天气雷达及其方位跟踪探测方法与系统、设备及存储介质与流程

1.本发明属于雷达探测技术领域，尤其涉及一种天气雷达及其方位跟踪探测方法与系统、设备及存储介质。


背景技术：

2.天气雷达在业务应用上，探测模式非常单一。刘应军等在《新一代天气雷达体扫模式的探讨》[d]南京信息工程大学，2006中指出，“新一代天气雷达在对一些特殊的灾害性天气如台风等的探测时，有时候产品会不太令用户满意，给台风的预报带来了困难，出现这种现象，主要是因为其体扫模式不理想，
……
，然后结合当地的天气特点和实际工作经验试着提出适合当地特殊天气的体扫模式，以期对灾害性天气进行更好的探测和预报”。而中小尺度的天气的变化过程更快，针对其探测模式的要求更高。
[0003]
天气雷达从伺服的旋转特性来讲，主要探测模式有体积扫描（即体扫模式）、扇形扫描（即扇扫模式）、凝视扫描（即凝扫模式）等，这几种扫描方式的主要区别在于方位扫描上有所不同。体积扫描，伺服在方位上持续360
°
旋转扫描；扇形扫描，伺服在指定的方位区域内进行往返扫描；凝视扫描，伺服固定在某一个方位角上定点扫描，任何一种扫描方式都需要人为设定。
[0004]
业务应用中往往在模式设置之后，人为介入之前，会一直维持一种扫描模式，而固定的某种扫描模式存在扫描时间长，探测利用率不高，甚至错失天气过程等问题。如果采用人为识别天气切换模式，又会存在识别天气过程时间长、要求高，切换过程繁琐，对人员专业素质要求高等问题。如果能够在中小尺度的天气观测过程中，通过自动识别跟踪局部天气，实现在特定时刻特定方位区域的扫描，将会大大提高中小尺度天气过程获取的时间分辨率。例如x波段双偏振相控阵天气雷达完成一个360
°
的体积扫描约需要时长三十秒，进行60
°
扇形扫描时长仅需十几秒；如果局地天气集中在60
°
区域，实现跟踪模式后，扫描时间分辨率将提高至少一倍。
[0005]
目前还没有天气雷达实现跟踪探测模式的相关研究，主要原因是跟踪探测模式一般情况下不适应大范围的天气过程，适应局部中小尺度天气过程，而对于中小尺度天气的预警预报目前仍是业界的一个难题，各种研究仍在探索阶段。
[0006]
名称解释，特定天气是指在雷达扫描范围内的局部中小尺度天气，例如部分小范围的冰雹、短时强降水、龙卷等天气过程。


技术实现要素：

[0007]
本发明的目的在于提供一种天气雷达及其方位跟踪探测方法与系统、设备及存储介质，以解决现有天气雷达在局部中小尺度天气过程中无法实现跟踪探测导致探测利用率不高，探测时间分辨率低，易错失天气过程以及探测准确性不高的问题。
[0008]
本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种天气雷达方位跟踪探测方法，包括以下步骤：
步骤1：获取天气雷达体扫数据；步骤2：根据扫描数据判断是否存在特定天气，所述扫描数据为体扫数据或扇形扫描数据；所述特定天气是指在雷达扫描范围内的局部中小尺度天气；步骤3：当所述扫描数据为体扫数据且不存在特定天气时，转入步骤1；当所述扫描数据为扇形扫描数据且不存在特定天气时，天气雷达转为体扫模式，转入步骤1；当存在特定天气时，转入步骤4；步骤4：以特定天气区域中反射率强度最大点为中心，向顺时针、逆时针旋转的方位角进行扩散识别，当连续识别到n个无效回波方位时，确定该特定天气区域的起始方位角和结束方位角；其中，5≤n ≤体扫方位角数量的四分之一；步骤5：将所述起始方位角和结束方位角发送给天气雷达，所述天气雷达根据起始方位角和结束方位角确定扇扫角度范围，并根据所述扇扫角度范围在所述特定天气区域内进行扇形扫描；步骤6：获取天气雷达扇形扫描数据，重复步骤2~5，实现天气雷达方位持续跟踪探测。
[0009]
进一步地，所述步骤1中，根据扫描数据识别出特定天气的具体实现过程为：根据所述扫描数据计算出每个方位的有效数据百分比；根据每个方位的有效数据百分比，得到有效数据百分比大于第一设定阈值时的连续方位角数量；当连续方位角数量大于第二设定阈值且小于体扫方位角数量的一半时，对应方位识别为连续独立方位；在所述连续独立方位中，如果反射率强度的最大值大于等于第三设定阈值，则存在特定天气。
