CN113219463A - 一种面向电力系统的雷达地物回波识别方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种面向电力系统的雷达地物回波识别方法和系统，所述方法包括：获取并预处理雷达资料，所述雷达资料包括回波强度、径向速度和速度谱宽；根据雷达资料计算各个回波点表示地物回波和降水回波差异的物理量；根据降水回波、地物回波的特征设置各物理量的隶属函数；采用隶属函数对物理量进行模糊化处理，计算各物理量的判据，对判据进行加权累加，得到各个回波点所有物理量对于地物回波和降水回波的判据；根据判据识别地物回波，当某回波点的地物回波的判据超过设定阈值时，该回波点被识别为地物。本发明降低了地物回波引起电力系统的气象灾害的误报与漏报，可保障电力系统电网安全平稳运行，提高电力系统防灾减灾水平。
Description
技术领域
本发明属于电力气象雷达数据处理技术领域，涉及一种面向电力系统的雷达地物回波识别方法和系统。
背景技术
电网的快速发展及规模的不断扩大和延伸，并随着全球气候变暖、环流异常，灾害性天气风险逐年增大风险，灾害性天气对电网安全运行的影响越来越大。电力气象是电力与气象领域相结合形成一个交叉学科，并不仅仅是气象部门针对电力行业的气象服务，而是面向电力生产所需开展的专门的气象预报、气象监测、电网灾害预测以及电网灾害风险预警工作。
目前，中国气象局已经在全国范围内建成了新一代天气雷达网，这些雷达的基数据通过气象系统专网及时传送到省气象局和中国气象局，且雷达绝大部分范围覆盖情况很好，是监测并预警强对流天气的重要工具，这就为开展地面监测和预警提供了条件。
多普勒雷达由于受周边的地形、电磁环境和特殊的天气的影响，会出现不同程度的地物回波，经常会造成虚假的局地强降水的出现，对预警效果产生了重要影响。电力系统主要关注强对流过程产生的大风、强降水和冰雹等天气，电力系统工作人员对气象了解比较少的，对原先本系统产生的一些漏判产生的降水等信息，不能做出进一步的判断，从而产生降水空报的现象，因对地物回波识别方法进行进一步优化，以降低地物回波引起电力系统的气象灾害的误报与漏报，保障电力系统电网安全平稳运行，提高电力系统防灾减灾水平。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本申请提供一种面向电力系统的雷达地物回波识别方法和系统。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
一种面向电力系统的雷达地物回波识别方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
步骤1：获取并预处理雷达资料，所述雷达资料包括回波强度、径向速度和速度谱宽；
步骤2：根据雷达资料计算各个回波点表示地物回波和降水回波差异的物理量；
步骤3：根据各物理量的概率分布研究，设置各物理量的隶属函数；
步骤4：采用隶属函数对步骤2的物理量进行模糊化处理，计算各物理量的判据，对判据进行加权累加，得到各个回波点所有物理量对于地物回波和降水回波的判据；
步骤5：根据步骤4判据识别地物回波，当某回波点的地物回波的判据超过设定阈值时，该回波点被识别为地物。
本发明进一步包括以下优选方案：
优选地，步骤1具体包括：
步骤1.1：雷达资料获取与配对：
将天气雷达在第一层和第二层获取的雷达资料进行径向处理，按照1°的间隔顺次排列所述雷达资料，以满足同一回波点回波强度、径向速度和速度谱宽资料的对应，以及不同层次回波强度的对应；
步骤1.2：雷达资料滤波：
用中值滤波的方法处理径向速度和速度谱宽资料，滤掉噪声，以用于计算区域的径向速度平均值MDVE。
优选地，步骤2中，根据回波强度计算的物理量有：
回波强度的纹理：TDBZ；
回波强度的垂直变化：GDBZ；
回波强度沿径向的库间变化程度：SPIN；
根据径向速度和速度谱宽计算的物理量有：
径向速度的区域平均值：MDVE；
径向速度方差：SDVE；
径向速度谱宽的区域平均值：MDSW；
其中，
GDBZ＝w(R)(Zup-Zlow) (2)
TDBZ反映回波强度的局地变化大小，NA和NR分别表示在方位和距离方向定义的计算范围；Zi,j为方位和距离方向定义的计算范围中任意回波点(i，j)的回波强度；
