CN109061650A - 基于阵列天气雷达的组网探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于阵列天气雷达的组网探测方法及系统，涉及相控阵天气雷达领域。该系统包括：数据处理中心和N个阵列天气雷达，N≥3，N个阵列天气雷达以预设的三角形规则排布，任意三个相邻的阵列天气雷达位于三角形的三个顶点，N个阵列天气雷达用于对探测范围内的天气现象进行同步扫描探测，数据处理中心用于控制N个阵列天气雷达，并获取探测结果。本发明提供的基于阵列天气雷达的组网探测方法及系统，可有效获取观测范围内全空域的三维风场信息，有效监测微下击暴流现象，大幅提高现有气象观测水平，满足气象研究、气象保障等应用需求。

Description

基于阵列天气雷达的组网探测方法及系统

技术领域

本发明涉及相控阵天气雷达领域，尤其涉及基于阵列天气雷达的组网探测方法及系统。

背景技术

在传统多普勒体制天气雷达观测中，由于其观测时间分辨率低，无法快速获取作用范围内的变化快、强度大的中小尺度系统灾害天气(如龙卷、冰雹、暴雨等)的强度和三维速度等信息，也不能够实现对该类目标的精细化探测。而阵列天气雷达具有快速扫描能力，能够在一分钟内完成作用范围的三维立体探测，能够获取作用范围在二十公里范围内中小尺度天气强灾害天气的强度、速度等信息，实现对该类目标的结构和演变的精细化探测。

然而，现有的阵列天气雷达观测不能够实现观测区域的三维探测以及协同探测，且探测的精细度不够。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于阵列天气雷达的组网探测方法及一种基于阵列天气雷达的组网探测系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种基于阵列天气雷达的组网探测系统，包括：数据处理中心和N个阵列天气雷达，N≥3，N个所述阵列天气雷达以预设的三角形规则排布，任意三个相邻的阵列天气雷达位于三角形的三个顶点，N个所述阵列天气雷达用于对探测范围内的天气现象进行同步扫描探测，所述数据处理中心用于控制N个所述阵列天气雷达，并获取探测结果。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于阵列天气雷达的组网探测系统，通过将多台阵列天气雷达进行组网同步探测，实现了对观测范围空间内全空域气象目标的精细探测，可生成精细化三维风场和微下击暴流产品，可有效获取观测范围内全空域的三维风场信息，有效监测微下击暴流现象，大幅提高现有气象观测水平，满足气象研究、气象保障等应用需求。

具有以下优点：优化布局，协同探测，能够克服由于地球曲率的限制带来的观测盲区；基于阵列天气雷达的组网协同观测，能够获取不同方向上的探测数据，形成完整的三维速度信息。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种基于阵列天气雷达的组网探测方法，包括：

