基于手机信号的降雨监测方法

1.本发明涉及基于手机信号的降雨监测方法，属于气象监测领域。


背景技术：

2.手机是人们现代日常生活中的基本通讯联络手段之一，手机信号可以用于监测天气状况。现有技术cn202010386967.3公开了一种基于微波雨衰的降雨估算方法，证明了数字频段微波信号衰减受近地面降水粒子影响，利用数字频段微波信号衰减可获得地面降水的高时空分辨率及时监测资料。
3.相比于已公开的基站微波测雨方法，基于手机信号的无线微波测雨方法具有以下优势：
4.①
出于信息安全与文物保护方面的考虑，基站上信号接收与发送装置的安装往往不能得到城市住建部门的批准，故基站微波测雨方法很难在全国所有城市进行推广，尤其是文物重点保护城市和高安全等级城市。
5.②
现有的基站微波测雨方法，其成本包括信号发送接收装置的安装及维护成本，天线疏水材料的安装、维护、更换成本，两者加起来也是一笔不菲的费用。
6.③
对于城市而言，往往只有上百个微波基站可供测雨使用，但是却有数十万部手机的信号可供测雨使用。
④
现有的基站微波测雨方法，由于其在基站数量上的不足，故在降雨场的重构步骤上，往往涉及到降雨数据的插值处理，如反距离加权插值、克里金插值法等等。不管何种插值方法，总会带来计算值与真实值的差异。


