CN103592648A - 一种毫米波气象雷达的观测方法 - Google Patents

一种毫米波气象雷达的观测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种毫米波气象雷达的观测方法，其具体步骤为：第一步，搭建毫米波气象雷达观测平台，包括：工业控制计算机（1）、观测策略设置模块（2）、观测策略调度模块（3）、信息采集模块（4）、天线控制器（5）、信号处理器（6）；第二步，观测策略设置模块（2）设置观测策略参数；第三步，观测策略调度模块（3）控制和调度观测策略的执行顺序；第四步，信息采集模块（4）采集雷达天线位置信息和回波处理信号；至此，实现了毫米波气象雷达的观测。本方法对观测参数设置全面灵活，控制功能强大，能够自动获取全方位立体空间的气象目标信息，气象数据完整，观测效率高，保证了对云等气象目标研究应用的需要。

Description

一种毫米波气象雷达的观测方法
 
技术领域
本发明涉及一种雷达的观测方法，特别是一种毫米波气象雷达的观测方法。
背景技术
毫米波气象雷达主要用于云、雾、弱降水等目标的探测，利用小粒子对电磁波的散射作用，连续测量站点上空气象目标的回波信号，获取高时空分辨率的气象目标信息，具有全方位、全天候的观测能力。可应用于大气科学研究、人工影响天气、云自动化观测、机场气象保障、军事气象保障等方面和领域。
原有的毫米波气象雷达采用的是单一的观测方法，每次只能选择一种天线扫描模式进行观测，每次改变天线扫描模式都需要人工操作，先停止观测，修改参数，再启动观测过程。这种观测方法覆盖的空间区域有限，无法得到全方位立体空间的气象目标信息，并且操作控制不够灵活，自动化程度低，观测过程不能很好地与天气变化相匹配，观测效率不高。
这种单一的观测方法没有充分发挥毫米波气象雷达的探测能力，对于不断变化的天气条件，无法及时地获取到气象目标的全部信息，造成气象数据缺失，不能充分满足气象保障、研究等各方面应用的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种毫米波气象雷达的观测方法，解决原有毫米波气象雷达观测方法单一、自动化程度低、数据缺失、观测效率不高的问题。
一种毫米波气象雷达的观测方法，其具体步骤为：
第一步  搭建毫米波气象雷达观测平台
毫米波气象雷达观测平台，包括：工业控制计算机、观测策略设置模块、观测策略调度模块、信息采集模块、天线控制器、信号处理器，其中工业控制计算机包括：PCI总线、共享内存和串行通信接口。
观测策略设置模块与工业控制计算机通过PCI总线连接，观测策略调度模块与工业控制计算机通过PCI总线连接，信息采集模块与工业控制计算机通过PCI总线连接，天线控制器与工业控制计算机通过串行通信接口连接，信号处理器与工业控制计算机通过PCI总线连接。 
观测策略设置模块、观测策略调度模块和信息采集模块运行时加载到工业控制计算机的共享内存中；观测策略设置模块用于设置观测策略参数；观测策略调度模块用于控制和调度观测策略执行顺序的过程，并对观测策略执行轮数和天线扫描次数进行计数；信息采集模块用于采集雷达天线位置信息和回波处理信号，天线控制器用于控制天线按照观测策略设置模块设置的扫描模式转动，信号处理器用于按照观测策略设置模块设置的雷达工作参数对回波采样信号进行信号处理。
第二步  观测策略设置模块设置观测策略参数
观测策略设置模块设置观测策略参数，观测策略有多个工作模式，观测策略参数包括模式数、观测开始时间、观测重复周期，其中模式数量为N，N个模式中的每个模式参数包括：模式号、模式同步时间、雷达工作参数、天线扫描模式、天线扫描范围、天线扫描速度、天线步进角、扫描重复次数。观测开始时间为观测策略的初始开始时间，是绝对时间；观测重复周期为观测策略重复运行的间隔时间；模式同步时间是每个模式以观测开始时间为基准的相对时间，是每个模式定时开始运行的时间。
