CN106772385B - 一种基于毫米波雷达的港口航道海雾探测方法及系统 - Google Patents

一种基于毫米波雷达的港口航道海雾探测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于毫米波雷达的港口航道海雾探测方法及系统，该系统包括：包括：至少两个毫米波雷达和终端服务器；毫米波雷达用于在预定范围内重复扫描得到多组圆锥探测数据和多组垂直探测数据，并将多组圆锥探测数据和多组垂直探测数据发送至终端服务器；终端服务器用于对数据进行处理并将进行显示。本发明通过有针对性的数据处理方法及融合手段，实现了多部毫米波雷达组网观测，有效的扩大了基于毫米波雷达海雾监测系统的覆盖范围，使具有了更高的实际应用价值。

Description

一种基于毫米波雷达的港口航道海雾探测方法及系统
技术领域
本发明涉及雷达探测领域，特别涉及一种基于毫米波雷达的港口航道海雾探测方法及系统。
背景技术
港口是海上交通的重要枢纽，然而由于海上湿度大、天气变幻无常等特点，港口航道区域时常会受到海雾的覆盖。海雾所造成的低能见度将会严重的影响港口通航的效率，并且会对航道内运行船只的交通安全构成极大的威胁，同时对港口的调度管理提出了较高的要求。由于海雾具有形成/消散快、空间分布面积广、高度低、水汽粒子的电磁波回波强度较弱等特点，因此传统的能见度仪、雾滴谱仪、天气雷达、卫星遥感等手段在海雾的监测方面都显的力不从心。
近些年来，国内外的学者及研究机构尝试利用毫米波雷达来进行港口航道海雾的监测,并取得了一定的良好效果。毫米波雷达主要用于云、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，广泛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。由于毫米波雷达对较弱的目标粒子(如大雾中的水滴粒子)具有较强的探测能力，且空间分辨率高、时效性强，因此在港口海雾的探测方面显示出较好的潜力，有望在未来成为港口海雾观测的常规手段。但是单部毫米波雷达并无法覆盖港口航道的所有区域，而且毫米波本身的特点决定了其在大气中传播时容易衰减，当遇到云、雨、雾等目标时此衰减将更为增大，海雾的空间高度分布一般在0至200米之间，当雷达以较大的俯仰角进行观测时，探测电磁波很容易穿透雾顶进入上层空间，因此有效的径向探测距离大打折扣，而如果将雷达的俯仰角设置过低，则又容易受到地物、海面船只、风浪等引起的地杂波影响导致数据无法使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题解决单部毫米波雷达并无法覆盖港口航道的所有区域、多部毫米波雷达探测数据融合处理和毫米波雷达探测范围容易被影响的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于毫米波雷达的港口航道海雾探测方法，包括以下步骤：
步骤1、至少两个毫米波雷达中的每个毫米波雷达，在预定范围内重复扫描得到多组圆锥探测数据和多组垂直探测数据，并将多组所述圆锥探测数据和多组所述垂直探测数据发送至终端服务器；
步骤2、所述终端服务器接收并根据确定的基准时间从多组所述圆锥探测数据中选取两组圆锥探测数据P1和P2，并从多组所述垂直探测数据中选取一组垂直探测数据R1；
步骤3、所述终端服务器对所述圆锥探测数据P1和P2进行处理，得到合格数据，并根据所述垂直探测数据R1计算得到雾顶高度H；
步骤4、所述终端服务器建立极坐标系，对相同位置的所有合格数据和雾顶高度H取均值融合，将融合后的数据按对应位置投影到极坐标系中显示。
