当散射角继续增大到90°时,有效散射体体积逐渐减小,接收到的光子能量减小,暴雨中的散射光强衰减程度最大。相同降雨强度下考虑风切变时,相比较无风时的路径损耗增大5 dB左右。除此之外,还研究了椭球形和切比雪夫形粒子对紫外光散射光强的影响,结果表明当粒子粒径分布相同时,椭球形粒子的散射光强衰减较广义切比雪夫形粒子大。根据散射粒子的散射光强分布以及路径损耗能够区分雨滴粒子是否由相同粒径及形态组成,为粒子测量提供理论基础。分析降水中群雨滴粒子的光散射特性,为提高光谱法评估降水衰减的数值模拟方面提供理论依据,为光学技术在探测识别降水现象等气象领域的广泛应用提供了设计参考。     

Rain Attenuation Ratios on Short Microwave and Millimeter Wave Bands Earth-Space Paths

The knowledge of the ratio of rain attenuation at one frequency to that at another on slant paths is useful for the design of satellite-to-Earth communication links and up-link power control systems. It is well known that the rain attenuation is influenced by parameters of precipitation along the slant path such as DSD (raindrop size distribution), raindrop temperature, rainfall rate, and so on. In this paper, based on several DSDs applied to various climate zones, at short microwave and long millimeter wave bands, the attenuation ratios are estimated on Earth-space paths. A comparison of the prediction results with the experiment data in Boston and Kashima areas is carried out. It is shown that the M-P and Weibull DSD applied to rain attenuation ratios estimation are better DSD at higher latitude regions. The Guangzhou DSD applied to rain attenuation ratios prediction is better in tropical and subtropical areas in China. The lognormal DSD may be a appropriate DSD applied to predict rain attenuation ratios in tropical areas at A_down>1dB or R>15mm/h. However, the attenuation ratios predicted by the Guangzhou DSD disagree with by the lognormal DSD, it requires that the DSD applied to predict rain attenuation ratios are further studied in tropical areas.     

降雨对无线激光通信的影响

通过激光信号在雨介质中传输的实验发现,在大雨环境下,激光信号透射率要比在小雨或微雨的情况下大。这说明光信号在小雨时衰减较大,在大雨时衰减较小。这一现象与人们通常所认为的有所不同。针对降雨对激光信号的影响,根据Mie散射理论和Weibull雨滴尺寸分布模型,分析了不同尺寸的粒子对光的散射作用以及对衰减效率因子的影响,推导出单球粒子对光波的衰减公式,得到了衰减与降雨率的确定关系。通过数值计算发现,与小粒子相比大粒子的前向散射光强更大且更加集中;激光信号在雨介质中传输时,衰减系数在小雨时较大,中雨、大雨时较小,暴雨时不断增大。这一结果与实际情况较吻合,为激光在通信系统中的应用提供了一定的理论依据。     

ON THE ACCURATE MODELING OF MILLIMETER WAVE FIXED WIRELESS CHANNELS EXCEEDANCE PROBABILITY

The ever increasing demand for high date rate multimedia services has led to the deployment of Fixed Wireless Access (FWA) networks operating in frequencies above 10GHz. Propagation characteristics of such networks include line-of-sight (LOS) transmissions highly influenced by the presence of rain. In this paper a methodology for evaluating the outage probability of a FWA channel is introduced, making use of the forward scattering amplitude by distorted raindrops of transmitted signals. Expressions for the imaginary part of the scattering amplitude are derived through a regression fitting analysis on the results of the Method of Auxiliary Sources (MAS) to the problem of electromagnetic scattering from a Pruppacher-Pitter raindrop. These expressions are employed and an analytical method to evaluate the rain attenuation exceedance probability over a fixed wireless access link is presented. The derived exceedance probabilities are compared with experimental data from ITU-R databank with encouraging results.