CN114660591A - 一种基于多部天气雷达三维组网生成方法 - Google Patents

一种基于多部天气雷达三维组网生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于多部天气雷达三维组网生成方法，涉及气象雷达技术领域，所述三维组网生成方法包括：S1、分析组网雷达的数据探测范围，计算组网总网格范围及网格点数，最大探测高度及高度层数；S2、计算单部雷达在不同海拔高度层的数据；S3、计算单部雷达各个海拔高度层的数据与总网格的对应关系；S4、计算多部雷达在各个海拔高度层的融合数据，得到多部天气雷达的三维组网数据。本发明具有根据组网雷达个数动态计算组网网格大小，所有组网雷达独立处理各层数据及映射关系加快计算速度，快速处理多雷达重复覆盖区域的数据。

Description

一种基于多部天气雷达三维组网生成方法
技术领域
本发明涉及气象雷达技术领域，尤其涉及一种基于多部天气雷达三维组网生成方法。
背景技术
天气雷达回波以及相关产品可对中小尺度的强对流天气进行有效监测，目前全国已有上百部建成的新一代天气雷达，由于雷达的体积扫描模式（如VCP21）、地形遮挡、地球曲率等因素，导致远距离雷达探测存在近地面盲区，以及近高度锥形区的盲区，于是采用多部天气雷达组网，相互补盲从而减少探测盲区，但是，以往的天气雷达组网是二维平面的形式，无高度层的空间分布信息，影响对强对流天气的分析；因此，如何解决现有采用多部天气雷达组网的方式无高度层的空间分布信息，影响对强对流天气的分析的问题，是目前需要考虑的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种基于多部天气雷达三维组网生成方法，解决了现有采用多部天气雷达组网的方式无高度层的空间分布信息，影响对强对流天气的分析的问题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于多部天气雷达三维组网生成方法，所述三维组网生成方法包括：
S1、分析组网雷达的数据探测范围，计算组网总网格范围及网格点数，最大探测高度及高度层数；
S2、计算单部雷达在不同海拔高度层的数据；
S3、计算单部雷达各个海拔高度层的数据与总网格的对应关系；
S4、计算多部雷达在各个海拔高度层的融合数据，得到多部天气雷达的三维组网数据。
所述计算组网总网格范围及网格点数，最大探测高度及高度层数包括：
S11、根据动态输入的雷达站点的体扫数据，获取每个雷达站包括站点经纬度和最大探测距离的基本信息，判断每个雷达站点经纬度值大小，获取最小经度minLon、最大经度maxLon、最小纬度minLat和最大纬度maxLat，遍历所有雷达站点的最大探测距离，得到所有雷达站点中的最大探测距离的最大值maxD；
S12、将最小经度minLon、最大经度maxLon、最小纬度minLat和最大纬度maxLat都向外延伸最大探测距离的最大值maxD，得到此时的最小经度minLonPZ、最大经度maxLonPZ、最小纬度minLatPZ和最大纬度maxLatPZ，根据最小经度minLonPZ、最大经度maxLonPZ、最小纬度minLatPZ和最大纬度maxLatPZ封闭的区域作为组网网格经纬度范围；
S13、根据组网网格经纬度范围以及网格分辨率LenofWin，计算二维平面上的横向网格数MaxWidth=（maxLon-minLon）/ LenofWin和纵向网格数MaxHeight=（maxLat-minLat）/ LenofWin；
S14、根据获取的每个雷达站包括站点经纬度和最大探测距离结合雷达海拔高度和探测距离得到以海平面为基准的三维组网的最大探测高度maxH；
S15、根据最大探测高度maxH和高度分辨率LenofHei计算三维网格的高度层数HeightNum= maxH/ LenofHei；
S16、融合所有高度层的二维平面形成三维组网网格，三维组网网格总数为MaxWidth* MaxHeight* HeightNum，每个网格点保存雷达的一个回波数据。
