CN105487076A - 一种毫米波云雷达大雾能见度反演方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种毫米波云雷达大雾能见度反演方法及***，该方法包括以下步骤：控制毫米波云雷达按预设工作参数和预设扫描模式进行气象目标探测，并产生雷达回波信号；对雷达回波信号进行剔除杂波和回波奇异点以获取大雾回波信号的预处理，并输出预处理后的数据；将预处理后的数据进行保存；读取保存的预处理后的数据，并对预处理后的数据进行大雾能见度反演，得到能见度在水平方位的分布情况和能见度在垂直方位的分布情况。通过本发明，解决了无法有效得到大雾空间能见度分布的问题。
Description
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种毫米波云雷达大雾能见度反演方法及***。
背景技术
能见度(Visibility)是首先为了气象目的而定义的通过人工观测者定量估计的量，气象学中的水平能见度是指水平视场角约为0.5°-5°的地面黑色目标物，在白天无云天空背景条件下，观测者能极勉强辨认(或恰不可辨认)出该目标物的距离。它是标度人眼视程的一个大气物理量，体现了观测者从背景物中辨认出目标物的能力，主要是大气中粒子光散射造成的。在气象学中，能见度是指物体能够被清楚的识别的最大距离。测量能见度一般可用目测法，也可使用大气透射仪或激光能见度自动测量仪等。
但是，大气透射仪与激光能见度仪测量都为点数据，用小部分点数据代表全局能见度，无法有效全面反映大雾空间分布情况。目测法则会由于不同观察员的测量带来人为误差，且目测法依赖于标识物，受场地限制较大。现阶段还暂时无有效探测大雾全局空间能见度分布的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种毫米波云雷达大雾能见度反演方法及***，解决了无法有效得到大雾空间能见度分布的问题。本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种毫米波云雷达大雾能见度反演方法，包括以下步骤：
步骤1：控制毫米波云雷达按预设工作参数和预设扫描模式进行气象目标探测，并产生雷达回波信号；
步骤2：对所述雷达回波信号进行剔除杂波和回波奇异点以获取大雾回波信号的预处理，并输出预处理后的数据；
步骤3：将所述预处理后的数据进行保存；
步骤4：读取保存的所述预处理后的数据，并对所述预处理后的数据进行大雾能见度反演，得到能见度在水平方位的分布情况和能见度在垂直方位的分布情况。
本发明的有益效果是：可利用毫米波云雷达进行了大雾能见度的反演从而有效得到大雾空间能见度分布；充分利用了毫米波段雷达对弱目标粒子探测能力强的优点，丰富了毫米波测云雷达的数据产品类型。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述步骤1具体实现为：
步骤1.1:控制毫米波云雷达按预设俯仰角的sPPI扫描模式进行气象目标探测，并产生第一雷达回波信号；
步骤1.2:控制毫米波云雷达按预设方位角的RHI扫描模式进行气象目标探测，并产生第二雷达回波信号。
采用上述进一步方案的有益效果是，通过两种扫描模式循环，将大雾能见度在空间分布情况通过雷达反射回波记录。
进一步，所述步骤2具体实现为：
步骤2.1：对所述第一雷达回波信号和所述第二雷达回波信号进行剔除杂波和回波奇异点以获取大雾回波信号的预处理并输出反射率因子数据和线性退极化比数据。
采用上述进一步方案的有益效果是：利用大雾自身性质，选取了有效判定依据，将大雾回波以及杂波区分出来，得到提纯回波的作用。
进一步，所述步骤2.1具体实现为：