GDBZ反映回波强度的垂直变化，Zup、Zlow为对应的本层和上层PPI的回波强度；W(R)表示与距离有关的权重；
SPIN为回波强度沿径向的库间变化程度，Zthresh为库间回波强度变化的阈值；
SDVE为径向速度的方差，MDVEi,j表示某回波点经过中值滤波处理的径向速度值。
优选地，根据回波强度计算的物理量，NA＝3，NR＝3；
根据径向速度和速度谱宽计算的物理量，NA＝3，NR＝9。
优选地，步骤4中，每个隶属函数对应的判据权重相同，则每个回波点地物的判据值范围为0-1，该值越大，对应回波点为地物的可能性就越大，反之，是降水回波或其它回波的可能性就越大。
优选地，步骤4中，对于径向速度的距离模糊区，只计算TDBZ、GDBZ、SPIN。
优选地，所述方法还包括：
采用SCIT方法将经过地物识别后的回波组合成片，形成一个一个相对独立的回波块，然后使用回波块面积、回波的平均回波强度作为识别条件，将回波块面积小于回波块面积阈值或者回波的平均回波强度大于平均回波强度阈值的回波块识别为被漏判的地物回波。
优选地，回波块的面积为：
N为回波块中回波段的个数；
Gate_Start为回波段i起始库距雷达距离，Gate_End为回波段i终止库距雷达距离，DAZ为回波段i方位角分辨率。
本发明还公开了一种面向电力系统的雷达地物回波识别方法，所述系统包括：
资料获取模块，用于获取并预处理雷达资料，所述雷达资料包括回波强度、径向速度和速度谱宽；
物理量计算模块，用于根据雷达资料计算各个回波点表示地物回波和降水回波差异的物理量；
隶属函数设置模块，用于根据各物理量的概率分布研究，设置各物理量的隶属函数；
判据计算模块，用于采用隶属函数对物理量计算模块的物理量进行模糊化处理，计算各物理量的判据，对判据进行加权累加，得到各个回波点所有物理量对于地物回波和降水回波的判据；
识别模块，用于根据判据计算模块判据识别地物回波，当某回波点的地物回波的判据超过设定阈值时，该回波点被识别为地物。
本申请所达到的有益效果：
1.本发明所公开方法面向电力系统生产，切实解决了由于地物回波带来的短临预警误判误报带来的生产安全和应急资源浪费，进而在技术上保障了点电力生产安全有序开展。
2.本发明可以根据地理和电磁情况，适当调整地物识别的阈值，能够更好地适应属地环境，拥有一定的普适性。
3.本发明增加了二次识别功能，能进一步提高地物回波识别准确率，为电网防灾减灾工作提供了很好的技术支持。
附图说明
图1是本发明一种面向电力系统的雷达地物回波识别方法的流程图；
图2是本发明梯形折线表示的各个量的隶属函数示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
本发明的地物回波识别算法是基于模糊逻辑的地物回波识别方法。模糊逻辑方法就是：从雷达资料(回波强度、径向速度和速度谱宽)中提取用于区分不同雷达回波如降水回波、地物回波等的物理量，然后根据降水回波、地物回波的特征设置隶属函数，对物理量进行模糊化处理，得到所有物理量对于不同类型回波的0-1取值范围的判据，该判据越大，该回波点属于这种类型回波的可能就越大。当某回波点的地物回波的判据超过事先给定的阈值时，该回波点就被识别为地物。
如图1所示，本发明的一种面向电力系统的雷达地物回波识别方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：获取并预处理雷达资料，所述雷达资料包括回波强度、径向速度和速度谱宽，具体包括：
步骤1.1：雷达资料获取与配对：
雷达的一次扫描任务产生一批雷达数据，天气雷达的工作方式是通过雷达天线转动一圈进行一次扫描，一次任务需要雷达天线转很多圈，转一圈即获取一层数据，然后通过调整雷达天线仰角再进行下一圈扫描获取下一层数据，一次扫描任务而言需要转很多圈(大概29圈)，第一层第二层数据对于本发明更具价值。
由于新一代天气雷达，如SA雷达和WSR-88D雷达在第一层和第二层是分别获取回波强度和径向速度的，回波强度和径向速度的资料不是一一对应的，而且，在计算GDBZ参量时还要对比上下两层的回波强度，为此，将两层的回波强度、径向速度和速度谱宽资料进行径向处理，按照1°的间隔顺次排列所述雷达资料，以满足同一回波点回波强度、径向速度和速度谱宽资料的对应，以及不同层次回波强度的对应；