所述计算单部雷达在不同海拔高度层的数据包括：
S21、根据测高公式计算在CAPPI面上某一径向上点A的仰角a；
S22、判断点A的仰角a与体扫各层仰角的关系，根据仰角关系进行内插取值；
S23、对每个径向上每个扫描点都执行步骤B1和B2进行计算得到各个高度层的数据。
所述根据仰角关系进行内插取值包括：如果仰角a等于某一仰角值，则直接取相应仰角上的值为点A的CAPPI值；如果仰角a小于最低体扫仰角值，则取最低仰角PPI上的值该点的CAPPI值；如果仰角a大于最高体扫仰角值，则视点A无回波值；如果仰角a在两个体扫描仰角之间，则进行线性插值。
所述计算单部雷达各个海拔高度层的数据与总网格的对应关系包括：
S31、根据雷达最大探测距离，以外接正方形形式计算当前雷达探测的经纬度范围，形成单部雷达的网格；
S32、根据单部雷达探测经纬度范围对应到组网网格的位置关系，位置关系包括起始网格序号、结束网格序号、横向和纵向网格数；
S33、根据每个扫描点的方位和距离雷达中心的距离计算每一个扫描点对应的经纬度值，计算获取单部雷达不同高度层上的网格数据，再根据单部雷达网格与组网网格对应关系将单部雷达数据融合到组网网格中。
所述计算多部雷达在各个海拔高度层的融合数据包括：
S41、获取落在当前二维平面网格单元内的所有雷达站点对应的CAPPI结果值；
S42、对获取的CAPPI结果值通过公式
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
进行数据融合处理，得到当前网格单元的最终结果值，当所有层的网格单元都处理完成后即可得到完整的多部天气雷达三维组网网格数据结果，其中，
Figure 511253DEST_PATH_IMAGE002
表示单元网格中来自第n个雷达的分析值，wn为对应给与的权重，Nrad为网格单元处有分析值的雷达总个数。
如果Nrad=0，直接将网格单元值赋值为无效值；如果Nrad=1，那么网格单元值直接等于对应雷达分析值；如果Nrad＞1，采用最大值法对多个雷达的分析值的权重平均进行融合处理，即覆盖同一网格单元的多个雷达反射率分析值中的最大值的权重赋值为1，其他的权重全赋值为0，也就是把覆盖同一网格单元的多个雷达反射率分析值中的最大值赋值给网格单元。
本发明具有以下优点：一种基于多部天气雷达三维组网生成方法，具有根据组网雷达个数动态计算组网网格大小，所有组网雷达独立处理各层数据及映射关系加快计算速度，快速处理多雷达重复覆盖区域的数据。
附图说明
图1 为本发明的流程示意图；
图2 为VCP21扫描模式下的9个仰角及在标准大气下的波束传播路径示意图；
图3 为两部雷达在VCP21扫描模式下组网覆盖情况示意图；
图4 为多部雷达组网经纬度范围计算关系示意图；
图5 为经纬度和距离计算示意图；
图6 为地球简易图；
图7 为多部雷达组网高度范围计算关系示意图；
图8 为CAPPI计算示意图；
图9 为单雷达经纬度范围映射网格数据示意图；
图10为三维组网网格数据示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1所示，本发明涉及提出一种基于多部天气雷达三维组网生成方法，该方法具有根据组网雷达个数动态计算组网网格大小，所有组网雷达独立处理各层数据及映射关系加快计算速度，快速处理多雷达重复覆盖区域的数据。该方法包含以下步骤：
S1、分析组网雷达的数据探测范围，计算组网总网格范围及网格点数，最大探测高度及高度层数；
S2、计算单部雷达在不同海拔高度层的数据；
S3、计算单部雷达各个海拔高度层的数据与总网格的对应关系；
S4、计算多部雷达在各个海拔高度层的融合数据，得到多部天气雷达的三维组网数据，为强对流天气监测和分析提供更为丰富的天气雷达数据支持。
如图2所示，单部天气雷达基数据大多都是VCP21体扫数据，由于扫描方式的局限性，在最高扫描19.5°仰角以上和最低扫描仰角0.5°以下有资料空白区（图1中灰色区域），仰角之间也有间隙，还受分辨率、探测范围和地形阻挡等影响，导致资料不完整，而多部雷达组网拼图则可以弥补单部雷达的资料空白区，如图3所示，表示两部雷达的VCP21的扫描范围，相对于图2明显改善单部雷达的资料空白区域。
