基于社会监控视频的雨量反演

针对利用机器视觉算法估算雨量低准确率的问题,提出基于社会监控视频的雨量反演算法。首先利用降雨分类网络剔除无雨视频;其次引入交替方向乘子法(alternating direction method of multipliers, ADMM)提取降雨视频的前景信息,并通过语义分割和背景差分方法选取感兴趣区域(region of interest, ROI);然后构建以灰度变化和饱和度为特征的高斯混合模型(Gaussian mixture model, GMM)筛选ROI区域内的雨滴;最后依据透视成像关系计算雨滴尺寸,使用气象学Gamma模型反演降雨量。实验结果表明,本文降雨分类方法的准确率在MWD (multi-class weather dataset)到达91.3%,在真实的数据集到达77.0%,雨量估算结果相比于现有方法更为准确。     

基于BP神经网络的雨滴谱仪设计

为了减小传统雨滴谱观测仪器的体积、重量、成本,并提高雨滴谱的测量精度,提出一种基于等距导电圆环结构的新型雨滴谱探头、Cortex-M3 ARM处理器及高精度低噪声测量电路的雨滴谱仪。雨滴谱仪利用不同直径雨滴引起输出电压的差异进行测量。以Sigmoid函数作为传递函数,利用梯度下降法建立雨滴谱仪的输出电压和雨滴直径的BP神经网络模型,并将基于该模型的算法嵌入ARM处理器,求出雨滴直径。该雨滴谱仪实现了对直径为2.67～5.56 mm雨滴的观测,测量误差小于±0.1 mm。     

雨滴谱参数估计优化方案及其微物理资料检验

提出一种新的雨滴谱参数估计优化方案。其最大优点就是：对于任意几束相邻的测雨雷达观测资料,从任意的雨滴谱模型（如Marshall-Palmer经验公式）决定的积分雨参数之间的关系（如k-Z关系）出发,利用雷达视反向率资料并借助雷达海平面或地表面回波信号,可以获取束向上的比较接近实际降雨场的雨滴谱;然后利用校正的雨滴谱参数决定的积分雨参数之间的关系,降雨量反演长法就可以提供较准确的降雨量分布。这个方案可行性被同区域机载2D－P雨滴谱仪实测的微物理资料很好地验证。     

基于武汉MST雷达的降雨物理过程观测与研究

利用武汉MST(Mesosphere-Stratosphere-Troposphere)雷达对降雨事件的观测, 建立了二阶高斯谱模型, 基于最小二乘法拟合得到相应的大气湍流谱与降雨谱信息.从大气湍流谱和降雨谱中可以分别提取大气及降雨粒子的回波能量及径向运动状态, 从而反演大气背景三维风场和讨论降雨形成机制.同时, 基于雨滴粒径伽马分布特征, 根据降雨回波谱反演得到不同高度的雨滴粒径分布, 从而研究对流层区域降雨的微物理过程.     

基于雨滴谱分布数据库的近红外辐射衰减研究

为了研究降雨对近红外辐射的衰减,定量评估降雨对近红外设备的影响,在雨滴谱分布二元函数模型建立的基础上,提出了一种雨滴谱分布数据库的建立方法,对LAWS和PARSONS在美国华盛顿地区测量的雨滴谱分布数据进行拟合,建立雨滴谱分布数据库。基于雨滴谱分布数据库,结合米散射理论和衰减系数公式,得到了1μm,2μm和3μm波长近红外辐射的消光效率因子与雨滴直径的关系曲线,并计算了在降雨量分别为0.25mm/h,1.25mm/h,2.5mm/h,12.5mm/h,25mm/h和50mm/h条件下的近红外辐射衰减系数。结果表明,不同降雨量条件下,对于雨滴谱分布的函数关系式,正态分布具有更好的拟合效果;消光效率曲线的包络线随波长的增大而增大;拟合衰减系数和降雨强度的函数关系发现,指数函数具有很好的拟合效果。该计算结果对研究降雨对近红外辐射的衰减具有重要意义。     

雨滴成像中的散焦模糊复原方法及应用

针对自主研制的降水微物理特征测量仪存在的成像质量问题,重点考虑与光源相关的散焦模糊,提出了基于点扩散函数的雨滴图像复原方法,利用圆盘函数对雨滴图像进行复原,消除噪声和模糊,得到具有清晰轮廓的雨滴图像。利用与雨滴光学性质相近的玻璃球进行了定标实验,确定了成像系统散焦模糊的半径和图像二值化的阈值。外场实测结果表明,图像复原可以有效修正雨滴尺度及其谱分布,测量得到的雨滴谱和降雨强度与激光雨滴谱仪的结果具有很好的一致性。该方法应用于降水微物理特征测量仪,可以显著提高雨滴谱及其他微物理特征的测量性能。     