首先选择第一个模式号，依次设置第一个模式的模式同步时间、雷达工作参数、天线扫描模式、天线扫描范围、天线扫描速度、天线步进角、扫描重复次数，第一个模式的模式同步时间为0，即第一个模式的初始同步时间为观测开始时间，第一个模式参数设置完毕后，工业控制计算机界面显示第一个模式的运行时间长度t，以分钟为单位，运行时间长度t = （天线扫描范围/天线扫描速度）×扫描重复次数；然后选择第二个模式号，依次设置第二个模式的模式同步时间、雷达工作参数、天线扫描模式、天线扫描范围、天线扫描速度、天线步进角、扫描重复次数，第二个模式的模式同步时间大于第一个模式的运行时间长度t，二者之差是模式之间的空闲等待时间。依次设置每个模式的各项参数，最多设置15个模式，每个模式参数设置完毕后，工业控制计算机界面显示所有模式的总运行时间长度T ，以分钟为单位，总运行时间长度T是每个模式运行时间长度t之和；最后设置观测重复周期，观测重复周期大于总运行时间长度T，且大于最后一个模式的运行结束时间与第一个模式的模式同步时间之间的时间差，最后一个模式的运行结束时间 = 最后一个模式的模式同步时间+ 最后一个模式的模式运行时间长度t。观测策略参数设置完成后保存在工业控制计算机上。
第三步  观测策略调度模块控制和调度观测策略的执行顺序
观测策略调度模块首先将第一个模式的天线扫描参数通过串行通信接口发送给天线控制器，将第一个模式的雷达工作参数通过PCI总线传送给信号处理器，对观测策略执行轮数和天线扫描次数的计数值清零，得到第一轮的观测开始时间和第一轮中每个模式的模式同步绝对时间。持续监视工业控制计算机的时间，与第一轮的观测开始时间进行比较，当工业控制计算机的时间到达第一轮的观测开始时间时，观测策略调度模块向天线控制器发送开始扫描命令，天线控制器按照第一个模式的天线扫描参数开始扫描，信号处理器对回波采样信号进行信号处理，观测策略调度模块向信息采集模块发送观测开始信息，信息采集模块连续采集天线控制器输出的天线位置信息和信号处理器输出的目标回波处理信号，同时观测策略调度模块对天线扫描次数进行计数，每扫描完一次后天线扫描次数的计数值加1，当计数值等于扫描重复次数时，完成了第一个模式的观测过程，观测策略调度模块向天线控制器发送停止扫描命令，天线控制器控制天线停止扫描，观测策略调度模块向信息采集模块发送观测停止信息，信息采集模块停止信息采集。
观测策略调度模块从观测策略参数中提取出第二个模式的模式同步绝对时间，即第二个模式开始运行的绝对时间，将第二个模式的天线扫描参数通过串行通信接口发送给天线控制器，将第二个模式的雷达工作参数通过PCI总线传送给信号处理器，对天线扫描次数的计数值清零，观测策略调度模块持续监视工业控制计算机的时间，控制和调度第二个模式的观测过程。第二个模式观测完成后，重复上述过程执行第三个模式观测，如此循环，按观测策略参数依次完成每个模式的观测过程。
当完成最后一个模式的观测过程后，即完成了观测策略的第一轮观测，观测策略调度模块对观测策略的执行轮数计数，得到第二轮的观测开始时间和第二轮中每个模式的模式同步绝对时间，然后持续监视工业控制计算机的时间，与第二轮的观测开始时间进行比较，当工业控制计算机的时间到达第二轮的观测开始时间时，执行第二轮观测策略的观测过程，如此循环，按观测策略进行观测。所述开始时间的公式为：
第m轮开始运行的绝对时间=观测开始时间 + 观测重复周期×观测策略轮数计数值；
第m轮的第n个模式开始运行的绝对时间=第m轮开始运行的绝对时间+第n个模式的模式相对同步时间。
第四步 信息采集模块采集雷达天线位置信息和回波处理信号
观测执行顺序的过程中，当每个模式开始观测后，信息采集模块连续采集天线控制器输出的天线位置信息和信号处理器输出的目标回波处理信号，将采集的数据打包处理后保存到工业控制计算机上，当每个模式观测完成后，结束对该模式的数据存储操作，每个模式的观测数据保存为一个数据文件。
至此，实现了毫米波气象雷达的观测。
本发明采用工业控制计算机、观测策略处理模块和观测策略执行装置，对观测策略参数设置全面灵活，控制功能强大，充分发挥了毫米波气象雷达的探测能力，让使用者能够设置多个与天气条件相匹配的观测模式并自动进行观测，及时获取全方位立体空间的气象目标信息，气象数据完整翔实，观测效率高，保证了对云等气象目标研究应用的需要。
附图说明
图1  一种毫米波气象雷达观测方法所述毫米波气象雷达观测平台组成示意图。
