CN106556836B - 一种风廓线雷达有降水无降水的自适应探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风廓线雷达有降水无降水的自适应探测系统及方法，所述的系统包括系统控制模块、信号处理模块、数字中频接收机板、工业控制计算机、数据终端计算机和数据处理模块，系统控制模块控制对大气风场的探测过程，数字中频接收机板接收雷达回波信号，进行数字化处理得到时域信号，信号处理模块将时域信号处理为大气风场功率谱信号，数据处理模块对大气风场功率谱信号进行处理分析并自动配置相应的探测参数。本发明搭建的自适应探测系统，通过风廓线雷达在探测过程中自动判断有无降和配置相应的探测参数，实现了对有降水和无降水时大气风场的自适应探测，从而准确地测量到不同天气下的大气风场资料，更好的应用于气象研究和天气预报。

Description

一种风廓线雷达有降水无降水的自适应探测系统及方法

技术领域

本发明涉及大气风场探测领域，具体涉及一种风廓线雷达有降水无降水的自适应探测系统及方法。

背景技术

风廓线雷达是21世纪高空探测系统的重要组成部分,目前风廓线雷达资料已经在全球进入业务化应用,我国也正在进行风廓线雷达观测网的建设。风廓线雷达具有时空分辨力高、精度高等优点，采用全天候无人值守探测方式。随着风廓线雷达的推广应用，获得了大量各种天气下的观测数据，为了深入研究大气风场特性，气象研究人员对于观测资料的准确性要求也越来越高。

风廓线雷达主要用来探测大气风场,因为它的动态范围很大,在探测到弱的大气湍流散射信号的同时,还可以探测到降水粒子的散射信号。在有降水发生时，降水粒子的垂直下落速度远大于无降水时的垂直气流速度，会使整个信号谱发生较为明显的偏移,甚至可能超出由探测参数设置的测速范围，而无降水时垂直气流速度较小，由探测参数设置的测速范围也不用很大。所以在有降水和无降水时需要使用不同的探测参数。

原有的风廓线雷达使用的是一套参数，在不同的天气下探测时需要人工修改和加载参数，而在无人值守探测时就不能做到使用适当的探测参数。如何自动判断有无降水和匹配探测参数，是本领域需要解决的一个问题。

发明内容

本发明提供了一种风廓线雷达有降水无降水的自适应探测系统及方法，实现了风廓线雷达对有降水和无降水的大气风场自适应探测。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：提供了一种风廓线雷达有降水无降水的自适应探测系统，包括系统控制模块、信号处理模块、数字中频接收机板、工业控制计算机、数据终端计算机和数据处理模块，所述工业控制计算机通过PCI总线与所述系统控制模块、所述信号处理模块和所述数字中频接收机板连接，所述工业控制计算机通过以太网卡与所述数据终端计算机进行网络数据通信，所述数据终端计算机通过PCI总线与所述数据处理模块连接；

所述数据处理模块，用于配置初始探测参数，并通过数据终端计算机发送给工业控制计算机，并存储于共享内存中；还用于从数据终端计算机中读取大气风场回波功率谱数据，进行数据处理，得到大气风场参量，判断出是否发生降水，并从数据终端计算机中调用与降水或者无降水对应匹配的探测参数，并通过网络经过工业控制计算机发送给系统控制模块；

系统控制模块，用于从工业控制计算机的共享内存中加载所述初始探测参数，并控制风廓线雷达按照初始探测参数进行气象探测；还用于按照工业控制计算机发送的探测参数，更新初始探测参数，并按照更新后的探测参数控制风廓线雷达继续进行探测；

所述数字中频接收机板，用于接收大气风场雷达回波信号，并对大气风场雷达回波信号进行数字化处理得到大气风场时域数据，并将大气风场时域数据发送给工业控制计算机的共享内存；