步骤2.1.1：设置所述线性退极化比数据的门限值为-40dB，选取低于所述门限值的线性退极化比数据的对应位置上的反射率因子数据，其中，所述对应位置为同一距离库和同一方位角；
步骤2.1.2：根据反射率因子数据范围，设置一个反射率因子数据的预设阈值，以去除所述反射率因子数据中数值不属于大雾回波的点，其中，所述预设阈值最低值不低于-70dBZ，最高值不高于-10dBZ；
步骤2.1.3：使用3×1的滤波窗口按方位角排序，并对反射率因子数据进行平滑滤波，得到相关参数数据。
采用上述进一步方案的有益效果：针对大雾回波较低与杂波相近的问题，根据雾滴特征，选取特征划分量，剔除地物杂波。同时根据大雾小尺度均匀特点，选取平滑方案，剔除雷达回波奇异点。
进一步，所述步骤2.1.3具体实现为：
步骤2.1.3.1:设扫描控制模块进行气象目标探测得到的总观测点数为M，总迭代次数为N；
步骤2.1.3.2:从1开始，对于第i点，计算其周围3个观测点的反射率因子数据的均值m；
步骤2.1.3.3:若其中一个所述观测点与所述均值m的绝对值之差>＝5dBZ，则去除所述第i点，否则保留所述第i点；
步骤2.1.3.4:计算所述观测点的下一个点，直至计算到M；
步骤2.1.3.5:进行下一次迭代，直至迭代到次数N。
采用上述进一步方案的有益效果是利用大雾小尺度内分布均匀特点，得到了剔除雷达奇异点的方法。
进一步，所述步骤4具体实现为：
步骤4.1：针对所述sPPI扫描模式的反射率因子数据，利用能见度反演公式：Vis＝40e-0.069Z(dBZ)进行能见度反演，计算得出所述sPPI扫描模式数据中的每个方位角和每个距离库的能见度数据，获得能见度在水平方位分布情况；
步骤4.2：针对所述RHI扫描模式的反射率因子数据，利用能见度反演公式：Vis＝40e-0.069Z(dBZ)进行能见度反演，计算得出所述RHI扫描模式数据中的每个俯仰角和每个距离库的能见度数据，获得能见度在垂直方位分布情况。
采用上述进一步方案的有益效果是：利用雷达回波数据，进行了大雾能见度反演，获得了大雾能见度数据；利用雷达反射率因子反演能见度的公式，可根据公式获得雷达每处回波处能见度情况。
本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：
一种毫米波云雷达大雾能见度反演***，包括：
扫描控制模块，用于控制毫米波云雷达按预设工作参数和预设扫描模式进行气象目标探测，并将产生的雷达回波信号传输给信号处理模块；
信号处理模块，用于对所述雷达回波信号进行剔除杂波和回波奇异点以获取大雾回波信号的预处理，并输出预处理后的数据；
主控模块，用于将所述信号处理模块输出的所述预处理后的数据进行保存；
数据反演模块，用于读取保存在所述主控模块中的所述预处理后的数据，并对所述预处理后的数据进行大雾能见度反演，得到能见度在水平方位的分布情况和能见度在垂直方位的分布情况。
本发明的有益效果是：可利用毫米波云雷达进行了大雾能见度的反演从而有效得到大雾空间能见度分布；充分利用了毫米波段雷达对弱目标粒子探测能力强的优点，丰富了毫米波测云雷达的数据产品类型。
进一步，所述扫描控制模块包括第一扫描控制单元和第二扫描控制单元；
所述第一扫描控制单元用于控制毫米波云雷达按预设俯仰角的sPPI扫描模式进行气象目标探测，并将产生的第一雷达回波信号传输给信号处理模块；
所述第二扫描控制单元用于控制毫米波云雷达按预设方位角的RHI扫描模式进行气象目标探测，并将产生的第二雷达回波信号传输给信号处理模块。
采用上述进一步方案的有益效果是，通过两种扫描模式循环，将大雾能见度在空间分布情况通过雷达反射回波记录。