1.工业控制计算机   2.观测策略设置模块  3. 观测策略调度模块  4. 信息采集模块5. 天线控制器    6. 信号处理器  7. PCI总线  8. 共享内存  9. 串行通信接口。
具体实施方式
一种毫米波气象雷达的观测方法，其具体步骤为：
第一步  搭建毫米波气象雷达观测平台
毫米波气象雷达观测平台，包括：工业控制计算机1、观测策略设置模块2、观测策略调度模块3、信息采集模块4、天线控制器5、信号处理器6，其中工业控制计算机包括：PCI总线7、共享内存8和串行通信接口9。
观测策略设置模块2与工业控制计算机1通过PCI总线7连接，观测策略调度模块3与工业控制计算机1通过PCI总线7连接，信息采集模块4与工业控制计算机1通过PCI总线7连接，天线控制器5与工业控制计算机1通过串行通信接口9连接，信号处理器6与工业控制计算机1通过PCI总线7连接。 
观测策略设置模块2、观测策略调度模块3和信息采集模块4运行时加载到工业控制计算机1的共享内存8中；观测策略设置模块2用于设置观测策略参数；观测策略调度模块3用于控制和调度观测策略执行顺序的过程，并对观测策略执行轮数和天线扫描次数进行计数；信息采集模块4用于采集雷达天线位置信息和回波处理信号，天线控制器5用于控制天线按照观测策略设置模块2设置的扫描模式转动，信号处理器6用于按照观测策略设置模块2设置的雷达工作参数对回波采样信号进行信号处理。
第二步  观测策略设置模块2设置观测策略参数
观测策略设置模块2设置观测策略参数，观测策略有多个工作模式，观测策略参数包括模式数、观测开始时间、观测重复周期，其中模式数量为N，N个模式中的每个模式参数包括：模式号、模式同步时间、雷达工作参数、天线扫描模式、天线扫描范围、天线扫描速度、天线步进角、扫描重复次数。观测开始时间为观测策略的初始开始时间，是绝对时间；观测重复周期为观测策略重复运行的间隔时间；模式同步时间是每个模式以观测开始时间为基准的相对时间，是每个模式定时开始运行的时间。
首先选择第一个模式号，依次设置第一个模式的模式同步时间、雷达工作参数、天线扫描模式、天线扫描范围、天线扫描速度、天线步进角、扫描重复次数，第一个模式的模式同步时间为0，即第一个模式的初始同步时间为观测开始时间，第一个模式参数设置完毕后，工业控制计算机1界面显示第一个模式的运行时间长度t，以分钟为单位，运行时间长度t = 天线扫描范围/天线扫描速度×扫描重复次数；然后选择第二个模式号，依次设置第二个模式的模式同步时间、雷达工作参数、天线扫描模式、天线扫描范围、天线扫描速度、天线步进角、扫描重复次数，第二个模式的模式同步时间大于第一个模式的运行时间长度t，二者之差是模式之间的空闲等待时间。依次设置每个模式的各项参数，最多设置15个模式，每个模式参数设置完毕后，工业控制计算机1界面显示所有模式的总运行时间长度T ，以分钟为单位，总运行时间长度T是每个模式运行时间长度t之和；最后设置观测重复周期，观测重复周期大于总运行时间长度T，且大于最后一个模式的运行结束时间与第一个模式的模式同步时间之间的时间差，最后一个模式的运行结束时间 = 最后一个模式的模式同步时间+ 最后一个模式的模式运行时间长度t。观测策略参数设置完成后保存在工业控制计算机1上。
第三步  观测策略调度模块3控制和调度观测策略的执行顺序
观测策略调度模块3首先将第一个模式的天线扫描参数通过串行通信接口9发送给天线控制器5，将第一个模式的雷达工作参数通过PCI总线7传送给信号处理器6，对观测策略执行轮数和天线扫描次数的计数值清零，得到第一轮的观测开始时间和第一轮中每个模式的模式同步绝对时间。观测策略调度模块3持续监视工业控制计算机1的时间，与第一轮的观测开始时间进行比较，当工业控制计算机1的时间到达第一轮的观测开始时间时，观测策略调度模块3向天线控制器5发送开始扫描命令，天线控制器5按照第一个模式的天线扫描参数开始扫描，信号处理器6对回波采样信号进行信号处理，观测策略调度模块3向信息采集模块4发送观测开始信息，信息采集模块4连续采集天线控制器5输出的天线位置信息和信号处理器6输出的目标回波处理信号，同时观测策略调度模块3对天线扫描次数进行计数，每扫描完一次后天线扫描次数的计数值加1，当计数值等于扫描重复次数时，完成了第一个模式的观测过程，观测策略调度模块3通过串行通信接口9向天线控制器5发送停止扫描命令，天线控制器5控制天线停止扫描，观测策略调度模块3向信息采集模块4发送观测停止信息，信息采集模块4停止信息采集。