本发明的有益效果是：本发明通过恰当的扫描策略设置、具有针对性的数据处理方法及融合手段，实现了多部毫米波雷达组网观测，有效的扩大了基于毫米波雷达海雾监测系统的覆盖范围，使具有了更高的实际应用价值。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，在步骤1中，通过PPI扫描方式在预定范围内重复扫描得到多组所述圆锥探测数据，通过RHI扫描方式在预定范围内重复扫描得到多组所述垂直探测数据，其中，所述PPI扫描方式在预定范围内重复扫描的俯仰角为3°，所述RHI扫描方式在预定范围内重复扫描的俯仰角为0-30°。
采用上述进一步方案的有益效果是：PPI扫描方式采取一定的仰角避免被近地阻碍物阻挡，影响扫描精度，RHI扫描方式设置扫描上限，在保证探测效果的情况下减少工作量。
进一步，在步骤2中，圆锥探测数据P1和P2为多组所述圆锥探测数据中探测时刻与所述基准时刻最接近的两组圆锥探测数据，垂直探测数据R1为多组所述垂直探测数据中探测时刻与所述基准时刻最接近的一组垂直探测数据。
采用上述进一步方案的有益效果是：根据选择的时间确定获取数据，保证数据的实时性。
进一步，在步骤3中，所述终端服务器对所述圆锥探测数据P1和P2进行处理，得到合格数据，具体包括以下步骤：
步骤3.1、判断所述圆锥探测数据P1中每一个方位角对应数据的数据强度是否超过预设强度值，当第一方位角对应数据的数据强度超过预设强度值时，用所述圆锥探测数据P2中与所述第一方位角相同的方位角对应的数据替换所述圆锥探测数据P1中所述第一方位角对应的数据，否则不做处理；
步骤3.2、判断所述圆锥探测数据P1中每一个方位角对应数据的探测距离是否大于预设距离，当第二方位角对应数据的探测距离大于预设距离时，删除所述第二方位角对应的数据，得到合格数据；否则不做处理，得到合格数据。
进一步，在步骤1之前，还包括：
至少两个所述毫米波雷达中的每个毫米波雷达接收时间同步指令，进行时间同步。
采用上述进一步方案的有益效果是：确保扫描得到的数据时间的一致性，避免数据融合时错误数据造成误差。
本发明还提供实现上述方法的一种基于毫米波雷达的港口航道海雾探测系统，包括：至少两个毫米波雷达和终端服务器；
每个所述毫米波雷达用于在预定范围内重复扫描得到多组圆锥探测数据和多组垂直探测数据，并将多组所述圆锥探测数据和多组所述垂直探测数据发送至终端服务器；
所述终端服务器用于接收多组所述圆锥探测数据和多组所述垂直探测数据，并根据确定的基准时间从多组所述圆锥探测数据中选取两组圆锥探测数据P1和P2，并从多组所述垂直探测数据中选取一组垂直探测数据R1；
所述终端服务器还用于对所述圆锥探测数据P1和P2进行处理，得到合格数据，并根据所述垂直探测数据R1计算得到雾顶高度H；
所述终端服务器还用于建立极坐标系，对相同位置的所有合格圆锥探测数据P1和雾顶高度H取均值融合，将融合后的数据按对应位置投影到极坐标系中显示。
进一步，每个所述毫米波雷达具体用于，通过PPI扫描方式在预定范围内重复扫描得到多组所述圆锥探测数据，且通过RHI扫描方式在预定范围内重复扫描得到多组所述垂直探测数据，其中，所述PPI扫描方式在预定范围内重复扫描的俯仰角为3°，所述RHI扫描方式在预定范围内重复扫描的俯仰角为0-30°。
进一步，圆锥探测数据P1和P2为多组所述圆锥探测数据中探测时刻与所述基准时刻最接近的两组圆锥探测数据，垂直探测数据R1为多组所述垂直探测数据中探测时刻与所述基准时刻最接近的一组垂直探测数据。
进一步，所述终端服务器具体用于，判断所述圆锥探测数据P1中每一个方位角对应数据的数据强度是否超过预设强度值，当第一方位角对应数据的数据强度超过预设强度值时，用所述圆锥探测数据P2中与所述第一方位角相同的方位角对应的数据替换所述圆锥探测数据P1中所述第一方位角对应的数据，否则不做处理；
还用于判断所述圆锥探测数据P1中每一个方位角对应数据的探测距离是否大于预设距离，当第二方位角对应数据的探测距离大于预设距离时，删除所述第二方位角对应的数据，得到合格数据；否则不做处理，得到合格数据。
进一步，所述终端服务器还用于向所有所述毫米波雷达发送时间同步指令。
