CN115825989A - 一种基于激光测风雷达ppi扫描模式的蛛网告警方法 - Google Patents

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CN115825989A CN202211280291.5A CN202211280291A CN115825989A CN 115825989 A CN115825989 A CN 115825989A CN 202211280291 A CN202211280291 A CN 202211280291A CN 115825989 A CN115825989 A CN 115825989A
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刘宗毅
廖斌
张鹏飞
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Abstract

本发明属于气象技术领域，具体而言涉及一种基于激光测风雷达PPI扫描模式的蛛网告警方法，包括：步骤1、利用激光测风雷达PPI扫描模式收集告警点风速风向值；步骤2、基于告警点风速风向值获取周围风速风向值及各分量风速风向值；步骤3、基于告警点和周围各分量风速风向值采用差值法计算差值结果，并与预先设定的阀值进行比较确定告警点周围告警颜色。本发明的技术方案不同于RHI模式的垂直剖面和风廓线模式的雷达顶部，PPI模式扫描得到的是以雷达为顶点的锥面，能够测量范围更广的风场，并能够探测飞机起降过程中整个区域的风切变。

Description

一种基于激光测风雷达PPI扫描模式的蛛网告警方法
技术领域
本发明属于属于气象技术领域，具体而言涉及一种基于激光测风雷达PPI扫描模式的蛛网告警方法。
背景技术
航空气象中，把近地面高度在600m以下，一定距离内风矢量(风向、风速)在空中水平和(或)垂直距离上的变化称为低空风切变，其具有突发性强、生命期短、空域低、尺度小、强度大等特点。当飞机在空速小、距地高度低的起降阶段遭遇低空风切变时，风切变会瞬间改变飞机的稳定飞行姿态，造成飞机颠簸、摇摆甚至坠机，是公认的空中隐形杀手。目前中国机场常用的低空风切变探测设备有超声风速计、多普勒天气雷达(TDWR)、风廓线雷达(WPR)。超声风速计探测高度为10m，常多台布设于跑道两侧构成低空风切变告警系统(LLWAS)用于监测水平风切变，其监测高度受限，监测能力易受部署位置和数量的影响；多普勒天气雷达示踪物为大气云雨粒子，擅长探测由雷暴、锋面等系统性天气引发的低空风切变，对局地小尺度风切变、晴空湍流等监测能力不足；风廓线雷达示踪物为大气湍流，只能探测顶空区域风场，且低层风场易受地物杂波干扰可信度低，不利于识别低空风切变。激光测风雷达通过测量气溶胶粒子散射回波信号得到大气风场信息，作为新型风场探测手段，体积小、重量轻、抗干扰能力强、数据时空分辨率高，能提供十分精细的低空三维风场信息，可弥补传统设备在低空风切变识别能力上的不足，是目前晴空条件下识别低空风切变最有效的手段。
目前基于激光测风雷达的风切变告警主要依靠的是RHI模式和风廓线模式。RHI模式扫描得到的是风场的垂直剖面，首先使用径向数据插值得到网格数据，再利用网格数据中的每个点的风速风向值得到水平方向和垂直方向的分量，通过计算网格数据中某点和其相邻点的风速风向差值就能够进行风切变等级的判断。风廓线模式得到的是雷达顶部不同高度的风场随时间的变化，能够通过计算某个高度上的点以及它相邻的上下两个点的风速风向值的差值判断风切变等级，也能够计算相同点在相邻时刻之间的风速风向值差值判断风切变等级。但是还没有基于PPI模式的风切变告警。
如中国专利申请号为201810505403.X，公开了一种激光测风雷达侧向风测量装置，包括：激光测风雷达，所述激光测风雷达内的测风激光器发出的光射向正前方，用以检测前向风速；以及反射镜，所述反射镜处在测风激光器发出的光的光线传输路径上，所述反射镜将测风激光器发出的光的一部分反射到与正前方成β度角度的方向，其中β在0到180度的范围内。但是并没有提出一种基于激光测风雷达PPI扫描模式的蛛网告警方法。