北京一次强降水过程雨滴谱特征

雨滴谱是云及降水物理学中重要的研究对象,基于北京2015年8月7日的强降水雨滴谱观测数据,计算得到该过程的雨滴谱、质量加权直径、平均直径等雨滴尺寸分布特征,由雨滴谱观测数据计算得到降水强度、液态水含量和雷达反射率,分析这些降水参数在此次降水过程中的变化特征。综合分析雨滴谱参数和S波段天气雷达反射率表明此次降水过程具有飑线特征,可划分为前端的引导对流性降水、过渡降水和尾部层状降水三个阶段。最后讨论不同降水阶段雨滴谱参数及降水参量的变化及其对雷达定量降水估测Z-R关系的影响。结果表明对流性降水阶段的雨滴数浓度（大于4600个/m3）、质量加权直径（2.69 mm）、最大直径（6.3 mm）均远高于过渡和层状降水阶段,对流降水阶段和过渡阶段雨滴直径分布范围类似（标准差均大于0.3 mm）,层状降水分布较窄（标准差0.24）。不同降水阶段拟合得到的Z-R关系明显不同,拟合得到此次降水整个过程的Z-R指数经验关系系数a=674.91,指数b=1.39。     

降雨和雾气天气下自由空间光通信性能研究

天气的影响会导致自由空间光通信系统性能恶化。利用Mie理论和两种雨滴谱分布模型,计算了不同降雨量下大气激光传输的衰减;根据Kim和AlNaboulsi模型计算了激光在不同能见度下的衰减。研究了降雨和雾气对自由空间光通信系统性能的影响,分析了不同降雨量时降雨和雾气天气条件下传输距离与误码率的关系以及发射功率与误码率的关系。结果表明,降雨量不同会影响通信距离;雾天衰减比雨天衰减更为严重,通信距离变短,为保证系统正常工作,可以适当加大发射功率。     

多基地SAR线目标参数反演与图像重建

传统单基地SAR成像系统基于点目标模型且观测视角单一,在对复杂场景成像时存在线目标边缘不连续,特征丢失等现象。针对这一问题,本文提出了一种多基地SAR构型下线目标参数反演与图像重建方法。该方法基于几何模型与散射理论推导了线目标的合成孔径雷达回波的参数化表达式,分析了在不同观测角度下对线目标的SAR成像结果从直线段到两端点反复变化的特点,并从空间谱采样的角度解释了这一现象,在此基础上根据线目标空间谱的特征,提出了一种基于最小二乘估计的多基地构型下线目标参数反演与图像重建方法。仿真实验结果表明,在相同的峰值信噪比条件下,本文提出的多基地SAR线目标参数反演与图像重建方法,相对于单一观测角度的单基地SAR具有更优的反演性能,在SAR图像的峰值信噪比为28dB时,线目标朝向与长度的反演误差在10％以内的概率达到了84％,可以基于反演结果实现图像的重建。      

基于二维空变运动补偿的机动平台大斜视SAR稀疏自聚焦方法

大斜视角和空间3维加速度的存在使机动平台SAR的运动误差具有明显的2维空变性,极大地增加了成像难度。为此,该文提出了一种基于2维空变运动误差估计与补偿的稀疏自聚焦方法。该方法基于Keystone变换和频域相位滤波法构造了能够校正成像参数空变性的频域近似观测算子。在自聚焦过程中,首先,构建基于频域近似观测算子的稀疏自聚焦模型并采用迭代软阈值方法(ISTA)进行求解,从而实现图像的粗聚焦和非空变运动误差的估计;然后,采用稀疏自聚焦模型估计多个子区域的精确相位误差曲线,并基于最小二乘法估计空变的运动误差参数;最后,通过对近似观测算子的修正实现空变运动误差的补偿。仿真实验验证了该方法的有效性。     

Two-Frequency Mutual Coherence Function of Millimeter Wave in Rain

In this paper, the general formulations of two-frequency mutual coherence function, Γ, for a pulse wave propagating in random discrete media are summarized. The relations of the amplitudes and phases of the Γ to ω_d are given by Ishimaru et al, based on average particle in cloud and rain. In practice, since the particles sizes in random discrete media are in a size distribution spectrum, the Γ ought to be derived from a particles size distribution. Based on an approximately solution, we describe these examples of millimeter waves (94, 220GHz) pulse propagating in rain and show that the Γ 's amplitudes and phases obvious varies as rainfall and frequency. For a kind of rain, considering raindrops size distribution and average raindrop size, respectively, the Γ 's amplitudes and phases are calculated. The numerical results show that the differences between the results calculated by raindrops size spectrum and by average size are remarkable, especially for heavy rainfall. Therefore, It is shown that the Γ calculated by a particles size distribution is more reasonable than by average size. For the Γ numerical analyses, particles size distribution ought to be adopted. This study is important for us to provide adequate bandwidths to achieve high-rate pulse communications and improve MMW radar system performances and atmospheric remote-sensing techniques.     

