專(zhuān)利名稱(chēng)：遙測(cè)降水參數(shù)的方法及高頻多普勒聲雷達(dá)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于定量遙測(cè)各種大氣降水，如雨、雪、冰雹及其混合相的粒度分布、降水量以及其他降水參數(shù)的方法，以及實(shí)現(xiàn)該方法的高頻多普勒聲雷達(dá)。本發(fā)明所述的高頻多普勒聲雷達(dá)裝置還可用于測(cè)量沙塵暴。
背景技術(shù)：
迄今為止，測(cè)量降水的記錄和資料的準(zhǔn)確度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。雖然降水粒度分布的常規(guī)測(cè)量對(duì)于天氣預(yù)報(bào)、大氣污染分析預(yù)報(bào)等都非常重要，但至今尚未有常規(guī)降水粒度分布測(cè)量的記錄。
目前，可用于定量測(cè)雨滴粒度分布的儀器包括Joss-Waldvogel(J-W)雨滴測(cè)量器、光學(xué)雨量計(jì)(OP)以及高頻微波小型多普勒雷達(dá)。前兩種儀器不但價(jià)格昂貴，而且對(duì)于大雨、暴雨等氣候情況測(cè)量準(zhǔn)確度不高。這是因?yàn)樗鼈兊臏y(cè)量接收面積或測(cè)量接收體積很小，對(duì)于J-W雨滴測(cè)量器來(lái)說(shuō)，測(cè)量接收面積約為50cm2，對(duì)于一種已知的光學(xué)雨量計(jì)來(lái)說(shuō)，測(cè)量接收體積約為80cm3。而且J-W雨滴測(cè)量器和光學(xué)雨量計(jì)受風(fēng)速的影響很大。此外，對(duì)于小顆粒，例如直徑小于0.4mm-1.0mm的雨滴，以及對(duì)于大顆粒，例如直徑大于5.2-5.75mm的雨滴(在暴雨的情況下)，已超出了J-W儀器的測(cè)量范圍。
微波雷達(dá)是通過(guò)測(cè)量雨滴下降速度來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量目的的。根據(jù)下降速度和雨滴大小的固定關(guān)系，可以推導(dǎo)出雨滴的大小，從而得到雨滴的粒度分布以及其他降水參數(shù)。但由于大氣中垂直風(fēng)速的影響，微波雷達(dá)只能測(cè)出合成的雨滴下降速度，即雨滴的實(shí)際下降速度與垂直風(fēng)速之和，因此只有用這個(gè)合成下降速度減去垂直風(fēng)速才能得到實(shí)際的雨滴下降速度。如果不利用垂直風(fēng)速進(jìn)行校正，則所測(cè)得的降水量可能會(huì)造成100％的誤差。而現(xiàn)有的微波雷達(dá)只能測(cè)出降水功率頻譜，而無(wú)法測(cè)量垂直風(fēng)的影響，從而導(dǎo)致測(cè)量精度較低。而且微波雷達(dá)只能測(cè)量降雨，不能在雪、冰雹和冰水混合相降水的氣象情況下準(zhǔn)確測(cè)量。
現(xiàn)在已有的低頻多普勒聲雷達(dá)一般采用發(fā)送與接收傳感器合一的壓電喇叭，以陣列形式排列在天線板上，例如由37個(gè)字音壓電喇叭組成。在這種設(shè)計(jì)中，由于從發(fā)送到接收的轉(zhuǎn)換過(guò)渡時(shí)間需要100多毫秒，限制了可靠的最低測(cè)量高度為15-20米左右。這種低頻聲雷達(dá)所用的頻率范圍為1000Hz到4500Hz，而不能用于高頻(6kHz以上)，這種低頻聲波只能測(cè)出大氣擾動(dòng)功率頻譜，而測(cè)不出降水功率頻譜，因而只能用于測(cè)量低空風(fēng)場(chǎng)，無(wú)法定量測(cè)量降水參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種方法和裝置，能夠在雨、雪、冰雹及其混合相等各種氣象條件下遙測(cè)降水的粒度分布、降水量以及其他降水參數(shù)，并且可同時(shí)獲得平均垂直風(fēng)速等大氣擾動(dòng)參數(shù)，從而對(duì)垂直風(fēng)造成的誤差進(jìn)行校正，提高測(cè)量精確度。