步骤1.2：雷达资料滤波：
用中值滤波的方法处理径向速度和速度谱宽资料，滤掉噪声，以用于计算区域的径向速度平均值MDVE。
区域内噪声数据即该点的数据数值大小比周围数值大(或者小)，采用中值滤波将此范围的数据进行大小排序，然后把最大值和最小值用排序数据的中间位置的数据进行代替。
步骤2：根据雷达资料计算各个回波点表示地物回波和降水回波差异的物理量；
步骤2具体实施时，根据回波强度计算的物理量有：
回波强度的纹理：TDBZ、垂直变化：GDBZ、沿径向的库间变化程度：SPIN；
根据径向速度和速度谱宽计算的物理量有：
径向速度的区域平均值：MDVE、方差：SDVE、速度谱宽的区域平均值：MDSW；
利用这些来表示地物和降水回波的回波强度、径向速度和速度谱宽的取值范围及其水平和垂直方向的变化的特征。
一般来讲，径向速度的区域平均值MDVE接近零，速度谱宽(MDSW)比较小，TDBZ比较大，而水平比较均匀的层状云降水的该值比较小。
因为地物经常出现在低层，而且上一层的回波强度远远小于本次的回波强度，所以地物的GDBZ为负，且绝对值比较大；而较强的对流性降水的GDBZ的绝对值就比较小，接近零；
SPIN表示沿径向的库间变化程度；
在实际计算这些参数过程中，针对SA雷达观测模式的特点，采取了如下计算方法：
GDBZ＝w(R)(Zup-Zlow) (2)
TDBZ反映回波强度的局地变化大小，NA、NR表示在方位和距离方向定义的计算范围；Zi,j为方位和距离方向定义的计算范围中任意回波点(i，j)的回波强度；假设一个计算平面(区域)由NA(可以理解为长，单位为大概0.01度或者1公里)和NR(可以理解为宽)，i就是1到NA范围内变化的变量，j就是1到NR范围内变化的变量。
GDBZ反映回波强度的垂直变化，Zup、Zlow为对应的本层和上层PPI的回波强度；W(R)表示与距离有关的权重；PPI即平面位置显示产品，指的是雷达在某个仰角上(即某一层)扫描一圈得到的数据。
SPIN为沿径向的库间变化程度，Zthresh为库间回波强度变化的阈值，取2-5dB；
SDVE为径向速度的方差，MDVEi,j表示某回波点经过中值滤波处理的径向速度值。
根据回波强度计算的物理量，NA＝3，NR＝3；
根据径向速度和速度谱宽计算的物理量，NA＝3，NR＝9。此数值范围根据专家经验设定，此设定对于提高地物回波识别准确度有较好效果，在这些范围内，有效数据超过一定范围的才进行参量计算。例如一个200公里*200公里的平面，而对于地物回波而言范围较小，于是在计算过程中限定了一次地物识别范围即3公里*3公里和3*9的区域，这个数据是经验数据。当然对于一批数据需要进行很多次迭代逐个去地物回波识别计算。
步骤3：根据各物理量的概率分布研究，设置各物理量的隶属函数；
隶属函数根据样本的概率分布统计、判断或者拟合而来。
概率分布是就是在研究过程中各物理量样本的实际分布情况，是隶属函数的研究过程表述，隶属函数即根据研究物理量样本的概率分布情况经过统计、判断和拟合而得到的结果的数学表达式。
具体实施时，用梯形折线表示各物理量的隶属函数，如图2所示，图2(c)的SW表示MDSW。
步骤4：采用隶属函数对步骤2的物理量进行模糊化处理，计算各物理量的判据，对判据进行加权累加，得到各个回波点所有物理量对于地物回波和降水回波的判据；
通过某一个物理量得到的判据一般简单结算结果是1或者0，但现实情况是复杂的并非0和1而是0-1之间无限取值的一个模糊集合，这样更加科学合理。而隶属函数就是将物理量模糊处理的方式，也表达了物理量与模糊判据之间的关系。从而得到计算各物理量的判据(0-1之间的模糊集合的一个数值，而不是0或1)，从而更加科学地处理物理量和盘踞之间的关系，能够更好地提升地物回波的识别效果。
步骤4中，每个隶属函数对应的判据权重相同，则每个回波点地物的判据值范围为0-1，该值越大，对应回波点为地物的可能性就越大，反之，是降水回波或其它回波的可能性就越大。
对于径向速度的距离模糊区，只计算TDBZ、GDBZ、SPIN。
研究发现，针对径向速度的距离模糊区，TDBZ、GDBZ、SPIN与地物回波存在较好的关联性，能够较好地表征和识别地物回波，步骤4只计算三种的判据时，输出各回波点三种物理量加权结果，其他区域仍计算6种。
