一種毫米波云雷達(dá)三維風(fēng)場(chǎng)反演方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種毫米波云雷達(dá)三維風(fēng)場(chǎng)反演方法及系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)場(chǎng)信息是大氣探測(cè)的主要?dú)庀笠蜃又弧４笮突顒?dòng)的氣象保障、機(jī)場(chǎng)氣象保障、 天氣預(yù)報(bào)等領(lǐng)域都對(duì)風(fēng)場(chǎng)的精細(xì)觀測(cè)有著強(qiáng)烈需求。除了風(fēng)速風(fēng)向儀、風(fēng)廓線雷達(dá)等儀器 直接測(cè)風(fēng)外，利用空中漂浮的示蹤顆粒(如云滴、雨滴、煙霧等）間接測(cè)量風(fēng)場(chǎng)信息也是一類 重要的方法。正因如此，目前業(yè)務(wù)運(yùn)行的天氣雷達(dá)已將風(fēng)場(chǎng)反演信息作為一個(gè)常規(guī)的輸出 產(chǎn)品。
[0003] 然而天氣雷達(dá)所反演三維風(fēng)場(chǎng)存在許多不足之處，主要表現(xiàn)在:第一，天氣雷達(dá)反 演風(fēng)場(chǎng)所依賴的示蹤物是雨滴及較強(qiáng)的云滴粒子，這些粒子在天空中出現(xiàn)的概率并不是十 分頻繁，這就導(dǎo)致了在大部分時(shí)間里有效測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的空白；第二，由于觀測(cè)的對(duì)象不同，天 氣雷達(dá)通常的俯仰角設(shè)置較低，這使得圓周掃描時(shí)水平半徑達(dá)到數(shù)百公里，很難滿足線性 均勻的風(fēng)場(chǎng)反演假設(shè)，造成較大的風(fēng)場(chǎng)反演誤差;第三，受失蹤對(duì)象的限制，天氣雷達(dá)所能 夠反演風(fēng)場(chǎng)的高度范圍較小。
[0004] 相比天氣雷達(dá)，近些年蓬勃發(fā)展的波長(zhǎng)更短的毫米波云雷達(dá)能夠探測(cè)到空中更弱 的粒子，因此在三維風(fēng)場(chǎng)反演方面擁有更好的潛力。毫米波云雷達(dá)主要用于云、霧、弱降水 等目標(biāo)的探測(cè)，利用小粒子對(duì)電磁波的散射作用，連續(xù)測(cè)量站點(diǎn)上空氣象目標(biāo)的回波信號(hào)， 獲取高時(shí)空分辨率的氣象目標(biāo)信息，具有全方位、全天候的觀測(cè)能力，廣泛應(yīng)用于大氣科學(xué) 研究、人工影響天氣、云自動(dòng)化觀測(cè)、機(jī)場(chǎng)氣象保障、軍事氣象保障等方面和領(lǐng)域。
[0005] 由于自身體制(波束窄、相關(guān)性弱)及被測(cè)目標(biāo)的特性(強(qiáng)度弱、對(duì)環(huán)境及雜波擾動(dòng) 敏感），毫米波雷達(dá)的探測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)模大、單個(gè)數(shù)據(jù)的隨機(jī)性強(qiáng)、連續(xù)性及穩(wěn)定性差。這些特點(diǎn) 也給三維風(fēng)場(chǎng)反演的求解方法設(shè)置及反演準(zhǔn)確性造成了一定的困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種毫米波云雷達(dá)三維 風(fēng)場(chǎng)反演方法及系統(tǒng)，解決了無法有效且高精度地利用毫米波云雷達(dá)得到三維風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品的 問題。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：
[0007] -種毫米波云雷達(dá)三維風(fēng)場(chǎng)反演方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟1:控制毫米波云雷達(dá)按預(yù)設(shè)俯仰角的PPI掃描模式進(jìn)行氣象目標(biāo)探測(cè)，并生 成目標(biāo)探測(cè)數(shù)據(jù)；
[0009] 步驟2:對(duì)所述目標(biāo)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理并輸出原始徑向速度數(shù)據(jù)；
[0010] 步驟3:采集所述信號(hào)處理模塊輸出的原始徑向速度數(shù)據(jù)，并將其進(jìn)行打包處理；
[0011] 步驟4:將打包處理之后的原始徑向速度數(shù)據(jù)進(jìn)行保存；
[0012] 步驟5:讀取保存的原始徑向速度數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行用以消除毫米波雷達(dá)回波信號(hào) 的不穩(wěn)定性的預(yù)處理，得到可供三維風(fēng)場(chǎng)反演的徑向速度數(shù)據(jù)；
