CN105527625A - 一种基于多功能相控阵雷达的混合模式气象探测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于多功能相控阵雷达的混合模式气象探测***和方法，通过基于将重要的天气活动局部化，估测它们的下个移动位置，然后再将这些信息传递给下个扫描周期的扫描场景，最大限度地分配雷达资源到重要天气活动的本地化和跟踪的气象应用任务上。

Description

一种基于多功能相控阵雷达的混合模式气象探测***及方法

技术领域

本发明涉及雷达监控领域，具体涉及一种基于多功能相控阵雷达的混合模式气象探测***及方法。

背景技术

由于地球曲率的缘故，现有的远程天气雷达的主要缺点是他们缺乏能力来检测到低到中等海拔高度的天气灾害。由于卫星天气遥感探测并不能提供一个实时更新的天气活动进程。因此，低到中海拔高度的局部天气活动进程和准确位置可能无法检测到。

多功能相控阵雷达提供三种配置:二维相扫、一维水平相扫和一维垂直相扫。在气象传感***中，每个雷达节点覆盖一个近的范围，以克服地球曲率的问题。通过对每个雷达节点的气象数据进行数据融合，得到大面积的覆盖率。该雷达的设计是针对同时执行多任务，可以应用于地面目标跟踪、海上监视、和天气探测等；同时执行多任务意味着当对不同任务配置雷达资源时就会对雷达扫描时间提出更高的要求。这就是为什么有效的雷达扫描场景对于如何灵活分配有限雷达发射资源给不同探测任务并符合相应的任务观测时间是非常重要。

由于影响到天气现象的形成和移动的因素是非常复杂，导致它们难以探测和跟踪。因此，想要***天气现象的移动方向就需要一个非常先进扫描跟新模式应用在每扫描周期。现有的多功能相控阵雷达所使用的扫描方式或扫描场景主要是用于非气象探测方面，会将更多的资源分配到非气象探测的应用场景。因此，当使用现有的多功能相控阵雷达的扫描方式在探测和跟踪快速变化的天气活动如***，山火烟雾等，时间更新率就会出现严重的问题。重大挑战是如何在满足各个应用任务的扫描时间的同时，能够做到最优化的分配有限雷达传输资源给多个应用任务。例如，空中交通管制应用任务的扫描时间不能超过每转5秒。因此，如果两个空中交通管制和气象遥感应用任务同时运行，大多数雷达资源会分配为空中交通管制程序，这样就会有可能导致丢失对重要天气活动过程跟踪。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了其中一种目的在于提供一种基于多功能相控阵雷达的混合模式气象探测***，其在探测和跟踪天气活动的时候对相控阵气象雷达资源进行最优化配置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于多功能相控阵雷达的混合模式气象探测***，其特征在于：包括若干个雷达节点，若干雷达节点依次连接，形成雷达网络，每个雷达节点包括受依次连接的天线、收发组件、上下变频器和中频收发激励器，所述中频收发激励器输出端依次连接数据摄取器、雷达数据处理器和显示模块，所述雷达网络输入端通过网络与雷达控制和操作界面模块连接。

作为上述技术方案的改进，所述收发组件包括接收单元、功放、数模电路、电源控制、散热***和发射单元。

作为上述技术方案的改进，所述上下变频器包括上变频器和下变频器，所述收发组件输出端分别与上变频器和下变频器，所述上变频器输出端中频收发激励器连接，所述下变频器输入端与中频收发激励器连接。

为了克服上述现有技术的不足，本发明另外一个目的在于提一种基于多功能相控阵雷达的混合模式气象探测方法，其在探测和跟踪天气活动的时候对相控阵气象雷达资源进行最优化配置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于多功能相控阵雷达的混合模式气象探测方法，具体包括以下步骤：

1）识别并列出重大气象活动：雷达的用户或操作员通过雷达控制和操作界面模块选定气象活动，雷达控制和操作界面模块自动加载对应气象活动的特征参数和其运动状况的预定模型；