本發(fā)明的任務(wù)這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)在根據(jù)本發(fā)明的方法中，通過(guò)高頻多普勒聲雷達(dá)天線以一定時(shí)間間隔垂直向上發(fā)出頻率不低于6kHz的高頻聲波脈沖，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的延遲后，用多個(gè)聲波接收傳感器接收由降水顆粒以及大氣擾動(dòng)散射回的聲波信號(hào)，接收到的聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、加和后送至一個(gè)數(shù)據(jù)采樣及處理部分，進(jìn)行模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換，并對(duì)所得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)，從時(shí)域信號(hào)變換為頻域信號(hào)，同時(shí)得到降水功率頻譜和大氣擾動(dòng)功率頻譜，然后對(duì)所獲得的降水功率頻譜和大氣擾動(dòng)功率頻譜進(jìn)行分析，從降水功率頻譜推導(dǎo)出降水粒度分布和其他降水參數(shù)，并從所得到的大氣擾動(dòng)功率頻譜推導(dǎo)出平均垂直風(fēng)速和其他大氣擾動(dòng)參數(shù)，利用平均垂直風(fēng)速和/或其他大氣擾動(dòng)參數(shù)對(duì)降水粒度分布和其他降水參數(shù)進(jìn)行校正，以提高測(cè)量精確度。
根據(jù)本發(fā)明的高頻多普勒聲雷達(dá)裝置由天線部分和數(shù)據(jù)采樣及處理部分構(gòu)成，其中天線部分包括垂直向上開(kāi)口的漏斗形發(fā)射/接收罩，用于發(fā)送和接收聲波的天線板；在所述天線板上用電磁喇叭來(lái)發(fā)送頻率不低于6kHz的高頻聲波脈沖，用多個(gè)聲波接收裝置來(lái)接收散射回的聲波信號(hào)；在接收天線板后設(shè)置有前置放大電路，用于將采集到的聲波信號(hào)進(jìn)行放大、加和；經(jīng)過(guò)放大、加和的聲波信號(hào)送至數(shù)據(jù)采樣及處理部分，所述數(shù)據(jù)采樣及處理部分對(duì)放大、加和后的信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，并對(duì)得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換，從時(shí)域信號(hào)變換為頻域信號(hào)，同時(shí)得到降水功率頻譜和大氣擾動(dòng)功率頻譜，并且，所述數(shù)據(jù)采樣及處理部分對(duì)所獲得的降水功率頻譜和大氣擾動(dòng)功率頻譜進(jìn)行分析，從降水功率頻譜推導(dǎo)出降水粒度分布和其他降水參數(shù)，并從所得到的大氣擾動(dòng)功率頻譜推導(dǎo)出平均垂直風(fēng)速和其他大氣擾動(dòng)參數(shù)，利用平均垂直風(fēng)速和/或其他大氣擾動(dòng)參數(shù)對(duì)降水粒度分布和其他降水參數(shù)進(jìn)行校正。
在根據(jù)本發(fā)明的聲雷達(dá)裝置中，在漏斗形發(fā)射/接收罩以及機(jī)殼的內(nèi)壁都貼有吸聲泡沫材料，用于接收高頻聲波的多個(gè)聲波接收裝置最好采用麥克風(fēng)，所述每個(gè)麥克風(fēng)可帶有用于采集聲波的喇叭裙。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述麥克風(fēng)安裝在所述天線板上的小孔中，從小孔的開(kāi)口到小孔內(nèi)麥克風(fēng)的聲波傳感器之間有一段間距，形成了一個(gè)聲波濾波器，所述間距根據(jù)所發(fā)出的高頻聲波脈沖的波長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行調(diào)整，使所述間距約為所發(fā)出的高頻聲波脈沖波長(zhǎng)的四分之一，以降低接收噪聲。
與J-W雨滴測(cè)量器和光學(xué)雨量計(jì)不同，根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置檢測(cè)體積可達(dá)到6-7m3，可測(cè)降水顆粒等效直徑為0.2mm到無(wú)限制大小的大顆粒。J-W和OP儀器不能對(duì)雪、冰雹等氣象進(jìn)行檢測(cè)，而本發(fā)明可定量自動(dòng)識(shí)別和測(cè)量上述氣象條件下的降水量和粒度分布。
