协同自适应观测方法技术

本发明专利技术涉及一种协同自适应观测方法，天气雷达网络中的各部雷达在仰角1°-5°范围上完成360°的全方位扫描，包含了整个观测区域的时间连续数据，各部雷达终端程序读取该数据并进行预处理，然后由气象命令与控制中的探测算法处理观测数据寻找到感兴趣的重点区域，根据AOI的信息，利用权重法计算AOI的权重值，确定AOI的优先级，再把AOI的信息上传到控制中心，由控制中心确定扫描的区域，形成扫描策略，最后各部雷达按照扫描策略执行适应性的扫描模式。本发明专利技术解决了多部雷达如何选择重点区域进行协同自适应观测的难题，可以克服长程雷达的不足，获得更高时空分辨率的资料。

【技术实现步骤摘要】
协同自适应观测方法
本专利技术涉及一种自适应观测方法，尤其涉及一种网络化天气雷达协同自适应观测方法。
技术介绍
天气雷达在现代气象综合观测系统中起着非常重要的作用，对大中尺度天气系统有很好的监测能力，为短临天气预报提供了直观的资料。随着天气雷达性能的不断改进，架设的雷达部数逐渐增加，形成了天气雷达网络，包括收发分置双(多)基地雷达网络，美国的NEXRAD(Next-GenerationWeatherRadar)和TDWR(TerminalDopplerWeatherRadar)网络，欧洲的OPERA(OperationalProgrammefortheExchangeofweatherRadarinformation)计划和中国的CINRAD(ChineseNextGenerationRadar)网络。现有的天气雷达网络主要由S/C波段长程雷达组成，由于地球曲率、地形阻碍和雷达波束扩展造成的分辨率降低的影响，存在低空探测盲区。很大的探测距离使得每部雷达系统对地表以上1千米范围低对流层的观测覆盖仅为30％，而很多中尺度天气发源于这个空间区域。为了克服此问题，提高低层大气的探测与研究水平，促进中小尺度高影响天气的研究，逐步提高雷暴、冰雹、龙卷、局地暴雨、山洪和下击暴流等气象灾害的预报预警水平，为气象风险评估提供更多的观测依据，有必要发展低层大气遥感探测研究，需要加强小功率短程雷达网络的应用示范研究。可以部署X波段小功率短程雷达网络，开展协同观测，注重对关注区域高时空分辨率的观测，以获取更高时空分辨率的雷达观测资料，描绘出中小尺度天气更细微的变化，为研究极端天气提供更详细的资料。在天气雷达网络中，如何确定重点观测区域(AOI)并且协调各部雷达观测是需要解决的最主要问题，它在很大程度上决定了当天气过程经过雷达网络覆盖区域时各部雷达扫描的重点区域及采取的扫描策略。因此设计出协同自适应观测方法已经成为天气雷达网络技术发展中一项迫在眉睫的任务。
技术实现思路
协调多部X波段小功率雷达加强观测感兴趣的区域，并能够根据天气情况的变化进行动态调整，以获取更高时空分辨率的雷达观测资料，弥补由S/C波段长程雷达存在的低空探测盲区，本专利技术设计了协同自适应观测方法，有效解决了这一问题。为了解决以上问题本专利技术提供了一种协同自适应观测方法包括雷达数据预处理、气象命令与控制、各部雷达执行扫描模式三个步骤。主要流程为：天气雷达网络中的各部雷达在仰角A(仰角范围为1°-5°)上完成360°的全方位扫描，包含了整个观测区域的时间连续数据，各部雷达终端程序读取该数据并进行预处理，然后由气象命令与控制中的探测算法处理观测数据寻找到感兴趣的重点区域，根据AOI的信息，利用权重法计算AOI的权重值，确定AOI的优先级，再把AOI的信息上传到控制中心，由控制中心确定扫描的区域，形成扫描策略，最后各部雷达按照扫描策略执行适应性的扫描模式。1.雷达数据预处理1.1所述的雷达数据是指：雷达网络中的各部雷达对天气过程观测时，按照用户设置的方式工作，每完成一次观测就生成一个以时间、站点、文件形式等命名的二进制数据文件，文件格式采用中国气象局气象探测中心下发的格式，用以存储站址信息、雷达性能参数、本次探测的观测参数、本次探测的回波数据等数据。该文件由雷达实时控制程序产生。1.2所述的预处理是指：对雷达数据进行质量控制。在雷达近区，往往受各种外界因素的影响，雷达回波会遭严重干扰；在远区，由于信噪比的下降，有用回波往往会淹没在噪声中。数据预处理的功能主要就是尽可能的去除干扰，提高信噪比。在数据预处理过程中，本专利技术采取的措施有：中值滤波与滑动平均。1.2.1所述的中值滤波是指：对每个目标点，选择周围M*N个格点的观测数据，其中M、N分别表示在径向和方位上取的格点数目，将这些观测值排序，用中间值代替目标点的值。1.2.2所述的滑动平均是指：对每个目标点，选择周围P*Q个格点的观测数据，其中P、Q分别表示在径向和方位上取的格点数目，计算P*Q个格点数据的平均值，代替目标点的值。1.3所述的雷达终端程序是指：雷达的终端处理程序，其主要功能包括雷达基数据的自动获取与实时显示、历史数据查看、方便的人机界面等。2.气象命令与控制所述的气象命令与控制是协同自适应观测方法中最主要的软件组件，雷达网络中的各部雷达把探测得到的数据作为输入，并执行一系列的探测处理算法以寻找AOI并统计AOI的信息。根据AOI的信息，利用权重法计算AOI的权重值，确定AOI的优先级，，把AOI的信息及权重值上传到控制中心，再根据观测的天气尺度，形成扫描策略，各部雷达协同观测，最后优化的扫描策略应用于整个网络系统。2.1所述的探测算法是指：即确定AOI的算法。算法步骤如下：保留超过某一阈值D(阈值范围为25-40dBz)的雷达回波；在雷达观测的径向和方位上分别保留回波连续超过S个格点(取值范围为≥15)的观测数据；在雷达观测方位上，如果连续回波间间隔的无回波的格点数小于T(取值范围为≤20)，则合并为一个区域；统计融合区域的大小、其中心与雷达的距离及方位信息。2.2所述的AOI的信息是指：AOI的最大强度、平均强度、区域面积、最大强度变化量、平均强度变化量、面积变化量。2.3所述的权重法是指：根据AOI的信息，对AOI中不同的信息赋予不同的权重a、b、c、d、e、f(取值范围均为0-1)，权重和为1，我们特别关注AOI的最大强度和最大强度变化量，当AOI的最大强度＜55dBz时，a的取值为0.3，当AOI的最大强度≥55dBz时，a的取值为0.5；当最大强度变化量＜3dBz时，d的取值为0.3，当最大强度变化量≥3dBz时，d的取值为0.5；其他权重值均相同。AOI的权重值V表示为：V＝(AOI的最大强度)*a+(平均强度)*b+(区域面积)*c+(最大强度变化量)*d+(平均强度变化量)*e+(面积变化量)*f。2.4所述的扫描策略是指：根据上传到控制中心的AOI优先级和方位信息，确定各部雷达协同观测采用的扫描模式。2.4.1所谓协同观测，以雷达扫描数(即AOI能被几部雷达同时观测)为最高优先级，假设雷达网络中包括N部雷达，N≥2；如果AOI的最多雷达扫描数为N，选取排序最前的AOI，N部雷达做协同扫描；如果AOI的最多雷达扫描数为N-1，选取排序最前的AOI，N-1部雷达做协同扫描，另外一部雷达选择本身观测的AOI做适应性扫描；以此类推，如果AOI的最多雷达扫描数为1，各部雷达做适应性扫描。3.执行扫描模式所述的扫描模式是指：在允许的时间内，从1°的高度角开始，包括3°、5°、7°、9°、11°、和14°高度角。扇形扫描方式的扫描角度和扫描层数是可变的。将扇形扫描的方式固定为三种模式：一种观测模式是7个高度角(1°、3°、5°、7°、9°、11°、和14°)，扇形扫描角度范围为60°；一种观测模式是4个高度角(1°、3°、5°和7°)，扇形扫描角度范围为120°；一种观测模式是2个高度角(1°和3°)，扫描角度范围为360°。本专利技术解决了多部雷达如何选择重点区域进行协同自适应观测的难题，可以克服长程雷达的不足，获得更高时空分辨率的资料，发展雷暴类型识别、跟踪和自适应观测算法，发展相应的衰减订正、定量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种协同自适应观测方法，其特征在于：包括雷达数据预处理、气象命令与控制、各部雷达执行扫描模式三个步骤；雷达网络中的各部雷达在仰角A，仰角A范围为1°‑5°上完成360°的全方位扫描，包含了整个观测区域的时间连续数据，各部雷达终端程序读取该数据并进行预处理，然后由气象命令与控制中的探测算法处理观测数据寻找到感兴趣的重点区域，根据AOI的信息，利用权重法计算AOI的权重值，确定AOI的优先级，再把AOI的信息上传到控制中心，由控制中心确定扫描的区域，形成扫描策略，最后各部雷达按照扫描策略执行适应性的扫描模式。