进一步地，计算组网总网格范围及网格点数，最大探测高度及高度层数具体包括：
由于参与拼图的雷达个数根据实时扫描情况动态输入，导致组网拼图经纬度范围和最大探测高度可能不一致，所以需要动态计算组网经纬度网格范围及网格数，最大探测高度及高度层数。
根据动态输入的雷达站点（R1、R2、R3、R4等）的体扫数据，获取每个雷达站的基本信息，包括站点经纬度和最大测距；然后判断站点经纬度值大小，获取最小经度minLon、最大经度maxLon、最小纬度minLat、最大纬度maxLat，如图 4的虚线所表示得到站点经纬度的范围；遍历所有雷达站点的最大探测距离，得到所有雷达站点中的最大探测距离的最大值maxD。
然后根据站点经纬度的范围外扩最大测距，获取组网网格的经纬度范围，即最小经度minLonPZ、最大经度maxLonPZ、最小纬度minLatPZ、最大纬度(maxLatPZ)。假设小范围内，经纬度线近似于直线，故可采用左上角点和右下角点外扩最大测距，得到最大最小经纬度值作为组网网格的经纬度范围。
如图5和图6所示，假设方位角是α，那从点1到点2的平移距离分别为d*sinα， d*cosα，这里正北为0度，其中点1经纬度（long1, lat1）和距离d是已知的，求点2的经纬度（long2,lat2）。但是考虑地球是个椭球体，这里取地球平均半径ARC=6371km，arc为对应纬度圈上的球半径，其具体的计算步骤如下：
A1、计算第二点的经度，就是水平平移的距度d*sinα除以当前纬度切面周长2π*ARC，再每乘以360度，就知道了水平横向平移了多少度，再加上long1，就是long2的值，即long2=long1+d*sinα/[ARC*cos(lat1)*2π/360]。
A2、计算第二点的纬度，比较简单，就是垂直平移的距离d（d*cosα）除以地球纵向周长，再乘上360度，就知道纵向平移了多少度，再加上lat1，就知道lat2的值，即lat2=lat1+d*cosα/[ARC*2π/360]。
最后，根据组网网格经纬度范围，以及网格分辨率LenofWin，计算二维平面上的横向网格数MaxWidth=（maxLon-minLon）/ LenofWin和纵向网格数MaxHeight=（maxLat-minLat）/ LenofWin。
另外，根据动态输入的雷达站点数据（R1、R2、R3、R4等），获取每个雷达站的基本信息，包括站点经纬度和最大探测距离，如图7所示，例如D1、D2、D3和D4为雷达站点R1、R2、R3和R4的最大探测距离，结合雷达海拔高度和探测距离，得到以海平面为基准的三维组网的最大探测高度maxH。
根据已计算的最大探测高度maxH和预设的高度分辨率LenofHei，计算三维网格的高度层数HeightNum= maxH/ LenofHei。
最后，所有高度层的二维平面融合，形成三维组网网格体系，三维组网网格总数为：MaxWidth* MaxHeight* HeightNum，每个三维网格的格点用于保存雷达的一个回波数据。
进一步地，计算单部雷达在不同海拔高度层的数据的具体内容如下：
根据三维组网中各个高度层对应海拔高度，应用测高公式选取临近该高度平面上的上下两个仰角相应雷达测距上的数据，然后用内插方法得到该高度上的数据，即等高平面位置显示（CAPPI）。
B1、如图8所示，根据测高公式计算CAPPI面上某径向上点A的仰角，测高公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其中，h为CAPPI高度，a为点A所在的仰角，SlatRan为点A到雷达中心的径向距离，H为站点天线海拔高度，R为地球平均半径；
B2、判断点A的仰角a与体扫各层仰角的关系；
B3、根据仰角关系进行内插取值；
如果a刚好等于某仰角值，则直接取相应仰角上的值为点A的CAPPI值；如果a小于最低体扫仰角值，则取最低仰角PPI上的值为该点的CAPPI值；如果a大于最高体扫仰角值，则视点A无回波值；如果a在两个体扫仰角之间，则进行线性插值。