将N个所述阵列天气雷达以预设的三角形规则排布，任意三个相邻的阵列天气雷达位于三角形的三个顶点，N≥3；

N个所述阵列天气雷达对探测范围内的天气现象进行同步扫描探测；

数据处理中心控制N个所述阵列天气雷达，并获取探测结果。

在此基础上，本技术方案还可以进一步改进。

进一步地，还包括：

GPS卫星将时间数据发送给N个所述阵列天气雷达，使N个所述阵列天气雷达根据所述时间数据进行同步。

进一步地，任意两个相邻的阵列天气雷达之间的距离相等。

进一步地，所述N个所述阵列天气雷达对探测范围内的天气现象进行同步扫描探测，具体包括：

N个所述阵列天气雷达根据预设扫描方式对对探测范围内的天气现象进行扫描探测。

进一步地，所述N个所述阵列天气雷达根据预设扫描方式对对探测范围内的天气现象进行扫描探测，具体包括：

N个所述阵列天气雷达根据PPI扫描模式对探测范围内的天气现象进行扫描探测。

进一步地，所述N个所述阵列天气雷达根据预设扫描方式对对探测范围内的天气现象进行扫描探测，具体包括：

N个所述阵列天气雷达根据体扫模式对探测范围内的天气现象进行扫描探测。

进一步地，所述N个所述阵列天气雷达对探测范围内的天气现象进行同步扫描探测，具体包括：

当N个所述阵列天气雷达探测到即将发生或已经发生中小尺度强对流天气时，确定发生所述中小尺度强对流天气的目标区域，并将所述目标区域的位置信息发送给所述数据处理中心；

所述数据处理中心根据所述目标区域的位置信息确定与所述目标区域相邻的三个阵列天气雷达的扫描策略；

所述三个阵列天气雷达根据所述扫描策略对所述中小尺度强对流天气进行探测。

进一步地，所述当N个所述阵列天气雷达探测到即将发生或已经发生中小尺度强对流天气时，确定发生所述中小尺度强对流天气的目标区域之前，还包括：

当N个所述阵列天气雷达接收到的回波数据大于预设阈值时，对超过所述预设阈值的天气现象进行识别处理，判断所述天气现象是否为发生或已经发生的中小尺度强对流天气。

进一步地，所述数据处理中心根据所述目标区域的位置信息确定与所述目标区域相邻的三个阵列天气雷达的扫描策略，具体包括：

所述数据处理中心根据所述目标区域的位置信息和所述三个阵列天气雷达的位置信息，计算得到所述目标区域相对于所述三个阵列天气雷达的方位信息；

获取探测到所述中小尺度强对流天气的探测时间以及所述目标区域的回波顶高；

根据所述方位信息、所述探测时间和所述回波顶高分别确定所述三个阵列天气雷达的扫描策略。

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1为本发明一种基于阵列天气雷达的组网探测系统的实施例提供的结构框架图；

图2为本发明一种基于阵列天气雷达的组网探测系统的实施例提供的雷达排布示意图；

图3为本发明一种基于阵列天气雷达的组网探测系统的其他实施例提供的网络架构示意图；

图4为本发明一种基于阵列天气雷达的组网探测系统的其他实施例提供的结构框架图；

图5为本发明一种基于阵列天气雷达的组网探测系统的其他实施例提供的数据处理中心确定扫描策略的流程示意图；

图6为本发明一种基于阵列天气雷达的组网探测方法的实施例提供的流程示意图。

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，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，为本发明一种基于阵列天气雷达2的组网探测系统的实施例提供的结构框架图，该组网探测系统包括：数据处理中心1和N个阵列天气雷达2，N≥3，N个阵列天气雷达2以预设的三角形规则排布，任意三个相邻的阵列天气雷达2位于三角形的三个顶点，N个阵列天气雷达2用于对探测范围内的天气现象进行同步扫描探测，数据处理中心1用于控制N个阵列天气雷达2，并获取探测结果。

需要说明的是，每部雷达采用相控阵技术，俯仰电扫描，扫描范围在0～+90°，方位快速机械扫描，具有俯仰单波束和8波束探测能力，每部雷达的定量探测范围为50km，不仅能获取近距离和低空气象信息，还能获取天顶气象信息，实现全天空覆盖。

需要说明的是，每部雷达的带宽为20M，数据处理中心1的带宽可以设置为100M，可满足5部雷达，也可以根据实际需求进行扩展。

优选地，阵列天气雷达2可以为X波段相控阵天气雷达。

如图2所示，给出了一种可能的雷达排布示意图，每个雷达位于三角形的顶点，可以根据雷达的实际数量进行组网拓展。

应理解，每部雷达之间的距离可以根据实际需求设置。例如，通过构建地理坐标系，尽可能形成最大面积的协同观测区域和尽可能小的探测盲区，并基于最优化算法进行雷达协同探测的组网分析，形成最优化的雷达网络布局。