[0013] 步驟6:讀取所述可供三維風(fēng)場(chǎng)反演的徑向速度數(shù)據(jù)，并在預(yù)設(shè)求解準(zhǔn)則下構(gòu)建反 演方程以對(duì)對(duì)應(yīng)的所述目標(biāo)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維風(fēng)場(chǎng)反演，得到三維風(fēng)場(chǎng)速度數(shù)據(jù)。
[0014] 本發(fā)明的有益效果是:利用毫米波云雷達(dá)進(jìn)行了三維風(fēng)場(chǎng)的反演，充分利用了毫 米波段雷達(dá)對(duì)弱目標(biāo)粒子探測(cè)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，增強(qiáng)了測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的可靠性和有效性，豐富了 毫米波測(cè)云雷達(dá)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型。另外，從數(shù)據(jù)預(yù)處理和求解準(zhǔn)則兩個(gè)方面建立反演方程， 從而保證了利用原始徑向數(shù)據(jù)反演三維風(fēng)場(chǎng)的有效性與準(zhǔn)確性。
[0015] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0016] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0017] 進(jìn)一步，毫米波云雷達(dá)的水平掃描速度為1~2度/秒，預(yù)設(shè)俯仰角的最大值不超過 82度。
[0018] 采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是合理的掃描速度既保證了波束對(duì)同一目標(biāo)有 足夠的駐留時(shí)間，又不會(huì)使反演過程所需的時(shí)間過長(zhǎng)。同時(shí)俯仰角的合理設(shè)置則既提高了 對(duì)較高空處風(fēng)場(chǎng)反演的能力，又避免了因俯仰角過大而水平風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量誤差較大。
[0019] 進(jìn)一步，所述步驟5的預(yù)處理具體實(shí)現(xiàn)為：
[0020] 步驟5.1:對(duì)所述原始徑向速度數(shù)據(jù)按方位角的大小進(jìn)行升序排列；
[0021]步驟5.2:設(shè)置一個(gè)徑向速度數(shù)據(jù)的預(yù)設(shè)閾值以去除所述原始徑向速度數(shù)據(jù)中的 奇異點(diǎn)；
[0022]步驟5.3:使用5X1的濾波窗口按方位角排序并對(duì)去除了奇異點(diǎn)的原始徑向速度 數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波，得到相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)。
[0023]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是通過預(yù)處理將原始徑向速度數(shù)據(jù)中的有用信 息提取出來，增強(qiáng)其可用性，保證了后續(xù)的求解方程可解及結(jié)果準(zhǔn)確。
[0024]進(jìn)一步，所述步驟5.3具體實(shí)現(xiàn)為：
[0025] 步驟5.3.1:設(shè)掃描控制模塊進(jìn)行氣象目標(biāo)探測(cè)得到的總觀測(cè)點(diǎn)數(shù)為M，總迭代次 數(shù)為N;
[0026] 步驟5.3.2:從1開始，對(duì)于第i點(diǎn)，計(jì)算其周圍5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的徑向速度數(shù)據(jù)的均值m;
[0027] 步驟5.3.3:若其中一個(gè)所述觀測(cè)點(diǎn)與所述均值m的絕對(duì)值之差> =0.5dBZ，則去除 所述第i點(diǎn)，否則保留所述第i點(diǎn)；
[0028] 步驟5.3.4:計(jì)算所述觀測(cè)點(diǎn)的下一個(gè)點(diǎn)，直至計(jì)算到Μ;
[0029] 步驟5.3.5:進(jìn)行下一次迭代，直至迭代到次數(shù)Ν。
[0030] 采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是通過利用單個(gè)徑向速度數(shù)據(jù)在其方位上相鄰 數(shù)據(jù)的信息，對(duì)因譜識(shí)別誤差、環(huán)境雜波擾動(dòng)等原因?qū)е碌恼`差較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行去除，保證 了后續(xù)風(fēng)場(chǎng)反演的精度。
[0031]進(jìn)一步，所述步驟6具體實(shí)現(xiàn)為：
[0032]步驟6.1:假設(shè)掃描控制模塊進(jìn)行氣象目標(biāo)探測(cè)得到的不同觀測(cè)點(diǎn)的方位角分別 為扮，&，......，&，Μ為觀測(cè)點(diǎn)的總個(gè)數(shù)，建立Μ行的反演矩陣：
[0033]