B4、对每个径向每个扫描点都通过步骤B1-B3进行计算。
线性插值：如图7所示，如果a在两个体扫仰角（a1，a2）之间，则对点A进行垂直方向上线性插值。首先根据点A、B、E所对应的水平距离相同，计算出B、E在对应仰角层对应的径向距离和到水平面的高度，再判断点B、E对应的回波值是否有效，最后根据高度权重进行插值。
进一步地，计算单部雷达各个海拔高度层的数据与总网格的对应关系具体包括以下内容：
由于雷达体积扫描形式（如VCP21模式）决定雷达数据为三维锥面的极坐标形式，导致单部雷达计算得到的CAPPI结果也是极坐标形式的（投影到平面，仰角为0），与三维组网网格的笛卡尔坐标不一致，需要进行坐标转换。
已知单部雷达的站点经纬度，首先根据雷达最大探测距离，以外接正方形形式，计算当前雷达探测的经纬度范围，计算方法同组网网格范围计算，形成单部雷达的网格。然后根据单部雷达探测经纬度范围，对应组网网格位置关系，包括起始、结束网格序号，横向、纵向网格数。
如图9所示，根据每个扫描点的方位、离雷达中心的距离，可利用公式long2=long1+d*sinα/[ARC*cos(lat1)*2π/360]和lat2=lat1+d*cosα/[ARC*2π/360]，计算每一个扫描点对应的经纬度值，获取单部雷达不同高度层上的网格数据，再根据单部雷达网格与组网网格对应关系，将单部雷达数据融合到组网网格中。
图中R为示例雷达站点，A、B、C、D为雷达在高度层H（指任意高度）所计算出的反射率数据，A1、B1、C1、D1为雷达映射到高度层H的组网网格位置。由于多个高度层上的CAPPI对应于网格的位置是固定的，所以考虑将每一部雷达的极坐标与组网网格的笛卡尔坐标对应关系保存到缓存，不再重复计算，加快计算效率。
进一步地，计算多部雷达在各个海拔高度层的融合数据，得到多部天气雷达的三维组网数据具体包括以下内容：
在三维组网网格的很多区域，特别是在对流层中高层，有来自多个雷达的资料重叠区，在每个高度层上的组网网格中的每个单元点的值需要通过以下公式进行合成：
Figure 439458DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 975613DEST_PATH_IMAGE002
是单元网格中来自第n个雷达的分析值，wn为对应给与的权重，Nrad为网格单元处有分析值的雷达总个数。
为了避免噪声的干扰，反射率小于0dBZ的格点认为无回波点。如果Nrad=0，那么该网格点不被任何一个雷达覆盖，直接赋值为无效值；如果Nrad=1，那么网格单元值直接等于对应雷达分析值；如果Nrad＞1，需要对多个雷达的分析值的权重平均进行融合处理。目前采用最大值法，即覆盖同一网格单元的多个雷达反射率分析值中的最大值的权重赋值为1，其他的权重全赋值为0，也就是把覆盖同一网格单元的多个雷达反射率分析值中的最大值赋值给网格单元。
如图10所示，针对三维组网网格不同的高度层（H1，H2…Hn）进行分别处理，各个层的间隔为预设的高度分辨率，即对每一个高度层上的二维网格（MaxWidth* MaxHeight）内的数据进行识别结果值融合分析，首先获取可落在当前二维平面网格单元内的所有雷达站点对应的CAPPI结果值，然后对这些结果值进行上述数据融合处理，得到当前网格单元的最终结果值。当所有层的网格单元处理完成，即可得到完整的多部天气雷达三维组网网格数据结果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于多部天气雷达三维组网生成方法，其特征在于：所述三维组网生成方法包括：
S1、分析组网雷达的数据探测范围，计算组网总网格范围及网格点数，最大探测高度及高度层数；
S2、计算单部雷达在不同海拔高度层的数据；
S3、计算单部雷达各个海拔高度层的数据与总网格的对应关系；
S4、计算多部雷达在各个海拔高度层的融合数据，得到多部天气雷达的三维组网数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于多部天气雷达三维组网生成方法，其特征在于：所述计算组网总网格范围及网格点数，最大探测高度及高度层数包括：