应理解，在不同的雷达天线仰角和目标距离下，探测的目标高度就不同，雷达波束穿越降水或降水云体的距离也不同。如果降水或降水云体的仰角较高，则距离就变小。

优选地，可以根据仰角和探测距离的关系，同时根据相邻两部相控阵天气雷达的双多普勒有效面积，计算有效面积，综合分析确定相邻雷达间距。

需要说明的是，阵列天气雷达2与数据处理中心1之间可以通过通信网络连接。

如图3所示，给出了阵列天气雷达2与数据处理中心1之间的网络架构图。

每部阵列天气雷达2可以通过控制终端3进行控制，通过控制终端3进行控制维护目标识别等，控制终端3与交换路由4进行数据交换，并通过通信网络5，如VPN服务器等，与数据处理中心1进行数据交换。

数据处理中心1可以包括路由器6、数据库7、服务器8等，路由器6与VPN服务器进行数据交换，并将交换的数据存储在数据库7中，服务器8实现数据的处理，雷达的控制等功能。

本实施例提供的一种基于阵列天气雷达2的组网探测系统，通过将多台阵列天气雷达2进行组网同步探测，实现了对观测范围空间内全空域气象目标的精细探测，可生成精细化三维风场和微下击暴流产品，可有效获取观测范围内全空域的三维风场信息，有效监测微下击暴流现象，大幅提高现有气象观测水平，满足气象研究、气象保障等应用需求。

具有以下优点：优化布局，协同探测，能够克服由于地球曲率的限制带来的观测盲区；基于阵列天气雷达2的组网协同观测，能够获取不同方向上的探测数据，形成完整的三维速度信息。

可选地，在一些实施例中，如图4所示，还可以包括：GPS卫星9，GPS卫星9用于将时间数据发送给N个阵列天气雷达2，使N个阵列天气雷达2根据时间数据进行同步。

每个阵列天气雷达2可以通过自带的GPS授时模块从GPS卫星9获取准确的时间数据，每部雷达可以获得1ms的定时精度，对时间源是否有效进行判断显示。利用GPS授时模块的精确时间信息作为雷达网络时间源，其精度可控制在10ms以内。GPS授时模块接收机在每一时刻都可以接收4至8个GPS卫星9的信息，并获取到两种信息：秒脉冲和GPS导航报文信息。秒脉冲是GPS授时模块接收机每秒收到的整秒脉冲信号，GPS导航报文信息通过RS232串口输出，包含了UTC标准时间和经纬度的精确定位信息等。

基于GPS授时同步设计，能够在不同位置上同步观测同一区域的气象目标，形成一个协同探测网，并且同一空间位置不同雷达获取资料时间相差时间短，用这种资料合成的速度矢量可信度高。

可选地，在一些实施例中，任意两个相邻的阵列天气雷达2之间的距离相等。

也就是三部雷达围成的三角形为正三角形，这样能够提高合成的速度矢量的可信度，并且便于数据处理中心1确定天气现象在三角形区域内的相对位置。

可选地，在一些实施例中，N个阵列天气雷达2具体用于根据预设扫描方式对对探测范围内的天气现象进行扫描探测。

需要说明的是，预设扫描方式可以根据实际需求设置。

应理解，每部阵列天气雷达2的扫描方式可以相同，也可以不同。

可选地，在一些实施例中，N个阵列天气雷达2具体用于根据PPI扫描模式对探测范围内的天气现象进行扫描探测。

可选地，在一些实施例中，N个阵列天气雷达2具体用于根据体扫模式对探测范围内的天气现象进行扫描探测。

可选地，在一些实施例中，N个阵列天气雷达2还用于当探测到即将发生或已经发生中小尺度强对流天气时，确定发生中小尺度强对流天气的目标区域，并将目标区域的位置信息发送给数据处理中心1；