进一步，所述第一扫描控制单元控制毫米波云雷达的水平扫描速度为0.5～1度/秒，所述预设俯仰角最大值不超过5度，最小值不小于0度；所述第二扫描控制单元控制毫米波云雷达垂直扫描速度为1～2度/秒，所述预设方位角为0～90度。
采用上述进一步方案的有益效果是针对大雾分布位置较低，此俯仰角可有效进行大雾探测。同时针对大雾雷达回波较低特点，选取较小扫描速度，获取更多积累数据。
进一步，所述信号处理模块对所述第一雷达回波信号和所述第二雷达回波信号进行剔除杂波和回波奇异点以获取大雾回波信号的预处理并输出反射率因子数据和线性退极化比数据；
所述主控模块将所述信号处理模块输出的所述反射率因子数据和所述线性退极化比数据进行保存；
所述数据反演模块用于读取保存在所述主控模块中的所述反射率因子数据和所述线性退极化比数据，并根据读取的数据做出大雾能见度反演，从而得到能见度在水平方位的分布情况和能见度在垂直方位的分布情况。
采用上述进一步方案的有益效果是：利用雷达回波数据，进行了大雾能见度反演，获得了大雾能见度数据；利用雷达反射率因子反演能见度的公式，可根据公式获得雷达每处回波处能见度情况。
附图说明
图1为本发明毫米波云雷达大雾能见度反演***的流程示意图；
图2为本发明毫米波云雷达大雾能见度反演***的结构示意图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、扫描控制模块，2、信号处理模块，3、信息采集模块，4、主控模块，5、数据反演模块，6、PCI总线，7、共享内存。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
图1为本发明毫米波云雷达大雾能见度反演***的流程示意图；如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤1：控制毫米波云雷达按预设工作参数和预设扫描模式进行气象目标探测，并产生雷达回波信号；
步骤2：对雷达回波信号进行剔除杂波和回波奇异点以获取大雾回波信号的预处理，并输出预处理后的数据；
步骤3：将预处理后的数据进行保存；
步骤4：读取保存的预处理后的数据，并对预处理后的数据进行大雾能见度反演，得到能见度在水平方位的分布情况和能见度在垂直方位的分布情况。
另外，在步骤2步骤3之间还可以包括：采集预处理后的数据，并将该数据进行打包处理。
通过本发明，可利用毫米波云雷达进行了大雾能见度的反演从而有效得到大雾空间能见度分布；充分利用了毫米波段雷达对弱目标粒子探测能力强的优点，丰富了毫米波测云雷达的数据产品类型。
优选地，步骤1具体实现为：
步骤1.1:控制毫米波云雷达按预设俯仰角的sPPI(SelectorPositionIndicator，简称为选择平面位置显示)扫描模式进行气象目标探测，并产生第一雷达回波信号；
步骤1.2:控制毫米波云雷达按预设方位角的RHI(RangeHeightIndicator，简称为距离高度显示)扫描模式进行气象目标探测，并产生第二雷达回波信号。
通过本发明实施例，通过两种扫描模式循环，将大雾能见度在空间分布情况通过雷达反射回波记录。
优选地，步骤2具体实现为：
步骤2.1：对第一雷达回波信号和第二雷达回波信号进行剔除杂波和回波奇异点以获取大雾回波信号的预处理并输出反射率因子数据和线性退极化比数据。
通过本发明实施例，利用大雾自身性质，选取了有效判定依据，将大雾回波以及杂波区分出来，得到提纯回波的作用。
优选地，步骤2.1具体实现为：
步骤2.1.1：设置线性退极化比数据的门限值为-40dB，选取低于门限值的线性退极化比数据的对应位置上的反射率因子数据，其中，对应位置为同一距离库和同一方位角；
