基于LoRa的海雾探测技术研究及效果检验

2021-08-27李效东

海峡科学 2021年7期

李效东梁莺任雍

(福建省大气探测技术保障中心，福建福州 350008)

0 引言

海雾是主要海洋气象灾害之一，对海上交通运输、海上生产作业等危害严重。相较陆地综合气象观测体系，海洋气象观测体系相对薄弱，海上气象实况资料严重不足，中远距离海域的气象观测存在监测空白，在海雾观测方面更是缺乏有效的观测技术手段。

近年来，国内外学者尝试利用多种探测设备和方法开展雾的观测与研究工作。美国学者Gultepe等利用Ka波段毫米波雷达观测数据建立了大雾天气下雷达反射率与能见度之间的经验公式；日本学者Michihiro Teshiba等利用毫米波雷达对盆地地区雾的空间分布、强度和生消特征进行观测与对比试验；德国的iPort实验项目通过毫米波雷达获取雾层厚度和雾顶高度等信息[1-2]。程寅等对比前向散射能见度仪和PWD22型能见度仪雾天观测的数据，刘冬韡等利用地面前向散射式能见度仪构建网络，实现雾的自动监测[3-4]。前向散射能见度仪空间代表性差而且海上站点稀疏；卫星遥感对海雾和低云的识别精度有待提升，毫米波雷达和激光能见度雷达的探测距离有限(<10km)，仅能满足沿海港口的海雾监测需求，无法覆盖海上航道和生产作业区，远远不能满足海雾监测和预报服务的需求[5-6]。上述研究同样受到观测仪器的限制，无法解决大范围海雾实时监测的问题。随着“地球电磁密织网”大气探测新技术的发展，本文提出了一种基于远距离物联网通信技术的海雾探测新方法，旨在为大范围海雾的实时监测提供技术解决方案。

1 LoRa通讯技术简介

远距离无线电(Long Range Radio，简称LoRa)是Semtech公司创建的低功耗局域网无线标准，作为一种窄带物联网通信技术，LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，LoRa通讯站可独立组网，单网关可连接多个节点或终端，功耗为1W的信号在无中继放大条件有效传输距离超过100km，信号接收灵敏度高达-168dBm，数据速率在0.3～300kbps可控，另外，根据国际电信联盟的规定，LoRa主要在全球免费频段运行。远距离通讯、抗干扰能力强、超低功耗、灵敏度高、免费频段运行，这些技术特点使得LoRa技术十分适合于海上组网观测。

2 观测布局与分析方法

2.1 试验设备

本次试验选取433MHz作为海雾探测LoRa通讯站的发射/接收中心频率，该频率处于全球免费频段即非授权频段。LoRa基站通过Kirin编码技术，以及使用低功耗的信号传输设备，使硬件系统满足基站点对点有效通讯距离100km以上，使用相对较少的设备组建低密度分布网，覆盖更多的海域面积，LoRa基站具体技术指标见表1。

表1 LoRa基站技术指标

2.2 相关性试验

选取福建漳州、厦门、福州地区的海雾多发海域，结合已有的岸基和海基自动气象站，遴选出具备试验条件的海上通信链路，部署低功耗LoRa通信基站。其中在漳州沿海的火山岛和将军澳自动站同址部署2套LoRa海雾观测站，设备间距为22.381km；在厦门部署2套LoRa海雾观测站，设备间距为38.77km；在福州连江黄岐半岛的过屿岛和粗芦岛自动站同址部署2套LoRa海雾观测站，设备间距为39.98km。

2.3 相关性分析

采集了2019年3月至2020年10月在试验海域发生的海雾过程，将LoRa接收基站的信号强度指标RSSI与试验链路上经过数据质量控制的自动气象站能见度实测数据进行相关性分析，并计算斯皮尔曼相关系数ρ，ρ取值范围为[-1，1]，当ρ>0时，表示两者呈正相关；当ρ<0时，表示两者呈反相关，且|ρ|越大，表示两者之间的关系越密切。具体样本数据量和计算结果如表2所示。

表2 RSSI与能见度实测数据的斯皮尔曼相关性

由表2可知， LoRa通信信号对海雾天气背景十分敏感，RSSI强度指标变化与海雾天气呈现很好的正相关。

3 基于RSSI关系模型的海雾反演方法及其效果检验评估

3.1 基于LoRa技术的海雾反演方法

在理想大气条件下，LoRa信号强度指标RSSI与传输距离呈对数相关，但在实际环境中，大气中的雾和风都会对RSSI产生影响，经过长序列的观测试验，分析研究LoRa信号强度指标RSSI与海雾等气象要素信息的相关关系，建立RSSI关系模型如下：

RSSI=logbasedd-logbasexX-logbaseyY-F-R

(1)

其中，RSSI为LoRa基站接收信号的实测值(dB)；based为LoRa基站距离对数底数，d代表距离；basex为绝对湿度影响因子对数的底数，X代表绝对湿度；basey为风速调整因子对数的底数，Y代表风速；F为电磁参数；R为发射天线调整参数。

本次实验依托岸基、岛基、海基构建海上LoRa自组观测网络，各LoRa基站之间形成覆盖整个观测区域的N条点对点的通信链路，实时采集网内每条链路RSSI衰减变化情况，基于RSSI关系模型，采用全网大数据智能分析技术，反演出观测区域的海雾强度分布和落区范围。