所述信号处理模块，用于从工业控制计算机的共享内存中读取所述大气风场时域数据并进行信号处理，生成大气风场回波功率谱数据，并保存至工业控制计算机的共享内存中；

所述数据终端计算机，用于接收从工业控制计算机发送的大气风场回波功率谱数据，存储于本地内存中，供所述数据处理模块读取。

本发明的有益效果为：搭建自适应探测系统，通过风廓线雷达在探测过程中自动判断有无降和配置相应的探测参数，实现了对有降水和无降水时大气风场的自适应探测，从而准确地测量到不同天气下的大气风场资料，更好的应用于气象研究和天气预报。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。

进一步的，所述数字中频接收机板按照加载参数对雷达回波的中频信号进行A/D变换和采样，将数字化处理后的大气风场时域数据存入本地FIFO缓存中，再通过PCI总线传输到工业控制计算机的共享内存中。

进一步的，所述数据处理模块，用于从数据终端计算机中读取大气风场回波功率谱数据，进行数据处理，判断出是否发生降水具体包括：

对大气风场回波功率谱数据进行谱矩和信噪比处理，得到垂直探测波束上各高度层的垂直气流速度和回波信号的信噪比，并将每一个高度层上的垂直气流速度和信噪比与该高度层上的预设垂直气流速度门限值和预设信噪比门限值进行比较，当二者均大于预设的门限值时，则判断为降水，否则，判断为无降水。

所述进一步的有益效果为：根据有降水和无降水时探测得到的气流垂直下降速度和信噪比的特征值，在无人值守连续观测中，自动判断出是否发生降水天气，对加载对应的不同的探测参数进行自适应探测，保证使用足够与适当的探测范围，

附图说明

图1为实施例1的一种风廓线雷达有降水无降水的自适应探测系统结构框图；

图2为实施例2的一种风廓线雷达有降水无降水的自适应探测方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1、一种风廓线雷达有降水无降水的自适应探测系统。

参见图1，风廓线雷达(Wind Profiling Radar，WPR)是一种多普勒脉冲雷达，是通过探测大气湍流对电磁波的反射和散射来连续探测大气风场等物理量的一种全天候大气遥感探测设备，具有很高的探测实时性和精度，是中小尺度大气探测的关键设备之一。

本实施例提供的自适应探测系统包括系统控制模块、信号处理模块、数字中频接收机板、工业控制计算机、数据终端计算机和数据处理模块，所述工业控制计算机通过PCI总线与所述系统控制模块、所述信号处理模块和所述数字中频接收机板连接，所述工业控制计算机通过以太网卡与所述数据终端计算机进行网络数据通信，所述数据终端计算机通过PCI总线与所述数据处理模块连接；

所述数据处理模块，用于配置初始探测参数，并通过数据终端计算机发送给工业控制计算机，并存储于共享内存中；还用于从数据终端计算机中读取大气风场回波功率谱数据，进行数据处理，得到大气风场参量，判断出是否发生降水，并从数据终端计算机中调用与降水或者无降水对应匹配的探测参数，并通过网络经过工业控制计算机发送给系统控制模块；

系统控制模块，用于从工业控制计算机的共享内存中加载所述初始探测参数，并控制风廓线雷达按照初始探测参数进行气象探测；还用于按照工业控制计算机发送的探测参数，更新初始探测参数，并按照更新后的探测参数控制风廓线雷达继续进行探测；

所述数字中频接收机板，用于接收大气风场雷达回波信号，并对大气风场雷达回波信号进行数字化处理得到大气风场时域数据，并将大气风场时域数据发送给工业控制计算机的共享内存；

所述信号处理模块，用于从工业控制计算机的共享内存中读取所述大气风场时域数据并进行信号处理，生成大气风场回波功率谱数据，并保存至工业控制计算机的共享内存中；

所述数据终端计算机，用于接收从工业控制计算机发送的大气风场回波功率谱数据，存储于本地内存中，供所述数据处理模块读取。

其中，所述数字中频接收机板按照加载参数对雷达回波的中频信号进行A/D变换和采样，将数字化处理后的大气风场时域数据存入本地FIFO缓存中，再通过PCI总线传输到工业控制计算机的共享内存中。