[0010]
进一步地，所述有效数据百分比等于有效距离库数量与总距离库数量的百分比。
[0011]
进一步地，所述第一设定阈值为10%，第二设定阈值为10，第三设定阈值为35dbz。
[0012]
进一步地，所述步骤5中，扇扫角度范围为[φ1－θ，φ2＋θ]，其中φ1为起始方位角，φ2为结束方位角，θ为天气雷达伺服电机旋转加减速角度信息。
[0013]
进一步地，所述步骤5中，在m个扫描周期内保持扇形扫描，其中m≥3。
[0014]
本发明还提供一种天气雷达方位跟踪探测系统，与天气雷达的控制系统通讯连接，所述方位跟踪探测系统包括：数据获取单元，用于获取天气雷达扫描数据，所述扫描数据为正常扫描数据或扇形扫描数据；判断单元，用于根据所述扫描数据判断是否存在特定天气；所述特定天气是指在雷达扫描范围内的局部中小尺度天气；边界确定单元，用于在存在特定天气时，以特定天气区域中反射率强度最大点为中心，向顺时针、逆时针旋转的方位角进行扩散识别，当连续识别到n个无效回波方位时，确定该特定天气区域的起始方位角和结束方位角，并将所述起始方位角和结束方位角发送给天气雷达，以便天气雷达根据起始方位角和结束方位角确定扇扫角度范围，并根据所述扇扫角度范围在所述特定天气区域内进行扇形扫描；其中，5≤n ≤体扫方位角数量的四分之一。
[0015]
本发明还提供一种天气雷达，包括控制系统以及如上所述的天气雷达方位跟踪探测系统；所述天气雷达方位跟踪探测系统与所述控制系统通讯连接。
[0016]
本发明还提供一种天气雷达方位跟踪探测设备，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上所述天气雷达方位跟踪探测方法的步骤。
[0017]
本发明还提供一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述天气雷达方位跟踪探测方法的步骤。
[0018]
有益效果与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明所提供的一种天气雷达及其方位跟踪探测方法与系统，根据局部中小尺度天气数据的特点，从方位和反射率强度两个维度进行识别，确保了特定天气判定的准确性；根据特定天气“多层递减”的回波特点确定特定天气的边界，即确定起始方位角和结束方位角，解决了天气边界难确定的难题；在天气边界角度基础上增加伺服电机加减速角度信息以形成扇扫角度范围，确保了伺服电机在特定天气边界内进行匀速扫描，保证了天气数据质量；重复执行方位跟踪探测方法，确保了探测模式适应天气生消发展过程，提高了局部中小尺度天气探测的时间分辨率，提高了特定天气的预警预报能力和准确性。
[0019]
本发明建立了一套可以实现天气雷达方位跟踪探测的机制，使方位跟踪探测机制在天气雷达的应用中具备工程实现能力；针对这类特定天气过程的快速探测，有助于了解其形成机理，具备较高的科研价值。
附图说明
[0020]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0021]
图1是本发明实施例中大范围天气过程示意图；图2是本发明实施例中局部天气过程示意图；图3是本发明实施例中某个局部天气过程的跟踪边界示意图；图4是本发明实施例中天气雷达方位跟踪探测方式流程图；图5是本发明实施例中天气过程“多层递减”回波示意图。
具体实施方式
[0022]
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0023]
下面以具体地实施例对本技术的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
[0024]