步骤2.1.2：根据反射率因子数据范围，设置一个反射率因子数据的预设阈值，以去除反射率因子数据中数值不属于大雾回波的点，其中，预设阈值最低值不低于-70dBZ，最高值不高于-10dBZ；
步骤2.1.3：使用3×1的滤波窗口按方位角排序，并对反射率因子数据进行平滑滤波，得到相关参数数据。
其中，步骤2.1.1和步骤2.1.2的作用为剔除杂波，步骤2.1.3的作用为剔除回波奇异点。
通过本发明实施例，针对大雾回波较低与杂波相近的问题，根据雾滴特征，选取特征划分量，剔除地物杂波。同时根据大雾小尺度均匀特点，选取平滑方案，剔除雷达回波奇异点。
优选地，步骤2.1.3具体实现为：
步骤2.1.3.1:设扫描控制模块1进行气象目标探测得到的总观测点数为M，总迭代次数为N；
步骤2.1.3.2:从1开始，对于第i点，计算其周围3个观测点的反射率因子数据的均值m；
步骤2.1.3.3:若其中一个观测点与均值m的绝对值之差>＝5dBZ，则去除第i点，否则保留第i点；
步骤2.1.3.4:计算观测点的下一个点，直至计算到M；
步骤2.1.3.5:进行下一次迭代，直至迭代到次数N。
通过本发明实施例，利用大雾小尺度内分布均匀特点，得到了剔除雷达奇异点的方法。
优选地，步骤4具体实现为：
步骤4.1：针对sPPI扫描模式的反射率因子数据，利用能见度反演公式：Vis＝40e-0.069Z(dBZ)进行能见度反演，计算得出sPPI扫描模式数据中的每个方位角和每个距离库的能见度数据，获得能见度在水平方位分布情况；
步骤4.2：针对RHI扫描模式的反射率因子数据，利用能见度反演公式：Vis＝40e-0.069Z(dBZ)进行能见度反演，计算得出RHI扫描模式数据中的每个俯仰角和每个距离库的能见度数据，获得能见度在垂直方位分布情况。
通过本发明实施例，利用雷达回波数据，进行了大雾能见度反演，获得了大雾能见度数据；利用雷达反射率因子反演能见度的公式，可根据公式获得雷达每处回波处能见度情况。
图2为本发明毫米波云雷达大雾能见度反演***的结构示意图；如图2所示：该***包括：扫描控制模块1、信号处理模块2、主控模块4和数据反演模块5。
扫描控制模块1，用于控制毫米波云雷达按预设工作参数和预设扫描模式进行气象目标探测，并将产生的雷达回波信号传输给信号处理模块2；
信号处理模块2，用于对雷达回波信号进行剔除杂波和回波奇异点以获取大雾回波信号的预处理，并输出预处理后的数据；
主控模块4，用于将信号处理模块2输出的预处理后的数据进行保存；
数据反演模块5，用于读取保存在主控模块4中的预处理后的数据，并对预处理后的数据进行大雾能见度反演，得到能见度在水平方位的分布情况和能见度在垂直方位的分布情况。
另外，该***还可以包括信息采集模块3，该信息采集模块3用于采集信号处理模块2输出的预处理后的数据，并将该数据打包处理之后传输给主控模块4。其中，扫描控制模块1、信号处理模块2、信号处理模块2、信息采集模块3、数据反演模块5分别与主控模块4通过PCI总线6连接，主控模块4包括PCI总线6和共享内存7，扫描控制模块1通过PCI总线6将雷达回波信号传输给信号处理模块2；信号处理模块2对雷达回波信号进行信号处理并输出；信息采集模块3采集信号处理模块2输出的雷达回波信号，并进行打包处理后通过PCI总线6保存到共享内存7中；数据反演模块5通过PCI总线6读取共享内存7中经过打包处理后的雷达回波信号并进行大雾能见度反演，得到反演结果。
通过本发明，可利用毫米波云雷达进行了大雾能见度的反演从而有效得到大雾空间能见度分布；充分利用了毫米波段雷达对弱目标粒子探测能力强的优点，丰富了毫米波测云雷达的数据产品类型。
优选地，扫描控制模块1包括第一扫描控制单元和第二扫描控制单元；
