CN109633783A - 基于双偏振雷达网的参量拼图方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种基于双偏振雷达网的参量拼图方法及装置，对于同时覆盖第一格点的N部双偏振雷达中的每部双偏振雷达，将该第一格点映射至球坐标系，在球坐标系下确定出多个参考点，根据多个参考点的坐标参数等，确定出插值结果，从而得到N个插值结果，最后根据N个插值结果进行参量拼图。该过程中，实现对双偏振参量的拼图。

Description

基于双偏振雷达网的参量拼图方法及装置
技术领域
本发明实施例涉及气象观测技术领域，尤其涉及一种基于双偏振雷达网的参量拼图方法及装置。
背景技术
目前，气象观测过程中，在一个区域内设置不同的站点，每个站点上设置一个雷达。雷达以站点为单位观测并采集参量，不同站点雷达的观测范围有部分重叠。各个站点的雷达采集到参量后，需要对不同站点的参量进行拼图，从而得到该区域的完整参量。
现有技术中，通过如下两种方式对雷达网中各个站点的雷达的参量进行拼图。方式一、二维拼图方式；方式二、三维拼图方式。方式一中，将不同雷达的参量投影到二维经纬度格点上，该种拼图方式主要应用于天气变化过程的定性分析；方式二中，将雷达网中各个雷达在球坐标系下的参量转换到笛卡尔坐标系下，相较于方式一，方式二增加了高度信息，有利于回波结构的分析和定了计算。
上述方式一和方式二，适用于对常规雷达的参量，如回波强度等进行拼图。然而，目前雷达网中的雷达逐渐被双偏振雷达取代，双偏振雷达除了能够观测到常规参量外，还能够观测到双偏振参量，而双偏振参量的敏感性与回波强度不同，上述的适用于回波强度的拼图方法，对双偏振参量并不适用。
发明内容
本发明提供一种基于双偏振雷达网的参量拼图方法及装置。
第一方面，本发明实施例提供的一种基于双偏振雷达网的参量拼图方法，包括：
确定观测范围包含第一格点的N部双偏振雷达，所述第一格点是笛卡尔坐标系下的格点，N≥2；
对于所述N部双偏振雷达中的每部双偏振雷达，根据所述第一格点的位置，在该双偏振雷达对应的球坐标系中确定参考点，所述第一格点是笛卡尔坐标系下的格点；
根据所述参考点在所述球坐标系下的坐标参数，确定所述第一格点的插值结果，从而得到N个插值结果；
对所述N个插值结果进行拼图。
一种可行的实现方式中，所述确定观测范围包含第一格点的N部双偏振雷达之前，还包括：
根据第一双偏振雷达的历史观测数据，确定所述第一双偏振雷达的质量控制参数和质量评估参数，所述第一双偏振雷达是所述N部双偏振雷达中的任意一部双偏振雷达；
根据所述质量控制参数对所述第一双偏振雷达的实时观测数据进行质量控制，得到去干扰的观测数据，所述去干扰的观测数据中的每个数据对应球坐标系下的一个点；
根据所述质量评估参数对所述球坐标系下的第一点对应的第一实时观测数据进行质量评估，得到所述第一实时观测数据的质量系数Q；
根据所述去干扰后的实时观测数据，确定降水类型场和环境温度场。
一种可行的实现方式中，所述根据第一双偏振雷达的历史观测数据，确定所述第一双偏振雷达的质量控制参数和质量评估参数，包括：
根据所述历史观测数据，确定第一影响参数、第二影响参数和第三影响参数，所述第一影响参数指示非降水回波对所述第一双偏振雷达的实时观测数据质量的影响程度，所述第二影响参数指示电磁波和散射特性对所述第一双偏振雷达的实时观测数据质量的影响程度，所述第三影响参数指示所述第一双偏振雷达的硬件对所述第一双偏振雷达的实时观测数据质量的影响程度；
根据所述第一影响参数、所述第二影响参数和所述第三影响参数，确定所述质量控制参数和/或所述质量评估参数。
一种可行的实现方式中，对于N部双偏振雷达中的第一双偏振雷达，所述参考点包括：第一参考点、第二参考点、第三参考点和第四参考点，所述根据所述第一格点的位置，在球坐标系中确定参考点，包括：
根据所述第一格点的位置，确定所述第一格点在球坐标系下的映射点，所述映射点的坐标参数包括斜距、方位角和仰角；
根据所述映射点的坐标参数，确定所述第一参考点、所述第二参考点、所述第三参考点和所述第四参考点，所述第一参考点和所述第二参考点是经过所述映射点的垂线与上下两层仰角的交点，所述第三参考点和所述第四参考点是经过所述映射点的水平线与上下层仰角的交点，所述上下层仰角是所述映射点的仰角的上下层仰角。
一种可行的实现方式中，所述根据所述参考点在所述球坐标系下的坐标，确定所述第一格点的插值结果，包括：
确定所述第一参考点的第一权重、所述第二参考点的第二权重、所述第三参考点的第三权重和所述第四参考点的第四权重；
确定所述第一参考点、所述第二参考点、所述第三参考点和所述第四参考点分别对应的第一质量系数、第二质量系数、第三质量系数和第四质量系数；
根据所述第一权重、所述第二权重、所述第三权重、所述第四权重，以及所述第一质量系数、所述第二质量系数、所述第三质量系数、所述第四质量系数，以及所述第一参考点的第一坐标参数、所述第二参考点的第二坐标参数、所述第三参考点的第三坐标参数和所述第四参考点的第四坐标参数，确定所述第一格点的插值结果。
一种可行的实现方式中，当所述降水类型场为对流云降水时，所述第三权重和所述第四权重为0；当所述降水类型场为层状云降水时，所述第三权重大于所述第一权重和所述第二权重，所述第四权重大于所述第一权重和所述第二权重。
一种可行的实现方式中，所述对所述N个插值结果进行拼图，包括：