在天气雷达的业务应用中往往会维持一种扫描模式，而固定的某种扫描模式会存在扫描时间长，探测利用率不高，甚至错失天气过程等问题，例如体扫模式在局部中小尺度天气观测过程中的应用即存在上述问题。如果能够自动识别特定天气，实现在特定时刻特
定天气区域内扫描，将会大大提高特定天气观测过程中天气数据获取的时间分辨率，提高特定天气预警预报能力。如何实现局部中小尺度天气的方位跟踪探测目前仍然是业界的一个难题。
[0025]
实现局部中小尺度天气的方位跟踪探测主要存在以下几个难点：1、特定天气的识别：是指天气雷达在常规扫描模式过程中，需要发现适用于方位跟踪探测机制的局部天气过程，而不是任何天气都能进行方位跟踪探测。以图1和图2为例：图1为不适用方位跟踪探测机制的大范围天气过程，不予识别；图2为适用方位跟踪探测机制的局部天气过程，可予以识别。
[0026]
2、特定天气边界的确定：是指在识别或判断出特定天气后，如何对该特定天气的跟踪边界进行确定。如果边界太大，起不到缩短扫描时间，提高时间分辨率的效果；如果边界太小，探测不到完整的天气数据，对天气过程的反馈有限，如图3所示某个局部天气过程的跟踪边界。
[0027]
3、边界反馈与实现：是指在特定天气边界确定后，需要将边界反馈给天气雷达的控制系统，由天气雷达的控制系统，决策伺服电机的扇形扫描区域。
[0028]
4、持续跟踪识别：是指天气过程并不是固定不动的，而是在不停的生消发展，需要在每一个扫描周期内，具有判定——确定边界——反馈——再识别的过程，并且需要根据天气情况，建立退出跟踪模式的机制。
[0029]
如图4所示，本发明实施例所提供的一种天气雷达方位跟踪探测方法，旨在解决上述问题，建立一套完整的针对特定天气的方位跟踪探测机制，该方法包括以下步骤：步骤1：数据获取：获取天气雷达体扫数据。
[0030]
通常，在进入方位跟踪探测机制（即进入本发明天气雷达方位跟踪探测方法）之前，天气雷达以体扫模式进行扫描，体扫数据可以为天气领域常用的各层仰角的组合回波数据，各层是指俯仰方向的波束个数，以新一代天气雷达vcp21模式为例，完成一个体扫，包括方位向0~360
°
，俯仰向9个波束，即9层仰角，各层即指俯仰向的所有层。组合回波数据是指所有仰角中反射率强度的最大值在地面上的投影，即组合回波数据只显示所有仰角中反射率强度最大的仰角。通过手动点击实现方位跟踪探测机制的进入或退出。
[0031]
步骤2：特定天气的判定或识别：根据扫描数据判断是否存在特定天气。
[0032]
扫描数据为由步骤1获取的体扫数据或由步骤6获取的扇形扫描数据，特定天气判定或识别主要是利用体扫数据（或扇形扫描数据）的分布，从方位和反射率强度两个维度进行判别，在本发明的一个具体实施方式中，根据体扫数据（或扇形扫描数据）判断是否存在特定天气的具体实现过程为：步骤1.1：根据体扫数据（或扇形扫描数据）计算出每个方位的有效数据百分比a。
[0033]
利用每个方位的有效数据百分比a和连续性识别出连续独立方位。在本发明的一个具体实施方式中，有效数据百分比a等于有效距离库数量与总距离库数量的百分比，如表1所示，天气雷达的反射率强度数据在上传时有数值的距离库为有效距离库，无数值的距离库一般打“/”即为无效距离库，有效距离库数量即为有数值的距离库总和；总距离库数是由天气雷达工作之初根据探测距离和径向距离分辨率决定的，例如探测距离为45km，径向距离分辨率为30m，则总距离库数为1500个。
[0034]
表1 天气雷达的反射率强度数据
步骤1.2：根据每个方位的有效数据百分比a，得到有效数据百分比a大于第一设定阈值时的连续方位角数量b。
[0035]
当有效数据百分比a大于第一设定阈值时，表明对应的方位为有效方位。
[0036]
步骤1.3：当连续方位角数量b大于第二设定阈值且小于体扫方位角数量的一半时，对应方位识别为连续独立方位。
[0037]
当有效数据百分比a超过第一设定阈值，连续方位角数量b超过第二设定阈值且小于体扫方位角数量的一半时，则可识别为连续独立方位，其原理为：天气数据为成片目标，在天气雷达上会跨多个距离库和方位。连续方位角数量b小于体扫方位角数量的一半是为了避免将大范围的天气过程识别为特定天气，提高了特定天气识别准确性。