附图说明
图1为本发明一种基于毫米波雷达的港口航道海雾组网系统的探测方法实现流程图；
图2为本发明一种基于毫米波雷达的港口航道海雾组网系统结构示意图；
图3为本发明一种基于毫米波雷达的港口航道海雾组网系统中终端服务器结构示意图。
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。
一种基于毫米波雷达的港口航道海雾探测方法，包括以下步骤：
如图1所示，步骤1、至少两个毫米波雷达中的每个毫米波雷达，在预定范围内重复扫描得到多组圆锥探测数据Pi1，Pi2，……Pii，……PiN和多组垂直探测数据Ri1，Ri2，……Rii，……RiN,并将多组圆锥探测数据和多组垂直探测数据发送至终端服务器；
步骤2、终端服务器接收并根据确定的基准时间从多组圆锥探测数据中选取两组圆锥探测数据P1和P2，并从多组垂直探测数据中选取一组垂直探测数据R1；
步骤3、终端服务器对圆锥探测数据P1和P2进行处理，得到合格数据，并根据垂直探测数据R1计算得到雾顶高度H；
步骤4、终端服务器建立极坐标系，对相同位置的所有合格数据和雾顶高度H取均值融合，将融合后的数据按对应位置投影到极坐标系中显示。
优选的，在步骤1中，通过PPI扫描方式在预定范围内重复扫描得到多组圆锥探测数据，通过RHI扫描方式在预定范围内重复扫描得到多组垂直探测数据，其中，PPI扫描方式在预定范围内重复扫描的俯仰角为3°，RHI扫描方式在预定范围内重复扫描的俯仰角为0-30°。
优选的，在步骤2中，圆锥探测数据P1和P2为多组圆锥探测数据中探测时刻与基准时刻最接近的两组圆锥探测数据，垂直探测数据R1为多组垂直探测数据中探测时刻与基准时刻最接近的一组垂直探测数据。
优选的，在步骤3中，终端服务器对圆锥探测数据P1和P2进行处理，得到合格数据，具体包括以下步骤：
步骤3.1、判断圆锥探测数据P1中每一个方位角对应数据的数据强度是否超过预设强度值，当第一方位角对应数据的数据强度超过预设强度值时，用圆锥探测数据P2中与第一方位角相同的方位角对应的数据替换圆锥探测数据P1中第一方位角对应的数据，否则不做处理；
步骤3.2、判断圆锥探测数据P1中每一个方位角对应数据的探测距离是否大于预设距离，当第二方位角对应数据的探测距离大于预设距离时，删除第二方位角对应的数据，得到合格数据；否则不做处理，得到合格数据。
优选的，在步骤1之前，还包括：
至少两个毫米波雷达中的每个毫米波雷达接收时间同步指令，进行时间同步。
如图2所示，本发明还提供实现上述方法的一种基于毫米波雷达的港口航道海雾探测系统，包括：至少两个毫米波雷达L1,L2，……Li……,LN和终端服务器；
每个毫米波雷达用于在预定范围内重复扫描得到多组圆锥探测数据Pi1，Pi2，……Pii，……PiN和多组垂直探测数据Ri1，Ri2，……Rii，……RiN,并将多组圆锥探测数据和多组垂直探测数据发送至终端服务器；
终端服务器用于接收多组圆锥探测数据和多组垂直探测数据，并根据确定的基准时间从多组圆锥探测数据中选取两组圆锥探测数据P1和P2，并从多组垂直探测数据中选取一组垂直探测数据R1；
终端服务器还用于对圆锥探测数据P1和P2进行处理，得到合格数据，并根据垂直探测数据R1计算得到雾顶高度H；
终端服务器还用于建立极坐标系，对相同位置的所有合格圆锥探测数据P1和雾顶高度H取均值融合，将融合后的数据按对应位置投影到极坐标系中显示。
如图3所示，优选的，终端服务器包括基准时间选择模块，基准时间选择模块用于选择基准时间；
终端服务器还包括数据选取模块，数据选取模块用于根据确定的基准时间从多组圆锥探测数据中选取两组圆锥探测数据P1和P2发送到数据删除模块；并从多组垂直探测数据中选取一组垂直探测数据R1发送到雾顶高度计算模块；
终端服务器还包括数据删除模块，数据删除模块用于对圆锥探测数据P1和P2进行处理，得到合格数据，将得到的合格数据发送到坐标系建立模块；