與微波小型多普勒雷達(dá)相比，由于聲波從大氣擾動(dòng)中產(chǎn)生的散射比微波產(chǎn)生的散射強(qiáng)約1000倍，因此高頻聲雷達(dá)(頻率不低于6kHz，甚至達(dá)到20kHz以上)可同時(shí)測(cè)出降水功率頻譜和大氣擾動(dòng)功率頻譜(由此可推導(dǎo)出平均垂直風(fēng)速)，從而可以校正垂直風(fēng)造成的誤差，而微波雷達(dá)是無(wú)法做到這一點(diǎn)的。另外，由于水的介電常數(shù)約為冰的介電常數(shù)的5倍，因此從冰粒散射的電磁波信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于從水滴散射的電磁波信號(hào)，這樣就使得微波雷達(dá)不能準(zhǔn)確測(cè)量雪、冰雹和冰水混合相降水。聲波在水和冰中衰減很小，可以忽略不計(jì)，但高頻微波在冰和水中的衰減很大且很不相同，所以造成高頻微波雷達(dá)更大的測(cè)量誤差。但聲波從水滴和冰粒散射時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度相同，因此可大大提高冰水混合相降水的測(cè)量準(zhǔn)確度。
由此可見(jiàn)，高頻多普勒聲雷達(dá)與J-W雨滴測(cè)量器、光學(xué)雨量計(jì)和其他常規(guī)雨量計(jì)以及高頻微波雷達(dá)相比，大大提高了測(cè)量準(zhǔn)確度，而且可以在雪、冰雹及混合相降水等氣象條件下進(jìn)行測(cè)量，而上述三種常規(guī)測(cè)量?jī)x器一般不能定量測(cè)量雪、冰雹及混合相降水。
本發(fā)明與已有的多普勒聲雷達(dá)的主要區(qū)別在于本發(fā)明所述的聲雷達(dá)裝置工作在較高的頻率范圍內(nèi)，為6kHz到20kHz，或者達(dá)到40kHz，這取決于所采用的接收麥克風(fēng)的靈敏度，優(yōu)選的工作頻率為10.3kHz～10.8kHz，因此可以用于定量遙測(cè)降水參數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置不僅可測(cè)出降水功率頻譜，還能同時(shí)得到大氣擾動(dòng)功率頻譜，并據(jù)此對(duì)得到的降水粒度分布、降水量和其他降水參數(shù)進(jìn)行校正。當(dāng)工作頻率超過(guò)20kHz后，本發(fā)明所述裝置不會(huì)對(duì)人耳聽(tīng)力產(chǎn)生影響。
本發(fā)明的一個(gè)重要思想還在于，除了天線的聲波發(fā)送和接收傳感器元件、前置放大器、用于驅(qū)動(dòng)電磁喇叭的功率放大器等必須用硬件實(shí)現(xiàn)外，整個(gè)聲雷達(dá)裝置的其他功能，如聲波脈沖發(fā)生器、超外差接收器、低通及帶通濾波器、聲雷達(dá)運(yùn)行控制器、以及實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理(如FFT)等功能，均可由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如可以采用內(nèi)置到PC機(jī)中的DSP電路板，與PC機(jī)相結(jié)合，通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能。這樣整個(gè)數(shù)據(jù)處理和記錄過(guò)程全部是實(shí)時(shí)、在線(on-line)地進(jìn)行的，而整個(gè)儀器可以自動(dòng)運(yùn)行，無(wú)需由人員來(lái)看管和操作。同時(shí)本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)非常方便，降低了設(shè)備成本。
利用根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有測(cè)量各種降水粒度分布的常規(guī)技術(shù)的空白，提高測(cè)雨量的精確度，特別是在大風(fēng)、暴風(fēng)條件下測(cè)量大雨、暴雨的精確度，同時(shí)彌補(bǔ)了常規(guī)技術(shù)中不能自動(dòng)測(cè)量雪、冰雹及冰水混合相降水的空白。
本發(fā)明也可用作聲波頻譜分析儀；當(dāng)改用低頻天線板(1500Hz到4500Hz)時(shí)可用于測(cè)量低空風(fēng)場(chǎng)(低于500米到1000米)。由于高頻聲雷達(dá)可同時(shí)測(cè)出大氣擾動(dòng)多普勒頻譜，從而可推導(dǎo)出徑向風(fēng)速，因此也可用于機(jī)場(chǎng)實(shí)時(shí)風(fēng)速切變監(jiān)視。此外也可推廣到用于定量測(cè)量沙塵暴的儀器。


