2024高頻微波局地降水監(jiān)測設(shè)備

高頻微波局地降水監(jiān)測設(shè)備II目 次前言II引言III1121313.1Highfrequencymicrowave13.2Rain23.3MicrowaveLink23.4IdentificationofDryandPeriod23.5礎(chǔ)減BaseAttenuation23.6化式Polarization24 標(biāo)原和求24.1備成24.2準(zhǔn)原則35 備施35.1水測理35.2備施類35.3備施成35.4器備術(shù)標(biāo)45.5套施術(shù)求55.6器備性息56 備安與設(shè)76.1備裝76.2備設(shè)求76.3行維護(hù)77 水度算分析87.1測據(jù)式求87.2算分要求87.3波減87.4濕判別97.5礎(chǔ)減正107.6水度算117.7數(shù)正12PAGEPAGE10高頻微波局地降水監(jiān)測設(shè)備范圍本文件規(guī)定了高頻微波局地降水監(jiān)測設(shè)備的組成、安裝、使用與維護(hù)要求，包括微波降水監(jiān)測原理，儀器設(shè)備的選型、安裝與布設(shè)，降水強(qiáng)度計算與分析等相關(guān)要求。本文件適用于頻段處于15~50GHz米之間的降水事件的監(jiān)測，可應(yīng)用于水文、氣象、交通、應(yīng)急、農(nóng)業(yè)、保險等領(lǐng)域的實(shí)時降水監(jiān)測。規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T19677-2005水文儀器術(shù)語及符號GB/T18185-2014水文儀器可靠性技術(shù)要求GB/T14617.3-2012陸地移動業(yè)務(wù)和固定業(yè)務(wù)傳播特性第3部分：視距微波接力通信系統(tǒng)傳播特性SL21-2015降水量監(jiān)測規(guī)范術(shù)語和定義Highfrequencymicrowave頻率超過15GHz的電磁波。RainAttenuation電磁波在傳播過程中，由降雨、降雪等引起的吸收和散射造成的能量衰減。MicrowaveLink發(fā)射、接收微波信號的裝置之間的電磁波傳播路徑。IdentificationofDryandPeriod判斷微波傳播路徑是否發(fā)生降水事件。BaseAttenuation微波路徑傳播以及環(huán)境中長期存在的因素帶來的能量衰減，變幅相對較小、且長期存在。PolarizationMode電磁波的電場強(qiáng)度始終在垂直于傳播方向的平面內(nèi)取向，以地球表面為參照物，電場強(qiáng)度垂直于地球表面的為垂直極化（V，電場強(qiáng)度平行于地球表面的為水平極化（H。目標(biāo)、原則和要求高頻微波局地降水監(jiān)測設(shè)備包括下列部分：集成微波信號的發(fā)射、接收、采集、計算、分析等功能的高頻微波降水監(jiān)測儀器及配套設(shè)施。為實(shí)現(xiàn)降水監(jiān)測而采用的微波鏈路布設(shè)方式與原則。利用雨衰反演降水強(qiáng)度的算法。高頻微波局地降水監(jiān)測設(shè)備應(yīng)滿足：在進(jìn)行儀器集成時，應(yīng)盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)件或通用件。電路集成時，應(yīng)盡量減少元器件數(shù)量和品種，并采用可靠的裝配工藝。在選用新器件時，應(yīng)重點(diǎn)評估其可靠性指標(biāo)。在進(jìn)行雨強(qiáng)計算分析時，應(yīng)盡可能選取物理意義明確的參數(shù)和算法，應(yīng)盡量減少算法中的參數(shù)數(shù)量。設(shè)備設(shè)施微波信號在空氣中傳輸時，與大氣中的降水物體（如雨滴、雪、冰粒等）發(fā)生碰撞，在多次反射和散射后使傳輸信號強(qiáng)度逐漸減小，即微波信號的衰減程度與降水物體的形狀、大小、分布等因素有關(guān)系。根據(jù)極化方式分類主要包括垂直極化和水平極化。垂直極化：輻射方向與地面垂直，也就是微波信號的電場分量沿著垂直方向振動。水平極化：輻射方向與地面平行，也就是微波信號的電場分量沿著水平方向振動。根據(jù)信號發(fā)射和接收方式分類主要包括單發(fā)單收和雙發(fā)雙收，都屬于點(diǎn)對點(diǎn)傳播。單發(fā)單收是指一個天線只負(fù)責(zé)發(fā)射微波信號，另一個天線只負(fù)責(zé)接收微波信號；雙發(fā)雙收是指一個天線在發(fā)射微波信號的同時也能接收另一個天線的微波信號。數(shù)據(jù)回傳單元、低噪聲高靈敏度高頻微波物聯(lián)網(wǎng)感知芯片等。降水計算分析系統(tǒng)等。應(yīng)急通信系統(tǒng)等。儀器設(shè)備總體技術(shù)指標(biāo)應(yīng)至少滿足表1要求。1技術(shù)指標(biāo)精度或范圍工作環(huán)境大氣壓力（kPa）32～106溫度（℃）-40～85濕度（%，RH）10～100鏈路長度（m）200～5000采樣頻次（s）≤60天線支持頻段（GHz）15～50極化方式垂直極化、水平極化微波發(fā)射裝置最大發(fā)射功率（dBm）+35最小發(fā)射功率（dBm）0步進(jìn)值（dB）1精度（dB）±2微波接收裝置接收靈敏度（dBm）-86接收分辨率（dB）0.1降水計算分析系統(tǒng)測量范圍（mm）≥0誤差（%）±5.0分辨力（mm）0.5降水識別準(zhǔn)確率（%）≥90高頻微波降水監(jiān)測儀器設(shè)備的架設(shè)安裝，需確保發(fā)射、接收裝置之間無遮擋，不易受外部環(huán)境影響而發(fā)生偏移、摔落、損壞等。高頻微波降水監(jiān)測儀器應(yīng)配套有穩(wěn)定的供電系統(tǒng)。GNSS配置有效的人工觀測、比測手段，且宜具備與其他自動化系統(tǒng)、局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)連接的接口。高頻微波降水監(jiān)測儀器宜配備有應(yīng)急衛(wèi)星通信功能。高頻微波降水監(jiān)測儀器應(yīng)具有可靠的抗干擾能力以及防人為破壞的措施。美觀的要求。儀器設(shè)備屬性信息至少包括以下部分，屬性名稱、英文符號、單位如表2所示。2屬性名稱英文符號單位（內(nèi)容）鏈路名稱Link_ID/鏈路長度Length_kmkm發(fā)射端IDTX_ID/發(fā)射端經(jīng)度TX_Longitude/發(fā)射端緯度TX_Latitude/發(fā)射端高度TX_Height_mm發(fā)射端天線半徑TX_Diameter_mm接收端IDRX_ID/接收端經(jīng)度RX_Longitude/接收端緯度RX_Latitude/接收端高度RX_Height_mm接收端天線半徑RX_Diameter_mm頻率Frequency_mhzMHz極化方式Polarization如H、V采樣頻次Sample_Type_ss省Province如江蘇省市City如南京市縣County如鼓樓區(qū)設(shè)備的安裝與布設(shè)正常時方能投入運(yùn)行。儀器設(shè)備安裝、測試過程應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)記錄。10m件的可架設(shè)在建筑物頂端或已有鐵塔資源上。設(shè)備布設(shè)應(yīng)盡可能的考慮安全、穩(wěn)定、易于維護(hù)、升級和改造等內(nèi)容。微波鏈路的發(fā)射、接收裝置應(yīng)處于一條無遮擋的直線上。多條微波鏈路組網(wǎng)運(yùn)行時，應(yīng)使用不同的發(fā)射頻率以避免信號相互干擾。設(shè)備運(yùn)行期間，應(yīng)定期檢查發(fā)射裝置、接收裝置、降水計算分析系統(tǒng)、供電設(shè)施、架設(shè)設(shè)施等微波鏈路設(shè)施設(shè)備的完好性和適用性，及2監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)通過加密和認(rèn)證的方式進(jìn)行傳輸、處理與分析，防止數(shù)據(jù)被惡意攻擊和非法訪問。降水強(qiáng)度計算與分析微波信號數(shù)據(jù)至少包括以下部分，數(shù)據(jù)名稱、英文符號、單位如表3所示。3數(shù)據(jù)名稱英文符號單位（內(nèi)容）鏈路名稱Link_ID/接收時間Time如2022.03.2616:12:33發(fā)射端信號強(qiáng)度Tsl_dBdB接收端信號強(qiáng)度Rsl_dBdB單條鏈路計算的降水強(qiáng)度誤差應(yīng)控制在±5%以內(nèi)。0.5mm。1min。10min。微波信號在傳播過程中發(fā)生的能量衰減按照下式計算：（1）式中：：微波鏈路的總衰減率，單位為分貝每千米（dB/km；：微波鏈路發(fā)射端信號強(qiáng)度，單位為分貝（dB；：微波鏈路接收端信號強(qiáng)度，單位為分貝（dB；:微波鏈路的長度，單位為千米（km。分析微波信號隨時間衰減的規(guī)律特征，判斷處于濕期（降水）或干期（未降水。以滑動標(biāo)準(zhǔn)差方法為例：于一個無線微波衰減序列：（2）式中：t（dB/km；t每千米dB/km；千米dB/km。