数据处理模块判断有降水无降水的方法为：数据处理模块读取数据终端计算机内存中的大气风场的功率谱数据，对大气风场回波功率谱数据进行谱矩和信噪比处理，得到垂直探测波束上各高层上的径向速度和回波信号的信噪比，此径向速度即为要探测的垂直气流速度，针对于不同的高度层，比如，每个50m划分为一个高度层，每一个高度层均可以得到一组垂直气流速度和信噪比数据，并将每一个高度层上的垂直气流速度和信噪比与该高度层上的预设垂直气流速度门限值和预设信噪比门限值进行比较，当二者均大于预设的门限值时，则判断为降水，否则，判断为无降水。

如果判断结果为有降水，而数据处理模块的探测参数标志为无降水，则数据处理模块从数据终端计算机中调用有降水探测参数，并通过数据终端计算机发送给工业控制计算机，供系统控制模块读取和信号处理模块加载，数据处理模块将探测参数标志设置为有降水，系统控制模块按照有降水探测参数，继续控制风廓线雷达进行气象探测。

同理，如果判断结果为无降水，而数据处理模块的探测参数标志为有降水，则数据处理模块从数据终端计算机中调用无降水探测参数，并通过数据终端计算机发送给工业控制计算机，供系统控制模块读取和信号处理模块加载，数据处理模块将探测参数标志设置为无降水，系统控制模块按照无降水探测参数，继续控制风廓线雷达进行气象探测。至此本实施例提供的风廓线雷达有降水无降水的自适应探测系统，实现了风廓线雷达对有降水和无降水大气风场的自适应探测。

实施例2、一种风廓线雷达有降水无降水的自适应探测方法。

参见图2，本实施例提供的风廓线雷达有降水无降水的自适应探测方法包括：

S1，搭建风廓线雷达有降水无降水的自适应探测系统；

S2，系统控制模块根据数据处理模块配置的初始探测参数，控制风廓线雷达进行气象探测；

S3，数字中频接收机板接收大气风场雷达回波信号，并对大气风场雷达回波信号进行数字化处理得到大气风场时域数据，并将大气风场时域数据发送给工业控制计算机的共享内存；

S4，信号处理模块从工业控制计算机的共享内存中读取所述大气风场时域数据并进行信号处理，生成大气风场回波功率谱数据，并保存至工业控制计算机的共享内存中，进而发送给数据终端计算机保存至本地内存中；

S5，数据处理模块从数据终端计算机中读取大气风场回波功率谱数据，进行数据处理，判断出是否发生降水，并从数据终端计算机中调用与降水或者无降水对应匹配的探测参数，并通过网络经过工业控制计算机发送给系统控制模块；

S6，按照工业控制计算机发送的探测参数，更新初始探测参数，并按照更新后的探测参数控制风廓线雷达继续进行探测。

其中，所述步骤S5中的数据处理模块从数据终端计算机中读取大气风场回波功率谱数据，进行数据处理，判断出是否发生降水具体包括：

对大气风场回波功率谱数据进行谱矩和信噪比处理，得到垂直探测波束上各高度层的垂直气流速度和回波信号的信噪比，并将每一个高度层上的垂直气流速度和信噪比与该高度层上的预设垂直气流速度门限值和预设信噪比门限值进行比较，当二者均大于预设的门限值时，则判断为降水，否则，判断为无降水。

本发明提供的一种风廓线雷达有降水无降水的自适应探测系统及方法，搭建自适应探测系统，通过风廓线雷达在探测过程中自动判断有无降和配置相应的探测参数，实现了对有降水和无降水时大气风场的自适应探测，从而准确地测量到不同天气下的大气风场资料，更好的应用于气象研究和天气预报。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例一”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体方法、装置或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、方法、装置或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种风廓线雷达有降水无降水的自适应探测系统，其特征在于，包括系统控制模块、信号处理模块、数字中频接收机板、工业控制计算机、数据终端计算机和数据处理模块，所述工业控制计算机通过PCI总线与所述系统控制模块、所述信号处理模块和所述数字中频接收机板连接，所述工业控制计算机通过以太网卡与所述数据终端计算机进行网络数据通信，所述数据终端计算机通过PCI总线与所述数据处理模块连接；