所述距离模糊是指在脉冲雷达中，当目标雷达的距离大于脉冲重复周期所对应的最大距离时，目标回波不落在本周期内，此时测得的目标距离为非真实距离，成为距离模糊，此时所测的径向速度即处在距离模糊区内。
步骤5：根据步骤4判据识别地物回波，当某回波点的地物回波的判据超过设定阈值(例如0.5)时，该回波点被识别为地物，这个回波点就被设置为无效数据。
正常的回波可以表征天气的，是有意义的。识别为地物回波的回波点是对于雷达监测而言是错误的雷达数据，因此地物的回波点在被正确识别后将会被标记为无效数据，不参与天气预测和灾害预警的计算，这也是本发明的意义。
进一步的，本发明具体实施时：
a)根据情况，适当调整地物识别的阈值，尽量满足电力应用的需求；
b)增加了二次识别功能：
采用SCIT方法将经过地物识别后的回波组合成片，形成一个一个相对独立的回波块，然后使用回波块面积、回波的平均回波强度作为识别条件，将回波块面积小于回波块面积阈值或者回波的平均回波强度大于平均回波强度阈值的回波块识别为被漏判的地物回波。
回波块的面积为：
N为回波块中回波段的个数；
Gate_Start为回波段i起始库距雷达距离，Gate_End为回波段i终止库距雷达距离，DAZ为回波段i方位角分辨率。
本发明的一种面向电力系统的雷达地物回波识别方法，包括：
资料获取模块，用于获取并预处理雷达资料，所述雷达资料包括回波强度、径向速度和速度谱宽；
物理量计算模块，用于根据雷达资料计算各个回波点表示地物回波和降水回波差异的物理量；
隶属函数设置模块，用于根据各物理量的概率分布研究，设置各物理量的隶属函数；
判据计算模块，用于采用隶属函数对物理量计算模块的物理量进行模糊化处理，计算各物理量的判据，对判据进行加权累加，得到各个回波点所有物理量对于地物回波和降水回波的判据；
识别模块，用于根据判据计算模块判据识别地物回波，当某回波点的地物回波的判据超过设定阈值时，该回波点被识别为地物。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种面向电力系统的雷达地物回波识别方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
步骤1：获取并预处理雷达资料，所述雷达资料包括回波强度、径向速度和速度谱宽；
步骤2：根据雷达资料计算各个回波点表示地物回波和降水回波差异的物理量；
步骤3：根据各物理量的概率分布研究，设置各物理量的隶属函数；
步骤4：采用隶属函数对步骤2的物理量进行模糊化处理，计算各物理量的判据，对判据进行加权累加，得到各个回波点所有物理量对于地物回波和降水回波的判据；
步骤5：根据步骤4判据识别地物回波，当某回波点的地物回波的判据超过设定阈值时，该回波点被识别为地物。
2.根据权利要求1所述的一种面向电力系统的雷达地物回波识别方法，其特征在于：
步骤1具体包括：
步骤1.1：雷达资料获取与配对：
将天气雷达在第一层和第二层获取的雷达资料进行径向处理，按照1°的间隔顺次排列所述雷达资料，以满足同一回波点回波强度、径向速度和速度谱宽资料的对应，以及不同层次回波强度的对应；
步骤1.2：雷达资料滤波：
用中值滤波的方法处理径向速度和速度谱宽资料，滤掉噪声，以用于计算区域的径向速度平均值MDVE。
3.根据权利要求1所述的一种面向电力系统的雷达地物回波识别方法，其特征在于：
步骤2中，根据回波强度计算的物理量有：
回波强度的纹理：TDBZ；
回波强度的垂直变化：GDBZ；
回波强度沿径向的库间变化程度：SPIN；
根据径向速度和速度谱宽计算的物理量有：
径向速度的区域平均值：MDVE；
径向速度方差：SDVE；
径向速度谱宽的区域平均值：MDSW；
其中，
GDBZ＝w(R)(Zup-Zlow) (2)
TDBZ反映回波强度的局地变化大小，NA和NR分别表示在方位和距离方向定义的计算范围；Zi,j为方位和距离方向定义的计算范围中任意回波点(i，j)的回波强度；
GDBZ反映回波强度的垂直变化，Zup、Zlow为对应的本层和上层PPI的回波强度；W(R)表示与距离有关的权重；
SPIN为回波强度沿径向的库间变化程度，Zthresh为库间回波强度变化的阈值；
