CN109581384B

CN109581384B - 基于多普勒天气雷达的晴空垂直风廓线探测方法及系统

Info

Publication number: CN109581384B
Application number: CN201910079844.2A
Authority: CN
Inventors: 高玉春; 吴蕾; 张晓飞; 陈大任; 陈刚; 胡学英
Original assignee: CMA Meteorological Observation Centre
Current assignee: CMA Meteorological Observation Centre
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2021-09-17
Anticipated expiration: 2039-01-28
Also published as: CN109581384A

Abstract

本发明公开了一种基于多普勒天气雷达的晴空垂直风廓线探测方法及系统，该方法包括：按照预设探测周期控制天气雷达的天线波束分别指向垂直风廓线的五个波位；获取所述天气雷达输出的每一所述波位的全程功率谱数据；对每一所述全程功率谱数据进行非相干积累平均运算，得到五组平均功率谱数据；将五组所述平均功率谱数据按照风廓线雷达数据格式存储为最终功率谱数据；对所述最终功率谱数据进行风场反演，得到垂直风廓线产品。本发明实现了利用多普勒天气雷达即可实现对晴空垂直风廓线的探测，扩展了多普勒天气雷达的功能。

Description

基于多普勒天气雷达的晴空垂直风廓线探测方法及系统

技术领域

本发明涉及天气雷达技术领域，特别是涉及一种基于多普勒天气雷达的晴空垂直风廓线探测方法及系统。

背景技术

天气雷达主要用于灾害性天气的监测和预警，能够定量探测降雨回波强度、径向速度、速度谱宽等信息，其气象产品中也有垂直风廓线，但该气象产品必须在有降水的天气条件下才能获取，且精度较低。在晴空条件下，按照常规天气雷达的运行模式，很难获取到垂直风廓线信息。目前，在晴空条件下，获取垂直风廓线基本通过探空雷达或风廓线雷达等专用气象装备。需要附加另外的设备增加设备成本和维护成本等。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多普勒天气雷达的晴空垂直风廓线探测方法及系统，以实现利用多普勒天气雷达即可实现对晴空垂直风廓线的探测，扩展多普勒天气雷达的功能。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于多普勒天气雷达的晴空垂直风廓线探测方法，所述方法包括：

按照预设探测周期控制天气雷达的天线波束分别指向垂直风廓线的五个波位；

获取所述天气雷达输出的每一所述波位的全程功率谱数据；

对每一所述全程功率谱数据进行非相干积累平均运算，得到五组平均功率谱数据；

将五组所述平均功率谱数据按照风廓线雷达数据格式存储为最终功率谱数据；

对所述最终功率谱数据进行风场反演，得到垂直风廓线产品。

可选的，所述按照预设探测周期控制天气雷达的天线波束分别指向垂直风廓线的五个波位，具体包括：

初始化预设探测周期、每一波位停留探测时间、波位转换最大允许时间和数据存储预留时间；

控制天气雷达的天线分别发射模拟东波束、模拟南波束、模拟西波束、模拟北波束和模拟中波束；所述模拟东波束的天线指向波位为方位90度、仰角75度；所述模拟南波束的天线指向波位为方位180度、仰角75度；所述模拟西波束的天线指向波位为方位270度、仰角75度；所述模拟北波束的天线指向波位为方位0度、仰角75度；所述模拟中波束的天线指向波位为方位0度、仰角90度。