下面借助于附圖中所示的實(shí)施例詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明。如圖所示圖1簡(jiǎn)要示出了根據(jù)本發(fā)明的聲雷達(dá)裝置的原理框圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的電磁喇叭與接收麥克風(fēng)在天線板上的排列的剖視圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的電磁喇叭與接收麥克風(fēng)在天線板上的排列的主視圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的聲波濾波器的放大示意圖；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的聲雷達(dá)裝置的第一種實(shí)施方式；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的聲雷達(dá)裝置的第二種實(shí)施方式。
具體實(shí)施例方式
圖1簡(jiǎn)要示出了根據(jù)本發(fā)明的高頻多普勒聲雷達(dá)裝置的原理框圖。在根據(jù)本發(fā)明的高頻多普勒聲雷達(dá)裝置主要包括天線部分1和數(shù)據(jù)采樣及處理部分3。天線部分1用于以一定時(shí)間間隔垂直向上發(fā)射高頻聲波，并接收散射回的聲波信號(hào)。天線部分1還包括一前置放大電路2，用于對(duì)各聲波傳感器接收的信號(hào)進(jìn)行前置放大和加和，這種前置放大電路是本領(lǐng)域技術(shù)人員所常用的。經(jīng)過(guò)放大和加和后的信號(hào)被送至數(shù)據(jù)采樣及處理部分3，在數(shù)據(jù)采樣及處理部分3中進(jìn)行變換、處理和分析，同時(shí)數(shù)據(jù)采樣及處理部分3還可對(duì)聲雷達(dá)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和控制。
下面簡(jiǎn)單描述聲雷達(dá)裝置的測(cè)量過(guò)程首先從聲雷達(dá)天線以一定時(shí)間間隔(例如每秒)垂直向上發(fā)出一個(gè)聲波脈沖，脈沖的寬度例如為50ms，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，例如經(jīng)過(guò)10ms的延遲后，開(kāi)始接收從各種降水顆粒以及大氣擾動(dòng)造成的散射信號(hào)，接收到的在時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大后(其放大倍數(shù)最好為60-70dB)被相加，所得到的信號(hào)再送至數(shù)據(jù)采樣及處理部分，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，由時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)序列，然后經(jīng)過(guò)快速傅立葉變換(FFT)，計(jì)算得到降水(雨、雪、冰雹或混合相降水)在頻域內(nèi)的功率譜，由此可推導(dǎo)出降水粒度分布以及其他降水的參數(shù)，同時(shí)還得到了大氣擾動(dòng)功率頻譜，由此推導(dǎo)出垂直平均風(fēng)速和其他大氣擾動(dòng)參數(shù)，從而對(duì)垂直風(fēng)的影響進(jìn)行校正，以提高降水參數(shù)的測(cè)量精度。
大氣擾動(dòng)散射信號(hào)(布拉克散射)正比于f1/3(其中f為聲波頻率)，而降水的散射信號(hào)(瑞利散射)正比于f4。因此，常規(guī)的低頻聲雷達(dá)(1000-4500Hz)雖可探測(cè)大氣擾動(dòng)，但來(lái)自降水顆粒的散射信號(hào)太弱，即使用4500Hz的聲波也只能探測(cè)到大雨的頻譜。實(shí)驗(yàn)證明，只有頻率達(dá)到約6000Hz以上時(shí)探測(cè)到的降水多普勒頻譜才足夠大，具有實(shí)用價(jià)值。為了用高頻聲波來(lái)探測(cè)降水的散射信號(hào)，最好選用適當(dāng)?shù)柠溈孙L(fēng)。