终端服务器还包括雾顶高度计算模块，雾顶高度计算模块用于接收垂直探测数据R1，利用边缘检测算法计算垂直探测数据R1得到雾顶高度H，并将雾顶高度H发送到坐标系建立模块；
终端服务器还包括坐标系建立模块，坐标系建立模块用于接收圆锥探测数据P1和雾顶高度值H，并建立极坐标系，对相同位置的所有合格数据和雾顶高度H取均值融合，将融合后的数据按对应位置投影到极坐标系中显示。
优选的，数据删除模块具体用于，判断圆锥探测数据P1中每一个方位角对应数据的数据强度是否超过预设强度值，当第一方位角对应数据的数据强度超过预设强度值时，更具体的第一方位角对应数据中有100库的数据强度大于10dBZ，用圆锥探测数据P2中与第一方位角相同的方位角对应的数据替换圆锥探测数据P1中第一方位角对应的数据，否则不做处理；
还用于判断圆锥探测数据P1中每一个方位角对应数据的探测距离是否大于预设距离，当第二方位角对应数据的探测距离大于预设距离时，预设的距离为28.6615倍的雾顶高度H，即预设距离值为28.6615*H，删除第二方位角对应的数据，得到合格数据；否则不做处理，得到合格数据。
优选的，终端服务器还包括：时间同步模块，用于向所有毫米波雷达发送时间同步指令，时间同步模块每天通过GPS授时系统进行一次时间校准，保持误差在1毫秒以内，每两天服务器通过批处理程序向各雷达发布时间同步命令，保证各雷达探测得到数据的时间同步性，GPS授时系统是针对自动化系统中的计算机、控制装置等进行校时的高科技产品，GPS授时产品它从GPS卫星上获取标准的时间信号，将这些信息通过各种接口类型来传输给自动化系统中需要时间信息的设备，这样就可以达到整个系统的时间同步。
实施例：毫米波雷达测量设置该毫米波雷达的两侧海岸线之间的海域，设置该雷达以3度俯仰角，在A1与A2之间做PPI模式的扇形扫描，顺时针扫描时速度设置为0.4度/秒，逆时针扫描时速度设置为0.6度/秒，每扫描1个往返周期，在0度与30度的俯仰角度之间做扫描速度为1度/秒的RHI扫描，将扫描得到的数据发送到终端服务器，终端服务器确定基准时间，对PPI模式的扇形扫描得到的圆锥探测数据的探测时间与该基准时间的差值进行升序排列，选取排在最前面两个位置的两组圆锥探测数据，即：提取圆锥探测数据中探测时间距离基准时间最近的两组圆锥探测数据，并对两组圆锥探测数据进行处理，将得到的合格数据发送到坐标系建立模块，同时，对RHI扫描得到的垂直探测数据的探测时间与该基准时间的差值进行升序排列，选取排在第一个位置的一组垂直探测数据，即：提取垂直探测数据中探测时间距离基准时间最近的一组垂直探测数据，并通过该垂直探测数据计算得出雾顶高度值H，将雾顶高度值H发送到坐标系建立模块，坐标系建立模块建立极坐标系，对相同位置的所有合格数据和雾顶高度H取均值融合，将融合后的数据按对应位置投影到极坐标系中显示给用户。
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 (6)

1.一种基于毫米波雷达的港口航道海雾探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、至少两个毫米波雷达中的每个毫米波雷达，在预定范围内重复扫描得到多组圆锥探测数据和多组垂直探测数据，并将多组所述圆锥探测数据和多组所述垂直探测数据发送至终端服务器；
步骤2、所述终端服务器接收并根据确定的基准时间从多组所述圆锥探测数据中选取两组圆锥探测数据P1和P2，并从多组所述垂直探测数据中选取一组垂直探测数据R1；其中，圆锥探测数据P1和P2为多组所述圆锥探测数据中探测时刻与所述基准时刻最接近的两组圆锥探测数据，垂直探测数据R1为多组所述垂直探测数据中探测时刻与所述基准时刻最接近的一组垂直探测数据；
步骤3、所述终端服务器对所述圆锥探测数据P1和P2进行处理，得到合格数据，并根据所述垂直探测数据R1计算得到雾顶高度H；