可选的，所述获取所述天气雷达输出的每一所述波位的全程功率谱数据，具体包括：

获取每一所述波位的风速引起的多普勒频移；

对所述多普勒频移进行快速离散傅氏变换进行运算，得到每一所述波位的1024点全程功率谱数据，所述全程功率谱数据包括幅度和速度信息。

可选的，所述对每一所述全程功率谱数据进行非相干积累平均运算，得到五组平均功率谱数据，具体为：

对每一所述全程功率谱数据进行8点或16点非相干积累平均运算，得到五组平均功率谱数据。

可选的，所述风廓线雷达数据格式为中国气象局新一代风廓线雷达数据格式。

可选的，所述垂直风廓线产品包括水平风速/风向、垂直气流、功率谱分布图、0.5h间隔风羽图和1h间隔风羽图。

本发明还提供了一种基于多普勒天气雷达的晴空垂直风廓线探测系统，所述系统包括：

发射波束单元，用于按照预设探测周期控制天气雷达的天线波束分别指向垂直风廓线的五个波位；

数据获取单元，用于获取所述天气雷达输出的每一所述波位的全程功率谱数据；

平均计算单元，用于对每一所述全程功率谱数据进行非相干积累平均运算，得到五组平均功率谱数据；

存储单元，用于将五组所述平均功率谱数据按照风廓线雷达数据格式存储为最终功率谱数据；

反演单元，用于对所述最终功率谱数据进行风场反演，得到垂直风廓线产品。

可选的，所述发射波束单元具体包括：

初始化子单元，用于初始化预设探测周期、每一波位停留探测时间、波位转换最大允许时间和数据存储预留时间；

波位确定子单元，用于控制天气雷达的天线分别发射模拟东波束、模拟南波束、模拟西波束、模拟北波束和模拟中波束；所述模拟东波束的天线指向波位为方位90度、仰角75度；所述模拟南波束的天线指向波位为方位180度、仰角75度；所述模拟西波束的天线指向波位为方位270度、仰角75度；所述模拟北波束的天线指向波位为方位0度、仰角75度；所述模拟中波束的天线指向波位为方位0度、仰角90度。

可选的，所述数据获取单元具体包括：

多普勒频移获取子单元，用于获取每一所述波位的风速引起的多普勒频移；

运算子单元，用于对所述多普勒频移进行快速离散傅氏变换进行运算，得到每一所述波位的1024点全程功率谱数据，所述全程功率谱数据包括幅度和速度信息。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于多普勒天气雷达的晴空垂直风廓线探测方法及系统利用5波位扫描模式，获取每一波位的全程功率谱数据，最后反演出各种垂直风廓线产品。本发明是利用多普勒天气雷达发射天线发射五个波位的波束，实现了垂直风廓线的探测，扩展了多普勒天气雷达的功能，减少了专用气象装备的添加，本发明贴合工程实际、简单实用、易于推广且探测精度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于多普勒天气雷达的晴空垂直风廓线探测方法的流程图；

图2为本发明中5波位扫描示意图；

图3为利用本发明得到的反演风羽图；

图4为本发明实施例提供的基于多普勒天气雷达的晴空垂直风廓线探测系统的系统框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

多普勒天气雷达晴空垂直风廓线探测的主要目标是晴空大气湍流，利用布拉格散射原理探测随风飘动的湍团中大气折射率指数结构参数Cn2的变化，进而导出大气中风向风速的真实情况。

具有反射性大气湍流随风而动，因此跟踪起伏的运动状态就可以得知风自身情况。天气雷达通过计算脉冲发射到收到回波的时间间隔可以计算出高度，风向和风速是利用多普勒原理计算的。当目标相对于观察者运动时，波的频率会因此发生改变。回波频率若高于发射频率，则表明风向是朝着雷达的。回波频率若低于发射频率，则表明风向是远离雷达的。雷达探测散射回波这些微小的频移之后将其转换成风矢量数据。

大气折射率取决于空气中温度、湿度和气压等因数的变化，而折射率的分布则决定于各种尺度的大气运动。由于折射率的不均匀性，当雷达发射出的电磁波照射到这样的运动介质时，就会产生散射。天气雷达通过天顶、偏东15°、偏西15°、偏南15°、偏北15°五个波束位置在不同高度层的散射信号的积累和数据处理，可得到不同时刻的各高度层上的风廓线数据。

根据本发明的风廓线探测原理及探测方法，实施本发明的多普勒天气雷达信号处理器应具有全程功率谱输出功能；天线俯仰指向应能够达到90度。

如图1所示，本实施例提供的基于多普勒天气雷达的晴空垂直风廓线探测方法包括：

步骤101：按照预设探测周期控制天气雷达的天线波束分别指向垂直风廓线的五个波位。

该步骤101具体包括：

控制天气雷达的天线分别发射模拟东波束、模拟南波束、模拟西波束、模拟北波束和模拟中波束；如图2所示，所述模拟东波束的天线指向波位为方位90度、仰角75度；所述模拟南波束的天线指向波位为方位180度、仰角75度；所述模拟西波束的天线指向波位为方位270度、仰角75度；所述模拟北波束的天线指向波位为方位0度、仰角75度；所述模拟中波束的天线指向波位为方位0度、仰角90度。

