CN109541604B - 一种毫米波天气雷达探测方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种毫米波天气雷达探测方法，其包括：获取雷达探测系统所处的待检测的当前环境下的第一天气信息以及在获取第一天气信息之前雷达探测系统中所使用的第二天气信息；判断第二天气信息与第一天气信息是否一致；若否，则根据雷达探测系统所处的待检测的当前环境下的第一天气信息，重新匹配与第一天气信息相对应的第一工作参数信息；将第二工作参数信息替换为第一工作参数信息，以控制毫米波天气雷达进行探测工作，其中，第二工作参数信息与第二天气信息对应。在不同天气状态下自动配置与当前天气状态相适应的探测参数，实现对不同天气下气象目标的自适应探测，从而准确地测量出云、雾、雨气象目标的观测资料。

Description

一种毫米波天气雷达探测方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及气象目标探测技术领域，尤其涉及一种毫米波天气雷达探测方法、装置及系统。

背景技术

毫米波天气雷达主要用于对云、雾、弱降水等气象目标的探测，利用小粒子对电磁波的散射作用，连续探测站点上空一定区域内气象目标的回波信号，获取高时空分辨率的气象目标信息，具有对立体空间中气象目标进行精确观测的能力，能够持续监测天气的变化。可应用于大气科学研究、人工影响天气、云自动化观测、环境污染监测、机场气象保障、港口水上交通气象保障、军事气象保障等多个方面和领域。

随着毫米波天气雷达技术的发展，对其应用领域越来越多，对探测数据的准确性、有效性和设备的适应性提出了更高要求。因为毫米波天气雷达对云、雾、弱降水气象目标都可以进行探测，而这些气象目标出现的时间和空间分布各不相同，为了准确有效地探测各种气象目标，进行探测时设置的天线扫描范围和信号处理参数也应该各不相同。例如，在晴天多云天气下探测云目标时，需要将天线指向云目标所在的方位和俯仰范围进行扫描探测，对伺服控制器需要设置较高的俯仰角和一定范围的方位角参数；在雾天时雾目标临近地面或海面，需要将天线指向设置为低仰角、进行全方位扫描探测，雾目标的雷达回波信号较弱，需要使用时域积累时间较长的信号处理参数，而在港口安装的毫米波天气雷达，主要监测水上航道的雾目标变化情况，需要将天线方位角设置为所关注的扫描范围；在有降水的天气时，目标的雷达回波信号较强，目标变化较快，需要使用快速积累和处理的信号处理参数，而在空间上需要进行多个天线扫描模式的组合探测；所以用一套工作参数不能满足对各种空间范围和目标回波信号处理的要求，如果不区分天气情况，一概用几套与各个气象目标相对应的工作参数进行串行扫描探测，那么，在有些目标不存在的天气情况下，则会探测不到目标，浪费运行时间和有效数据率，加速设备磨损和老化程度。

原有的毫米波天气雷达使用的是一套工作参数，在不同的天气情况下探测时，需要人工修改和加载工作参数；而毫米波天气雷达通常用于全天候无人值守探测，在无人值守探测过程中，当天气发生变化时，如果没有人工操作，就不能做到使用与当前气象目标相匹配的探测参数来获得准确有效的气象数据。在有云、有雾或有降水等不同天气下，如何自动使用和气象目标相匹配的工作参数，是本领域需要解决的一个问题。

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，提供一种毫米波天气雷达探测方法、一种毫米波天气雷达探测装置、一种毫米波天气雷达探测系统以及一种存储介质。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种毫米波天气雷达探测方法，其包括：

获取雷达探测系统所处的待检测的当前环境下的第一天气信息以及在获取所述第一天气信息之前雷达探测系统中所使用的第二天气信息；

判断所述第二天气信息与所述第一天气信息是否一致；

若否，则根据所述雷达探测系统所处的待检测的当前环境下的第一天气信息，重新匹配与所述第一天气信息相对应的第一工作参数信息；

将第二工作参数信息替换为所述第一工作参数信息，以控制毫米波天气雷达进行探测工作，其中，所述第二工作参数信息与所述第二天气信息对应。

本发明的有益效果是：在不同天气状态下自动配置与当前天气状态相适应的探测参数，实现对不同天气下气象目标的自适应探测，从而准确地测量出云、雾、雨气象目标的观测资料。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种毫米波天气雷达探测装置，其包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序，实现如上任一项所述的毫米波天气雷达探测方法。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种毫米波天气雷达探测系统，其包括：