根据所述第一权重、所述第二权重、所述第三权重和所述第四权重，确定可信度权重；
根据所述第一双偏振雷达和所述第二双偏振雷达之间的距离，以及所述第一双偏振雷达的观测半径，确定距离权重；
根据所述可信度权重和所述距离权重，确定拼图权重；
根据所述拼图权重，对所述N个插值结果进行拼图。
一种可行的实现方式中，所述根据所述参考点在所述球坐标系下的坐标参数，确定所述第一格点的插值结果，从而得到N个插值结果，包括：
将每部双偏振雷达的实时观测数据中的差分反射率因子从对数单位转换为线性单位，得到M个垂直方向反射率因子和M个水平方向反射率因子，M≥1且为整数；
对所述M个垂直方向反射率因子进行插值得到垂直插值结果，对所述M个水平方向反射率因子进行插值得水平插值结果；
根据所述垂直插值结果和所述水平插值结果，确定所述差分反射率因子的插值结果，从而得到M个差分反射率因子的插值结果。
第二方面，本发明实施例提供一种拼图装置，包括：
第一确定模块，用于确定观测范围包含第一格点的N部双偏振雷达，所述第一格点是笛卡尔坐标系下的格点，N≥2；
第二确定模块，用于对于所述N部双偏振雷达中的每部双偏振雷达，根据所述第一格点的位置，在该双偏振雷达对应的球坐标系中确定参考点，所述第一格点是笛卡尔坐标系下的格点；
插值模块，用于根据所述参考点在所述球坐标系下的坐标参数，确定所述第一格点的插值结果，从而得到N个插值结果；
拼图模块，用于对所述N个插值结果进行拼图。
一种可行的实现方式中，上述的装置还包括：
预处理模块，用于在所述第一确定模块确定观测范围包含第一格点的N部双偏振雷达之前，根据第一双偏振雷达的历史观测数据，确定所述第一双偏振雷达的质量控制参数和质量评估参数，所述第一双偏振雷达是所述N部双偏振雷达中的任意一部双偏振雷达；根据所述质量控制参数对所述第一双偏振雷达的实时观测数据进行质量控制，得到去干扰的观测数据，所述去干扰的观测数据中的每个数据对应球坐标系下的一个点；根据所述质量评估参数对所述球坐标系下的第一点对应的第一实时观测数据进行质量评估，得到所述第一实时观测数据的质量系数Q；根据所述去干扰后的实时观测数据，确定降水类型场和环境温度场。
一种可行的实现方式中，所述预处理模块，在根据第一双偏振雷达的历史观测数据，确定所述第一双偏振雷达的质量控制参数和质量评估参数时，具体用于根据所述历史观测数据，确定第一影响参数、第二影响参数和第三影响参数，所述第一影响参数指示非降水回波对所述第一双偏振雷达的实时观测数据质量的影响程度，所述第二影响参数指示电磁波和散射特性对所述第一双偏振雷达的实时观测数据质量的影响程度，所述第三影响参数指示所述第一双偏振雷达的硬件对所述第一双偏振雷达的实时观测数据质量的影响程度；根据所述第一影响参数、所述第二影响参数和所述第三影响参数，确定所述质量控制参数和/或所述质量评估参数。
一种可行的实现方式中，所述第二确定模块，对于N部双偏振雷达中的第一双偏振雷达，所述参考点包括：第一参考点、第二参考点、第三参考点和第四参考点，具体用于根据所述第一格点的位置，确定所述第一格点在球坐标系下的映射点，所述映射点的坐标参数包括斜距、方位角和仰角；根据所述映射点的坐标参数，确定所述第一参考点、所述第二参考点、所述第三参考点和所述第四参考点，所述第一参考点和所述第二参考点是经过所述映射点的垂线与上下两层仰角的交点，所述第三参考点和所述第四参考点是经过所述映射点的水平线与上下层仰角的交点，所述上下层仰角是所述映射点的仰角的上下层仰角。
一种可行的实现方式中，所述插值模块，具体用于确定所述第一参考点的第一权重、所述第二参考点的第二权重、所述第三参考点的第三权重和所述第四参考点的第四权重；确定所述第一参考点、所述第二参考点、所述第三参考点和所述第四参考点分别对应的第一质量系数、第二质量系数、第三质量系数和第四质量系数；根据所述第一权重、所述第二权重、所述第三权重、所述第四权重，以及所述第一质量系数、所述第二质量系数、所述第三质量系数、所述第四质量系数，以及所述第一参考点的第一坐标参数、所述第二参考点的第二坐标参数、所述第三参考点的第三坐标参数和所述第四参考点的第四坐标参数，确定所述第一格点的插值结果。
一种可行的实现方式中，当所述降水类型场为对流云降水时，所述第三权重和所述第四权重为0；当所述降水类型场为层状云降水时，所述第三权重大于所述第一权重和所述第二权重，所述第四权重大于所述第一权重和所述第二权重。
一种可行的实现方式中，所述拼图模块，具体用于根据所述第一权重、所述第二权重、所述第三权重和所述第四权重，确定可信度权重；根据所述第一双偏振雷达和所述第二双偏振雷达之间的距离，以及所述第一双偏振雷达的观测半径，确定距离权重；根据所述可信度权重和所述距离权重，确定拼图权重；根据所述拼图权重，对所述N个插值结果进行拼图。
一种可行的实现方式中，所述插值模块，具体用于将每部双偏振雷达的实时观测数据中的差分反射率因子从对数单位转换为线性单位，得到M个垂直方向反射率因子和M个水平方向反射率因子，M≥1且为整数；对所述M个垂直方向反射率因子进行插值得到垂直插值结果，对所述M个水平方向反射率因子进行插值得水平插值结果；根据所述垂直插值结果和所述水平插值结果，确定所述差分反射率因子的插值结果，从而得到M个差分反射率因子的插值结果。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括处理器、存储器及存储在所述存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如上第一方面或第一方面的各种可行的实现方式所述的方法。