数据处理中心1还用于根据目标区域的位置信息确定与目标区域相邻的三个阵列天气雷达2的扫描策略；

三个阵列天气雷达2用于根据扫描策略对中小尺度强对流天气进行探测。

需要说明的是，扫描策略指的是阵列天气雷达2对中小尺度强对流天气的扫描探测模式，例如，可以为搜索预警模式、小雨观测模式、暴雨观测模式或冰雹观测模式等。

应理解，每个阵列天气雷达2的模式可以相同也可以不同。

可选地，在一些实施例中，N个阵列天气雷达2具体用于当接收到的回波数据大于预设阈值时，对超过预设阈值的天气现象进行识别处理，判断天气现象是否为发生或已经发生的中小尺度强对流天气。

需要说明的是，预设阈值可以根据实际需求设置。回波数据可以为回波顶高等数据，通过对回波顶高进行判断，就能够识别出中小尺度强对流天气。

可选地，在一些实施例中，数据处理中心1具体用于根据目标区域的位置信息和三个阵列天气雷达2的位置信息，计算得到目标区域相对于三个阵列天气雷达2的方位信息，并获取探测到中小尺度强对流天气的探测时间以及目标区域的回波顶高，根据方位信息、探测时间和回波顶高分别确定三个阵列天气雷达2的扫描策略。