毫米波天气雷达，用于对目标区域中的环境进行探测，得到天气信息；

如上所述的一种毫米波天气雷达探测装置，用于根据所述天气信息得到工作参数信息。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如上任一项所述的毫米波天气雷达探测方法。

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为本发明实施例提供的探测方法的示意性流程图。

图2为本发明实施例提供的探测装置的结构框架示意图之一。

图3为本发明实施例提供的探测系统的结构框架示意图。

图4为本发明实施例提供的探测装置的结构框架示意图之二。

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。

如图1至图4所示，图1为本发明实施例提供的探测方法的示意性流程图。图2为本发明实施例提供的探测装置的结构框架示意图之一。图3为本发明实施例提供的探测系统的结构框架示意图。图4为本发明实施例提供的探测装置的结构框架示意图之二。

本发明提供一种毫米波天气雷达探测方法，其包括：

获取雷达探测系统所处的待检测的当前环境下的第一天气信息以及在获取所述第一天气信息之前雷达探测系统中所使用的第二天气信息；

判断所述第二天气信息与所述第一天气信息是否一致；

若否，则根据所述雷达探测系统所处的待检测的当前环境下的第一天气信息，重新匹配与所述第一天气信息相对应的第一工作参数信息；

将第二工作参数信息替换为所述第一工作参数信息，以控制毫米波天气雷达进行探测工作，其中，所述第二工作参数信息与所述第二天气信息对应。

其中，雷达探测系统中可以预存有多个工作参数信息，多个所述工作参数信息与多种天气信息一一对应，多个所述工作参数信息包括：第一工作参数信息以及第二工作参数信息，多种所述天气信息包括：第一天气信息以及第二天气信息，具体为，第一天气信息与第一工作参数信息相对应，第二天气信息与第二工作参数信息相对应。

具体地，本发明的一种毫米波天气雷达探测方法，其具体为：

进行天气目标自适应探测处理：获取实时天气信息，检查当前使用的天气信息与实时天气信息是否一致，如果一致则继续使用配置好的当前工作参数，参数更新标志置为FALSE(若否)；如果不一致，则根据实时天气信息，重新匹配一组工作参数，将工作参数加载到更新参数缓存区，参数更新标志置为TRUE(若是)。

定时检查参数更新标志，如果为FASLE，则继续使用当前配置好的工作参数，如果为TRUE，则准备更新工作参数；在当前天线扫描模式完成后，自动暂停探测，将当前工作参数更换为更新参数缓存区中的参数，调用数据通信模块，加载信号处理器参数，加载伺服控制器参数，然后按设定的工作流程重新启动气象目标探测过程；至此，实现了毫米波天气雷达按天气信息自适应探测。

本发明通过毫米波天气雷达在探测过程中实时接收远端服务器发送的天气信息，天气信息分为晴天、有雾和降水三种情况，自动配置对应的天线扫描范围和信号处理工作参数，实现了在不同天气下的自适应探测，从而高效准确地测量出云、雾、雨气象目标的回波数据，更好地应用于气象研究和天气预报。

本发明的有益效果是：在不同天气状态下自动配置与当前天气状态相适应的探测参数，实现对不同天气下气象目标的自适应探测，从而准确地测量出云、雾、雨气象目标的观测资料。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步地，还包括：若是，则继续使用所述第二工作参数信息，以控制毫米波天气雷达进行探测工作。

进一步地，所述继续使用所述第二工作参数信息，以控制毫米波天气雷达进行探测工作的步骤，包括：

若是，则将工作参数更新标志置为FALSE标志；

将所述第二工作参数信息发送至用于控制雷达天线进行运动的伺服控制器以及用于采集气象目标的雷达回波的信号处理器；

根据所述FALSE标志，确定继续使用所述第二工作参数信息，以控制毫米波天气雷达进行探测工作。

采用上述进一步方案的有益效果是：在不同天气状态下自动配置与当前天气状态相适应的探测参数，实现对不同天气下气象目标的自适应探测，从而准确地测量出云、雾、雨气象目标的观测资料。