观测策略调度模块3从观测策略参数中提取出第二个模式的模式同步绝对时间，即第二个模式开始运行的绝对时间，将第二个模式的天线扫描参数通过串行通信接口9发送给天线控制器5，将第二个模式的雷达工作参数通过PCI总线7传送给信号处理器6，对天线扫描次数的计数值清零，观测策略调度模块3持续监视工业控制计算机1的时间，控制和调度第二个模式的观测过程。第二个模式观测完成后，重复上述过程执行第三个模式观测，如此循环，按观测策略参数依次完成每个模式的观测过程。
当完成最后一个模式的观测过程后，即完成了观测策略的第一轮观测，观测策略调度模块3对观测策略的执行轮数计数，得到第二轮的观测开始时间和第二轮中每个模式的模式同步绝对时间，然后持续监视工业控制计算机1的时间，与第二轮的观测开始时间进行比较，当工业控制计算机1的时间到达第二轮的观测开始时间时，执行第二轮观测策略的观测过程，如此循环，按观测策略进行观测。所述开始时间的公式为：
第m轮开始运行的绝对时间=观测开始时间 + 观测重复周期×观测策略轮数计数值；
第m轮的第n个模式开始运行的绝对时间=第m轮开始运行的绝对时间+第n个模式的模式相对同步时间。
第四步  信息采集模块4采集雷达天线位置信息和回波处理信号
观测方法执行顺序的过程中，当每个模式开始观测后，信息采集模块4连续采集天线控制器5输出的天线位置信息和信号处理器6输出的目标回波处理信号，将采集的数据打包处理后保存到工业控制计算机1上，当每个模式观测完成后，结束对该模式的数据存储操作，每个模式的观测数据保存为一个数据文件。
至此，实现了毫米波气象雷达的观测。

Claims (1)

1.一种毫米波气象雷达的观测方法，其特征在于具体步骤为：
第一步  搭建毫米波气象雷达观测平台
毫米波气象雷达观测平台，包括：工业控制计算机（1）、观测策略设置模块（2）、观测策略调度模块（3）、信息采集模块（4）、天线控制器（5）、信号处理器（6），其中工业控制计算机包括：PCI总线（7）、共享内存（8）和串行通信接口（9）；
观测策略设置模块（2）与工业控制计算机（1）通过PCI总线（7）连接，观测策略调度模块（3）与工业控制计算机（1）通过PCI总线（7）连接，信息采集模块（4）与工业控制计算机（1）通过PCI总线（7）连接，天线控制器（5）与工业控制计算机（1）通过串行通信接口（9）连接，信号处理器（6）与工业控制计算机（1）通过PCI总线（7）连接； 
观测策略设置模块（2）、观测策略调度模块（3）和信息采集模块（4）运行时加载到工业控制计算机（1）的共享内存（8）中；观测策略设置模块（2）用于设置观测策略参数；观测策略调度模块（3）用于控制和调度观测策略执行顺序的过程，并对观测策略执行轮数和天线扫描次数进行计数；信息采集模块（4）用于采集雷达天线位置信息和回波处理信号，天线控制器（5）用于控制天线按照观测策略设置模块（2）设置的扫描模式转动，信号处理器（6）用于按照观测策略设置模块（2）设置的雷达工作参数对回波采样信号进行信号处理；
第二步  观测策略设置模块（2）设置观测策略参数
观测策略设置模块（2）设置观测策略参数，观测策略有多个工作模式，观测策略参数包括模式数、观测开始时间、观测重复周期，其中模式数量为N，N个模式中的每个模式参数包括：模式号、模式同步时间、雷达工作参数、天线扫描模式、天线扫描范围、天线扫描速度、天线步进角、扫描重复次数；观测开始时间为观测策略的初始开始时间，是绝对时间；观测重复周期为观测策略重复运行的间隔时间；模式同步时间是每个模式以观测开始时间为基准的相对时间，是每个模式定时开始运行的时间；