2）雷达网络定位所选的重大气象活动；

3）雷达网络预测步骤2）中选定重大气象活动未来移动位置；

4）雷达网络更新扫描场景；

5）为下一个扫描周期运行新扫描场景，阵列天线收集数据并发送雷达数据处理器中；

6）雷达数字处理器处理数据和检测、定位重大气象活动并生成二级和三级气象产品；

7）显示模块用于接收二级和三级气象产品及其通过步骤4)更新的状态和重要的天气活动的位置,并在地图上显示出来；

8)返回步骤3)。

作为上述技术方案的改进，所述步骤2）具体步骤为：根据所选重大天气活动的特征，每次雷达网络会进行全覆盖扫描去确定其是否存在；一旦被识别,其所在的当前位置的方位、距离和高度都会被记录下来。

作为上述技术方案的改进，所述步骤3）具体步骤为：使用预定义的模式并根据相应设定的环境参数如风速和风向等来估计已选择的重要气象活动的未来移动位置。

作为上述技术方案的改进，所述步骤4）中的更新扫描场景的具体步骤为：将重大气象活动预测的位置融入雷达网络扫描的驻留位置或者时间中，并在驻留位置上将雷达光束指向可能出现重大气象的区域；

作为上述技术方案的改进，所述步骤5）中收集数据并发送雷达数据处理器中具体步骤为：

51）各个雷达节点依次通过天线、收发组件、上下变频器和中频收发激励器接受雷达信号；

52）数据摄取器接收并处理来自中频收发激励器的数据；

53）数据摄取器把接收到的雷达信号转换为雷达数字处理器可识别的格式；

作为上述技术方案的改进，所述步骤2）中，数据摄取器的数据处理过程包括纠正数据丢失或数据错误，或者遗弃这些纠正数据丢失或数据错误，同时将低波束数据提取出来。

作为上述技术方案的改进，所述步骤6）中二级和三级气象产品包括反射率、微分反射率,相关系数、频谱宽度、径向速度、和差分相移。

本发明的有益效果是：一种基于多功能相控阵雷达的混合模式气象探测***和方法，通过基于将重要的天气活动局部化，估测它们的下个移动位置，然后再将这些信息传递给下个扫描周期的扫描场景，最大限度地分配雷达资源到重要天气活动的本地化和跟踪的气象应用任务上。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明具体实施例的流程图；

图2为本发明具体实施例的***结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明：

参照附图2，本发明提出一种基于多功能相控阵雷达的混合模式气象探测***，一种基于多功能相控阵雷达的混合模式气象探测***，包括若干个雷达节点，每个雷达节点包括受依次连接的天线11、收发组件12、上下变频器13和中频收发激励器14，其特征在于：所述中频收发激励器14输出端依次连接数据摄取器15、雷达数据处理器16和显示模块2，若干雷达节点依次连接，形成雷达网络1，所述雷达网络1输入端通过网络与雷达控制和操作界面模块3连接。所述收发组件12包括接收单元121、功放122、数模电路123、电源控制124、散热***125和发射单元126。所述上下变频器13包括上变频器131和下变频器132，所述收发组件12输出端分别与上变频器131和下变频器132，所述上变频器131输出端中频收发激励器14连接，所述下变频132器输入端与中频收发激励14器连接。

中频收发激励器14的输出端还可以连接有数据摄取器15，所述数据摄取器15的输出端依次连接有海面目标处理器、所述海洋目标显示模块（适用NMEA协议）；所述雷达网络1通过因特网依次与一海域监视***中央处理器、若干用户终端连接。本发明未示出。