第四方面，本发明实施例提供一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如上第一方面或第一方面的各种可行的实现方式所述的方法。
第五方面，本发明实施例提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行如上第一方面或第一方面的各种可行的实现方式所述的方法。
本发明实施例提供的基于双偏振雷达网的参量拼图方法及装置，对于同时覆盖第一格点的N部双偏振雷达中的每部双偏振雷达，将该第一格点映射至球坐标系，在球坐标系下确定出多个参考点，根据多个参考点的坐标参数等，确定出插值结果，从而得到N个插值结果，最后根据N个插值结果进行参量拼图。该过程中，实现对双偏振参量的拼图。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的基于双偏振雷达网的参量拼图方法的流程图；
图2是本发明一实施例提供的基于双偏振雷达网的参量拼图的过程示意图；
图3是本发明一实施例提供的基于双偏振雷达网的参量拼图过程中的插值示意图；
图4为本发明实施例提供的一种拼图装置的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的另一种拼图装置的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
图1为本发明一实施例提供的基于双偏振雷达网的参量拼图方法的流程图。本实施例的执行主体是拼图装置，该装置可以通过软件、硬件或者软硬件结合的方式实现，该装置可以是电子设备的部分或者全部。如图1所示，本实施例包括：
101、确定观测范围包含第一格点的N部双偏振雷达，所述第一格点是笛卡尔坐标系下的格点，N≥2。
本发明实施例中，气象观测过程中采用的气象雷达为双偏振雷达。例如，双偏振雷达的最大探测半径超过200千米(km)，但是对于大尺度的天气系统，如飑线、台风等来说，该探测区范围十分有限。另外，双偏振雷达的最高仰角为19.5°，存在一定的颈椎区。相较于常规的气象雷达，双偏振雷达除了具有水平极化通道外，还具有垂直极化通道。因此，双偏振雷达不仅可以获取回波强度(Z)、径向速度(V)外，还可以获取以下双偏振参量：水平极化通道和垂直极化通道的强度差、水平极化通道和垂直极化通道的相位差、水平极化通道和垂直极化通道的相位差的变化率、水平极化通道和垂直极化通道的退极化偏振比以及相关系数等。其中，强度差也称之为差分反射率因子ZRD，相位差也称之为差分相位ΦDP，相位差的变化率也称之为差传播相移率KDP，退极化偏振比用LDR表示，相关系数用ρhv表示。
气象观测中，同一个区域部署多个站点，每个站点上设置一部双偏振雷达。例如，中国国土对应的区域内，计划部署200多部双偏振雷达，该200多部双偏振雷达可以观测到中国国土的所有范围内的气象状况。为了使得多个雷达的观测区域覆盖整个待观测区域，每部双偏振雷达的覆盖区域和其周围的双偏振雷达的覆盖区域部分重叠。也就是说，对于笛卡尔坐标系下的一个格点，可能同时被N(N≥2)部双偏振雷达覆盖。因此，各个站点的双偏振雷达采集到观测数据后，需要对不同站点的观测数据进行参量拼图。该过程中，参量拼图是指对不同双偏振雷达的共同覆盖区域内的观测数据进行处理。例如，对共同覆盖区域内的回波强度Z、差分反射率因子ZDR，差分相位ΦDP、差传播相移率KDP、退极化偏振比用LDR、相关系数ρhv进行拼图。
本步骤中，对于笛卡尔坐标系下的第一格点，该第一格点同时被N部双偏振雷达覆盖。
102、对于所述N部双偏振雷达中的每部双偏振雷达，根据所述第一格点的位置，在该双偏振雷达对应的球坐标系中确定参考点。
本步骤中，对于同时覆盖第一格点的N部双偏振雷达中的每部双偏振雷达，将该第一格点映射至球坐标系，在球坐标系下确定出多个参考点。也就是说，需要针对每部双偏振雷达确定参考点。
103、根据所述参考点在所述球坐标系下的坐标参数，确定所述第一格点的插值结果，从而得到N个插值结果。
本步骤中，对于同时覆盖第一格点的N部双偏振雷达中的每部双偏振雷达，根据步骤102中确定出的参考点在球坐标系下的坐标参数等，确定出一个插值结果，从而得到N个插值结果。
104、对所述N个插值结果进行拼图。
本发明实施例提供的基于双偏振雷达网的参量拼图方法，对于同时覆盖第一格点的N部双偏振雷达中的每部双偏振雷达，将该第一格点映射至球坐标系，在球坐标系下确定出多个参考点，根据多个参考点的坐标参数等，确定出插值结果，从而得到N个插值结果，最后根据N个插值结果进行参量拼图。该过程中，实现对双偏振参量的拼图。
图2是本发明一实施例提供的基于双偏振雷达网的参量拼图的过程示意图。请参照图2，拼图过程中，首先，准备阶段，对于单部双偏振雷达，根据历史观测数据，使用统计的方法建立该双偏振雷达的质量控制参数和质量评估参数；利用双偏振雷达的实时观测数据和实时探空的观测结果，确定该双偏振雷达的观测区域的降水类型场和/或环境温度场。其次，格点化阶段，根据降水类型场和/或环境温度场，结合双偏振参量的物理意义和敏感度，将实时观测数据由球坐标系插值到笛卡尔坐标系下，得到N个插值结果；最后，拼图前阶段，确定出拼图权重，根据拼图权重对N个插值结果进行拼图。该过程中，将不同地理位置的双偏振参量有机的结合起来，实现考虑了降水物理特性、双偏振参量的敏感性以及观测数据的数据质量的双偏振参量拼图。下面，对该过程进行详细说明。