Fine structure of rainfall

The raindrop size, the raindrop shape, and the raindrop fall velocity measured are shown. It was found that many small raindrops of 50 to 500 μm diameter whose sizes have never been measured, exist in common rainfall. Also the distribution of canting angle of deformed raindrops is measured. For estimating the microwave attenuation due to rainfall, especially that of millimeter waves, a probability distribution function of raindrop size is presented. Finally, it is shown that the raindrop size distribution is not uniquely determined only by rainfall intensity.     

虚拟交通环境中的雨滴仿真

为实现虚拟交通场景中的降雨实时仿真,设计出一种基于OpenGL的降雨仿真模型。现有雨的仿真模型主要关注降雨过程,而在虚拟交通环境中,通常还需要对雨滴在挡风玻璃上的运动进行仿真。利用OpenGL将场景渲染到纹理,运用几何方法计算雨滴粒子并将其映射到网格化的虚拟挡风玻璃平面,采用贴纹理的方法将纹理映射到虚拟挡风玻璃平面,建立了雨滴在挡风玻璃平面的仿真模型。实践表明,该方法的时间开销与场景、光照等因素无关,仅与车辆挡风玻璃上的雨滴数量相关。该方法在普通PC实验平台上渲染场景的帧速率超过25帧／秒,能够成功实现雨滴的实时仿真。     

A study of raindrop size distributions in central and northwest China and their effects on some propagation parameters for wavelengths from 0.86 cm to 10 cm

The effect of rain on radio propagation depends on the raindrop dimensions and shapes. For spherical raindrops, results of a statistical analysis of measurements are presented: the parameters of the raindrop size distribution as a function of rainfall rate. Attenuation constants and backscatter coefficients are deduced from these results in fonction of rainfall rate.     

利用雨滴尺寸分布数据确定雷达测雨参数

本文根据我国青岛、广州和新乡地区实测雨滴尺寸分布数据,计算了球形雨滴雷达反射因子Z,椭球形雨滴雷达反射因子Z_H和差分反射率Z_DR,回归给出了这些地区的常规气象雷达测雨算式Z~R关系和多参数雷达测雨算式Z_H、Z_DR~R关系,并对其测雨精度和地区差异进行了比较.     

Model for estimating rain attenuation at frequencies in range 6-30GHz

The raindrop size distribution (RSD) for various types of rainfall over Guwahti, India is presented. The observed RSD parameters are compared with those given by other models. By employing the observed RSD, the values of a and b in the relation A=aR^b for estimating the rain attenuation at frequencies from 6 to 30 GHz are given. The significance of the type of rainfall in controlling attenuation is discussed     

基于非球形雨滴的降雨对激光传输衰减的影响

为了进一步确定降雨对激光在大气中传输衰减的影响,将雨滴的非球形效应考虑在内,在雨滴的近似椭球模型、归一化谱分布的基础上,利用射线追踪法计算群雨滴在可见光和近红外波段的散射和衰减特性,讨论分析雨滴谱分布和降雨强度对可见光和近红外波段激光传输衰减的影响。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;激光衰减不仅受降雨强度的影响,也与雨滴的数密度有关,数密度越大,激光衰减越大;而形状对群雨滴的影响较小。所得出的结论有助于准确评估降雨对激光传输的影响以及改善激光传输、通信和激光测风等应用。     

532 nm激光在雨中传输衰减模型的改进及实验

目前国内外研究激光在雨中传输的衰减问题时主要有两种模型:散射模型和遮挡模型。但是遮挡模型在处理位于激光器视场近端的大尺寸雨滴时存在理论缺陷,而散射模型对于视场远端的雨滴多次散射问题的计算量过于庞大。提出了一种基于接收端雨滴投影圆面积判据的雨滴衰减模型改进算法,对接收透镜视角内出现单个雨滴全遮挡的情况进行了修正。并且采用MATLAB对模型进行了仿真分析,得到改进的衰减模型与散射模型和遮挡模型的衰减曲线对比图。最后,通过自然雨场实验验证改进理论算法的精确度,结果表明:传输距离在100 m且降雨量为1.2 mm/h时,改进的理论模型相比较原遮挡模型精度提高了54.6%,说明上述改进算法能够提高雨滴衰减模型的精确性。该项目的研究为蓝绿激光大气通信探测技术的发展提供了一定的理论支撑。     

激光雨滴谱仪降水量反演及误差修正

对激光雨滴谱仪监测的降水粒子粒径、末速度、粒子数等信息进行分析,得到降水粒子的粒径-末速度函数和雨滴谱等关系函数。通过计算得到的降水强度与气象数据对比,得到误差函数;根据误差函数建立降水量反演算法,对降水强度进行修正得到修正后降水强度和降水量,修正后降水量误差减少了10%以上,最后给出降水类型的判断方法。