安装在海岸线上的航空管制雷达包含一个按一定方向机械转动的天线，扫描速率可高达5秒钟一转，该天线可以发射和接收低波束和高波束信号：低波束是用于覆盖地表到中海拔高度空间，高波束是用于覆盖中高海拔高度的空间。对于海岸线上的航空管制雷达，低波束可同时探测到地面目标和空中目标。天线会向所关注的监控区域发射一连串电磁脉冲，在这监控区域里的物体会将电磁脉冲反射给天线。有些物体反射回来的雷达信号是需要得到关注的，则被称为“目标”，而其他剩下的物体反射回来的雷达信号被称为“杂波”，也就是雷达***里的噪音。地表目标被认为是现存空中管制雷达***里的噪音，因此在其信号处理过程中被除去。通常，从天线11收集到的雷达数据通过数据链上的一个带通滤波器进行预处理，去掉在雷达数据外部无关信号或噪音，然后把雷达数据解调到中频雷达数据，再进行雷达数据的模数转换。此时，雷达数据被解调到基带数据（IQ数据），并对基带数据（IQ数据）进行低通滤波和采样。这种数据会被发送到空中目标处理器15进行进一步的处理，用于检测和跟踪空中目标。

参见图1，一种基于多功能相控阵雷达的混合模式气象探测方法，主要包括以下步骤：

1）识别并列出重大气象活动：雷达的用户或操作员通过雷达控制和操作界面模块（3）选定气象活动，雷达控制和操作界面模块（3）自动加载对应气象活动的特征参数和其运动状况的预定模型。在这个步骤中，由雷达的用户或操作员选定重要的气象活动。这些重要气象活动包括飓风、***，接近机场区域的成群小鸟以及来自森林的烟雾等。对于每一个重要的天气活动下，***自动加载其特征和其运动状况的预定模型。

2）雷达网络定位所选的重大气象活动；根据所选重大天气活动的特征，每次雷达网络会进行全覆盖扫描去确定其是否存在；一旦被识别,其所在的当前位置的方位、距离和高度都会被记录下来。

3）雷达网络预测步骤2）中选定重大气象活动未来移动位置；使用预定义的模式并根据相应设定的环境参数如风速和风向等来估计已选择的重要气象活动的未来移动位置。

4）雷达网络更新扫描场景；在该环节中，重大气象活动的预先估计的位置会被融入雷达扫描场景的驻留位置或时间中，并在这指定的驻留位置上将雷达光束指向的可能出现重大气象状况及的区域。可能出现重大气象状况的区域面积通常大于从模型中估算获得的面积。原因是融入时增加了估算的方差。这种方式下，在雷达整个覆盖区，只有一个小的有限区域是被雷达所扫描到，因此每次扫描的时间会变短。因此雷达资源可以用于其他应用任务，这样才能促使实现一个真正工作的多功能相控阵。

5）为下一个扫描周期运行新扫描场景，收集数据并发送雷达数据处理器中；从相对应于重要天气活动的驻留位置通过天线收到的回波信号要经过射频接收器，下变频器和中频接收机/激励器（REX）模块。REX的输出被称为IQ数据的基带信号。IQ的数据通过网络接口发送到天气雷达数据处理器，正好可以用来检测和定位重要气象活动。该数据包括与重大气象活动相关的相对应脉冲头文件信息，脉冲重复频率以及正北方天线方向的波束数据。数据摄取器接收这些信息之前,检查其有效性后将其解码为雷达数据处理器（RDP）可读的数据格式。数据摄取器的责任是识别和纠正由于超负荷的网络通信或其他原因造成的数据缺失或错误,并阻止向RDP的发送这些不正确的数据。

6）雷达数字处理器处理数据和检测、定位重大气象活动并生成二级和三级气象产品；该数据流然后通过雷达数据处理器(RDP)的处理生成第二和第三级气象产品，包括反射率、微分反射率,相关系数、频谱宽度、径向速度、和差分相移。丙应用高斯模型自适应处理进行滤波，消除数据中杂波内容。通过第二级和第三类产品，可以准确定位重要气象活动。对鸟类和其他生物的目标群，RDP配备目标***用来检测和追踪它们。

7）显示模块用于接收二级和三级气象产品及其通过步骤4)更新的状态和重要的天气活动的位置,并在地图上显示出来；气象活动显示器用于接收二级和三产品以及更新的状态和重要天气活动的位置，并在地图上显示出来。该显示器给操作员提供了实时气象危害的更新情况。