例如聲波頻率在10kHz左右時(shí)，商業(yè)中可用的麥克風(fēng)靈敏度較高，特性平坦，可達(dá)到最優(yōu)的檢測(cè)效果，即使很小的顆粒，如直徑為0.2mm的雨滴或冰渣也可被探測(cè)到。目前市場(chǎng)上可獲得40kHz的商用超聲波傳感器，但40kHz的聲雷達(dá)得到的大氣擾動(dòng)譜過(guò)小。目前商用麥克風(fēng)的特性在10kHz左右為最佳。
圖1中的數(shù)據(jù)采樣及處理部分3優(yōu)選地由一臺(tái)用作工作站的PC機(jī)以及DSP電路組成。根據(jù)本發(fā)明，除了天線的聲波發(fā)送和接收傳感器元件、前置放大器、功率放大器等必須用硬件實(shí)現(xiàn)外，其他聲雷達(dá)裝置的操作和運(yùn)行控制，發(fā)送、接收信號(hào)處理功能等可全部由軟件(子程序)來(lái)實(shí)現(xiàn)。聲雷達(dá)的工作參數(shù)，如聲波頻率、聲波脈沖寬度及發(fā)出聲波的重復(fù)頻率、頻譜的平均時(shí)間、顯示降水量及垂直風(fēng)速的時(shí)間間隔等，可以通過(guò)軟件在PC機(jī)上設(shè)定。此外，其他有關(guān)數(shù)據(jù)處理的參數(shù)，包括采樣頻率倍數(shù)(4倍或8倍)，頻譜平滑的方法和平滑次數(shù)等也可以通過(guò)軟件來(lái)設(shè)定。聲波脈沖發(fā)生器、超外差接收器、低通及帶通濾波器、實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理(FFT，功率譜計(jì)算等)、以及聲雷達(dá)運(yùn)行控制器等功能可在DSP及PC機(jī)中通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)全機(jī)自動(dòng)化和無(wú)人操作，儀器的工作更為可靠，并且基本不需要維護(hù)，同時(shí)測(cè)量的精度和準(zhǔn)確度高。DSP和PC機(jī)也可全部集成在聲雷達(dá)裝置的機(jī)殼內(nèi)，從而減小設(shè)備體積，并防止外部干擾。
目前有多種集成DSP芯片可用，這些DSP芯片具有流水線結(jié)構(gòu)，計(jì)算功能強(qiáng)大，非常適合于FFT運(yùn)算。DSP電路除DSP芯片外還包含有A/D、D/A轉(zhuǎn)換接口、存儲(chǔ)器等組成部分，整個(gè)DSP電路可以設(shè)計(jì)為插件板的形式，內(nèi)置到PC機(jī)中。當(dāng)然也可以采用其他的微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)DSP的功能，或者僅用PC機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)所有的數(shù)據(jù)處理功能，但DSP的運(yùn)算速度較快，便于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、在線的測(cè)量。
其中DSP用相應(yīng)的匯編語(yǔ)言來(lái)編程，而用作工作站的PC機(jī)可用各種程序語(yǔ)言，如C++、Visual Basic等來(lái)編程。
圖2和圖3分別用縱向剖視圖和主視圖示出了根據(jù)本發(fā)明的天線板4的構(gòu)造及設(shè)計(jì)。天線板4例如可由木板或鋁板制成，可以設(shè)計(jì)為矩形，其尺寸例如為40cm×40cm，或者也可以設(shè)計(jì)為圓形，其直徑例如為40cm。天線板4的厚度例如為15mm。當(dāng)然，天線板4的尺寸可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)設(shè)計(jì)，并與前置放大電路2一起設(shè)置在高頻聲雷達(dá)裝置的機(jī)殼內(nèi)。