技术实现要素：

7.发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于手机信号的降雨监测方法，利用海量移动终端信号进行天气监测，消除了基站微波因基站密度不足导致的插值误差问题，有效提高了雨量站稀疏区、天气雷达盲区的天气监测精度。
8.技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于手机信号的降雨监测方法，包括如下步骤：
9.1)选定由手机和基站所构成的微波链路网格，并进行离散格点化；
10.2)对手机信号观测的降雨强度资料按照空间与时间照配，得到格点化资料；
11.3)筛选并保留研究区域内每个格点中符合要求的时刻雨强；
12.4)利用筛选后符合要求的时刻雨强格点化资料进行降雨场重构。
13.作为优选，所述步骤(2)包含以下步骤：
14.2-1)根据通信部门提供的资料，对研究区域内的手机记录其在非雨期的接收信号强度，并计算平均接受信号强度，认为该值为非雨期的平均接收信号强度；
15.2-2)记录研究区域内手机在每个计算时刻的接收信号强度，并认为其与非雨期平均接收信号强度的差值为该手机在该计算时刻下的微波衰减；
16.2-3)对研究区域内一定时间序列的微波衰减资料，建立时刻雨强rmm/h与其对应
的雨致微波衰减率adb/km之间的幂函数关系：
17.a＝kr
α (1)
18.其中，k为与微波频率相关的频率依从系数，α为与极化方式相关的频率依从系数，对于不同的微波频率与极化方式，可通过(2)式、(3)式、(4)式、(5)式、(6)式、(7)式求解不同微波频率与极化方式时的k值和α值
[0019][0020][0021][0022][0023][0024][0025]
其中，kh和αh为水平极化下的频率依从系数，kv和αv为垂直极化下的频率依从系数，k和α为非水平和垂直极化下的频率依从系数，f为发射出的微波频率，μ为微波链路的仰角，θ为手机信号接收端的极化角。
[0026]
2-4)通过(1)式计算不同时间与空间下的时刻雨强r，并认为其归属于手机-基站微波链路中点所处微波链路网格点。
[0027]
作为优选，所述步骤(3)包含以下步骤：
[0028]
3-1)去除非雨期与雨期停留在不同网格格点中的时刻雨强，保留非雨期与雨期处于相同网格格点中的时刻雨强数据；
[0029]
3-2)根据全球定位信息，去除在雨期停留在建筑物内的时刻雨强数据，保留雨期停留在建筑物外的时刻雨强数据。
[0030]
作为优选，所述步骤(4)包含以下步骤：
[0031]
4-1)对每个格点所具有的时刻降雨强度ri，通过(8)式计算其平均值
[0032][0033]
其中，n为每个格点所具有的时刻降雨强度数量；
[0034]
4-2)通过(9)式计算格点中每个降雨强度与均值距离的权重，通过(10)式对格点中每个降雨强度与均值距离的权重进行正则化；
[0035][0036][0037]
4-3)通过(11)式计算每个格点的理论降雨强度，完成降雨场重构
[0038][0039]
有益效果：本发明的基于手机信号的降雨监测方法，一是以手机微波信号进行天气监测，有效提高了雨量站稀疏区、天气雷达盲区的天气监测精度。二是利用海量移动终端信号进行天气监测，消除了基站微波因基站密度不足导致的插值误差问题。利用手机信号监测天气状况，对进一步提高降水空间分布精度具有重要意义。
附图说明
[0040]
图1是本发明的工作示意图；
[0041]
图2是本发明的工作流程图；
[0042]
图3是本发明的重构流程图。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0044]
如图1至图3所示，一种基于手机信号的降雨监测方法，基于手机信号的降雨监测方法包括如下步骤：
[0045]
1)选定由手机和基站所构成的微波链路网格，并进行离散格点化；
[0046]
1-1)选择研究区域，并认为研究区域内有充分的手机和基站数量；
[0047]
1-2)将研究区划分为m
×
p个网格，横向上有m个网格，纵向上有p个网格；
[0048]
2)对手机信号观测的降雨强度资料按照空间与时间照配，得到格点化资料；
[0049]
2-1)根据通信部门提供的资料，对研究区域内的每部手机，记录其在非雨期的接收信号强度，并计算平均接受信号强度，认为该值为非雨期的平均接收信号强度；
[0050]
2-2)记录研究区域内每部手机在每个计算时刻的接收信号强度，并认为其与非雨期平均接收信号强度的差值为该手机在该计算时刻下的微波衰减；
[0051]
2-3)对研究区域内一定时间序列的微波衰减资料，建立时刻雨强r(mm/h)与其对应的雨致微波衰减率a(db/km)之间的幂函数关系：
[0052]
a＝kr
α (1)
[0053]
其中，k为与微波频率相关的频率依从系数，α为与极化方式相关的频率依从系数，对于不同的微波频率与极化方式，可通过(2)式、(3)式、(4)式、(5)式、(6)式、(7)式求解不同微波频率与极化方式时的k值和α值
[0054][0055][0056][0057][0058][0059][0060]
其中，kh和αh为水平极化下的频率依从系数，kv和αv为垂直极化下的频率依从系数，k和α为非水平和垂直极化下的频率依从系数，f为发射出的微波频率，μ为微波链路的仰角，θ为手机信号接收端的极化角。
[0061]
2-4)通过(1)式计算不同时间与空间下的时刻雨强r，并认为其归属于手机-基站微波链路中点所处微波链路网格点。