具体可以是，天气雷达参照风廓线雷达五波束(东、南、西、北、中)扫描探测的工作原理，结合天气雷达本身的工作参数，按照下列方式进行扫描：

扫描周期：3分钟；

模拟东波束：天线指向方位90度、仰角75度；

模拟南波束：天线指向方位180度、仰角75度；

模拟西波束：天线指向方位270度、仰角75度；

模拟北波束：天线指向方位0度、仰角75度；

模拟中波束：天线指向方位0度、仰角90度；

每个模拟波束之间探测间隔总共是180/5＝36秒，其中15秒分配用于天线从一个方位转向下一个方位的最大允许时间，另外15秒分配用于天线转到某一方位后数据采集积累时间(即每一波位停留探测时间)，还有6秒用于保存数据及预留的机动间隔时间(即数据存储预留时间)。当模拟中波束探测完毕后，即表示一个扫描周期工作完成，可以保存所有数据并进行下一次探测的准备工作，一直循环进行下去。

步骤102：获取所述天气雷达输出的每一所述波位的全程功率谱数据。

该步骤102具体包括：

获取每一所述波位的风速引起的多普勒频移；

该天气雷达的雷达终端增加全程FFT功率谱模式，当雷达终端发送全程FFT工作方式指令时，信号处理器向雷达终端发送功率谱数据。当处理点数为1024时，每1024个周期信号处理向终端软件发送谱数据包。该谱数据包的数据格式如下表：

在单独显示全程FFT功率谱时，显示所有512个距离库的数据。当进行模拟风廓线雷达扫描模式时，为加快计算速度，节省时间，只保存前100个距离库的数据即可。按距离库长为75m，取100个距离库来计算，仰角为90度探测高度达到75×100＝7.5公里，仰角为75度探测高度约为7.2公里，完全达到了边界层风廓线雷达对探测高度的要求。

步骤103：对每一所述全程功率谱数据进行非相干积累平均运算，得到五组平均功率谱数据。

该步骤103具体包括：

采用较大的谱平均次数有利于提高信噪比，排除系统异常值和干扰值对有效样本的污染。但是谱平均次数太大，会影响时间分辨率和探测周期，根据大气的稳定时间及实际探测周期要求，在某一波束指向上波束的驻留时间一般设为15～20秒，以此来确定谱平均数。天气雷达谱非相干积累平均数一般设为8点或16点。

由于512个距离库的1024点FFT数据量信息太大，实时显示及画出所有谱线既耗费时间又难以分辨，因此采取抽取部分数据来显示的办法，屏幕上总共只显示16条谱线。当显示库数选择512个库的时候，即每32组数据才显示一条谱线。当显示库数选择64个库的时候，即每4组数据显示一条谱线。另外，需要说明的是，512个距离库的FFT数据的起点库是可以调整的，若总共有1000个库的数据，则功率谱数据显示的起点范围可以设置从0到487，如所示。

在零频道附近的功率谱数据中，总会出现一些干扰杂波数据。为有效消除干扰数据对风谱计算的破坏，拟采用对零频道周围区域内的数据用该距离库上1024点数据的平均谱噪声数据来替换。

信号处理送到终端的数据都是归一化后的数据，它的最大归一化值是150dB，而往往获取到的谱噪声功率只有几个分贝，甚至大部分的清空若回波也只有一、二十个分贝，这样在终端显示上看起来数据幅度就很小，不便于辨认。因此，考虑采用某一距离库上1024个点的数据中最大的那个值作为新的归一化后的最大值，它的值就对应着最大的显示幅度。这样如果最大值只有二十几分贝，那么噪声信号值是它的三分之一，则噪声在屏幕上的显示幅度就是整个幅度的三分之一，便于观测辨认。

步骤104：将五组所述平均功率谱数据按照风廓线雷达数据格式存储为最终功率谱数据。所述风廓线雷达数据格式为中国气象局新一代风廓线雷达数据格式。

步骤105：对所述最终功率谱数据进行风场反演，得到垂直风廓线产品。所述垂直风廓线产品包括水平风速/风向、垂直气流、功率谱分布图、0.5h间隔风羽图和1h间隔风羽图。

