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.     

基于非球形雨衰模型的微波链路雨强反演方法

以T矩阵理论、Gamma谱分布为理论基础,基于Pruppacher-Beard降雨粒子模型,对OTT雨滴谱仪的Gamma谱参数历史资料与降雨强度值进行非线性拟合得到具有实地谱分布的幂律系数,建立适合于本地区的雨衰模型,提出了基于非球形雨衰模型的微波链路雨强反演方法,分析了温度对模型幂律系数的影响,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:反演雨强的相关系数全部高于0.6,最高达到了0.96,RMSE最小值为0.79,累积降雨量的绝对偏差在2.47 mm以内,最小偏差仅为0.28 mm,相对误差低于1.84%.实验结果验证了基于非球形雨衰模型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.     

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     

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。      

基于哈特曼波前探测层析重建折射率场

介绍了哈特曼层析测量系统的原理，设计静态测试实验，对实际圆对称折射率场分布进行了层析重建.系统由哈特曼采集折射率场的投影数据，采用代数重建算法进行层析重建，取得了满意的重建结果.     

开槽管微波腔中微波场分布初步研究

开槽管微波腔已被用于铷原子频标,但是其中的微波场分布尚不清楚. 利用高频结构仿真软件(HFSS)获得了开槽管微波腔内微波场的分布,利用激光-微波双共振方法实现了微波腔场分布的实验测量,所得结果与理论结果一致. 研究结果表明,腔内微波场磁力线呈轴向分布,这表明该种微波腔是适用于原子频标的. 研究结果还表明,腔内微波场存在明显的空间不均匀性,这会导致一些区域的原子不能充分利用,限制原子的钟跃迁信号强度. 因此,现有的开槽管腔结构还有改进的余地.     

多目标优化发射层析算法在等离子体场光谱诊断中的应用

提出一种基于多目标优化原理的发射光谱层析(EST)图像重建新算法MCIRT.通过计算机数值 模拟，考察了该算法对非对称发射系数场分布的重建效果.结果表明，与传统层析算法相比 ，MCIRT算法具有收敛快，重建精度高的优势，适合于非完全数据情况下的等离子体发射系 数场重建，并且实时性更好.作为一个应用实例, 运用谱线相对强度法重建了自由电弧等离 子体的三维温度及粒子数密度分布. 关键词： 等离子体诊断 图像重建     

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.     

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.     

Effect of Atmospheric Parameters on Satellite Link

The rainfall path attenuation measured at Universiti Sains Malaysia (USM) for 4 years (January 02 to January 06) is presented. The data obtained are useful to investigate the impairment due to rainfall attenuation in satellite links operating in tropical and equatorial climates. It shows that the logarithmic function with ground rain rate deviates at very high rain rate. A rainfall rate of 130 mm/h causes the rainfall attenuation threshold (> 20 dB) to be exceeded. Maximum exceedences for rain rate and attenuation were observed during the wet months. The cumulative distributions of attenuation derived from the measured data are presented and compared with those obtained with existing prediction methods.     

降雨对C波段散射计测风的影响及其校正

传统观点认为C波段散射计工作波长大于雨滴直径,受降雨散射衰减的影响很小, 因此往往忽略降雨对C波段散射计测风的影响.本文基于降雨引起C波段散射计信号的衰减、 后向体散射及雨滴落入海面后的扰动作用,推导了降雨条件下的雷达方程, 构建了2010年全年的ASCAT散射计、降雨雷达和欧洲中期天气预报中心数值预报的匹配数据集, 定量分析了降雨对C波段散射计测风的影响,发现其信号衰减随降雨强度和入射角的增大而增强; 后向体散射和雨表面扰动作用随降雨强度的增大而增强、随入射角的增大而减小, 其中雨表面扰动作用对散射计测风的影响大于后向体散射.另外, 利用降雨条件下的雷达方程和匹配数据集,本文建立了降雨条件下的C波段主动微波辐射传输模型, 实验表明,该模型能够改善降雨条件下C波段散射计测风的精度.     

Reconstruction of the density field using the Colored Background Oriented Schlieren Technique (CBOS)

In this paper the improved Background Oriented Schlieren technique called CBOS (Colored Background Oriented Schlieren) is described and used to reconstruct density fields of three-dimensional flows. The Background Oriented Schlieren technique (BOS) allows to measure the light deflection caused by density gradients in a compressible flow. For this purpose the local image displacements of the image of a background pattern observed through the flow is used. In order to increase the performance of the conventional Background Oriented Schlieren technique, the monochromatic background is replaced by a colored dot pattern. The different colors are treated separately using suitable correlation algorithms. Therefore, the accuracy and the spatial resolution can be increased. A tomographic reconstruction method is then used to reconstruct the density field in three-dimensional flows from CBOS measurements.     

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.