首先，对于单部双偏振雷达，根据历史观测数据，使用统计的方法建立该双偏振雷达的质量控制参数和质量评估参数，利用双偏振雷达的实时观测数据和实时探空的观测结果，确定该双偏振雷达的观测区域的降水类型场和/或环境温度场。
一种可行的实现方式中，所述确定观测范围包含第一格点的N部双偏振雷达之前，还根据第一双偏振雷达的历史观测数据，确定所述第一双偏振雷达的质量控制参数和质量评估参数，所述第一双偏振雷达是所述N部双偏振雷达中的任意一部双偏振雷达；根据所述质量控制参数对所述第一双偏振雷达的实时观测数据进行质量控制，得到去干扰的观测数据，所述去干扰的观测数据中的每个数据对应球坐标系下的一个点；根据所述质量评估参数对所述球坐标系下的第一点对应的第一实时观测数据进行质量评估，得到所述第一实时观测数据的质量系数Q；根据所述去干扰后的实时观测数据，确定降水类型场和环境温度场。
请参照图2中双点划线所示部分，逐站点的数据质量控制之前，通过大量历史观测资源的统计，建立本地化的质量控制参数和本地化的质量评估参数。建立过程中，根据误差的产生来源，可以将影响双偏振雷达的观测数据的数据质量的因素分为如下三个影响因素：非降水回波的影响、电磁波和散射特性的影响、雷达硬件的影响，该三个影响因素分别对应第一影响参数、第二影响参数和第三影响参数。对实时观测数据进行数据质量控制之前，根据历史观测数据等，确定出该三个影响参数。进一步的，根据所述第一影响参数、所述第二影响参数和第三影响参数，确定质量控制参数和/或质量评估参数。然后，根据质量控制参数，对实时观测数据进行质量控制；根据质量评估参数，对球坐标系下的第一点对应的第一实时观测数据进行质量评估，得到第一实时观测数据的质量系数Q。
确定质量控制参数时，通过统计方式确定地物遮挡、电磁干扰、晴空回波、距离折叠、标定误差等因素的典型特征，根据典型特征得到第一影响参数、第二影响参数或第三影响参数，然后，根据第一影响参数、第二影响参数或第三影响参数得到本地化的质量控制参数。质量控制时，是逐站点对各部双偏振雷达的观测数据进行质量控制。
确定质量评估参数时，根据米散射效应、退极化效应、降水衰减、波束体积随距离增大、弱信噪比噪声等误差与气象信号相互混叠的情况，得到第一影响参数、第二影响参数或第三影响参数，然后，根据第一影响参数、第二影响参数或第三影响参数得到本地化的质量评估参数，进一步的，根据质量评估参数得到数据质量系数Q。质量评估时，根据质量评估参数，对球坐标系下的第一点对应的第一实时观测数据进行质量评估，得到第一实时观测数据的质量系数Q，使用数据质量系数Q判断第一点对应的第一实时观测数据的可用性。
拼图过程中，插值权重的选取与第一格点的降水类型场和/或环境温度场有关，因此，对于第一双偏振雷达，即N部双偏振雷达中的每个双偏振雷达，需要确定利用该第一双偏振雷达的实时观测数据和实时探空的观测结果，确定该第一双偏振雷达的观测区域的降水类型场和/或环境温度场。
示例性的，降水类型场使用回波强度Z、相关系数ρhv等反映降水物理特征的参量，以及组合反射率(Combined reflectivity，CR)因子、回波顶高(Echo top，ET)等，通过组合阈值的判断方法，根据球坐标系下的实时观测数据，区分为对流云降水或层状云降水。确定环境温度场时，使用双偏振雷达观测范围内的数值预报模式的数据，或单点探空资源，将湿球温度0°的高度作为融合层的位置。当双偏振雷达附近出现较大面积的降水时，也可以使用融化层中湿雪的双偏振参量的信息，如Z、ZDR、ρhv等对环境温度场进行识别。由于不同季节融化层的高度分布不同，因此，识别夏季和冬季的融化层时，分别采用不同的方案，冬季采用冬季识别方法识别融化层，夏季采用夏季识别方法识别融化层。夏季识别方法中，温度在径向上的变化较小，冬季识别方法中，需要考虑较大的水平温度梯度，因此，夏季识别方法采用二维平面的逐区域识别方法，冬季识别方法采用三维空间的逐区域识别方法。
再次，格点化过程。
格点化过程中，对于N部双偏振雷达中的第一双偏振雷达，所述参考点包括：第一参考点、第二参考点、第三参考点和第四参考点，根据第一格点的位置在球坐标系中确定参考点时，可以根据所述第一格点的位置，确定所述第一格点在球坐标系下的映射点，所述映射点的坐标参数包括斜距、方位角和仰角；根据所述映射点的坐标参数，确定所述第一参考点、所述第二参考点、所述第三参考点和所述第四参考点，所述第一参考点和所述第二参考点是经过所述映射点的垂线与上下两层仰角的交点，所述第三参考点和所述第四参考点是经过所述映射点的水平线与上下层仰角的交点，所述上下层仰角是所述映射点的仰角的上下层仰角。
示例性的，双偏振雷达在球坐标系下有9层仰角(0.5°～19.5°)，对应的波束宽度约为1°。因此，各仰角层在垂直方向上不可能充满整个三维空间。由球坐标系转换到笛卡尔坐标系的过程中，对间隙部分，需要通过插值的方式进行填补。具体的，请参见图3。