在如圖2和圖3所示的天線板4上，用于發(fā)送測(cè)試高頻聲波的裝置與用于接收返回聲波的傳感器分開(kāi)設(shè)置將一個(gè)大功率的電磁喇叭5設(shè)置在天線板4的中央，用于發(fā)送高頻聲波；用多個(gè)帶喇叭接收裙的麥克風(fēng)6作為聲波接收傳感器(例如為20個(gè)到26個(gè)麥克風(fēng))，圍繞在發(fā)送聲波的電磁喇叭5周?chē)贾谩?br> 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，如圖2所示，每一個(gè)麥克風(fēng)接收傳感器元件7位于天線板上的一個(gè)小孔8內(nèi)，小孔的直徑例如為9.8mm。圖4為圖2中麥克風(fēng)優(yōu)選結(jié)構(gòu)的放大視圖。從所述小孔8的開(kāi)口處到小孔內(nèi)的麥克風(fēng)接收傳感器元件7之間有一段間距l(xiāng)，如設(shè)聲波的波長(zhǎng)為λ，則這段間距l(xiāng)最好約為λ/4，形成了一個(gè)聲波濾波器。例如，當(dāng)電磁喇叭5發(fā)射聲波的中心頻率為10kHz時(shí)，所述間距l(xiāng)約為7.8mm，形成的帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q約為10，其帶寬約為1kHz，從而有效地減少了對(duì)接收信號(hào)噪聲的干擾。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的高頻多普勒聲雷達(dá)裝置的一種實(shí)施方式。從圖中可以看到，在所述裝置的機(jī)殼9外部設(shè)置有一垂直向上開(kāi)口的漏斗形發(fā)射/接收罩10，其橫截面可以為矩形或圓形，其橫截面積從上至下逐漸減小。該發(fā)射/接收罩10可以是木制的，也可以由鋁或塑料等制成，其側(cè)面與地面法線之間的傾角例如為15°～18°，使得進(jìn)入漏斗口的聲波能夠由天線板4充分采集。最好在漏斗形發(fā)射/接收罩10的內(nèi)壁貼有吸聲泡沫材料，以去除干擾噪聲。漏斗形發(fā)射/接收罩10的尺寸也可以根據(jù)實(shí)際需要來(lái)設(shè)計(jì)，其尺寸越大則測(cè)量的靈敏度越高。
為了改變聲波的傳播方向，可以在漏斗形發(fā)射/接收罩10與天線板4之間設(shè)置一塊反射板11。如圖4所示，反射板11設(shè)置在漏斗形發(fā)射/接收罩10的下方，它與地面之間的傾角為45°，且天線板4垂直于地面設(shè)置。
圖6示出了另外一種實(shí)施方式，其中設(shè)置有兩塊反射板11和12，其中第一塊反射板11設(shè)置在漏斗形發(fā)射/接收罩10的下方，與地面之間的傾角為45°，第二塊反射板12與第一塊反射板11之間的夾角呈90°，且天線板4平行于地面設(shè)置，位于第二塊反射板12的上方。采用兩塊反射板的優(yōu)點(diǎn)是可以完全避免水滴經(jīng)反射濺射到天線板上，從而減少了出現(xiàn)故障的可能。
反射板可由不銹鋼板制成，其表面平滑，有利于反射聲波。反射板的厚度最好大于0.5mm，其背面可裝有加熱溶雪裝置，用于在寒冷的氣候條件下去除附著在反射板表面的雪花和冰晶。但在采用兩塊反射板的實(shí)施方式中，第二塊反射板12就不需要在背面設(shè)置這樣的加熱溶雪裝置了，因?yàn)檠┗ê捅Щ静粫?huì)落到第二塊反射板12上。
本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可在本發(fā)明的范圍內(nèi)做出各種改變。
此外，由于對(duì)沙塵暴的測(cè)量與雨、雪等降水參數(shù)的測(cè)量原理基本相同，只是沙塵顆粒更小，因此根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置也可轉(zhuǎn)用于對(duì)沙塵暴氣象參數(shù)的測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種定量遙測(cè)降水的粒度分布、降水量以及其他降水參數(shù)的方法，其特征在于，通過(guò)高頻多普勒聲雷達(dá)天線以一定時(shí)間間隔垂直向上發(fā)出頻率不低于6kHz的高頻聲波脈沖，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的延遲后，用多個(gè)聲波接收傳感器接收由降水顆粒以及大氣擾動(dòng)散射回的聲波信號(hào)，接收到的聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、加和后送至一個(gè)數(shù)據(jù)采樣及處理部分，進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，并對(duì)所得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換，從時(shí)域信號(hào)變換為頻域信號(hào)，同時(shí)得到降水