Ανάπτυξη συστήματος τηλεπισκόπησης υετού μέσω μικροκυματικών ζεύξεων

Abstract

The impacts of climate change are increasingly evident through the rising frequency of extreme weather events and environmental disasters in recent years. Rainfall, as a critical meteorological parameter, and other meteorological parameters play a vital role in these phenomena, making their accurate measurement essential. Conventional rainfall measurement methods, while beneficial, have limitations, often due to its spatial and temporal variability. Recent research has explored a novel approach for estimating rainfall intensity using signal attenuation in microwave links employed in telecommunications. These links, widespread as they are, offer a potential solution to some of the limitations of traditional methods. Reliable rainfall estimates from signal attenuation could complement traditional estimation methods and significantly address spatial and temporal variability issues, since real-time and widespread power measurements would be feasible. A multitude of related promising studies have been published. Their majority has focused on frequencies above 10 GHz, where the attenuation due to rain is high, thus facilitating its measurement. The present doctoral dissertation sought to contribute to this field by examining signal attenuation at frequencies lower than 10 GHz, where several communication standards are prevalent, and yet, relevant research remains scarce. To this end, an Android application was developed to record the Received Signal Strength Indicator (RSSI) from a mobile device and was employed for measurements at the 4G/LTE frequency of 2630 MHz, as well as a specialized experimental setup for additional measurements at 2.07, 4.63 and 6.22 GHz. The Android application provided real-time RSSI data between a base station and the mobile device, stored every 10 seconds. Such data were employed for rainfall intensity classification into five categories due to the mobile device’s 1 dB accuracy limitation in RSSI measurements, which was prohibitive for estimating the exact rainfall intensity. A decision tree model achieved an 88.4% accuracy in predicting the correct rainfall intensity class. Furthermore, the data showed a strong correlation between signal attenuation and absolute humidity and radio-refractivity of the air, while an additional correlation with air temperature could not be ruled out. The experimental setup comprised a transmitter and a high-accuracy receiver, utilizing a reconfigurable microstrip antenna designed and implemented to operate in three modes, based on a voltage applied to a PIN diode on it, and which did not exceed 900 mV. Each mode optimized the antenna’s performance on one of the three frequencies. Further measurements using the experimental setup revealed a strong correlation between signal attenuation and rainfall intensity, with determination coefficients (R²) of 0.93, 0.83, and 0.90 for the studied frequencies of 2.07, 4.63 and 6.22 GHz respectively. These findings validate the potential of using lower frequency microwave links for effective rainfall estimations, offering a cost-effective and reliable complement to traditional measurement methods.