图3是本发明一实施例提供的基于双偏振雷达网的参量拼图过程中的插值示意图。请参照图3，对于一个具体的第一格点，该第一格点映射到球坐标系下得到映射点，该映射点的坐标参数包括斜距r、方位角α和仰角e，该映射点记(r,a,e)。根据该映射点可以确定出四个参考点，分别为第一参考点、第二参考点、第三参考点和第四参考点。其中，第一参考点和第二参考点是经过映射点的垂线与上下两层仰角的交点，第一参考点和第二参考点的坐标分别为(r,a,e2)和(r,a,e1)；第三参考点和第四参考点是经过映射点的水平线与上下层仰角的交点，第三参考点和第四参考点的坐标分别为(r1,a,e2)和(r2,a,e1)，其中，上下层仰角是所述映射点的仰角的上下层仰角。假设插值结果为fa(r,a,e)，则fa(r,a,e)可根据上述四个参考点分别对应的分析值，通过一定的加权方式得到。其中，上述四个参考点的分析值，分别为fa(r,a,e2)、fa(r,a,e1)、fa(r1,a,e2)、fa(r2,a,e1)。
标准情况下，即不考虑实时观测数据的数据质量以及降水类型场、环境温度场时，上述四个参考点的权重分别通过垂直和水平方向的距离表示：
其中，we1为第一参考点的第一权重，we2为第二参考点的第二权重，wr1为第三参考点的第三权重，wr2为第四参考点的第四权重。
考虑实时观测数据的数据质量时，上述四个参考点的数据质量系数Qr1、Qr2、Qr1、Qr2也将用于插值计算，从而将受到的回波权重降低。最终，插值结果为：
考虑实时观测数据的降水类型场和环境温度场时，当所述降水类型场为对流云降水时，所述第三权重和所述第四权重为0；当所述降水类型场为层状云降水时，所述第三权重大于所述第一权重和所述第二权重，所述第四权重大于所述第一权重和所述第二权重。
示例性的，上述插值过程中，可以考虑降水类型场和/或环境温度场的影响，从而从降水的物理特性上提高插值效果。在对流云降水中，将强的上升气流使得垂直方向的参量一致性大于水平方向参量的一致性。此时，水平方向的权重wr1和wr2置为0。而在层状云降水中，较弱的上升气流使得水平方向的参量一致性大于垂直方向的参量一致性。此时，水平方向的权重wr1大于垂直方向的权重we1和we2；水平方向的权重wr2大于垂直方向的权重we1和we2
另外，上述实施例中，层状云降水中融化带的参量的特征与其上方的冰雪区的参量的特征明显不同，层状云降水中融化带的参量的特征与其下方的雨区的参量的特征明显不同。插值时，根据环境温度场的信息进行判断：若映射点与参考点(第一参考点、第二参考点、第三参考点或第四参考点)不在同一个温度区，则将参考点的权重置为0。
上述插值过程中，可以考虑参量的物理意义和敏感度，从而从参量的物理意义和敏感度上提高插值效果。
具体的，对于用于插值的Z、ZDR、ρhv、KDP四种实时观测数据，Z、ZDR的单位为对数坐标，而ρhv、KDP的单位为线性坐标。在相同权重的条件下，将对数单位的参量转换为线性单位，插值后再转换为对数单位，插值结果会明显偏向于较大的参量值，从而弱化权重的影响。由于参量Z的数量级是参量ZDR的十余倍，因此，对Z参量直接使用对数单位进行插值。而对参量ZDR插值时，即当实时观测数据为差分反射率因子时，插值时，将每部双偏振雷达的实时观测数据中的差分反射率因子从对数单位转换为线性单位，得到M个垂直方向反射率因子和M个水平方向反射率因子，M≥1且为整数；对所述M个垂直方向反射率因子进行插值得到垂直插值结果，对所述M个水平方向反射率因子进行插值得水平插值结果；根据所述垂直插值结果和所述水平插值结果，确定所述差分反射率因子的插值结果，从而得到M个差分反射率因子的插值结果。也就是说，当对实时观测数据中的差分反射率因子进行插值时时，分别计算水平方向的反射率因子ZH和垂直方向的反射率因子ZV将ZH、ZV转换为线性单位，分别对ZV和ZH进行插值，然后，计算差分反射率因子的插值结果。
当实时观测数据中的包含KDP时，根据KDP的物理意义，不同粒子对KDP的贡献与回波强度成正比关系，在对KDP插值时，将ZH作为权重，对KDP进行插值。
当实时观测数据中的包含为ρhv时，插值过程中，考虑信干噪比(Signal NosiseRatio，SNR)的影响。
最后，拼图阶段。
拼图过程中，将不同站点的格点化资料组合，形成统一的双偏振参量拼图结果。为了确保相邻雷达重合区域内拼图结果的合理性和连续性，采用加权的方式来处理共同覆盖区域内的观测数据。处理过程中，对于N部双偏振雷达共同覆盖的第一格点i，假设该第一格点的插值结果fm(i)为：
其中，N是共同覆盖格点i的双偏振雷达的个数，是第n部双偏振雷达的观测值，wn是拼图权重。当N≥2时，说明存在共同覆盖的情况，此时，需要加权处理。本发明实施例中，考虑了波束充塞和插值可信度两种情况，可根据可信度权重和距离权重确定拼图权重。下面，对如何确定拼图权重进行说明。
对于考虑波束充塞的情况而言，较远的观测范围使得雷达波束的横截面积，随着第一格点与双偏振雷达之间的距离的增加而明显加大。第一格点离双偏振雷达越远，增大的波束体积内回波结构将被平滑、充塞程度下降，该第一格点的观测数据也将变得比可靠。本发明实施例中，把第一格点与各双偏振雷达之间的距离r，以及双偏振雷达的观测半径R作为参数，根据距离r和观测半径R确定出距离权重：wd。
其中，R是双偏振雷达的观测半径。
对于考虑插值可信度的情况而言，请参照图3，第一格点在笛卡尔坐标系下的映射点与四个参考点之间均存在一定的距离，映射点与四个参考点之间的距离越小，则映射点的插值结果约接近于真实的观测值，相应的，可信度也就越高。反之，若映射点与各个参考点(第一参考点、第二参考点、第三参考点和第四参考点)之间的距离都比较大时，插值结果的可信度较差。因此，可以根据四个参考点的权重确定可信度权重we。例如，将四个参考点的权重中，即第一权重、第二权重、第三权重和第四权重中的最大值作为可信度权重we，即we＝max(we1,we2,wr1,wr2)。
