《高頻微波局地降水監(jiān)測設(shè)備》

ICS編號

CCS編號

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CHESXXX—20XX

高頻微波局地降水監(jiān)測設(shè)備

Highfrequencymicrowavelocalprecipitationmonitoring

equipment

（征求意見稿）

20XX-XX-XX發(fā)布20XX-XX-XX實(shí)施

中國水利學(xué)會發(fā)布

T/CHESXXX—20XX

高頻微波局地降水監(jiān)測設(shè)備

1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(jì)算與分析等相關(guān)要求。

本文件適用于頻段處于15~50GHz的微波設(shè)備，針對海拔高度在0~4000

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(xiǎn)等領(lǐng)域的實(shí)時(shí)降水監(jiān)測。

2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

3術(shù)語和定義

3.1高頻微波Highfrequencymicrowave

頻率超過15GHz的電磁波。

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3.2雨衰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。

3.3微波鏈路MicrowaveLink

發(fā)射、接收微波信號的裝置之間的電磁波傳播路徑。

3.4干濕期判別IdentificationofDryandWetPeriod

判斷微波傳播路徑是否發(fā)生降水事件。

3.5基礎(chǔ)衰減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。

3.6極化方式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）。

4目標(biāo)、原則和要求

4.1設(shè)備組成

高頻微波局地降水監(jiān)測設(shè)備包括下列部分：

4.1.1集成微波信號的發(fā)射、接收、采集、計(jì)算、分析等功能的高頻

微波降水監(jiān)測儀器及配套設(shè)施。

4.1.2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。

4.1.3利用雨衰反演降水強(qiáng)度的算法。

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4.2標(biāo)準(zhǔn)化原則

高頻微波局地降水監(jiān)測設(shè)備應(yīng)滿足：

4.2.1在進(jìn)行儀器集成時(shí)，應(yīng)盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)件或通用件。電路集成

時(shí)，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(shí)，應(yīng)重點(diǎn)評估其可靠性指標(biāo)。

4.2.2在進(jìn)行雨強(qiáng)計(jì)算分析時(shí)，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。

5設(shè)備設(shè)施

5.1降水監(jiān)測原理

微波信號在空氣中傳輸時(shí)，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。

5.2設(shè)備設(shè)施分類

5.2.1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。

5.2.2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(gè)天線只負(fù)責(zé)發(fā)射微波信號，另一個(gè)天線只負(fù)責(zé)接收微波信號；雙發(fā)雙收

是指一個(gè)天線在發(fā)射微波信號的同時(shí)也能接收另一個(gè)天線的微波信號。

5.3設(shè)備設(shè)施組成

5.3.1高頻微波降水監(jiān)測儀器主要部件包括微波天線、采集存儲單元、

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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。

5.3.2高頻微波降水監(jiān)測設(shè)備主要包括微波發(fā)射裝置、微波接收裝置、

降水計(jì)算分析系統(tǒng)等。

5.3.3高頻微波降水監(jiān)測配套設(shè)施主要包括設(shè)備安置設(shè)施、供電系統(tǒng)、

應(yīng)急通信系統(tǒng)等。

5.4儀器設(shè)備技術(shù)指標(biāo)

儀器設(shè)備總體技術(shù)指標(biāo)應(yīng)至少滿足表1要求。

表1儀器設(shè)備總體技術(shù)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)精度或范圍

大氣壓力（kPa）32～106

溫度（℃）-40～85

工作環(huán)境濕度（%，RH）10～100

鏈路長度（m）200～5000

采樣頻次（s）≤60

支持頻段（GHz）15～50

天線

極化方式垂直極化、水平極化

最大發(fā)射功率（dBm）+35

最小發(fā)射功率（dBm）0

微波發(fā)射裝置

步進(jìn)值（dB）1

精度（dB）±2

接收靈敏度（dBm）-86

微波接收裝置

接收分辨率（dB）0.1

測量范圍（mm）≥0

誤差（%）±5.0

降水計(jì)算分析系統(tǒng)