：微波鏈路在t時刻的雨衰減率，單位為分貝每對于 和 ，存在：

（3）（4）時誤差滿足均值、方差為0。此,的方差：對于一個滑動窗口 而言，

（5）（6）（7）式中：：窗口期內(nèi)數(shù)據(jù)的數(shù)目；：窗口內(nèi)總微波衰減率的均值；：窗口內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)未發(fā)生降水時，微波衰減數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差一般取決于無線微波的固有特征，例如微波發(fā)射頻率、微波鏈路長度、微波鏈路極化方式等，通常會保持在一個相對來說比較固定且比較小的范圍之中。降水期間，水汽會對無線微波在大氣中的傳輸信號造成比較明顯的擾動，從而使得無線微波衰減率的標(biāo)準(zhǔn)差明顯增大。綜上，干濕期判別可表示為：（8）式中：：標(biāo)準(zhǔn)差閾值，其取值由24小時干期衰減數(shù)據(jù)確定。對于一場降水若時間間隔足夠大可以認(rèn)為t時刻降水與 互不相關(guān)。義是一個n緯隨機(jī)序列，。基于以上定義，可以得到：對于給定任意 定義，于是有：（9）其條件為：（1）Z的期望值 ;（2）Z的方差。因此，當(dāng)降水時長足夠長，有足夠長系列的微波衰減數(shù)據(jù)時，可以采用滑動窗口最小值的方法，確定基礎(chǔ)衰減，從而根據(jù)式（1）得到降衰減。由國際電信聯(lián)盟(ITU)推薦的雨衰冪律模型，該模型是基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計和通信原理建立起的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其形式為：?0）式中：Rt（mm/h。k和α是與微波頻率以及極化方式相關(guān)的頻率依從系數(shù)，對于不同的微波頻率及極化方式，其計算方式如下：（11）（12）（13）（14）式中：和 為水平極化下的頻率依從系數(shù)， 和 為垂直極化下的頻率依從系數(shù)，給出相關(guān)參考值如表4所示。4k和頻率（GHz）150.03670.03551.1281.128200.0750.06911.0651.065230.1280.128