功率頻譜和大氣擾動(dòng)功率頻譜，然后對(duì)所獲得的降水功率頻譜和大氣擾動(dòng)功率頻譜進(jìn)行分析，從降水功率頻譜推導(dǎo)出降水粒度分布和其他降水參數(shù)，并從所得到的大氣擾動(dòng)功率頻譜推導(dǎo)出平均垂直風(fēng)速和其他大氣擾動(dòng)參數(shù)，利用平均垂直風(fēng)速和其他大氣擾動(dòng)參數(shù)對(duì)降水粒度分布和其他降水參數(shù)進(jìn)行校正，以提高測(cè)量精確度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的多個(gè)聲波接收傳感器是麥克風(fēng)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，麥克風(fēng)安裝在天線板上的小孔中，從小孔的開(kāi)口到小孔內(nèi)麥克風(fēng)的聲波傳感器之間有一段間距，從而形成了一個(gè)聲波濾波器，根據(jù)所發(fā)出的高頻聲波脈沖的波長(zhǎng)來(lái)調(diào)整所述間距，使所述間距為所發(fā)出的高頻聲波脈沖波長(zhǎng)的四分之一，以降低接收噪聲。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)采樣及處理部分由一臺(tái)用作工作站的計(jì)算機(jī)和高速數(shù)據(jù)處理裝置構(gòu)成，其中模/數(shù)轉(zhuǎn)換和快速傅立葉變換由所述高速數(shù)據(jù)處理裝置完成，而對(duì)所獲得的頻譜進(jìn)行的分析由所述計(jì)算機(jī)完成。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述高速數(shù)據(jù)處理裝置是DSP電路。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，聲波脈沖的發(fā)生和超外差接收、信號(hào)在數(shù)據(jù)采樣及處理部分中的處理以及數(shù)據(jù)的分析均可通過(guò)軟件自動(dòng)、實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)。
7.一種用于定量遙測(cè)降水的粒度分布、降水量以及其他降水參數(shù)的高頻多普勒聲雷達(dá)裝置，其特征在于，所述聲雷達(dá)裝置由天線部分和數(shù)據(jù)采樣及處理部分構(gòu)成，其中天線部分包括垂直向上開(kāi)口的漏斗形發(fā)射/接收罩，用于發(fā)送和接收聲波的天線板；在所述天線板上用電磁喇叭來(lái)發(fā)送頻率不低于6kHz的高頻聲波脈沖，用多個(gè)聲波接收裝置來(lái)接收散射回的聲波信號(hào)；在接收天線板后設(shè)置有前置放大電路，用于將采集到的聲波信號(hào)進(jìn)行放大、加和；經(jīng)過(guò)放大、加和的聲波信號(hào)送至數(shù)據(jù)采樣及處理部分，所述數(shù)據(jù)采樣及處理部分對(duì)放大、加和后的信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，并對(duì)得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換，從時(shí)域信號(hào)變換為頻域信號(hào)，同時(shí)得到降水功率頻譜和大氣擾動(dòng)功率頻譜，并且，所述數(shù)據(jù)采樣及處理部分對(duì)所獲得的降水功率頻譜和大氣擾動(dòng)功率頻譜進(jìn)行分析，從降水功率頻譜推導(dǎo)出降水粒度分布和其他降水參數(shù)，并從所得到的大氣擾動(dòng)功率頻譜推導(dǎo)出平均垂直風(fēng)速和其他大氣擾動(dòng)參數(shù)，利用平均垂直風(fēng)速和其他大氣擾動(dòng)參數(shù)對(duì)降水粒度分布和其他降水參數(shù)進(jìn)行校正。
8.如權(quán)利要求7所述的高頻多普勒聲雷達(dá)裝置，其特征在于，所述的多個(gè)聲波接收傳感器是麥克風(fēng)。
9.如權(quán)利要求8所述的高頻多普勒聲雷達(dá)裝置，其特征在于，所述麥克風(fēng)安裝在所述天線板上的小孔中，從小孔的開(kāi)口到小孔內(nèi)麥克風(fēng)的聲波傳感器之間有一段間距，形成了一個(gè)聲波濾波器，所述間距根據(jù)所發(fā)出的高頻聲波脈沖的波長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行調(diào)整，使所述間距的長(zhǎng)度為所發(fā)出的高頻聲波脈沖波長(zhǎng)的四分之一，以降低接收噪聲。