8)返回步骤3)。

以上是对发明的较佳实施进行了具体说明，但发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于多功能相控阵雷达的混合模式气象探测***，其特征在于：包括若干个雷达节点，若干雷达节点依次连接，形成雷达网络（1），每个雷达节点包括受依次连接的阵列天线（11）、收发组件（12）、上下变频器（13）和中频收发激励器（14），所述中频收发激励器（14）输出端依次连接数据摄取器（15）、雷达数据处理器（16）和显示模块（2），所述雷达网络（1）输入端通过网络与雷达控制和操作界面模块（3）连接。

2.据权利要求1所述的一种基于多功能相控阵雷达的混合模式气象探测***，其特征在于：所述收发组件（12）包括接收单元（121）、功放（122）、数模电路（123）、电源控制（124）、散热***（125）和发射单元（126）。

3.据权利要求1所述一种基于多功能相控阵雷达的混合模式气象探测***，所述上下变频器（13）包括上变频器（131）和下变频器（132），所述收发组件（12）输出端分别与上变频器（131）和下变频器（132）连接，所述上变频器（131）输出端中频收发激励器（14）连接，所述下变频器（132）输入端与中频收发激励器（14）连接。

4.一种基于多功能相控阵雷达的混合模式气象探测方法，具体包括以下步骤：

1）识别并列出重大气象活动：雷达的用户或操作员通过雷达控制和操作界面模块选定重大气象活动，雷达控制和操作界面模块自动加载对应气象活动的特征参数和其运动状况的预定模型；

2）雷达网络定位所选的重大气象活动；

3）雷达网络预测选定重大气象活动未来移动位置；

4）雷达网络更新扫描场景；

5）为下一个扫描周期运行新扫描场景，阵列天线收集数据并发送至雷达数据处理器中；

6）雷达数字处理器处理数据和检测、定位重大气象活动并生成二级和三级气象产品；

7）显示模块用于接收二级和三级气象产品及其通过步骤4)更新的状态和重要的天气活动的位置,并在地图上显示出来；

8)返回步骤3)。

5.根据权利要求4所述的一种基于多功能相控阵雷达的混合模式气象探测方法，其特征在于：所述步骤2）具体步骤为：根据所选重大天气活动的特征，每次雷达网络会进行全覆盖扫描去确定其是否存在；一旦被识别,其所在的当前位置的方位、距离和高度都会被记录下来。

6.根据权利要求4所述的一种基于多功能相控阵雷达的混合模式气象探测方法，其特征在于：所述步骤3）具体步骤为：使用预定义的模式并根据相应设定的环境参数如风速和风向等来估计已选择的重要气象活动的未来移动位置。

7.根据权利要求4所述的一种基于多功能相控阵雷达的混合模式气象探测方法，其特征在于：所述步骤4）中的更新扫描场景的具体步骤为：将重大气象活动预测的位置融入雷达网络扫描的驻留位置或者时间中，并在驻留位置上将雷达光束指向可能出现重大气象的区域。

8.根据权利要求4所述的一种基于多功能相控阵雷达的混合模式气象探测方法，其特征在于：所述步骤5）中收集数据并发送雷达数据处理器中具体步骤为：

51）各个雷达节点依次通过天线、收发组件、上下变频器和中频收发激励器接受雷达信号；

52）数据摄取器接收并处理来自中频收发激励器的数据；

53）数据摄取器把接收到的雷达信号转换为雷达数字处理器可识别的格式。

9.根据权利要求8所述的一种基于多功能相控阵雷达的混合模式气象探测方法，其特征在于：所述步骤52）中数据摄取器的数据处理过程包括纠正数据丢失或数据错误，或者遗弃这些纠正数据丢失或数据错误，同时将低波束数据提取出来。

10.根据权利要求4所述的一种基于多功能相控阵雷达的混合模式气象探测方法，其特征在于：所述步骤6）中二级和三级气象产品包括反射率、微分反射率,相关系数、频谱宽度、径向速度、和差分相移。