分辨力（mm）0.5

降水識別準(zhǔn)確率（%）≥90

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5.5配套設(shè)施技術(shù)要求

5.5.1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。

5.5.2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)。

5.5.3高頻微波降水監(jiān)測儀器應(yīng)采用移動通信或GNSS傳輸數(shù)據(jù)的，應(yīng)

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。

5.5.4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。

5.5.5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。

5.5.6高頻微波降水監(jiān)測儀器設(shè)備運(yùn)輸包裝應(yīng)符合科學(xué)、牢固、經(jīng)濟(jì)、

美觀的要求。

5.6儀器設(shè)備屬性信息

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。

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表2儀器數(shù)據(jù)內(nèi)容

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)

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6設(shè)備的安裝與布設(shè)

6.1設(shè)備安裝

6.1.1安裝前應(yīng)進(jìn)行校正、定標(biāo)和測試，安裝完成后應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)測試，

正常時(shí)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。

6.1.2微波鏈路的發(fā)射、接收裝置距離地表高度宜在10m以上，有條

件的可架設(shè)在建筑物頂端或已有鐵塔資源上。

6.2設(shè)備布設(shè)要求

6.2.1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。

6.2.2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。

6.2.3多條微波鏈路組網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)使用不同的發(fā)射頻率以避免信號

相互干擾。

6.3運(yùn)行與維護(hù)

6.3.1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(jì)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

時(shí)修復(fù)存在的問題。每年度檢查維護(hù)次數(shù)應(yīng)不低于2次。

6.3.2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。

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7降水強(qiáng)度計(jì)算與分析

7.1監(jiān)測數(shù)據(jù)格式要求

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。

表3微波信號數(shù)據(jù)內(nèi)容

數(shù)據(jù)名稱英文符號單位（內(nèi)容）

鏈路名稱Link_ID/

接收時(shí)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

7.2計(jì)算與分析要求

7.1.1單條鏈路計(jì)算的降水強(qiáng)度誤差應(yīng)控制在±5%以內(nèi)。

7.1.2反演的降水強(qiáng)度分辨力應(yīng)達(dá)到0.5mm。

7.1.3反演的降水強(qiáng)度時(shí)間分辨率應(yīng)小于1min。

7.1.4微波反演出準(zhǔn)確預(yù)報(bào)結(jié)果耗時(shí)應(yīng)小于10min。

7.3微波衰減

微波信號在傳播過程中發(fā)生的能量衰減按照下式計(jì)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）；

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:微波鏈路的長度，單位為千米（km）。

7.4干濕期判別

分析微波信號隨時(shí)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：

對于一個(gè)無線微波衰減序列：

（2）

式中：

：微波鏈路在t時(shí)刻的總衰減率，單位為分貝每千米（dB/km）；

：微波鏈路在t時(shí)刻的基礎(chǔ)衰減率，單位為分貝

每千米（dB/km）；

：微波鏈路在t時(shí)刻的雨衰減率，單位為分貝每

千米（dB/km）。

對于和，存在：

（3）

（4）

此時(shí)誤差，滿足均值、方差為0。

因此,的方差：

（5）

對于一個(gè)滑動窗口而言，

（6）

（7）

式中：

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：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(shí)，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(gè)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(shí)干期衰減數(shù)據(jù)確定。

7.5基礎(chǔ)衰減修正

對于一場降水，若時(shí)間間隔足夠大，可以認(rèn)為t時(shí)刻降水與時(shí)

刻互不相關(guān)。

定義是一個(gè)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;

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（2）Z的方差。

因此，當(dāng)降水時(shí)長足夠長，有足夠長系列的微波衰減數(shù)據(jù)時(shí)，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

水衰減。

7.6降水強(qiáng)度計(jì)算

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(jì)和

通信原理建立起的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其形式為?/p>

（10）

式中：

R：微波鏈路在t時(shí)刻的降水強(qiáng)度，單位為毫米每小時(shí)（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(jì)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