3.2 构建海上LoRa海雾观测网以及观测效果比对验证系统

遴选闽南海雾多发海域作为观测试验区域，依托岸基、岛基、海基平台，构建由24个基站组成的闽南海域LoRa海雾观测网(如图1)，间距30～80km，覆盖海域约6000km2，开发建立软件业务平台，生成分钟级实时海雾监测产品，并与岸基、岛基、海基自动气象站组成比对验证系统，进行一致率比对检验和观测效果评估。

图1 闽南海域LoRa海雾观测网布局

3.3 基于邻域检验法的LoRa海雾观测产品检验评估

邻域检验法[7]是一种在降水领域常用的检测方法，运用邻域检验法对LoRa海雾观测产品进行检验评估，可以有效反映出基于LoRa技术的海雾探测效果。本文选取2020年3月17日～9月30日漳州海域按一定间距分布的10个自动气象站参与检验评估，站点分布如图2所示。

图2 福建漳州海域参与检验的自动站站点分布

为减少前向散射式能见度仪数据本身的误差，在开展验证工作之前首先需要对该类数据进行质控过滤。通过参考研究前向散射式能见度仪通用技术规范以及设备说明书后，发现在能见度大于3km时，其观测数据波动非常大，误差大于±20%，在低能见度天气条件下，其观测数据更加真实可信。为筛选出可靠的数据样本参与检验，本文将“低能见度时刻”定义为：①表4中至少有一个站点能见度≤3000m；②表4中与其相邻最近的三个站点中至少有一个站点能见度≤3000m。同时满足以上两个条件的称为“低能见度时刻”，该时刻至少有两个相邻站点的能见度≤3000m，经过处理，从4512个原始数据中筛选出343个 “低能见度时刻”作为检验参照数据。

3.3.1 二分类检验

考虑到实际业务应用的需求和自动站前向散射式能见度仪的观测稳定性，首先进行以3km为阈值的二分类检验，正类为Vis<3km，负类为Vis≥3km。设定邻域半径为3km，即认为站点方圆3km的区域内能见度状况与站点观测同级。以59321东山本站和F2273漳浦将军澳站为例，所得交叉矩阵如表3和表4所示。

表3 59321检验交叉矩阵

表4 F2273检验交叉矩阵

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

公式(2)～(7)中，NA为正类正确样本数，NB为正类漏报样本数，NC为正类空报样本数，ND为负类正确样本数，据此可计算各类检验指标。选取邻域半径分别为3km和5km的情况下，LoRa海雾与能见度数据比对情况检验指标结果如表5，可以看到在邻域半径选取为3km以下的结果优于5km。整体来看，随着邻域半径不断扩大，各检验指标表现基本都呈下滑趋势，且偏差BS逐渐远离1，表明漏报比例有所升高，但是空报率FAR比较特殊，变化幅度十分微弱，在5km时达到最低(图3)。

表5 各类检验指标表现

图3 各类检验指标随邻域半径的变化趋势图

3.3.2 以0.5km和3km为阈值的三分类检验

第一类为Vis<0.5km，代表浓雾及以上；第二类为0.5km≤Vis<3km，代表大雾及轻雾；第三类为Vis≥3km，代表无明显影响的雾。邻域半径设为3km的情况下最终检验结果为：TS评分为0.6600，ETS评分为0.3429，漏报率PO为0.2573，空报率FAR为0.1573，偏差BS为1.1896，准确率PC为0.7807。可见邻域检验法的各类指标可信度较高。

3.3.3 从逐站点逐过程的角度进行检验

选取站点F2273(漳浦将军澳)作为过程检验站点，以能见度≤1km为阈值，统计得到93个小时的海雾时次(13个海雾过程)。其中反演正确的时次有73个小时，反演缺漏的有20个小时。从观测的有效性进行分析，13个海雾过程全部具有较好的反映。

3.4 典型海雾过程分析

2019年10月1日19∶30到2019年10月3日7∶00,漳州将军澳地区出现一次长时间的海雾过程，能见度和RSSI信号变化如图4。从图中可知，10月1日19∶30,能见度降到3000m以下，RSSI信号强度从66 dBm降到60 dBm；10月3日,能见度恢复到3000m左右，其中10月2日7∶00至18∶00，能见度超过3000m；10月3日10时，RSSI信号强度从58 dBm升至62 dBm，能见度从1524m升到10573m，海雾过程结束。

图4 过程一能见度和RSSI信号变化示意图

表7为统计该时段从地质公园道将军澳LoRa设备的信号变化和能见度之间的对应关系。由图5及表6可见，海雾生消过程中，RSSI信号变化曲线与前向散射式能见度仪探测数据变化保持一致，且数据相关性显著。

表6 过程一相关性指标

图5表示海雾生成、发展和消散等阶段的反演示意图，从图5可知，反演结果与成雾过程基本吻合。

2020年6月9日19∶00到6月10日7∶00,漳州将军澳漳浦至东山海域出现一次海雾过程，能见度变化如图6所示。根据实际观测情况来看，6月9日19时在红屿、东山、赤屿监测到雾，最小能见度为410m。21～22时,在宫前村、赤屿岛、东山本站、镇海角灯塔监测到雾，最小能见度为100m。可见,起雾阶段具有自南向北出现的特点，符合平流雾的移动特征。23时-10日00时范围缩小，只在澳角村监测到雾。10日01～04时,海雾范围扩大，沿海观测站点均监测到雾，05时开始范围缩小(宫前村、红屿、将军澳、镇海角灯塔)，06时范围继续缩减(镇海角灯塔、宫前村)。