Ανάπτυξη συστήματος τηλεπισκόπησης υετού μέσω μικροκυματικών ζεύξεων
Authors: Σακκάς Αλέξανδρος 
Published: September 2024

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.