【技术特征摘要】
1.一种协同自适应观测方法，其特征在于：包括雷达数据预处理、气象命令与控制、各部雷达执行扫描模式三个步骤；雷达网络中的各部雷达在仰角A，仰角A范围为1°-5°上完成360°的全方位扫描，包含了整个观测区域的时间连续数据，各部雷达终端程序读取该数据并进行预处理，然后由气象命令与控制中的探测算法处理观测数据寻找到感兴趣的重点区域，根据AOI的信息，利用权重法计算AOI的权重值，确定AOI的优先级，再把AOI的信息上传到控制中心，由控制中心确定扫描的区域，形成扫描策略，最后各部雷达按照扫描策略执行适应性的扫描模式；所述的权重法是指：根据AOI的信息，对AOI中不同的信息赋予不同的权重a、b、c、d、e、f，a、b、c、d、e、f的取值范围均为0-1，权重和为1，我们特别关注AOI的最大强度和最大强度变化量，当AOI的最大强度＜55dBz时，a的取值为0.3，当AOI的最大强度≥55dBz时，a的取值为0.5；当最大强度变化量＜3dBz时，d的取值为0.3，当最大强度变化量≥3dBz时，d的取值为0.5；其他权重值均相同；AOI的权重值V表示为：V＝(AOI的最大强度)*a+(平均强度)*b+(区域面积)*c+(最大强度变化量)*d+(平均强度变化量)*e+(面积变化量)*f。2.根据权利要求1所述的协同自适应观测方法，其特征在于：所述的仰角A为2.3°。3.根据权利要求1所述的协同自适应观测方法，其特征在于：所述雷达数据预处理采用中值滤波和滑动平均的方法进行数据预处理；中值滤波是指：对每个目标点，选择周围M*N个格点的观测数据，其中M、N分别表示在径向和方位上取的格点数目，将这些观测值排序，用中间值代替目标点的值；滑动平均是指：对每个目标点，选择周围P*Q个格点...

【专利技术属性】
技术研发人员：李兆明，李思腾，李东洋，陆建兵，吴海军，王永亮，段树，李忱，陈洪滨，
申请(专利权)人：中国科学院大气物理研究所，南京恩瑞特实业有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11