如图5所示，给出了数据处理中心1根据回波顶高确定扫描策略的一种简化说明。

包括以下步骤：

S51，获取回波顶高的强度值Z；

S52，判断强度Z是否大于20dBZ，如果大于，则执行步骤S53，否则还行步骤S54；

S53，判断强度Z是否大于40dBZ，如果大于，则执行步骤S55，否则还行步骤S56；

S54，确定扫描策略为搜索预警模式；

S55，判断强度Z是否大于65dBZ，如果大于，则执行步骤S57，否则还行步骤S58；

S56，确定扫描策略为小雨观测模式；

S57，确定扫描策略为冰雹观测模式；

S58，确定扫描策略为暴雨观测模式。

应理解，还可以根据方位信息、探测时间设定扫描策略的开始时间、结束时间等。

可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施例中的部分或全部结构。

如图6所示，为本发明一种基于阵列天气雷达的组网探测方法的实施例提供的流程示意图，该组网探测方法包括：

S61，将N个阵列天气雷达以预设的三角形规则排布，任意三个相邻的阵列天气雷达位于三角形的三个顶点，N≥3；

S62，N个阵列天气雷达对探测范围内的天气现象进行同步扫描探测；

S63，数据处理中心控制N个阵列天气雷达，并获取探测结果。

可选地，在一些实施例中，还可以包括：

GPS卫星将时间数据发送给N个阵列天气雷达，使N个阵列天气雷达根据时间数据进行同步。

可选地，在一些实施例中，任意两个相邻的阵列天气雷达之间的距离相等。

可选地，在一些实施例中，N个阵列天气雷达对探测范围内的天气现象进行同步扫描探测，具体包括：

N个阵列天气雷达根据预设扫描方式对对探测范围内的天气现象进行扫描探测。

可选地，在一些实施例中，N个阵列天气雷达根据预设扫描方式对对探测范围内的天气现象进行扫描探测，具体包括：

N个阵列天气雷达根据PPI扫描模式对探测范围内的天气现象进行扫描探测。

可选地，在一些实施例中，N个阵列天气雷达根据预设扫描方式对对探测范围内的天气现象进行扫描探测，具体包括：

N个阵列天气雷达根据体扫模式对探测范围内的天气现象进行扫描探测。

可选地，在一些实施例中，N个阵列天气雷达对探测范围内的天气现象进行同步扫描探测，具体包括：

当N个阵列天气雷达探测到即将发生或已经发生中小尺度强对流天气时，确定发生中小尺度强对流天气的目标区域，并将目标区域的位置信息发送给数据处理中心；

数据处理中心根据目标区域的位置信息确定与目标区域相邻的三个阵列天气雷达的扫描策略；

三个阵列天气雷达根据扫描策略对中小尺度强对流天气进行探测。

可选地，在一些实施例中，当N个阵列天气雷达探测到即将发生或已经发生中小尺度强对流天气时，确定发生中小尺度强对流天气的目标区域之前，还包括：

当N个阵列天气雷达接收到的回波数据大于预设阈值时，对超过预设阈值的天气现象进行识别处理，判断天气现象是否为发生或已经发生的中小尺度强对流天气。

可选地，在一些实施例中，数据处理中心根据目标区域的位置信息确定与目标区域相邻的三个阵列天气雷达的扫描策略，具体包括：

数据处理中心根据目标区域的位置信息和三个阵列天气雷达的位置信息，计算得到目标区域相对于三个阵列天气雷达的方位信息；

获取探测到中小尺度强对流天气的探测时间以及目标区域的回波顶高；

根据方位信息、探测时间和回波顶高分别确定三个阵列天气雷达的扫描策略。

可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施例中的部分或全部步骤。

需要说明的是，本实施例是与上述各产品实施例对应的方法实施例，对于本实施例中各步骤及可选实施方式的说明可以参考上述各产品实施例中的对应说明，在此不再赘述。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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特征、结构、材料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针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料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。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于阵列天气雷达的组网探测系统，其特征在于，包括：数据处理中心和N个阵列天气雷达，N≥3，N个所述阵列天气雷达以预设的三角形规则排布，任意三个相邻的阵列天气雷达位于三角形的三个顶点，N个所述阵列天气雷达用于对探测范围内的天气现象进行同步扫描探测，所述数据处理中心用于控制N个所述阵列天气雷达，并获取探测结果。

2.根据权利要求1所述的组网探测系统，其特征在于，还包括：GPS卫星，所述GPS卫星用于将时间数据发送给N个所述阵列天气雷达，使N个所述阵列天气雷达根据所述时间数据进行同步。

3.根据权利要求1所述的组网探测系统，其特征在于，任意两个相邻的阵列天气雷达之间的距离相等。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的组网探测系统，其特征在于，N个所述阵列天气雷达具体用于根据预设扫描方式对对探测范围内的天气现象进行扫描探测。

5.根据权利要求4所述的组网探测系统，其特征在于，N个所述阵列天气雷达具体用于根据PPI扫描模式对探测范围内的天气现象进行扫描探测。

6.根据权利要求4所述的组网探测系统，其特征在于，N个所述阵列天气雷达具体用于根据体扫模式对探测范围内的天气现象进行扫描探测。

7.根据权利要求1所述的组网探测系统，其特征在于，N个所述阵列天气雷达还用于当探测到即将发生或已经发生中小尺度强对流天气时，确定发生所述中小尺度强对流天气的目标区域，并将所述目标区域的位置信息发送给所述数据处理中心；

所述数据处理中心还用于根据所述目标区域的位置信息确定与所述目标区域相邻的三个阵列天气雷达的扫描策略；

所述三个阵列天气雷达用于根据所述扫描策略对所述中小尺度强对流天气进行探测。

8.根据权利要求7所述的组网探测系统，其特征在于，N个所述阵列天气雷达具体用于当接收到的回波数据大于预设阈值时，对超过所述预设阈值的天气现象进行识别处理，判断所述天气现象是否为发生或已经发生的中小尺度强对流天气。

9.根据权利要求7所述的组网探测系统，其特征在于，所述数据处理中心具体用于根据所述目标区域的位置信息和所述三个阵列天气雷达的位置信息，计算得到所述目标区域相对于所述三个阵列天气雷达的方位信息，并获取探测到所述中小尺度强对流天气的探测时间以及所述目标区域的回波顶高，根据所述方位信息、所述探测时间和所述回波顶高分别确定所述三个阵列天气雷达的扫描策略。

10.一种基于阵列天气雷达的组网探测方法，其特征在于，包括：

将N个所述阵列天气雷达以预设的三角形规则排布，任意三个相邻的阵列天气雷达位于三角形的三个顶点，N≥3；

N个所述阵列天气雷达对探测范围内的天气现象进行同步扫描探测；

数据处理中心控制N个所述阵列天气雷达，并获取探测结果。