在最终确定拼图权重的过程中，根据所述第一权重、所述第二权重、所述第三权重和所述第四权重，确定可信度权重；根据所述第一双偏振雷达和所述第二双偏振雷达之间的距离，以及所述第一双偏振雷达的观测半径，确定距离权重；得到距离权重wd和可信度权重we后，将距离权重wd和可信度权重we的乘积作为拼图权重，即wn＝we wd。确定出拼图权重后，根据所述拼图权重，对所述N个插值结果进行拼图。如此一来，可以使得拼图结果倾向于使用质量更好、可信度更高的格点的值。
下述为本发明装置实施例，可以用于执行本发明方法实施例。对于本发明装置实施例中未披露的细节，请参照本发明方法实施例。
图4为本发明实施例提供的一种拼图装置的结构示意图，该拼图装置可以通过软件和/或硬件的方式实现。如图4所示，该拼图装置100包括：
第一确定模块11，用于确定观测范围包含第一格点的N部双偏振雷达，所述第一格点是笛卡尔坐标系下的格点，N≥2；
第二确定模块12，用于对于所述N部双偏振雷达中的每部双偏振雷达，根据所述第一格点的位置，在该双偏振雷达对应的球坐标系中确定参考点，所述第一格点是笛卡尔坐标系下的格点；
插值模块13，用于根据所述参考点在所述球坐标系下的坐标参数，确定所述第一格点的插值结果，从而得到N个插值结果；
拼图模块14，用于对所述N个插值结果进行拼图。
图5是本发明实施例提供的另一种拼图装置的结构示意图，如图5所示，该拼图装置100在上述图4的基础上，还包括：
预处理模块15，用于在所述第一确定模块11确定观测范围包含第一格点的N部双偏振雷达之前，根据第一双偏振雷达的历史观测数据，确定所述第一双偏振雷达的质量控制参数和质量评估参数，所述第一双偏振雷达是所述N部双偏振雷达中的任意一部双偏振雷达；根据所述质量控制参数对所述第一双偏振雷达的实时观测数据进行质量控制，得到去干扰的观测数据，所述去干扰的观测数据中的每个数据对应球坐标系下的一个点；根据所述质量评估参数对所述球坐标系下的第一点对应的第一实时观测数据进行质量评估，得到所述第一实时观测数据的质量系数Q；根据所述去干扰后的实时观测数据，确定降水类型场和环境温度场。
一种可行的实现方式中，所述预处理模块15，在根据第一双偏振雷达的历史观测数据，确定所述第一双偏振雷达的质量控制参数和质量评估参数时，具体用于根据所述历史观测数据，确定第一影响参数、第二影响参数和第三影响参数，所述第一影响参数指示非降水回波对所述第一双偏振雷达的实时观测数据质量的影响程度，所述第二影响参数指示电磁波和散射特性对所述第一双偏振雷达的实时观测数据质量的影响程度，所述第三影响参数指示所述第一双偏振雷达的硬件对所述第一双偏振雷达的实时观测数据质量的影响程度；根据所述第一影响参数、所述第二影响参数和所述第三影响参数，确定所述质量控制参数和/或所述质量评估参数。
一种可行的实现方式中，所述第二确定模块12，对于N部双偏振雷达中的第一双偏振雷达，所述参考点包括：第一参考点、第二参考点、第三参考点和第四参考点，具体用于根据所述第一格点的位置，确定所述第一格点在球坐标系下的映射点，所述映射点的坐标参数包括斜距、方位角和仰角；根据所述映射点的坐标参数，确定所述第一参考点、所述第二参考点、所述第三参考点和所述第四参考点，所述第一参考点和所述第二参考点是经过所述映射点的垂线与上下两层仰角的交点，所述第三参考点和所述第四参考点是经过所述映射点的水平线与上下层仰角的交点，所述上下层仰角是所述映射点的仰角的上下层仰角。
一种可行的实现方式中，所述插值模块13，具体用于确定所述第一参考点的第一权重、所述第二参考点的第二权重、所述第三参考点的第三权重和所述第四参考点的第四权重；确定所述第一参考点、所述第二参考点、所述第三参考点和所述第四参考点分别对应的第一质量系数、第二质量系数、第三质量系数和第四质量系数；根据所述第一权重、所述第二权重、所述第三权重、所述第四权重，以及所述第一质量系数、所述第二质量系数、所述第三质量系数、所述第四质量系数，以及所述第一参考点的第一坐标参数、所述第二参考点的第二坐标参数、所述第三参考点的第三坐标参数和所述第四参考点的第四坐标参数，确定所述第一格点的插值结果。
一种可行的实现方式中，当所述降水类型场为对流云降水时，所述第三权重和所述第四权重为0；当所述降水类型场为层状云降水时，所述第三权重大于所述第一权重和所述第二权重，所述第四权重大于所述第一权重和所述第二权重。
一种可行的实现方式中，所述拼图模块14，具体用于根据所述第一权重、所述第二权重、所述第三权重和所述第四权重，确定可信度权重；根据所述第一双偏振雷达和所述第二双偏振雷达之间的距离，以及所述第一双偏振雷达的观测半径，确定距离权重；根据所述可信度权重和所述距离权重，确定拼图权重；根据所述拼图权重，对所述N个插值结果进行拼图。
一种可行的实现方式中，所述插值模块13，具体用于将每部双偏振雷达的实时观测数据中的差分反射率因子从对数单位转换为线性单位，得到M个垂直方向反射率因子和M个水平方向反射率因子，M≥1且为整数；对所述M个垂直方向反射率因子进行插值得到垂直插值结果，对所述M个水平方向反射率因子进行插值得水平插值结果；根据所述垂直插值结果和所述水平插值结果，确定所述差分反射率因子的插值结果，从而得到M个差分反射率因子的插值结果。