[0038]
步骤1.4：在连续独立方位中，如果反射率强度的最大值大于等于第三设定阈值，则存在特定天气。
[0039]
在识别连续独立方位后，在该连续独立方位中遍历一次反射率强度的最大值，当发现有反射率强度的最大值≥第三设定阈值时，则标记为有强天气过程，即判定为特定天气。
[0040]
在本发明的一个具体实施方式中，第一设定阈值为10%，第二设定阈值为10，第三设定阈值为35dbz，一般大雨、冰雹等局部过程强度均≥35dbz。第一设定阈值、第二设定阈值以及第三设定阈值可以在方位跟踪探测过程中根据探测效果进行调整。
[0041]
步骤3：当扫描数据为体扫数据且不存在特定天气时，转入步骤1；当扫描数据为扇形扫描数据且不存在特定天气时，退出方位跟踪探测机制，天气雷达转为体扫模式；当存在特定天气时，转入步骤4。
[0042]
手动点击进入方位跟踪探测机制时，天气雷达为体扫模式，当天气雷达为体扫模式（即获取的扫描数据为体扫数据）且不存在特定天气时，天气雷达不改变探测模式，继续以体扫模式进行探测或扫描，转入步骤1，继续获取体扫数据。在存在特定天气，天气雷达由体扫模式转换为扇形扫描模式后，天气雷达以扇形扫描模式进行探测或扫描，根据扇形扫描数据进行特定天气判断时，当天气雷达为扇形扫描模式（即获取的扫描数据为扇形扫描
数据）且不存在特定天气时，则天气雷达退出扇形扫描模式，以体扫模式（正常扫描模式）进行探测或扫描，转入步骤1，如果要退出方位跟踪探测机制，则人工干预退出。无论是体扫模式还是扇形扫描模式，当存在特定天气时，均转入步骤4，进行特定天气边界确定。
[0043]
步骤4：天气边界确定：以特定天气区域中反射率强度最大点为中心，向顺时针、逆时针旋转的方位角进行扩散识别，当连续识别到n个无效回波方位时，确定该特定天气区域的起始方位角和结束方位角。
[0044]
天气边界确认主要利用局地中小尺度天气过程，一般有一个强中心，中心边缘强度会逐步变小，形成“多层递减”回波，通过这种递减的规律，则可识别出该特定天气过程的边界。在具体识别过程中，以反射率强度最大点为中心，向顺时针、逆时针旋转的方位角进行扩散识别，直到连续识别到n个无效回波方位，则可确定为该特定天气的两个方位边界。
[0045]
在本发明的一个具体实施方式中，5≤n ≤体扫方位角数量的四分之一，例如体扫方位角数量为240，则5≤n ≤60，具体地，n设置为10。
[0046]
如图5所示，天气雷达中一般以5db为一个色标，该天气过程往左右两个方向（即顺时针、逆时针旋转的方位角）各延续了7个色标，也就是7层，延续完之后即为无效回波方位。
[0047]
步骤5：由天气雷达控制系统确定扇扫角度范围：将起始方位角和结束方位角发送给天气雷达控制系统，天气雷达控制系统根据起始方位角和结束方位角确定扇扫角度范围，并根据扇扫角度范围在特定天气区域内进行扇形扫描。
[0048]
起始方位角和结束方位角通过通信协议反馈给天气雷达的控制系统，天气雷达控制系统在收到起始方位角和结束方位角之后加入伺服电机旋转的加减速角度信息形成扇扫角度范围（不同天气雷达伺服加减速角度信息不一样），传送给天气雷达伺服电机系统，由伺服电机系统在该扇扫角度范围内进行扇形扫描。加入加减速角度信息是为了确保伺服电机系统在特定天气边界内进行匀速扫描，保证天气数据质量。
[0049]
在本发明的一个具体实施方式中，扇扫角度范围为[φ1－θ，φ2＋θ]，其中φ1为起始方位角，φ2为结束方位角，θ为天气雷达伺服电机旋转加减速角度信息。例如起始方位角为20度、结束方位角为80度，伺服电机旋转加减速角为8度，则扇扫角度范围为：12度~88度。
[0050]
在本发明的一个具体实施方式中，在m个扫描周期内保持扇形扫描，其中m≥3，m优选为5，m个扫描周期内保持扇形扫描是为了确保天气雷达探测数据的有效性，防止扇扫角度变更过于频繁引起角度切换开销过大，影响天气数据获取的时间分辨率。
[0051]