10.如權(quán)利要求8所述的高頻多普勒聲雷達(dá)裝置，其特征在于，用于發(fā)射高頻聲波脈沖的電磁喇叭位于所述天線板的中央，用于接收聲波的多個(gè)麥克風(fēng)排列在所述電磁喇叭的周?chē)?br> 11.如權(quán)利要求7所述的高頻多普勒聲雷達(dá)裝置，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)采樣及處理部分由一臺(tái)用作工作站的計(jì)算機(jī)和高速數(shù)據(jù)處理裝置構(gòu)成，其中模/數(shù)轉(zhuǎn)換和快速傅立葉變換由所述高速數(shù)據(jù)處理裝置完成，而對(duì)所獲得的頻譜進(jìn)行的分析由所述計(jì)算機(jī)完成。
12.如權(quán)利要求11所述的高頻多普勒聲雷達(dá)裝置，其特征在于，所述高速數(shù)據(jù)處理裝置是DSP電路。
13.如權(quán)利要求12所述的高頻多普勒聲雷達(dá)裝置，其特征在于，DSP電路被設(shè)計(jì)為插件板，內(nèi)置到所述計(jì)算機(jī)中。
14.如權(quán)利要求7至13中任一項(xiàng)所述的高頻多普勒聲雷達(dá)裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采樣及處理部分可內(nèi)置到所述高頻多普勒聲雷達(dá)裝置的機(jī)殼內(nèi)。
15.如權(quán)利要求7所述的高頻多普勒聲雷達(dá)裝置，其特征在于，在漏斗形發(fā)射/接收罩下方設(shè)置有一塊反射板，它與地面之間的傾角為45°，且天線板垂直于地面設(shè)置。
16.如權(quán)利要求15所述的高頻多普勒聲雷達(dá)裝置，其特征在于，在所述反射板的背面裝有加熱溶雪裝置。
17.如權(quán)利要求7所述的高頻多普勒聲雷達(dá)裝置，其特征在于，設(shè)置有兩塊反射板，其中第一塊反射板設(shè)置在漏斗形發(fā)射/接收罩下方，與地面之間的傾角為45°，第二塊反射板與第一塊反射板之間的夾角呈90°，且天線板平行于地面設(shè)置，位于第二塊反射板的上方。
18.如權(quán)利要求17所述的高頻多普勒聲雷達(dá)裝置，其特征在于，在所述第一塊反射板的背面裝有加熱溶雪裝置。
19.如權(quán)利要求7所述的高頻多普勒聲雷達(dá)裝置，其特征在于，聲波脈沖的產(chǎn)生和超外差接收、信號(hào)在數(shù)據(jù)采樣及處理部分中的處理以及數(shù)據(jù)的分析均可通過(guò)軟件自動(dòng)、實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)。
20.如權(quán)利要求7至19中任一項(xiàng)所述的高頻多普勒聲雷達(dá)裝置在定量測(cè)量沙塵暴的氣象參數(shù)中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用高頻多普勒聲波法定量遙測(cè)降水的粒度分布、降水量以及其他降水參數(shù)的方法以及實(shí)現(xiàn)該方法的高頻多普勒聲雷達(dá)裝置。本發(fā)明通過(guò)雷達(dá)天線發(fā)送頻率不低于6kHz的高頻聲波脈沖，并用多個(gè)麥克風(fēng)來(lái)接收返回的聲波信號(hào)，通過(guò)PC機(jī)和DSP電路控制探測(cè)聲波的發(fā)送，并對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行分析處理，同時(shí)得到降水功率譜和大氣擾動(dòng)功率頻譜，從降水功率譜推導(dǎo)出降水粒度分布以及其他降水參數(shù)，并從所得到的大氣擾動(dòng)功率頻譜推導(dǎo)出垂直平均風(fēng)速和其他大氣擾動(dòng)參數(shù)，據(jù)此對(duì)垂直風(fēng)的影響進(jìn)行校正，以提高測(cè)量精度。
文檔編號(hào)G01S15/00GK1588125SQ200410056588
公開(kāi)日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月11日
發(fā)明者龐世瑄 申請(qǐng)人:柳威儀