进一步地，所述第一天气信息以及所述第二天气信息均为晴天状态信息、雾天状态信息或者降水状态信息。

采用上述进一步方案的有益效果是：在晴天、有雾、有降水时自动配置探测参数，实现对不同天气下气象目标的自适应探测，从而准确地测量出云、雾、雨气象目标的观测资料。

进一步地，所述根据所述第一工作参数信息进行检测工作的步骤，包括：

采集气象目标的雷达回波信息；

将所述气象目标的雷达回波信息转换为时域数据信息；

对所述时域数据信息进行频域变换，生成功率谱数据信息；

对所述功率谱数据信息进行数据处理，生成气象目标的特征数据。

采用上述进一步方案的有益效果是：在晴天、有雾、有降水时自动配置探测参数，实现对不同天气下气象目标的自适应探测，从而准确地测量出云、雾、雨气象目标的观测资料。

进一步地，所述第一工作参数信息为天线扫描模式、扫描范围参数以及信号处理参数。

采用上述进一步方案的有益效果是：在晴天、有雾、有降水时自动配置探测参数，实现对不同天气下气象目标的自适应探测，从而准确地测量出云、雾、雨气象目标的观测资料。

进一步地，所述将第二工作参数信息替换为所述第一工作参数信息，以控制毫米波天气雷达进行探测工作的步骤，包括：

将第一工作参数信息缓存至参数缓存区中；

将工作参数更新标志置为TRUE标志；

将所述第一工作参数信息发送至用于控制雷达天线进行运动的伺服控制器以及用于采集气象目标的雷达回波信息的信号处理器；

根据所述TRUE标志，在毫米波天气雷达按照第二工作参数信息设置的天线扫描模式完成后，控制毫米波天气雷达按照所述第一工作参数信息中的天线扫描模式进行探测工作。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

如图2所示，一种毫米波天气雷达探测装置，其包括：

存储器1，用于存储计算机程序；

处理器2，用于执行所述计算机程序，实现如上任一项所述的毫米波天气雷达探测方法。

如图4所示，具体的，本发明的一种毫米波天气雷达探测装置可以包括：工业控制计算机(简称工控机)、伺服控制器、信号处理器、系统控制模块、参数配置模块、数据通信模块、以太网卡和远端服务器；伺服控制器控制天线转动扫描；信号处理器采集和处理雷达回波信号；系统控制模块控制对云、雾、雨气象目标的探测过程；参数配置模块按天气信息自动配置信号处理器和伺服控制器的工作参数；数据通信模块向信号处理器和伺服控制器发送工作参数，接收远端服务器发送的实时天气信息，向远端服务器发送气象探测数据；工业控制计算机包括共享内存、PCI总线和异步RS232串口，所述工控机通过异步RS232串口与伺服控制器连接；所述工控机通过以太网卡及光纤网络和信号处理器连接；所述工控机和远端服务器通过以太网卡及光纤网络互相连接。在共享内存中运行上述三个模块，通过PCI总线传送数据，通过以太网卡与信号处理器、远端服务器之间进行网络数据通信，通过异步RS232串口与伺服控制器之间进行数据通信。

在参数配置模块中，参数自动配置的方法是设置好三种天气(云、雾、弱降水)的模板参数，按天气信息自动调取对应参数，进行系统配置。参数配置模板的参数包括脉冲数(Np)、脉冲重复周期(prt)、相干积累数(Nt)、非相干积累数(Ns)、加窗类型、工作波形。其中脉冲重复周期与相干积累数乘积的倒数为最大可测多普勒频率(Fd)，最大可测多普勒频率乘以工作波长(λ)为最大可测径向速度(Vr)，即Fd＝1/prt*Nt，Vr＝Fd*λ。

例如，对于说明工作参数配置方法，雾天时气象目标的径向速度较小，则增大相干积累数，雨天时气象目标的径向速度较大，则减小相干积累数。三种天气的参数模板已设置好，在自动配置参数时进行加载，并对最大可测径向速度进行检查，如果实际探测到的最大径向速度小于最大可测径向速度，则使用此组参数，如果大于或者等于，则自动减小相干积累数或者是脉冲重复周期，使得最大可测径向速度符合实际情况，然后再进行加载。修改后的参数模板加上观测时间另外保存，作为工作日志记录。