按照上述模拟5波束扫描工作模式，每一扫描模式周期可以得到五组不同波束方向的功率谱数据。在天气雷达监控软件中，对五组功率谱数据按照中国气象局新一代风廓线雷达1.0版的数据格式要求进行保存。将保存的1.0版谱数据(SC******.FFT)送到新一代风廓线雷达数据处理软件中进行风场反演，得到最终的风羽图等二次产品。

如图4所示，本实施例还提供了一种与上述方法相应的基于多普勒天气雷达的晴空垂直风廓线探测系统，该系统包括：

发射波束单元401，用于按照预设探测周期控制天气雷达的天线波束分别指向垂直风廓线的五个波位；

数据获取单元402，用于获取所述天气雷达输出的每一所述波位的全程功率谱数据；

平均计算单元403，用于对每一所述全程功率谱数据进行非相干积累平均运算，得到五组平均功率谱数据；

存储单元404，用于将五组所述平均功率谱数据按照风廓线雷达数据格式存储为最终功率谱数据；

反演单元405，用于对所述最终功率谱数据进行风场反演，得到垂直风廓线产品。所述垂直风廓线产品包括水平风速/风向、垂直气流、功率谱分布图、0.5h间隔风羽图和1h间隔风羽图，风羽图如图3所示。

所述发射波束单元401具体包括：

所述数据获取单元402具体包括：

对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种基于多普勒天气雷达的晴空垂直风廓线探测方法，其特征在于，所述方法包括：

按照预设探测周期控制雷达终端增加了全程FFT功率谱模式的多普勒天气雷达的天线波束分别指向垂直风廓线的五个波位；

获取所述天气雷达输出的每一所述波位的全程功率谱数据；每一所述波位的全程功率谱数据为1024点全程功率谱数据，所述全程功率谱数据包括幅度和速度信息；

所述获取所述天气雷达输出的每一所述波位的全程功率谱数据，具体包括：

获取每一所述波位的风速引起的多普勒频移；

对所述多普勒频移进行快速离散傅氏变换进行运算，得到每一所述波位的1024点全程功率谱数据，所述全程功率谱数据包括幅度和速度信息；

对每一所述全程功率谱数据进行8点或16点非相干积累平均运算，得到五组平均功率谱数据；

采用零频道周围区域内的数据用该距离库上1024点数据的平均谱噪声数据来替换；

当单独显示全程FFT功率谱时，显示512距离库数据，当进行模拟风廓线雷达扫描模式时，只保存前100个距离库的数据；功率谱数据只显示16条谱线，当显示库数选择512个库时，每32组数据显示一条谱线，当显示库数选择64个库时，每4组数据显示一条谱线；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述按照预设探测周期控制天气雷达的天线波束分别指向垂直风廓线的五个波位，具体包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述风廓线雷达数据格式为中国气象局新一代风廓线雷达数据格式。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述垂直风廓线产品包括水平风速/风向、垂直气流、功率谱分布图、0.5h间隔风羽图和1h间隔风羽图。

5.一种基于多普勒天气雷达的晴空垂直风廓线探测系统，其特征在于，所述系统包括：

发射波束单元，用于按照预设探测周期控制多普勒天气雷达的天线波束分别指向垂直风廓线的五个波位；

数据获取单元，用于获取所述天气雷达输出的每一所述波位的全程功率谱数据；每一所述波位的全程功率谱数据为1024点全程功率谱数据，所述全程功率谱数据包括幅度和速度信息；

所述数据获取单元具体包括：

运算子单元，用于对所述多普勒频移进行快速离散傅氏变换进行运算，得到每一所述波位的1024点全程功率谱数据，所述全程功率谱数据包括幅度和速度信息；

平均计算单元，用于对每一所述全程功率谱数据进行8点或16点非相干积累平均运算，得到五组平均功率谱数据；

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述发射波束单元具体包括：

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述垂直风廓线产品包括水平风速/风向、垂直气流、功率谱分布图、0.5h间隔风羽图和1h间隔风羽图。