首先选择第一个模式号，依次设置第一个模式的模式同步时间、雷达工作参数、天线扫描模式、天线扫描范围、天线扫描速度、天线步进角、扫描重复次数，第一个模式的模式同步时间为0，即第一个模式的初始同步时间为观测开始时间，第一个模式参数设置完毕后，工业控制计算机（1）界面显示第一个模式的运行时间长度t，以分钟为单位，运行时间长度t = （天线扫描范围/天线扫描速度）×扫描重复次数；然后选择第二个模式号，依次设置第二个模式的模式同步时间、雷达工作参数、天线扫描模式、天线扫描范围、天线扫描速度、天线步进角、扫描重复次数，第二个模式的模式同步时间大于第一个模式的运行时间长度t，二者之差是模式之间的空闲等待时间；依次设置每个模式的各项参数，最多设置15个模式，每个模式参数设置完毕后，工业控制计算机（1）界面显示所有模式的总运行时间长度T ，以分钟为单位，总运行时间长度T是每个模式运行时间长度t之和；最后设置观测重复周期，观测重复周期大于总运行时间长度T，且大于最后一个模式的运行结束时间与第一个模式的模式同步时间之间的时间差，最后一个模式的运行结束时间 = 最后一个模式的模式同步时间+ 最后一个模式的模式运行时间长度t；观测策略参数设置完成后保存在工业控制计算机（1）上；
第三步  观测策略调度模块（3）控制和调度观测策略的执行顺序
观测策略调度模块（3）首先将第一个模式的天线扫描参数通过串行通信接口（9）发送给天线控制器（5），将第一个模式的雷达工作参数通过PCI总线（7）传送给信号处理器（6），对观测策略执行轮数和天线扫描次数的计数值清零，得到第一轮的观测开始时间和第一轮中每个模式的模式同步绝对时间；观测策略调度模块（3）持续监视工业控制计算机（1）的时间，与第一轮的观测开始时间进行比较，当工业控制计算机（1）的时间到达第一轮的观测开始时间时，观测策略调度模块（3）向天线控制器（5）发送开始扫描命令，天线控制器（5）按照第一个模式的天线扫描参数开始扫描，信号处理器（6）对回波采样信号进行信号处理，观测策略调度模块（3）向信息采集模块（4）发送观测开始信息，信息采集模块（4）连续采集天线控制器（5）输出的天线位置信息和信号处理器（6）输出的目标回波处理信号，同时观测策略调度模块（3）对天线扫描次数进行计数，每扫描完一次后天线扫描次数的计数值加1，当计数值等于扫描重复次数时，完成了第一个模式的观测过程，观测策略调度模块（3）通过串行通信接口（9）向天线控制器（5）发送停止扫描命令，天线控制器（5）控制天线停止扫描，观测策略调度模块（3）向信息采集模块（4）发送观测停止信息，信息采集模块（4）停止信息采集；
观测策略调度模块（3）从观测策略参数中提取出第二个模式的模式同步绝对时间，即第二个模式开始运行的绝对时间，将第二个模式的天线扫描参数通过串行通信接口（9）发送给天线控制器（5），将第二个模式的雷达工作参数通过PCI总线（7）传送给信号处理器（6），对天线扫描次数的计数值清零，观测策略调度模块（3）持续监视工业控制计算机（1）的时间，控制和调度第二个模式的观测过程；第二个模式观测完成后，重复上述过程执行第三个模式观测，如此循环，按观测策略参数依次完成每个模式的观测过程；
当完成最后一个模式的观测过程后，即完成了观测策略的第一轮观测，观测策略调度模块（3）对观测策略的执行轮数计数，得到第二轮的观测开始时间和第二轮中每个模式的模式同步绝对时间，然后持续监视工业控制计算机（1）的时间，与第二轮的观测开始时间进行比较，当工业控制计算机（1）的时间到达第二轮的观测开始时间时，执行第二轮观测策略的观测过程，如此循环，按观测策略进行观测；所述开始时间的公式为：
第m轮开始运行的绝对时间=观测开始时间 + 观测重复周期×观测策略轮数计数值；
第m轮的第n个模式开始运行的绝对时间=第m轮开始运行的绝对时间+第n个模式的模式相对同步时间；
第四步  信息采集模块（4）采集雷达天线位置信息和回波处理信号
观测方法执行顺序的过程中，当每个模式开始观测后，信息采集模块（4）连续采集天线控制器（5）输出的天线位置信息和信号处理器（6）输出的目标回波处理信号，将采集的数据打包处理后保存到工业控制计算机（1）上，当每个模式观测完成后，结束对该模式的数据存储操作，每个模式的观测数据保存为一个数据文件；
至此，实现了毫米波气象雷达的观测。
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