所述工控机，其共享内存中加载和运行系统控制模块、参数配置模块、数据通信模块，存储系统工作参数和实时天气信息，由系统控制模块和参数配置模块加载使用；存储信号处理器输出的气象探测数据和伺服控制器发送的天线角度数据，由数据通信模块通过以太网卡一起发送给远端服务器；

所述系统控制模块，其用于控制和调度伺服控制器、信号处理器协同工作，加载系统工作参数，控制对气象目标探测的运行流程，在探测过程中根据接收到的实时天气信息，判断当前工作参数是否与实时天气信息匹配，如果不匹配，则在完成当前天线扫描模式后自动暂停探测，重新加载与实时天气信息相匹配的工作参数，分别发送给伺服控制器、信号处理器，然后继续进行探测；

所述参数配置模块，其用于设置系统工作参数，工作参数包括天线扫描模式和扫描范围参数，信号处理参数，根据晴天、雾天、降水三种天气信息分别设置三组工作参数，设置完成的工作参数存储在工控机内存中；

所述伺服控制器，其用于接收工控机发送的天线扫描参数，控制天线按照扫描参数运转，向工控机实时发送天线方位角和俯仰角数据；

所述信号处理器，其用于接收工控机发送的信号处理工作参数，按照工作参数对气象目标回波信号进行采集和处理，输出气象探测数据，发送给工控机；

所述数据通信模块，其用于向伺服控制器发送天线扫描参数，接收伺服控制器发送的天线角度数据；向信号处理器发送工作参数，接收信号处理器发送的气象探测数据；接收远端服务器发送的实时天气信息，向远端服务器发送信号处理器输出的气象探测数据和伺服控制器发送的天线角度数据；

所述远端服务器，其用于向工控机发送实时天气信息，接收工控机发送的气象探测数据和天线角度数据；

所述以太网卡，其用于工控机和远端服务器之间的网络通信，工控机和信号处理器之间的网络通信；

探测气象目标处理回波信号

所述工控机，共享内存中加载和运行系统控制模块、参数配置模块、数据通信模块；所述数据通信模块接收远端服务器发送来的实时天气信息，保存到工控机内存中；所述参数配置模块获取内存中保存的天气信息，从工控机存放参数的内存中选择匹配的一组工作参数，保存到当前工作参数缓存区；所述系统控制模块在开始探测前，将当前工作参数传递给数据通信模块，由数据通信模块向信号处理器加载参数，向伺服控制器加载参数，参数加载完成后，按设定的工作流程启动气象目标探测过程；

所述伺服控制器按照加载的天线扫描参数控制天线转动扫描，扫描模式包括：Point(固定指向)、PPI(方位周扫)、RHI(俯仰扇扫)、VOL(立体扫描，方位周扫加俯仰步进的立体扫描)，在扫描过程中将天线的方位角、俯仰角数据实时发送给工控机；

所述信号处理器按照加载的工作参数对气象目标的雷达回波进行采集，对采集的时域数据进行频域变换处理，转换为功率谱数据，对功率谱数据进行数据处理，提取出气象目标的特征数据，发送给工控机；以处理出探测目标的特征参量，包括两个通道的回波强度、径向速度、速度谱宽，以及线性退偏振比。

所述工控机存储系统工作参数和实时天气信息，由系统控制模块和参数配置模块加载使用；存储信号处理器输出的气象探测数据和伺服控制器发送的天线角度数据，由数据通信模块通过以太网卡一起发送给远端服务器；

所述数据通信模块，在探测过程中接收伺服控制发送的天线方位角、俯仰角数据，接收信号处理器发送的气象目标探测数据，接收远端服务器发送的实时天气信息，存储在工控机的内存中，向远端服务器发送信号处理器输出的气象探测数据和伺服控制器发送的天线角度数据。

需要说明的是，本实施例是与上述各方法实施例对应的产品实施例，对于本实施例中各结构的具体功能及可选实施方式的说明可以参考上述各方法实施例中的对应说明，在此不再赘述。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

如图3所示，一种毫米波天气雷达探测系统，其包括：

毫米波天气雷达10，用于对目标区域中的环境进行探测，得到天气信息；

如上所述的一种毫米波天气雷达探测装置20，用于根据所述天气信息得到工作参数信息。

需要说明的是，本实施例是与上述装置实施例对应的系统实施例，对于本实施例中低空急流识别装置的具体功能及可选实施方式的说明可以参考上述各方法实施例中的对应说明，在此不再赘述。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如上任一项所述的毫米波天气雷达探测方法。