图6为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。如图6所示，该电子设备200包括：
至少一个处理器21和存储器22；
所述存储器22存储计算机执行指令；
所述至少一个处理器21执行所述存储器22存储的计算机执行指令，使得所述至少一个处理器21执行如上所述的基于双偏振参雷达网的参量拼图方法。
处理器21的具体实现过程可参见上述方法实施例，其实现原理和技术效果类似，本实施例此处不再赘述。
可选地，该用户设备20还包括通信部件23。其中，处理器21、存储器22以及通信部件23可以通过总线24连接。
本发明实施例还提供一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机执行指令，所述计算机执行指令被处理器执行时用于实现如上所述的基于双偏振参雷达网的参量拼图方法。
本发明实施例还提供一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行如上述基于双偏振参雷达网的参量拼图方法。
在上述的实施例中，应该理解到，所描述的设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，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，例如多个模块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。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块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模块来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个单元中。上述模块成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
上述以软件功能模块的形式实现的集成的模块，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能模块存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台电子设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(英文：processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。
应理解，上述处理器可以是中央处理单元(central processing unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，DSP)、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合发明所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。
存储器可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储NVM，例如至少一个磁盘存储器，还可以为U盘、移动硬盘、只读存储器、磁盘或光盘等。
总线可以是工业标准体系结构(industry standard architecture，ISA)总线、外部设备互连(peripheral component，PCI)总线或扩展工业标准体系结构(extendedIndustry standard architecture，EISA)总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，本发明附图中的总线并不限定仅有一根总线或一种类型的总线。
上述存储介质可以是由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，可编程只读存储器(PROM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。
一种示例性的存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于专用集成电路(application specific integrated circuits，ASIC)中。当然，处理器和存储介质也可以作为分立组件存在于终端或服务器中。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于双偏振雷达网的参量拼图方法，其特征在于，包括：
确定观测范围包含第一格点的N部双偏振雷达，所述第一格点是笛卡尔坐标系下的格点，N≥2；
对于所述N部双偏振雷达中的每部双偏振雷达，根据所述第一格点的位置，在该双偏振雷达对应的球坐标系中确定参考点，所述第一格点是笛卡尔坐标系下的格点；
根据所述参考点在所述球坐标系下的坐标参数，确定所述第一格点的插值结果，从而得到N个插值结果；
对所述N个插值结果进行拼图。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定观测范围包含第一格点的N部双偏振雷达之前，还包括：