[0062]
3)筛选并保留研究区域内每个格点中符合要求的时刻雨强；
[0063]
3-1)去除非雨期与雨期停留在不同网格格点中的时刻雨强，保留非雨期与雨期处于相同网格格点中的时刻雨强数据；
[0064]
3-2)根据全球定位信息，去除在雨期停留在建筑物内的时刻雨强数据，保留雨期停留在建筑物外的时刻雨强数据；
[0065]
4)利用筛选后符合要求的时刻雨强格点化资料进行降雨场重构；
[0066]
4-1)对每个格点所具有的时刻降雨强度ri，通过(8)式计算其平均值
[0067][0068]
其中，n为每个格点所具有的时刻降雨强度数量
[0069]
4-2)通过(9)式计算格点中每个降雨强度与均值距离的权重，通过(10)式对格点中每个降雨强度与均值距离的权重进行正则化
[0070][0071][0072]
4-3)通过(11)式计算每个格点的理论降雨强度，完成降雨场重构
[0073][0074]
采用本发明的技术，基于手机信号的微波测雨方法完全利用了现有的技术设备，无需附加设备的安装，非常适合在全国高密度手机信号分布的各个城市进行推广。完全利用了现有的技术设备，无需附加设备的安装，成本比基站微波测雨方法更加低廉。考虑手机信号数据的筛选，也有数万部手机的信号可供测雨使用。相比于微波基站的链路数量而言，基于手机信号的微波链路无疑在数据量和分布密度上具有更大的优势。基于手机信号的微波测雨方法，由于其在数量和分布密度上的优势，可以做到空间网格的全覆盖，从而避免了数据插值方法所带来的的精度误差。
[0075]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于手机信号的降雨监测方法，其特征在于，包括如下步骤：1)选定由手机和基站所构成的微波链路网格，并进行离散格点化；2)对手机信号观测的降雨强度资料按照空间与时间照配，得到格点化资料；3)筛选并保留研究区域内每个格点中符合要求的时刻雨强；4)利用筛选后符合要求的时刻雨强格点化资料进行降雨场重构。2.根据权利要求所述的基于手机信号的降雨监测方法，其特征在于，所述步骤(2)包含以下步骤：2-1)根据通信部门提供的资料，对研究区域内的手机记录其在非雨期的接收信号强度，并计算平均接受信号强度，认为该值为非雨期的平均接收信号强度；2-2)记录研究区域内手机在每个计算时刻的接收信号强度，并认为其与非雨期平均接收信号强度的差值为该手机在该计算时刻下的微波衰减；2-3)对研究区域内一定时间序列的微波衰减资料，建立时刻雨强rmm/h与其对应的雨致微波衰减率adb/km之间的幂函数关系：a＝kr
α (1)其中，k为与微波频率相关的频率依从系数，α为与极化方式相关的频率依从系数，对于不同的微波频率与极化方式，可通过(2)式、(3)式、(4)式、(5)式、(6)式、(7)式求解不同微波频率与极化方式时的k值和α值波频率与极化方式时的k值和α值波频率与极化方式时的k值和α值波频率与极化方式时的k值和α值波频率与极化方式时的k值和α值波频率与极化方式时的k值和α值其中，k
h
和α
h
为水平极化下的频率依从系数，kv和αv为垂直极化下的频率依从系数，k和α
为非水平和垂直极化下的频率依从系数，f为发射出的微波频率，μ为微波链路的仰角，θ为手机信号接收端的极化角。2-4)通过(1)式计算不同时间与空间下的时刻雨强r，并认为其归属于手机-基站微波链路中点所处的微波链路网格，以此类推，得到计算时刻下每个微波链路网格上的所有的时刻降雨强度。3.根据权利要求所述的基于手机信号的降雨监测方法，其特征在于，所述步骤(3)包含以下步骤：3-1)去除非雨期与雨期停留在不同网格格点中的时刻雨强，保留非雨期与雨期处于相同网格格点中的时刻雨强数据；3-2)根据全球定位信息，去除在雨期停留在建筑物内的时刻雨强数据，保留雨期停留在建筑物外的时刻雨强数据。4.根据权利要求所述的基于手机信号的降雨监测方法，其特征在于，所述步骤(4)包含以下步骤：4-1)根据步骤2-4中所得的计算时刻下微波链路网格上的所有该计算时刻降雨强度，对每个格点上的该计算时刻降雨强度r
i
，通过(8)式计算其平均值其中，n为每个格点所具有的该计算时刻降雨强度数量；4-2)通过(9)式计算格点中每个降雨强度与均值距离的权重，通过(10)式对格点中每个降雨强度与均值距离的权重进行正则化；个降雨强度与均值距离的权重进行正则化；其中，w
j
为每个降雨强度在理论降雨强度计算中所占的权重，为正则化的w
j
；4-3)通过(11)式计算每个格点的理论降雨强度，进而完成降雨场重构

技术总结
本发明公开了一种利用手机信号监测天气的方法，包括以下步骤：1)选定由移动终端-基站构成的微波链路网格，并进行离散格点化；2)根据观测所得雨致微波衰减和频率依从系数计算不同时空下的时刻雨强；3)按不同时空对雨强进行照配，并整理为网格化资料；4)对网格化资料筛选，保留符合要求的雨强资料；4)确定时刻降雨在计算网格雨强时所占权重，并对其正则化；5)计算网格中每个格点的理论降雨强度，完成降雨场重构。本发明利用手机信号在降雨影响下的接收信号衰减，反演在不同时空上的降雨强度，消除了传统基站微波测雨因基站密度不足而导致的精度误差，对进一步提高降水空间分布精度具有重要意义。具有重要意义。具有重要意义。


技术研发人员：杨涛 沈乐琦 郑鑫 朱文萍 宋莹
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：2023.08.07
技术公布日：2023/10/19