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。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

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 (6)

1.一种毫米波天气雷达探测方法，其特征在于，包括：

获取雷达探测系统所处的待检测的当前环境下的第一天气信息以及在获取所述第一天气信息之前雷达探测系统中所使用的第二天气信息；

判断所述第二天气信息与所述第一天气信息是否一致；

若否，则根据所述雷达探测系统所处的待检测的当前环境下的第一天气信息，重新匹配与所述第一天气信息相对应的第一工作参数信息；

将第二工作参数信息替换为所述第一工作参数信息，以控制毫米波天气雷达进行探测工作，其中，所述第二工作参数信息与所述第二天气信息对应；

还包括：

若是，则继续使用所述第二工作参数信息，以控制毫米波天气雷达进行探测工作；

所述继续使用所述第二工作参数信息，以控制毫米波天气雷达进行探测工作的步骤，包括：

将工作参数更新标志置为FALSE标志；

将所述第二工作参数信息发送至用于控制雷达天线进行运动的伺服控制器以及用于采集气象目标的雷达回波的信号处理器；

根据所述FALSE标志，确定继续使用所述第二工作参数信息，以控制毫米波天气雷达进行探测工作；

所述第一工作参数信息为天线扫描模式、扫描范围参数以及信号处理参数；

所述将第二工作参数信息替换为所述第一工作参数信息，以控制毫米波天气雷达进行探测工作的步骤，包括：

将第一工作参数信息缓存至参数缓存区中；

将工作参数更新标志置为TRUE标志；

将所述第一工作参数信息发送至用于控制雷达天线进行运动的伺服控制器以及用于采集气象目标的雷达回波信息的信号处理器；

根据所述TRUE标志，在毫米波天气雷达按照第二工作参数信息设置的天线扫描模式完成后，控制毫米波天气雷达按照所述第一工作参数信息中的天线扫描模式进行探测工作；

在参数配置模块中，参数自动配置的方法是设置好三种天气的模板参数，按天气信息自动调取对应参数，进行系统配置，参数配置模板的参数包括脉冲数、脉冲重复周期、相干积累数、非相干积累数、加窗类型、工作波形，其中脉冲重复周期与相干积累数乘积的倒数为最大可测多普勒频率，最大可测多普勒频率乘以工作波长为最大可测径向速度；

雾天时气象目标的径向速度较小，则增大相干积累数，雨天时气象目标的径向速度较大，则减小相干积累数；

三种天气的参数模板已设置好，在自动配置参数时进行加载，并对最大可测径向速度进行检查，如果实际探测到的最大径向速度小于最大可测径向速度，则使用此组参数，如果大于或者等于，则自动减小相干积累数或者是脉冲重复周期，使得最大可测径向速度符合实际情况，然后再进行加载；修改后的参数模板加上观测时间另外保存，作为工作日志记录；

伺服控制器按照加载的天线扫描参数控制天线转动扫描，扫描模式包括：固定指向、方位周扫、俯仰扇扫、立体扫描，方位周扫加俯仰步进的立体扫描，在扫描过程中将天线的方位角、俯仰角数据实时发送给工控机。

2.根据权利要求1所述的一种毫米波天气雷达探测方法，其特征在于，

所述第一天气信息以及所述第二天气信息均为晴天状态信息、雾天状态信息或者降水状态信息。

3.根据权利要求1所述的一种毫米波天气雷达探测方法，其特征在于，所述根据所述第一工作参数信息进行检测工作的步骤，包括：

采集气象目标的雷达回波信息；

将所述气象目标的雷达回波信息转换为时域数据信息；

对所述时域数据信息进行频域变换，生成功率谱数据信息；

对所述功率谱数据信息进行数据处理，生成气象目标的特征数据。

4.一种毫米波天气雷达探测装置，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序，实现如权利要求1至3中任一项所述的毫米波天气雷达探测方法。

5.一种毫米波天气雷达探测系统，其特征在于，包括：

毫米波天气雷达，用于对目标区域中的环境进行探测，得到天气信息；

如权利要求4所述的一种毫米波天气雷达探测装置，用于根据所述天气信息得到工作参数信息。

6.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如权利要求1至3中任一项所述的毫米波天气雷达探测方法。