本发明涉及一种微波雨衰规律人工降雨实验方法，特别是涉及一种链路长短可调的微波雨衰规律人工降雨实验方法。
背景技术：
我国在微波链路反演降水方面的研究始于2010年，在微波链路反演降雨方面的研究还很薄弱。因为我国无线微波基站之间通讯主要依靠光纤，缺乏不同气象条件下的微波雨衰实测数据，不能为我国开展无线微波降水反演提供科学有效的雨衰反演参数。因此，迫切需要开展微波链路反演降雨的相关实验研究。利用已有无线基站进行天然条件下的雨衰实验，时间长、投资大、降水条件有限，不能获得有效的反演参数；利用人工降雨装置开展微波链路反演降雨研究，可设计不同的雨强，节省时间成本。但受人工降雨场地限制(长度、宽度通常小于100m)，实验链路长度和实际通讯链路存在较大出入，导致微波衰减不明显，无法反映实际微波链路下的真实雨衰规律，需要人工调整微波链路长度，与实际情况尽量保持一致，保证实验成果的科学性和真实性。
技术实现要素：
发明目的：本发明要解决的技术问题是提供一种链路长短可调的微波雨衰规律人工降雨实验方法，针对现有微波雨衰人工与天然降雨实验的缺点和不足，旨在模拟不同重现期降雨条件下实际通讯链路长度的微波雨衰，为揭示实际微波雨衰规律提供科学的实验方法。
技术方案：本发明所述的链路长短可调的微波雨衰规律人工降雨实验方法，包括以下步骤：
(1)设计计算不同重现期的降雨强度，形成实验降雨过程，利用人工降雨大厅模拟人工降雨；
(2)搭建角反射器，调整所述角反射器的布置点和发射角度，进行微波链路长度的动态调整；
(3)安装实验微波装置，并选取特定微波频段的微波链路作为实验链路；
(4)利用自计式雨量计获取不同降雨强度条件下实验链路上的测量数据；
(5)根据测量数据，获得实验降雨强度变化的全部过程，分析推算微波雨衰规律。
进一步的，步骤(1)具体为：利用符合实验地区的芝加哥暴雨公式，计算得出实验所需降雨强度，并通过人工降雨大厅的人工降雨系统进行模拟人工降雨。
进一步的，所述角反射器为可旋转角反射器，角反射器的各面均由若干面能自由旋转的金属板组成，通过控制金属板旋转，改变角反射器的反射角度及有效反射面积，从而改变微波链路的反射长度。
进一步的，步骤(3)中的微波频段为15ghz至27.5ghz。
进一步的，步骤(4)具体为：
(1)采用降雨前临界时间段内接收电平的均值，作为雨衰计算的基准值；
(2)每隔1小时调整1次通信频率，各频段实验在时间上相互独立，每隔10秒对接收电平进行一次采样；
(3)根据自计式雨量计的测量数据，获得实验雨强变化的全部过程。
进一步的，步骤(5)中获取降雨强度的过程为：
γ＝arb
式中，r为降雨强度，γ为雨衰，a、b为频率依从系数，由电波的工作频率表、极化方式、电波接收条件来决定。
有益效果：本发明在人工降雨装置中模拟不同雨强和不同链路长短条件下的微波雨衰过程，挖掘分析微波雨衰规律，为揭示真实微波雨衰规律提供准确可靠的第一手实验数据，为实现降水精准监测打下良好基础。
附图说明
图1是本方法的流程图；
图2是本实施方式中使用的人工降雨场地示意图；
图3是本实施方式中使用的角反射器分析原理示意图；
图4是本实施方式的实验场地示意图。
具体实施方式
本发明的实施方式具体流程如图1所示，具体为：
步骤1，设计不同重现期降雨强度，在人工降雨大厅内模拟人工降雨，研究不同雨强条件下的微波雨衰规律。
本实验的人工降雨强度，根据相关规范计算得出，具体为：利用芝加哥暴雨公式，计算得出实验所需降雨强度，并通过降雨大厅的人工降雨系统进行模拟。该人工降雨系统的雨强可控范围为0～300mm/h。
芝加哥暴雨公式如式所示：
其中，a,b,c,c表示暴雨强度公式地方参数；
p——重现期，a；
t——降雨历时，min；
i——降雨强度，mm/min。
实验查阅南京暴雨强度公式，将南京暴雨强度公式和芝加哥暴雨强度公式相结合，计算得到实验所需降雨过程。
如图2所示，本实施方式中的人工降雨装置采用河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室降雨大厅的人工降雨系统，模拟不同设计频率的降雨过程(小雨、中雨、大雨、暴雨等多种雨型)。该系统由可编程序控制器、工控机、电动调节阀、喷淋电磁阀及人工降雨测控软件组成。可根据实验需求控制降雨强度，雨强可控范围为0～300mm/h。
步骤2，微波链路长度的动态调整。微波链路长度受实验场地限制，本发明通过搭建可旋转角反射器、调整角反射器的布置点和反射角度，实现微波链路长度的动态调整。
角反射器装置由2-3块相互垂直的金属平板构成的二面角或三面角结构，本实验采用一种旋转型二面角结构角反射器，角反射器的各面均由若干自由旋转的小金属板组成，通过控制小金属板旋转，改变角反射器的反射角度及有效反射面积，改变微波链路的反射长度。