第一扫描控制单元用于控制毫米波云雷达按预设俯仰角的sPPI扫描模式进行气象目标探测，并将产生的第一雷达回波信号传输给信号处理模块2；
第二扫描控制单元用于控制毫米波云雷达按预设方位角的RHI扫描模式进行气象目标探测，并将产生的第二雷达回波信号传输给信号处理模块2。
通过本发明实施例，由于根据两种扫描模式循环，将大雾能见度在空间分布情况通过雷达反射回波记录。
当毫米波云雷达在扫描探测过程中，信息采集模块3采集信号处理器输出的数据，并将其中的反射率因子数据和线性退极化比数据提取出来，打包处理后保存到工业控制计算机上的主控模块4中。一组sPPI扫描观测完成后，结束该数据存储操作，并将观测数据保存为一个数据文件；一组RHI扫描观测完成后，结束该数据存储操作，并将观测数据保存为一个数据文件。
优选地，第一扫描控制单元控制毫米波云雷达的水平扫描速度为0.5～1度/秒，设置合适的脉冲积累数以保证波束的驻留时间小于波束宽度除以雷达水平扫描速度，预设俯仰角最大值不超过5度，最小值不小于0度；第二扫描控制单元控制毫米波云雷达垂直扫描速度为1～2度/秒，设置合适的脉冲积累数以保证波束驻留时间小于波束宽度除以雷达垂直扫描速度。预设方位角为0～90度，所设置预设方位角的朝向应在探测距离内无明显遮挡物。
通过本发明实施例，针对大雾分布位置较低，此俯仰角可有效进行大雾探测。同时针对大雾雷达回波较低特点，选取较小扫描速度，获取更多积累数据。
优选地，信号处理模块2对第一雷达回波信号和第二雷达回波信号进行剔除杂波和回波奇异点以获取大雾回波信号的预处理并输出反射率因子数据和线性退极化比数据；
主控模块4将信号处理模块2输出的反射率因子数据和线性退极化比数据进行保存；
数据反演模块5用于读取保存在主控模块4中的反射率因子数据和线性退极化比数据，并根据读取的数据做出大雾能见度反演，从而得到能见度在水平方位的分布情况和能见度在垂直方位的分布情况。
通过本发明实施例，利用雷达回波数据，进行了大雾能见度反演，获得了大雾能见度数据；利用雷达反射率因子反演能见度的公式，可根据公式获得雷达每处回波处能见度情况。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种毫米波云雷达大雾能见度反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：控制毫米波云雷达按预设工作参数和预设扫描模式进行气象目标探测，并产生雷达回波信号；
步骤2：对所述雷达回波信号进行剔除杂波和回波奇异点以获取大雾回波信号的预处理，并输出预处理后的数据；
步骤3：将所述预处理后的数据进行保存；
步骤4：读取保存的所述预处理后的数据，并对所述预处理后的数据进行大雾能见度反演，得到能见度在水平方位的分布情况和能见度在垂直方位的分布情况。
2.根据权利要求1所述毫米波云雷达大雾能见度反演方法，其特征在于，所述步骤1具体实现为：
步骤1.1:控制毫米波云雷达按预设俯仰角的sPPI扫描模式进行气象目标探测，并产生第一雷达回波信号；
步骤1.2:控制毫米波云雷达按预设方位角的RHI扫描模式进行气象目标探测，并产生第二雷达回波信号。
3.根据权利要求1或2所述毫米波云雷达大雾能见度反演方法，其特征在于，所述步骤2具体实现为：
步骤2.1：对所述第一雷达回波信号和所述第二雷达回波信号进行剔除杂波和回波奇异点以获取大雾回波信号的预处理并输出反射率因子数据和线性退极化比数据。
4.根据权利要求3所述毫米波云雷达大雾能见度反演方法，其特征在于，所述步骤2.1具体实现为：
步骤2.1.1：设置所述线性退极化比数据的门限值为-40dB，选取低于所述门限值的线性退极化比数据的对应位置上的反射率因子数据，其中，所述对应位置为同一距离库和同一方位角；