所述步骤3具体包括：
步骤3.1、判断所述圆锥探测数据P1中每一个方位角对应数据的数据强度是否超过预设强度值，当第一方位角对应数据的数据强度超过预设强度值时，用所述圆锥探测数据P2中与所述第一方位角相同的方位角对应的数据替换所述圆锥探测数据P1中所述第一方位角对应的数据，否则不做处理；
步骤3.2、判断所述圆锥探测数据P1中每一个方位角对应数据的探测距离是否大于预设距离，当第二方位角对应数据的探测距离大于预设距离时，删除所述第二方位角对应的数据，得到合格数据；否则不做处理，得到合格数据；
步骤4、所述终端服务器建立极坐标系，对相同位置的所有合格数据和雾顶高度H取均值融合，将融合后的数据按对应位置投影到极坐标系中显示。
2.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的港口航道海雾探测方法，其特征在于，在步骤1中，通过PPI扫描方式在预定范围内重复扫描得到多组所述圆锥探测数据，通过RHI扫描方式在预定范围内重复扫描得到多组所述垂直探测数据，其中，所述PPI扫描方式在预定范围内重复扫描的俯仰角为3°，所述RHI扫描方式在预定范围内重复扫描的俯仰角为0-30°。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的一种基于毫米波雷达的港口航道海雾探测方法，其特征在于，在步骤1之前，还包括：
至少两个所述毫米波雷达中的每个毫米波雷达接收时间同步指令，进行时间同步。
4.一种基于毫米波雷达的港口航道海雾探测系统，其特征在于，包括：至少两个毫米波雷达和终端服务器；
每个所述毫米波雷达用于在预定范围内重复扫描得到多组圆锥探测数据和多组垂直探测数据，并将多组所述圆锥探测数据和多组所述垂直探测数据发送至终端服务器；
所述终端服务器用于接收多组所述圆锥探测数据和多组所述垂直探测数据，并根据确定的基准时间从多组所述圆锥探测数据中选取两组圆锥探测数据P1和P2，并从多组所述垂直探测数据中选取一组垂直探测数据R1；其中，圆锥探测数据P1和P2为多组所述圆锥探测数据中探测时刻与所述基准时刻最接近的两组圆锥探测数据，垂直探测数据R1为多组所述垂直探测数据中探测时刻与所述基准时刻最接近的一组垂直探测数据；
所述终端服务器还用于对所述圆锥探测数据P1和P2进行处理，得到合格数据，并根据所述垂直探测数据R1计算得到雾顶高度H；
其中，所述终端服务器具体用于判断所述圆锥探测数据P1中每一个方位角对应数据的数据强度是否超过预设强度值，当第一方位角对应数据的数据强度超过预设强度值时，用所述圆锥探测数据P2中与所述第一方位角相同的方位角对应的数据替换所述圆锥探测数据P1中所述第一方位角对应的数据，否则不做处理；
还用于判断所述圆锥探测数据P1中每一个方位角对应数据的探测距离是否大于预设距离，当第二方位角对应数据的探测距离大于预设距离时，删除所述第二方位角对应的数据，得到合格数据；否则不做处理，得到合格数据；
所述终端服务器还用于建立极坐标系，对相同位置的所有合格数据和雾顶高度H取均值融合，将融合后的数据按对应位置投影到极坐标系中显示。
5.根据权利要求4所述的一种基于毫米波雷达的港口航道海雾探测系统，其特征在于，每个所述毫米波雷达具体用于，通过PPI扫描方式在预定范围内重复扫描得到多组所述圆锥探测数据，且通过RHI扫描方式在预定范围内重复扫描得到多组所述垂直探测数据，其中，所述PPI扫描方式在预定范围内重复扫描的俯仰角为3°，所述RHI扫描方式在预定范围内重复扫描的俯仰角为0-30°。
6.根据权利要求4-5中任一项所述的一种基于毫米波雷达的港口航道海雾探测系统，其特征在于，所述终端服务器还用于向所有所述毫米波雷达发送时间同步指令。
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