所述数据处理模块，用于配置初始探测参数，并通过数据终端计算机发送给工业控制计算机，并存储于共享内存中；还用于从数据终端计算机中读取大气风场回波功率谱数据，进行数据处理，得到大气风场参量，判断出是否发生降水，并从数据终端计算机中调用与降水或者无降水对应匹配的探测参数，并通过网络经过工业控制计算机发送给系统控制模块；

系统控制模块，用于从工业控制计算机的共享内存中加载所述初始探测参数，并控制风廓线雷达按照初始探测参数进行气象探测；还用于按照工业控制计算机发送的探测参数，更新初始探测参数，并按照更新后的探测参数控制风廓线雷达继续进行探测；

所述数字中频接收机板，用于接收大气风场雷达回波信号，并对大气风场雷达回波信号进行数字化处理得到大气风场时域数据，并将大气风场时域数据发送给工业控制计算机的共享内存；

所述信号处理模块，用于从工业控制计算机的共享内存中读取所述大气风场时域数据并进行信号处理，生成大气风场回波功率谱数据，并保存至工业控制计算机的共享内存中；

所述数据终端计算机，用于接收从工业控制计算机发送的大气风场回波功率谱数据，存储于本地内存中，供所述数据处理模块读取。

2.如权利要求1所述的风廓线雷达有降水无降水的自适应探测系统，其特征在于，所述数字中频接收机板按照加载参数对雷达回波的中频信号进行A/D变换和采样，将数字化处理后的大气风场时域数据存入本地FIFO缓存中，再通过PCI总线传输到工业控制计算机的共享内存中。

3.如权利要求1所述的风廓线雷达有降水无降水的自适应探测系统，其特征在于，所述数据处理模块，用于从数据终端计算机中读取大气风场回波功率谱数据，进行数据处理，判断出是否发生降水具体包括：

对大气风场回波功率谱数据进行谱矩和信噪比处理，得到垂直探测波束上各高度层的垂直气流速度和回波信号的信噪比，并将每一个高度层上的垂直气流速度和信噪比与该高度层上的预设垂直气流速度门限值和预设信噪比门限值进行比较，当二者均大于预设的门限值时，则判断为降水，否则，判断为无降水。

4.一种风廓线雷达有降水无降水的自适应探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，搭建风廓线雷达有降水无降水的自适应探测系统；

S2，系统控制模块根据数据处理模块配置的初始探测参数，控制风廓线雷达进行气象探测；

S3，数字中频接收机板接收大气风场雷达回波信号，并对大气风场雷达回波信号进行数字化处理得到大气风场时域数据，并将大气风场时域数据发送给工业控制计算机的共享内存；

S4，信号处理模块从工业控制计算机的共享内存中读取所述大气风场时域数据并进行信号处理，生成大气风场回波功率谱数据，并保存至工业控制计算机的共享内存中，进而发送给数据终端计算机保存至本地内存中；

S5，数据处理模块从数据终端计算机中读取大气风场回波功率谱数据，进行数据处理，判断出是否发生降水，并从数据终端计算机中调用与降水或者无降水对应匹配的探测参数，并通过网络经过工业控制计算机发送给系统控制模块；

S6，按照工业控制计算机发送的探测参数，更新初始探测参数，并按照更新后的探测参数控制风廓线雷达继续进行探测。

5.如权利要求4所述的风廓线雷达有降水无降水的自适应探测方法，其特征在于，所述步骤S5中的数据处理模块从数据终端计算机中读取大气风场回波功率谱数据，进行数据处理，判断出是否发生降水具体包括：

对大气风场回波功率谱数据进行谱矩和信噪比处理，得到垂直探测波束上各高度层的垂直气流速度和回波信号的信噪比，并将每一个高度层上的垂直气流速度和信噪比与该高度层上的预设垂直气流速度门限值和预设信噪比门限值进行比较，当二者均大于预设的门限值时，则判断为降水，否则，判断为无降水。