S11、根据动态输入的雷达站点的体扫数据，获取每个雷达站包括站点经纬度和最大探测距离的基本信息，判断每个雷达站点经纬度值大小，获取最小经度minLon、最大经度maxLon、最小纬度minLat和最大纬度maxLat，遍历所有雷达站点的最大探测距离，得到所有雷达站点中的最大探测距离的最大值maxD；
S12、将最小经度minLon、最大经度maxLon、最小纬度minLat和最大纬度maxLat都向外延伸最大探测距离的最大值maxD，得到此时的最小经度minLonPZ、最大经度maxLonPZ、最小纬度minLatPZ和最大纬度maxLatPZ，根据最小经度minLonPZ、最大经度maxLonPZ、最小纬度minLatPZ和最大纬度maxLatPZ封闭的区域作为组网网格经纬度范围；
S13、根据组网网格经纬度范围以及网格分辨率LenofWin，计算二维平面上的横向网格数MaxWidth=（maxLon-minLon）/ LenofWin和纵向网格数MaxHeight=（maxLat-minLat）/LenofWin；
S14、根据获取的每个雷达站包括站点经纬度和最大探测距离结合雷达海拔高度和探测距离得到以海平面为基准的三维组网的最大探测高度maxH；
S15、根据最大探测高度maxH和高度分辨率LenofHei计算三维网格的高度层数HeightNum= maxH/ LenofHei；
S16、融合所有高度层的二维平面形成三维组网网格，三维组网网格总数为MaxWidth*MaxHeight* HeightNum，每个网格点保存雷达的一个回波数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于多部天气雷达三维组网生成方法，其特征在于：所述计算单部雷达在不同海拔高度层的数据包括：
S21、根据测高公式计算在CAPPI面上某一径向上点A的仰角a；
S22、判断点A的仰角a与体扫各层仰角的关系，根据仰角关系进行内插取值；
S23、对每个径向上每个扫描点都执行步骤S21和S22进行计算得到各个高度层的数据。
4.根据权利要求3所述的一种基于多部天气雷达三维组网生成方法，其特征在于：所述根据仰角关系进行内插取值包括：如果仰角a等于某一仰角值，则直接取相应仰角上的值为点A的CAPPI值；如果仰角a小于最低体扫仰角值，则取最低仰角PPI上的值该点的CAPPI值；如果仰角a大于最高体扫仰角值，则视点A无回波值；如果仰角a在两个体扫描仰角之间，则进行线性插值。
5.根据权利要求1所述的一种基于多部天气雷达三维组网生成方法，其特征在于：所述计算单部雷达各个海拔高度层的数据与总网格的对应关系包括：
S31、根据雷达最大探测距离，以外接正方形形式计算当前雷达探测的经纬度范围，形成单部雷达的网格；
S32、根据单部雷达探测经纬度范围对应到组网网格的位置关系，位置关系包括起始网格序号、结束网格序号、横向和纵向网格数；
S33、根据每个扫描点的方位和距离雷达中心的距离计算每一个扫描点对应的经纬度值，计算获取单部雷达不同高度层上的网格数据，再根据单部雷达网格与组网网格对应关系将单部雷达数据融合到组网网格中。
6.根据权利要求1所述的一种基于多部天气雷达三维组网生成方法，其特征在于：所述计算多部雷达在各个海拔高度层的融合数据包括：
S41、获取落在当前二维平面网格单元内的所有雷达站点对应的CAPPI结果值；
S42、对获取的CAPPI结果值通过公式
Figure DEST_PATH_IMAGE001
进行数据融合处理，得到当前网格单元的最终结果值，当所有层的网格单元都处理完成后即可得到完整的多部天气雷达三维组网网格数据结果，其中，
Figure 99972DEST_PATH_IMAGE002
表示单元网格中来自第n个雷达的分析值，wn为对应给与的权重，Nrad为网格单元处有分析值的雷达总个数。
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