步骤6：获取天气雷达扇形扫描数据，重复步骤2~5，实现天气雷达方位持续跟踪探测。
[0052]
对天气雷达方位持续跟踪探测，当未识别到特定天气时退出方位跟踪探测机制，转为正常体扫模式。
[0053]
本发明实施例还提供一种天气雷达方位跟踪探测系统，与天气雷达的控制系统通讯连接，该方位跟踪探测系统包括数据获取单元、判断单元以及边界确定单元。
[0054]
数据获取单元与控制系统通讯连接，用于获取天气雷达扫描数据，扫描数据为体扫数据或扇形扫描数据。
[0055]
判断单元，用于根据数据获取单元的扫描数据判断是否存在特定天气。判断单元具体用于：根据扫描数据计算出每个方位的有效数据百分比a；根据每个方位的有效数据百
分比a，得到有效数据百分比a大于第一设定阈值时的连续方位角数量b；当连续方位角数量b大于第二设定阈值时，对应方位识别为连续独立方位；在连续独立方位中，如果反射率强度的最大值大于等于第三设定阈值，则存在特定天气。
[0056]
边界确定单元与控制系统通讯连接，用于在存在特定天气时，以特定天气区域中反射率强度最大点为中心，向顺时针、逆时针旋转的方位角进行扩散识别，当连续识别到n个无效回波方位时，确定该特定天气区域的起始方位角和结束方位角，并将起始方位角和结束方位角发送给天气雷达的控制系统，以便天气雷达控制系统根据起始方位角和结束方位角确定扇扫角度范围，并根据扇扫角度范围在特定天气区域内进行扇形扫描；其中，5≤n ≤体扫方位角数量的四分之一。
[0057]
本发明实施例还提供一种天气雷达，包括控制系统以及如上所述的天气雷达方位跟踪探测系统；所述天气雷达方位跟踪探测系统与所述控制系统通讯连接。
[0058]
本发明实施例还提出了一种天气雷达方位跟踪探测设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述天气雷达方位跟踪探测方法的步骤。
[0059]
示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述计算机设备中的执行过程。例如，所述计算机程序可以被分割成数据获取单元、判断单元以及边界确定单元，各单元具体功能如上所述。
[0060]
所述设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述设备可包括但不仅限于处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，天气雷达方位跟踪探测系统仅仅是设备的示例，并不构成对设备的限定，可以包括比系统更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
[0061]
所述处理器可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0062]
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述天气雷达方位跟踪探测系统的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(smart media card，smc)，安全数字(secure digital，sd)卡，闪存卡(flash card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
[0063]
所述计算机程序被处理器执行时实现所述天气雷达方位跟踪探测方法的步骤。
[0064]
所述天气雷达方位跟踪探测系统集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
[0065]
以上所揭露的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揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。