步骤2.1.2：根据反射率因子数据范围，设置一个反射率因子数据的预设阈值，以去除所述反射率因子数据中数值不属于大雾回波的点，其中，所述预设阈值最低值不低于-70dBZ，最高值不高于-10dBZ；
步骤2.1.3：使用3×1的滤波窗口按方位角排序，并对反射率因子数据进行平滑滤波，得到相关参数数据。
5.根据权利要求4所述毫米波云雷达大雾能见度反演方法，其特征在于，所述步骤2.1.3具体实现为：
步骤2.1.3.1:设扫描控制模块进行气象目标探测得到的总观测点数为M，总迭代次数为N；
步骤2.1.3.2:从1开始，对于第i点，计算其周围3个观测点的反射率因子数据的均值m；
步骤2.1.3.3:若其中一个所述观测点与所述均值m的绝对值之差>＝5dBZ，则去除所述第i点，否则保留所述第i点；
步骤2.1.3.4:计算所述观测点的下一个点，直至计算到M；
步骤2.1.3.5:进行下一次迭代，直至迭代到次数N。
6.根据权利要求5所述毫米波云雷达大雾能见度反演方法，其特征在于，所述步骤4具体实现为：
步骤4.1：针对所述sPPI扫描模式的反射率因子数据，利用能见度反演公式：Vis＝40e-0.069Z(dBZ)进行能见度反演，计算得出所述sPPI扫描模式数据中的每个方位角和每个距离库的能见度数据，获得能见度在水平方位分布情况；
步骤4.2：针对所述RHI扫描模式的反射率因子数据，利用能见度反演公式：Vis＝40e-0.069Z(dBZ)进行能见度反演，计算得出所述RHI扫描模式数据中的每个俯仰角和每个距离库的能见度数据，获得能见度在垂直方位分布情况。
7.一种毫米波云雷达大雾能见度反演***，其特征在于，包括：
扫描控制模块，用于控制毫米波云雷达按预设工作参数和预设扫描模式进行气象目标探测，并将产生的雷达回波信号传输给信号处理模块；
信号处理模块，用于对所述雷达回波信号进行为剔除杂波和回波奇异点以获取大雾回波信号的预处理，并输出预处理后的数据；
主控模块，用于将所述信号处理模块输出的所述预处理后的数据进行保存；
数据反演模块，用于读取保存在所述主控模块中的所述预处理后的数据，并对所述预处理后的数据进行大雾能见度反演，得到能见度在水平方位的分布情况和能见度在垂直方位的分布情况。
8.根据权利要求7所述毫米波云雷达大雾能见度反演***，其特征在于，所述扫描控制模块包括第一扫描控制单元和第二扫描控制单元；
所述第一扫描控制单元用于控制毫米波云雷达按预设俯仰角的sPPI扫描模式进行气象目标探测，并将产生的第一雷达回波信号传输给信号处理模块；
所述第二扫描控制单元用于控制毫米波云雷达按预设方位角的RHI扫描模式进行气象目标探测，并将产生的第二雷达回波信号传输给信号处理模块。
9.根据权利要求8所述毫米波云雷达大雾能见度反演***，其特征在于，所述第一扫描控制单元控制毫米波云雷达的水平扫描速度为0.5～1度/秒，所述预设俯仰角最大值不超过5度，最小值不小于0度；所述第二扫描控制单元控制毫米波云雷达垂直扫描速度为1～2度/秒，所述预设方位角为0～90度。
10.根据权利要求9所述毫米波云雷达大雾能见度反演***，其特征在于，
所述信号处理模块对所述第一雷达回波信号和所述第二雷达回波信号进行剔除杂波和回波奇异点以获取大雾回波信号的预处理并输出反射率因子数据和线性退极化比数据；
所述主控模块将所述信号处理模块输出的所述反射率因子数据和所述线性退极化比数据进行保存；
所述数据反演模块用于读取保存在所述主控模块中的所述反射率因子数据和所述线性退极化比数据，并根据读取的数据做出大雾能见度反演，从而得到能见度在水平方位的分布情况和能见度在垂直方位的分布情况。
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