又如中国专利申请号为202111642223.4公开了一种相干测风激光雷达，应用于测风激光雷达技术领域，脉宽调制器用于对激光器发出激光进行调制，使激光器发送激光脉冲串；激光脉冲串包括沿固定次序排列的至少两种激光脉冲，激光脉冲对应至少两种不同的脉冲宽度；处理器用于；获取回波脉冲串信号；回波脉冲串信号为激光收发系统发送激光脉冲串后接受到的对应的回波信号；根据固定次序对回波脉冲串信号进行解码处理，得到对应脉冲宽度的待处理数据；对待处理数据进行反演运算，得到各个脉冲宽度对应距离分辨率的大气参数，实现在工作时同时输出对应多种距离分辨率的数据，保证相干测风激光雷达具有较高的时间分辨率。该发明还提供了一种测量方法，同样具有上述有益效果。同样没有提出一种基于激光测风雷达PPI扫描模式的蛛网告警方法。
发明内容
为解决上述存在的问题，本发明提一种基于激光测风雷达PPI扫描模式的蛛网告警方法。
所述基于激光测风雷达PPI扫描模式的蛛网告警方法，包括：
步骤1、利用激光测风雷达PPI扫描模式收集告警点风速风向值；
步骤2、基于告警点风速风向值获取周围风速风向值及各分量风速风向值；
步骤3、基于告警点和周围各分量风速风向值采用差值法计算差值结果，并与预先设定的阀值进行比较确定告警点周围告警颜色。
进一步的，步骤1所述利用激光测风雷达PPI扫描模式收集告警点风速风向值包括：
步骤101、基于PPI扫描模式探测数据为径向速度的条件下，以激光测风雷达为探测点，按照从起始方位角到终止方位角每次方位角旋转角度值为6°步长的整数倍进行等分处理，共分为60个步长的径向线，每一条径向线和距离等值线的交点定义为告警点S(n，m)；
步骤102、基于探测距离一定的情况下，告警点S(n，m)中n和m的最大值已经确定，当n越小越靠近探测点，m在0°处为1，随着从起始方位角到终止方位角每次方位角旋转角度值为6°步长的整数倍进行等分处理时，每次增加6°步长，则m的值加1，利用激光测风雷达PPI扫描模式获取当前告警点S(n，m)的风速风向值。
进一步的，步骤2所述基于告警点风速风向值获取周围风速风向值及各分量风速风向值包括：
步骤201、基于当前告警点S(n，m)的风速风向值，记为v1，在n确定的情况下，采用PPI扫描模式获取前一个方位角对应点告警点S(n，m-1)的风速风向值和后一个方位角对应点告警点S(n，m+1)的风速风向值，分别记为v2和v3，同样，在m确定的情况下，获取当前告警点S(n，m)的前段告警点S(n-1，m)和后段告警点S(n+1，m)的风速风向值，分别记为v4和v5，其中，处于同一径向线上前段的告警点S(n-1，m)、当前告警点S(n，m)、告警点S(n+1，m)三者之间的距离是等间距，根据实际情况调整间距；
步骤202、基于上述五个风速风向值以跑道延长线为x轴，跑道垂直线为y轴，得出五个风速风向值对应的x方向分量，利用激光测风雷达PPI扫描模式获取当前告警点S(n，m)的风速风向值对应的x方向分量为
Figure BDA0003898011480000031
前一方位角对应的位置的S(n，m-1)的风速风向值对应的x方向分量为
Figure BDA0003898011480000032
后一方位角对应的位置的S(n，m+1)的风速风向值对应的x方向分量为
Figure BDA0003898011480000033
前段告警点S(n-1，m)的风速风向值对应的x方向分量为
Figure BDA0003898011480000034
后段告警点S(n+1，m)的风速风向值对应的x方向分量为
Figure BDA0003898011480000035
进一步的，步骤3所述基于告警点和周围各分量风速风向值采用差值法计算差值结果并与预先设定的阀值进行比较确定告警点周围告警颜色包括：
步骤301、将当前告警点S(n，m)周围四个点的X分量分别与当前告警点S(n，m)的X分量行差值，获取结果，如下式(1)～(4):
Figure BDA0003898011480000036
Figure BDA0003898011480000037
Figure BDA0003898011480000038
Figure BDA0003898011480000039
式中，Nn1为当前告警点S(n，m)与前一个方位角对应点告警点S(n，m-1)的风速风向值X分量差值，Nn2为前告警点S(n，m)与后一个方位角对应点告警点S(n，m+1)的风速风向值X分量差值，Mn1为为当前告警点S(n，m)与前段告警点S(n-1，m)的风速风向值X分量差值，Mn2为当前告警点S(n，m)与后段告警点S(n+1，m)的风速风向值X分量的差值；
步骤302、当Nn1、Nn2、Mn1、Mn2的任一值大于阀值a时，则告警点生效，告警点周边四个框均填充相应阈值的告警颜色。