SDVE为径向速度的方差，MDVEi,j表示某回波点经过中值滤波处理的径向速度值。
4.根据权利要求3所述的一种面向电力系统的雷达地物回波识别方法，其特征在于：
根据回波强度计算的物理量，NA＝3，NR＝3；
根据径向速度和速度谱宽计算的物理量，NA＝3，NR＝9。
5.根据权利要求1所述的一种面向电力系统的雷达地物回波识别方法，其特征在于：
步骤4中，每个隶属函数对应的判据权重相同，则每个回波点地物的判据值范围为0-1，该值越大，对应回波点为地物的可能性就越大，反之，是降水回波或其它回波的可能性就越大。
6.根据权利要求1所述的一种面向电力系统的雷达地物回波识别方法，其特征在于：
步骤4中，对于径向速度的距离模糊区，只计算TDBZ、GDBZ、SPIN。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种面向电力系统的雷达地物回波识别方法，其特征在于：
所述方法还包括：
采用SCIT方法将经过地物识别后的回波组合成片，形成一个一个相对独立的回波块，然后使用回波块面积、回波的平均回波强度作为识别条件，将回波块面积小于回波块面积阈值或者回波的平均回波强度大于平均回波强度阈值的回波块识别为被漏判的地物回波。
8.根据权利要求7所述的一种面向电力系统的雷达地物回波识别方法，其特征在于：
回波块的面积为：
N为回波块中回波段的个数；
Gate_Start为回波段i起始库距雷达距离，Gate_End为回波段i终止库距雷达距离，DAZ为回波段i方位角分辨率。
9.一种面向电力系统的雷达地物回波识别系统，其特征在于：
所述系统包括：
资料获取模块，用于获取并预处理雷达资料，所述雷达资料包括回波强度、径向速度和速度谱宽；
物理量计算模块，用于根据雷达资料计算各个回波点表示地物回波和降水回波差异的物理量；
隶属函数设置模块，用于根据各物理量的概率分布研究，设置各物理量的隶属函数；
判据计算模块，用于采用隶属函数对物理量计算模块的物理量进行模糊化处理，计算各物理量的判据，对判据进行加权累加，得到各个回波点所有物理量对于地物回波和降水回波的判据；
识别模块，用于根据判据计算模块判据识别地物回波，当某回波点的地物回波的判据超过设定阈值时，该回波点被识别为地物。
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| CN202110398675.6A Pending CN113219463A (zh) | 2021-04-12 | 2021-04-12 | 一种面向电力系统的雷达地物回波识别方法和系统 |
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| Country | Link |
|---|---|
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113885005A (zh) * | 2021-09-29 | 2022-01-04 | 中国气象科学研究院 | 径向干扰回波的识别方法、装置、电子设备和存储介质 |
| CN115269582A (zh) * | 2022-09-26 | 2022-11-01 | 中国民用航空局空中交通管理局航空气象中心 | 一种用于航空雷达数据的归一化方法及系统 |
| CN116679291A (zh) * | 2023-07-27 | 2023-09-01 | 北京宏景智驾科技有限公司 | 超声波雷达防误报控制方法和装置及计算机可读存储介质 |
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| CN106872973A (zh) * | 2017-04-26 | 2017-06-20 | 福建省龙岩市气象局 | 利用cinrad/sa天气雷达监测和跟踪林火回波的方法 |
-
2021
- 2021-04-12 CN CN202110398675.6A patent/CN113219463A/zh active Pending
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