Οι επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής γίνονται όλο και πιο εμφανείς μέσω της αυξανόμενης συχνότητας ακραίων καιρικών φαινομένων και περιβαλλοντικών καταστροφών κατά τα τελευταία χρόνια. Τόσο η βροχή, ως μια κρίσιμη μετεωρολογική παράμετρος, όσο και άλλες μετεωρολογικές παράμετροι διαδραματίζουν ζωτικής σημασίας ρόλο σε αυτά τα φαινόμενα, καθιστώντας την ακριβή μέτρησή τους αναγκαία. Οι συμβατικές μέθοδοι μέτρησης της βροχής, αν και προσφέρουν πολλά οφέλη, έχουν και περιορισμούς, συχνά λόγω της χωρικής και χρονικής μεταβλητότητας αυτής. Πρόσφατες έρευνες έχουν διερευνήσει μια νέα προσέγγιση για την εκτίμηση της έντασης της βροχής χρησιμοποιώντας την εξασθένηση σήματος σε μικροκυματικές ζεύξεις οι οποίες χρησιμοποιούνται στις τηλεπικοινωνίες. Οι ζεύξεις αυτές, ως ευρέως διαδεδομένες που είναι, προσφέρουν μια πιθανή λύση σε ορισμένους από τους περιορισμούς των παραδοσιακών μεθόδων. Οι αξιόπιστες εκτιμήσεις της βροχής από την εξασθένηση σήματος θα μπορούσαν να συμπληρώσουν τις παραδοσιακές μεθόδους εκτίμησης και να αντιμετωπίσουν σε σημαντικό βαθμό τα ζητήματα χωρικής και χρονικής μεταβλητότητας, δεδομένου ότι θα ήταν εφικτές οι μετρήσεις ισχύος σε πραγματικό χρόνο και για ευρεία χωρική κλίμακα. Έχει δημοσιευθεί πληθώρα υποσχόμενων σχετικών μελετών. Η πλειοψηφία τους έχει επικεντρωθεί σε συχνότητες άνω των 10 GHz, όπου η εξασθένηση λόγω της βροχής είναι υψηλή, διευκολύνοντας έτσι τη μέτρησή της. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επιδίωξε να συνεισφέρει σε αυτό το πεδίο εξετάζοντας την εξασθένηση σήματος σε συχνότητες κάτω των 10 GHz, όπου υπάρχουν αρκετά πρότυπα επικοινωνίας και, παρόλα αυτά, η σχετική έρευνα παραμένει περιορισμένη. Για τον σκοπό αυτόν, αναπτύχθηκε μια εφαρμογή Android για την καταγραφή του δείκτη ισχύος λαμβανόμενου σήματος (RSSI) από μια κινητή συσκευή και χρησιμοποιήθηκε για μετρήσεις στη συχνότητα 4G/LTE των 2630 MHz, καθώς και μια εξειδικευμένη πειραματική διάταξη για επιπλέον μετρήσεις στις συχνότητες 2.07, 4.63 και 6.22 GHz. Η εφαρμογή Android παρείχε δεδομένα RSSI σε πραγματικό χρόνο μεταξύ ενός σταθμού βάσης και της κινητής συσκευής, τα οποία αποθηκεύονταν κάθε 10 δευτερόλεπτα. Τέτοια δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για την ταξινόμηση της έντασης της βροχής σε πέντε κατηγορίες λόγω του περιορισμού της ακρίβειας 1 dB της κινητής συσκευής στις μετρήσεις RSSI, ο οποίος ήταν απαγορευτικός για την εκτίμηση της ακριβούς έντασης της βροχής. Ένα μοντέλο δέντρου αποφάσεων πέτυχε ακρίβεια 88.4% στην πρόβλεψη της σωστής κλάσης έντασης της βροχής. Επιπλέον, τα δεδομένα έδειξαν μια ισχυρή συσχέτιση μεταξύ της εξασθένησης σήματος και της απόλυτης υγρασίας και της ραδιο-διαθλαστικότητας του αέρα, ενώ δεν μπορούσε να αποκλειστεί μια πρόσθετη συσχέτιση με τη θερμοκρασία του αέρα. Η πειραματική διάταξη περιλάμβανε έναν πομπό και έναν δέκτη υψηλής ακρίβειας, χρησιμοποιώντας μια επαναπροσδιοριζόμενη κεραία μικροταινίας που σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε για να λειτουργεί σε τρεις τρόπους λειτουργίας, με βάση μια τάση που εφαρμόζονταν σε μια δίοδο PIN σε αυτήν, και η οποία δεν ξεπερνούσε τα 900 mV. Κάθε λειτουργία βελτιστοποιούσε την αποδοτικότητα της κεραίας σε μία από τις τρεις συχνότητες. Περαιτέρω μετρήσεις μέσω της πειραματικής διάταξης αποκάλυψαν ισχυρή συσχέτιση μεταξύ της εξασθένησης του σήματος και της έντασης της βροχής, με συντελεστές προσδιορισμού (R²) 0.93, 0.83 και 0.90 για τις υπό μελέτη συχνότητες 2.07, 4.63 και 6.22 GHz αντίστοιχα. Τα ευρήματα αυτά επαληθεύουν τη δυνατότατα χρήσης μικροκυματικών ζεύξεων χαμηλότερων συχνοτήτων για αποτελεσματικές εκτιμήσεις της βροχής, προσφέροντας ένα οικονομικά αποδοτικό και αξιόπιστο συμπλήρωμα στις παραδοσιακές μεθόδους μέτρησης.