与现有技术相比，本发明具有益效果如下：
1、所述基于激光测风雷达PPI扫描模式的蛛网告警的方法不同于RHI模式的垂直剖面和风廓线模式的雷达顶部，PPI模式扫描得到的是以雷达为顶点的锥面，能够测量范围更广的风场，能够探测飞机起降过程中整个区域的风切变。
2、基于激光测风雷达PPI扫描模式的蛛网告警，区别于RHI模式及风廓线模式的差值后两个值之间的方框告警，PPI模式告警采取点告警，某一点达到阈值后其四周方框均填充阈值相对应颜色，就像蜘蛛网一样。
附图说明
图1为所述基于激光测风雷达PPI扫描模式的蛛网告警方法的流程示意图；
图2为将PPI探测模式的结果划分的结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
如图1-2所示，所述基于激光测风雷达PPI扫描模式的蛛网告警方法，包括：
步骤1、利用激光测风雷达PPI扫描模式收集告警点风速风向值；
步骤101、基于PPI扫描模式探测数据为径向速度的条件下，以激光测风雷达为探测点按照从起始方位角到终止方位角每次方位角旋转角度值为6°步长的整数倍进行等分处理，共分为60个步长的径向线，每一条径向线和距离等值线的交点定义为告警点S(n，m)；
步骤102、基于探测距离一定的情况下，告警点S(n，m)中n和m的最大值已经确定，当n越小越靠近探测点，m在0°处为1，随着从起始方位角到终止方位角每次方位角旋转角度值为6°步长的整数倍进行等分处理时，每次增加6°步长，则m的值加1，利用激光测风雷达PPI扫描模式获取当前告警点S(n，m)的风速风向值。
步骤2、基于告警点风速风向值获取周围风速风向值及各分量风速风向值；
步骤201、基于当前告警点S(n，m)的风速风向值，记为v1，在n确定的情况下，采用PPI扫描模式获取前一个方位角对应点告警点S(n，m-1)的风速风向值和后一个方位角对应点告警点S(n，m+1)的风速风向值，分别记为v2和v3，同样，在m确定的情况下，获取当前告警点S(n，m)的前段告警点S(n-1，m)和后段告警点S(n+1，m)的风速风向值，分别记为v4和v5，其中，处于同一径向线上前段的告警点S(n-1，m)、当前告警点S(n，m)、告警点S(n+1，m)三者之间的距离是等间距，可根据实际情况调整间距；
步骤202、基于上述五个风速风向值以跑道延长线为x轴，跑道垂直线为y轴，得出五个风速风向值对应的x方向分量，利用激光测风雷达PPI扫描模式获取当前告警点S(n，m)的风速风向值对应的x方向分量为
Figure BDA0003898011480000051
前一方位角对应的位置的S(n，m-1)的风速风向值对应的x方向分量为
Figure BDA0003898011480000052
后一方位角对应的位置的S(n，m+1)的风速风向值对应的x方向分量为
Figure BDA0003898011480000053
前段告警点S(n-1，m)的风速风向值对应的x方向分量为
Figure BDA0003898011480000055
后段告警点S(n+1，m)的风速风向值对应的x方向分量为
Figure BDA0003898011480000054
步骤3、基于告警点和周围各分量风速风向值采用差值法计算差值结果并与预先设定的阀值进行比较确定告警点周围告警颜色。
步骤301、将当前告警点S(n，m)周围四个点的X分量分别与当前告警点S(n，m)的X分量行差值，获取结果，如下式(1)～(4):
Figure BDA0003898011480000056
Figure BDA0003898011480000057
Figure BDA0003898011480000058
Figure BDA0003898011480000059
式中，Nn1为当前告警点S(n，m)与前一个方位角对应点告警点S(n，m-1)的风速风向值X分量差值，Nn2为前告警点S(n，m)与后一个方位角对应点告警点S(n，m+1)的风速风向值X分量差值，Mn1为为当前告警点S(n，m)与前段告警点S(n-1，m)的风速风向值X分量差值，Mn2为当前告警点S(n，m)与后段告警点S(n+1，m)的风速风向值X分量的差值；
步骤302、当Nn1、Nn2、Mn1、Mn2的任一值大于阀值a时，则告警点生效，告警点周边四个框均填充相应阈值的告警颜色。