[0034]其中，VR為降水粒子徑向速度，VA為降水粒子徑向速度的水平分量，VE為降水粒子 徑向速度的垂直分量，水平分量進(jìn)一步可分解為平行于正北方向和垂直于正北方向的兩個(gè) 分量VAN和ν ΑΕ，β〇為水平風(fēng)向與正北方向的夾角，α為天線仰角，根據(jù)關(guān)系式XV = F，即可求出 三維風(fēng)場(chǎng)速度V。
[0035] 步驟6.2:建立反演方程：
[0036]
[0037]
[0038] 其中，VR(&)為方位角為氏的實(shí)測(cè)徑向速度，VR(&)'為經(jīng)最小二乘法擬合后得到的 在氏處的徑向速度；
[0039] 求解方程(1)后，即可解得Van、Vae及VE此三個(gè)方向上的風(fēng)速分量。
[0040]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是充分挖掘了預(yù)處理后得到的所有徑向速度中 蘊(yùn)含的風(fēng)場(chǎng)信息，且考慮所有單個(gè)徑向速度數(shù)據(jù)在預(yù)期風(fēng)場(chǎng)假設(shè)下的綜合誤差最小，使得 所反演得到的風(fēng)場(chǎng)精度較高。
[0041 ]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的另一技術(shù)方案如下：
[0042] 一種毫米波云雷達(dá)三維風(fēng)場(chǎng)反演系統(tǒng)，包括掃描控制模塊、信號(hào)處理模塊、信息采 集模塊、主控模塊和數(shù)據(jù)反演模塊，其中，所述數(shù)據(jù)反演模塊包括預(yù)處理模塊和數(shù)據(jù)求解模 塊；
[0043]所述掃描控制模塊，用于控制毫米波云雷達(dá)按預(yù)設(shè)俯仰角的PPI掃描模式進(jìn)行氣 象目標(biāo)探測(cè)，并將產(chǎn)生的目標(biāo)探測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給信號(hào)處理模塊；
[0044]所述信號(hào)處理模塊，用于對(duì)所述目標(biāo)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理并輸出原始徑向速度 數(shù)據(jù)；
[0045] 所述信息采集模塊，用于采集所述信號(hào)處理模塊輸出的原始徑向速度數(shù)據(jù)，并將 其打包處理之后傳輸給主控模塊；
[0046] 所述主控模塊，用于將打包處理之后的原始徑向速度數(shù)據(jù)進(jìn)行保存；
[0047] 所述預(yù)處理模塊，用于讀取保存在所述主控模塊中的原始徑向速度數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn) 行用以消除毫米波雷達(dá)回波信號(hào)的不穩(wěn)定性的預(yù)處理，得到可供三維風(fēng)場(chǎng)反演的徑向速度 數(shù)據(jù)；
[0048]所述數(shù)據(jù)求解模塊，用于讀取所述可供三維風(fēng)場(chǎng)反演的徑向速度數(shù)據(jù)，并在預(yù)設(shè) 求解準(zhǔn)則下構(gòu)建反演方程以對(duì)對(duì)應(yīng)的所述目標(biāo)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維風(fēng)場(chǎng)反演，得到三維風(fēng)場(chǎng) 速度數(shù)據(jù)。
[0049] 本發(fā)明的有益效果是:利用毫米波云雷達(dá)進(jìn)行了三維風(fēng)場(chǎng)的反演，充分利用了毫 米波段雷達(dá)對(duì)弱目標(biāo)粒子探測(cè)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，增強(qiáng)了測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的可靠性和有效性，豐富了 毫米波測(cè)云雷達(dá)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型。另外，從數(shù)據(jù)預(yù)處理和求解準(zhǔn)則兩個(gè)方面建立反演方程， 從而保證了利用原始徑向數(shù)據(jù)反演三維風(fēng)場(chǎng)的有效性與準(zhǔn)確性。
[0050] 進(jìn)一步，所述預(yù)處理模塊包括：
[0051] 排序單元，用于對(duì)所述原始徑向速度數(shù)據(jù)按方位角的大小進(jìn)行升序排列；
[0052] 刪除單元，用于設(shè)置一個(gè)徑向速度數(shù)據(jù)的預(yù)設(shè)閾值以去除所述原始徑向速度數(shù)據(jù) 中的奇異點(diǎn)；
[0053] 濾波單元，用于使用5X1的濾波窗口按方位角排序并對(duì)去除了奇異點(diǎn)的原始徑向 速度數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波，得到相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)。
[0054]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是通過預(yù)處理將原始徑向速度數(shù)據(jù)中的有用信 息提取出來，增強(qiáng)其可用性，保證了后續(xù)的