[发明专利]一种船用降雨探测装置及方法

说明书

本发明属于降雨探测技术领域，具体涉及一种船用降雨探测装置及方法，通过微波雷达传感器对目标区域发射和接收电磁波探测降雨，根据姿态传感器和环境风传感器探测的姿态和环境风场信息对微波雷达传感器的结果进行订正，实现运动状态下的降雨探测；其中，微波雷达采用扁平一体化结构的微带天线技术，相较于传统的抛物面天线，具有体积小、重量轻、易于集成等优点，能够有效减小全尺寸体积和风阻，安装后对平台的空气动力学特征影响较小，维护保养简便；其原理科学可靠，易于实现，在船舶和浮标站都安装有姿态传感器和环境风传感器条件下，只安装微波雷达传感器即可在不同运动状态下对降雨进行准确探测。

技术领域：

本发明属于降雨探测技术领域，具体涉及一种船用降雨探测装置及方法，能够在运动状态下准确探测降雨。

背景技术：

降雨探测是气象探测的重要项目，对降雨的准确探测有助于提高降雨预报精度、提升防灾减灾能力、促进大气与海洋科学研究的发展。海上降雨探测的实施依赖于船舶、浮标站和卫星等平台完成，由于卫星遥感对海面的探测精度较低，海面的降雨探测以船舶和浮标站为主。

雨量计通常采用收集降雨的方式对单个地点的降雨情况进行探测，需要设置雨量筒对降雨进行采集。其应用在船舶和浮标站等不稳定平台上存在诸多不足：第一，船舶在航行时雨滴相对雨量计的速度较大，当雨滴撞击在雨量筒上易飞溅，导致测量结果不准确；第二，降雨时空变率大，标准的翻斗式雨量计对降雨的最小分辨率为0.1mm，翻斗在没有收集到预设雨量时不会倒转，对降雨的响应时间较长，当雨量较小时，可能无法采集到降雨信息；第三，雨量筒固定安装在船舶上，其朝向随着船舶航行姿态的变化而变化，接收降雨的横截面与水平时不一致，导致测量结果不准确；第四，船体在大风浪等环境下会大幅晃动，可能导致翻斗在无雨情况下翻转，导致测量结果不准确。虽然有研究人员提出在雨量计底部加装稳定设施，使雨量筒能够保持垂直指向天空的状态，但是，此类设施体积大，不能解决雨滴飞溅和响应时间长等问题，没有得到大范围应用。

天气雷达作为大范围降雨探测设备，能够利用雷达反射率因子Z与雨强R之间的对应关系：Z＝aR^b(a、b为系数)探测降雨。然而，天气雷达主要用于对空中降雨的监测预警和定量估计，一方面，其在低空存在盲区，空中估值与地面测值间存在偏差；另一方面，降雨的时空变率较大，而雷达单次完整探测的时间较长，时间分辨率较低；而且，天气雷达体积和耗能巨大，不适宜安装在浮标站和小吨位船舶上，除了少数大型船舶进行大范围预警探测外，天气雷达并没有在船舶降雨探测领域得到大规模应用。

现有技术中的降雨探测装置及方法在船舶等不稳定平台上存在的探测精度低、响应时间长等问题。因此，研发设计一种船用降雨探测装置及方法，在运动状态下对降雨进行准确探测，具有积极的社会和经济价值。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种船用降雨探测装置及方法，通过微波雷达传感器对目标区域发射和接收电磁波探测降雨，根据姿态和环境风场信息对结果进行订正，实现运动状态下对降雨的准确探测。

本发明涉及的船用降雨探测装置能够应用于船舶和浮标站等不稳定平台进行降雨探测，其主体结构包括微波雷达传感器、姿态传感器、环境风传感器、数据处理模块和保护罩；降雨探测平台上设置有微波雷达传感器、姿态传感器和环境风传感器，微波雷达传感器、姿态传感器和环境风传感器分别与数据处理模块电连接，当数据处理模块位于室内时，微波雷达传感器和姿态传感器的外侧设置有保护罩，当数据处理模块位于室外时，微波雷达传感器、姿态传感器和数据处理模块的外侧设置有保护罩。

本发明涉及的船用降雨探测方法实施前，将分别与数据处理模块电连接的微波雷达传感器、姿态传感器和环境风传感器安装在降雨探测平台上，使微波雷达传感器的发射阵面与降雨探测平台的水平面保持一致；具体步骤如图1所示，包括计算雨滴谱、姿态订正、环境风订正和计算降雨特征量共四个步骤：

(1)计算雨滴谱