如图3所示，运用射线追踪的方法，对入射波在角反射器内的反射情况进行追踪。
(1)反射面方程：y＝kxx
式中：
(2)入射点(x0,y0)以及入射波距离s0
(3)入射角
雨衰强度与信号收发器之间的链路长度正相关。但是，利用雨衰测量值反演计算的是链路平均降水强度，链路长度太长，可能超过雨胞尺寸大小，使得链路平均值代表的降水空间分辨率过大，无法准确描述小于雨胞尺寸的降水变化情况。实验链路长度的选择需要结合雨衰值的可测性、降水测量的空间分辨率综合考虑。本实施方式选取的链路长度区间可由角反射器的安装位置决定。
如图4所示，通过角反射器调整合适的视距通讯链路。为了进行测量值与反演值的数据对比，在发射端设置了rg3型自计式雨量计进行同步测量。
步骤3，安装实验微波装置，选择实验所需微波频段。
降雨具有空间异质性和时间非连续性等显著特点，无线微波频段选择至关重要。随着无线通讯技术的发展，第四代无线通讯网络已经在全世界广泛应用，第五代无线通信技术正在逐步推广应用，毫米波无线电频段将是5g通讯网络应用的重要环节。2019世界无线电通信大会提出，5g通讯频段为24.25-27.5ghz，37-40.5ghz，42.5-43.5ghz，45.5-47ghz，50.4-52.6ghz，66-76ghz，81-86ghz，可以分配给移动业务端；频段为31.8-33.4ghz，40.5-42.5ghz和47-47.2ghz，在前期频段分配的基础上，后期可以作为移动业务端的补充。
实验链路选择，需要综合考虑雨衰值的可测性、降水测量的空间分辨率。根据我国的实际情况，本实验主要选取15-27.5ghz频段的微波链路作为实验链路，理论上该频段对降雨影响较为敏感，还可以可以为利用未来商用链路进行降水测量提供基础，补充现有降雨监测方式的短板。
步骤4，实验数据的收集。实验记录了不同雨强条件下实验链路上各时刻的接收电平。采用降雨前临界时间段内接收电平的均值，作为雨衰计算的基准值，此时的大气温度、湿度与降雨时基本一致，避免了降雨时温湿度不同带来的衰减误差。
由于实验链路的长度可以调控，选取最贴近实际链路要求的一条。为研究15-27.5ghz不同频点微波雨衰的规律，实验时每隔一小时调整一次通信频率，各频段实验在时间上相互独立。为了较精准的跟踪雨强的瞬时变化，接收电平的采样频率为每10s一次。根据自计式雨量计的测量数据，获得实验不同雨强下的全部过程。
步骤5，实验数据的分析，基于降雨致微波衰减的原理，使用雨衰数据根据雨衰预测模型的经典公式，反推求雨强，分析推算微波雨衰规律。本实验利用国际电联(itu)建议书中给出的推荐雨衰预测模型作为反演理论基础。该模型认为雨强r(mm/h)与雨衰γ(db)呈幂律关系：
γ＝arb
式中，a、b为频率依从系数，由电波的工作频率表、极化方式、电波接收条件等因素来决定。
1.一种链路长短可调的微波雨衰规律人工降雨实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设计计算不同重现期的降雨强度，形成实验降雨过程，利用人工降雨大厅模拟人工降雨；
(2)搭建角反射器，调整所述角反射器的布置点和发射角度，进行微波链路长度的动态调整；
(3)安装实验微波装置，并选取特定微波频段的微波链路作为实验链路；
(4)利用自计式雨量计获取不同降雨强度条件下实验链路上的测量数据；
(5)根据测量数据，获得实验降雨强度变化的全部过程，分析推算微波雨衰规律。
2.根据权利要求1所述的链路长短可调的微波雨衰规律人工降雨实验方法，其特征在于，步骤(1)具体为：利用符合实验地区的芝加哥暴雨公式，计算得出实验所需降雨强度，并通过人工降雨大厅的人工降雨系统进行模拟人工降雨。
3.根据权利要求1所述的链路长短可调的微波雨衰规律人工降雨实验方法，其特征在于，所述角反射器为可旋转角反射器，角反射器的各面均由若干面能自由旋转的金属板组成，通过控制金属板旋转，改变角反射器的反射角度及有效反射面积，从而改变微波链路的反射长度。
4.根据权利要求1所述的链路长短可调的微波雨衰规律人工降雨实验方法，其特征在于：步骤(3)中的微波频段为15ghz至27.5ghz。
5.根据权利要求1所述的链路长短可调的微波雨衰规律人工降雨实验方法，其特征在于，步骤(4)具体为：
(1)采用降雨前临界时间段内接收电平的均值，作为雨衰计算的基准值；
(2)每隔1小时调整1次通信频率，各频段实验在时间上相互独立，每隔10秒对接收电平进行一次采样；
(3)根据自计式雨量计的测量数据，获得实验雨强变化的全部过程。
6.根据权利要求1所述的链路长短可调的微波雨衰规律人工降雨实验方法，其特征在于，步骤(5)中获取降雨强度的过程为：
γ＝arb
式中，r为降雨强度，γ为雨衰，a、b为频率依从系数，由电波的工作频率表、极化方式、电波接收条件来决定。
技术总结