根据第一双偏振雷达的历史观测数据，确定所述第一双偏振雷达的质量控制参数和质量评估参数，所述第一双偏振雷达是所述N部双偏振雷达中的任意一部双偏振雷达；
根据所述质量控制参数对所述第一双偏振雷达的实时观测数据进行质量控制，得到去干扰的观测数据，所述去干扰的观测数据中的每个数据对应球坐标系下的一个点；
根据所述质量评估参数对所述球坐标系下的第一点对应的第一实时观测数据进行质量评估，得到所述第一实时观测数据的质量系数Q；
根据所述去干扰后的实时观测数据，确定降水类型场和环境温度场。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据第一双偏振雷达的历史观测数据，确定所述第一双偏振雷达的质量控制参数和质量评估参数，包括：
根据所述历史观测数据，确定第一影响参数、第二影响参数和第三影响参数，所述第一影响参数指示非降水回波对所述第一双偏振雷达的实时观测数据质量的影响程度，所述第二影响参数指示电磁波和散射特性对所述第一双偏振雷达的实时观测数据质量的影响程度，所述第三影响参数指示所述第一双偏振雷达的硬件对所述第一双偏振雷达的实时观测数据质量的影响程度；
根据所述第一影响参数、所述第二影响参数和所述第三影响参数，确定所述质量控制参数和/或所述质量评估参数。
4.根据权利要求1～3任一项所述的方法，其特征在于，对于N部双偏振雷达中的第一双偏振雷达，所述参考点包括：第一参考点、第二参考点、第三参考点和第四参考点，所述根据所述第一格点的位置，在球坐标系中确定参考点，包括：
根据所述第一格点的位置，确定所述第一格点在球坐标系下的映射点，所述映射点的坐标参数包括斜距、方位角和仰角；
根据所述映射点的坐标参数，确定所述第一参考点、所述第二参考点、所述第三参考点和所述第四参考点，所述第一参考点和所述第二参考点是经过所述映射点的垂线与上下两层仰角的交点，所述第三参考点和所述第四参考点是经过所述映射点的水平线与上下层仰角的交点，所述上下层仰角是所述映射点的仰角的上下层仰角。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述参考点在所述球坐标系下的坐标，确定所述第一格点的插值结果，包括：
确定所述第一参考点的第一权重、所述第二参考点的第二权重、所述第三参考点的第三权重和所述第四参考点的第四权重；
确定所述第一参考点、所述第二参考点、所述第三参考点和所述第四参考点分别对应的第一质量系数、第二质量系数、第三质量系数和第四质量系数；
根据所述第一权重、所述第二权重、所述第三权重、所述第四权重，以及所述第一质量系数、所述第二质量系数、所述第三质量系数、所述第四质量系数，以及所述第一参考点的第一坐标参数、所述第二参考点的第二坐标参数、所述第三参考点的第三坐标参数和所述第四参考点的第四坐标参数，确定所述第一格点的插值结果。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
当所述降水类型场为对流云降水时，所述第三权重和所述第四权重为0；当所述降水类型场为层状云降水时，所述第三权重大于所述第一权重和所述第二权重，所述第四权重大于所述第一权重和所述第二权重。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述对所述N个插值结果进行拼图，包括：
根据所述第一权重、所述第二权重、所述第三权重和所述第四权重，确定可信度权重；
根据所述第一双偏振雷达和第二双偏振雷达之间的距离，以及所述第一双偏振雷达的观测半径，确定距离权重；
根据所述可信度权重和所述距离权重，确定拼图权重；
根据所述拼图权重，对所述N个插值结果进行拼图。
8.根据权利要求1～6任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述参考点在所述球坐标系下的坐标参数，确定所述第一格点的插值结果，从而得到N个插值结果，包括：
将每部双偏振雷达的实时观测数据中的差分反射率因子从对数单位转换为线性单位，得到M个垂直方向反射率因子和M个水平方向反射率因子，M≥1且为整数；
对所述M个垂直方向反射率因子进行插值得到垂直插值结果，对所述M个水平方向反射率因子进行插值得水平插值结果；
根据所述垂直插值结果和所述水平插值结果，确定所述差分反射率因子的插值结果，从而得到M个差分反射率因子的插值结果。
9.一种拼图装置，其特征在于，包括：
第一确定模块，用于确定观测范围包含第一格点的N部双偏振雷达，所述第一格点是笛卡尔坐标系下的格点，N≥2；
第二确定模块，用于对于所述N部双偏振雷达中的每部双偏振雷达，根据所述第一格点的位置，在该双偏振雷达对应的球坐标系中确定参考点，所述第一格点是笛卡尔坐标系下的格点；
插值模块，用于根据所述参考点在所述球坐标系下的坐标参数，确定所述第一格点的插值结果，从而得到N个插值结果；
拼图模块，用于对所述N个插值结果进行拼图。
10.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、存储器及存储在所述存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如上述权利要求1-8任一项所述的方法。
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