同理，y方向的分量也可以算出侧风切变的强弱。在此需要注意的是，由于PPI模式探测的面是一个扇形，因此相邻的两个点可以近似看作为均匀的，可以看作是水平面的风切变，距离较远的两个点之间进行计算没有太大的意义；如果不考虑气团是均匀的，探测数据也可以将一个点的数据作为其所在的小角度扇形面的平均风速，从而可以测算水平风的垂直切变。
以上所述，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公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于激光测风雷达PPI扫描模式的蛛网告警方法，其特征在于，包括：
步骤1、利用激光测风雷达PPI扫描模式收集告警点风速风向值；
步骤2、基于告警点风速风向值获取周围风速风向值及各分量风速风向值；
步骤3、基于告警点和周围各分量风速风向值采用差值法计算差值结果并与预先设定的阀值进行比较确定告警点周围告警颜色。
2.根据权利要求1所述的基于激光测风雷达PPI扫描模式的蛛网告警方法，其特征在于，步骤1所述利用激光测风雷达PPI扫描模式收集告警点风速风向值包括：
步骤101、基于PPI扫描模式探测数据为径向速度的条件下，以激光测风雷达为探测点按照从起始方位角到终止方位角每次方位角旋转角度值为6°步长的整数倍进行等分处理，共分为60个步长的径向线，每一条径向线和距离等值线的交点定义为告警点S(n，m)；
步骤102、基于探测距离确定的情况下，告警点S(n，m)中n和m的最大值已经确定，当n越小越靠近探测点，m在0°处为1，随着从起始方位角到终止方位角每次方位角旋转角度值为6°步长的整数倍进行等分处理时，每次增加6°步长，则m的值加1，利用激光测风雷达PPI扫描模式获取当前告警点S(n，m)的风速风向值。
3.根据权利要求1所述的基于激光测风雷达PPI扫描模式的蛛网告警方法，其特征在于，步骤2所述基于告警点风速风向值获取周围风速风向值及各分量风速风向值包括：
步骤201、基于当前告警点S(n，m)的风速风向值，记为v1，在n确定情况下，采用PPI扫描模式获取前一个方位角对应点告警点S(n，m-1)的风速风向值和后一个方位角对应点告警点S(n，m+1)的风速风向值，分别记为v2和v3，同样，在m确定的情况下，获取当前告警点S(n，m)的前段告警点S(n-1，m)和后段告警点S(n+1，m)的风速风向值，分别记为v4和v5，其中，处于同一径向线上前段的告警点S(n-1，m)、当前告警点S(n，m)、告警点S(n+1，m)三者之间的距离是等间距，可根据实际情况调整间距；
步骤202、基于上述五个风速风向值以跑道延长线为x轴，跑道垂直线为y轴，得出五个风速风向值对应的x方向分量，利用激光测风雷达PPI扫描模式获取当前告警点S(n，m)的风速风向值对应的x方向分量为v1x，前一方位角对应的位置的WxS(n，m-1)的风速风向值对应的x方向分量为v2x，后一方位角对应的位置的WxS(n，m+1)的风速风向值对应的x方向分量为v3x，前段告警点S(n-1，m)的风速风向值对应的x方向分量为v4y，后段告警点S(n+1，m)的风速风向值对应的x方向分量为v5x。
4.根据权利要求1所述的基于激光测风雷达PPI扫描模式的蛛网告警方法，其特征在于，步骤3所述基于告警点和周围各分量风速风向值采用差值法计算差值结果并与预先设定的阀值进行比较确定告警点周围告警颜色包括：
步骤301、将当前告警点S(n，m)周围四个点的X分量分别与当前告警点S(n，m)的X分量行差值，获取结果，如下式(1)～(4):
Nn1＝v2x-v1x......(1),
Nn2＝v3x-v1x......(2),
Mn1＝v4x-v1x......(3),
Mn2＝v5x-v1x......(4),
式中，Nn1为当前告警点S(n，m)与前一个方位角对应点告警点S(n，m-1)的风速风向值X分量差值，Nn2为前告警点S(n，m)与后一个方位角对应点告警点S(n，m+1)的风速风向值X分量差值，Mn1为为当前告警点S(n，m)与前段告警点S(n-1，m)的风速风向值X分量差值，Mn2为当前告警点S(n，m)与后段告警点S(n+1，m)的风速风向值X分量的差值；
步骤302、当Nn1、Nn2、Mn1、Mn2的任一值大于阀值a时，则告警点生效，告警点周边四个框均填充相应阈值的告警颜色。
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