一种天气雷达组网策略评估方法及系统与流程

[0001]
本发明涉及气象雷达站网布设与协同观测领域，尤其对不同组网策略进行雷达网性能评估和评价。具体为一种天气雷达组网策略评估方法及系统。


背景技术：

[0002]
随着湖北监利沉船事故、江苏阜宁龙卷风事件相继发生，国家正在苏皖平原、珠江三角洲、长江三角洲和江汉平原等地开展新一轮的短波长天气雷达布网工作。欲更好地发挥天气雷达网协同探测威力，探讨其组网策略是否合理成为业务布局与效益发挥的关键。
[0003]
然而，在国内，该方面工作尚处于空白，尚未有人给出天气雷达组网性能评估指标、评估方法以及可业务使用的评估系统。
[0004]
因此，亟需一套完整而科学的天气雷达组网策略评估方法及系统支撑气象部门天气雷达布网与协同观测工作。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于提供一种天气雷达组网策略评估方法及系统，在国内首次提出延用波束直径b
s
、最低波束高度b
h
和探测灵敏度z
min
作为天气雷达网性能指标评估工具。首先将天气雷达组网策略模型化，求解重叠率m，再依据算法计算累计概率密度函数值为90％不同拓扑结构的雷达网和单部天气雷达性能指标(b
s
，b
h
，z
min
)分别为特征量对应的特征值，通过波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
特征值差异性比较，确定合理的天气雷达组网策略。该方法不仅实现了不同组网策略下雷达网性能比较，也实现了特定策略下雷达网与单部天气雷达性能比较。旨在为天气雷达站网布设与协同观测供基础性技术支撑。
[0006]
为实现上述目的，本发明提供第一方面的技术方案：一种天气雷达组网策略评估方法，具体方法如下：
[0007]
s1、将天气雷达组网策略模型化，求解重叠率m；
[0008]
s2、依据算法计算不同拓扑结构下雷达网性能指标(bs，bh，zmin)空间域；
[0009]
s3、取累计概率密度函数值为90％，依据算法反求不同拓扑结构下雷达网和单部雷达性能指标(bs，bh，zmin)分别为特征量对应的特征值；
[0010]
s4、差异性比较波束直径bs、最低波束高度bh、探测灵敏度zmin特征值，确定合理的天气雷达组网策略。
[0011]
优选的，所述将天气雷达组网策略模型化，求解重叠率m。将天气雷达组网策略参数化成雷达网基本单元为正三角形、正四边形、正六边形三种数学模型，公式为(1)-(3)。按照公式(1)-(3)求解不同组网策略对应的重叠率m。
[0012][0013][0014]
m＝r
max
/l
×
1，n＝6
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0015]
式中，n为同型号雷达数量，表示构成n条边的规则多边形(雷达位于顶点)，为基本单元的形状因子，单位个；r
max
为单部雷达最大探测距离，单位km；l为雷达组网网距，即相邻两部雷达之间的距离，单位km；m是重叠率，单部雷达最大探测范围和组网基本单元空间范围的比值，为无量纲量。
[0016]
优选的，所述依据算法计算不同拓扑结构下雷达网性能指标(b
s
，b
h
，z
min
)空间域。不同拓扑结构下雷达网波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
空间域计算方法。具体为：考虑与雷达网波束直径b
s
空间密度函数一一对应，采取公式(4)分步求解其空间域；考虑与雷达网最低波束高度b
h
空间密度函数一一对应，采取公式(5)分步求解其空间域；考虑与雷达网探测灵敏度z
min
空间密度函数一一对应，采取公式(6)分步求解其空间域。
[0017][0018][0019][0020]
式中，b
smax
为用于组网的单部雷达波束直径b
s
最大值，单位米；b
hmax
为用于组网的单部雷达最低波束高度b
h
最大值，单位米；z
max
为用于组网的单部雷达探测灵敏度z
min
最大值，单位db；θ
s
为雷达网基本单元几何中心点到某顶点与边的夹角，单位为度。
[0021]
优选的，所述取累计概率密度函数值为90％，依据算法反求不同拓扑结构下雷达网和单部天气雷达性能指标(b
s
，b
h
，z
min
)分别为特征量对应的特征值。不同拓扑结构下雷达网和单部雷达波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
空间密度函数计算方法。具体为：雷达网波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
空间密度函数分别与其空间域一一对应，采取公式(7)-(9)分步计算；单部天气雷达波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
空间密度函数采用公式(10)-(12)直接计算。
[0022]
[0023][0024][0025][0026][0027][0028]
式中，f表示概率密度函数，无量纲量。其中上标n代表雷达网，无上标n表示单部天气雷达；下标b
s
、b
h
、z
min
分别代表波束直径、最低波束高度和探测灵敏度概率密度函数。小括号内和大括号右边b
s
、b
h
、z
min
分别表示波束直径、最低波束高度和探测灵敏度为自变量。b
smax
、b
hmax
、z
max
、θ
s
、m定义同上。
[0029]
不同拓扑结构下雷达网和单部天气雷达波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
特征值计算方法。具体为：令雷达网波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
分别为公式(13)中特征量μ，其空间域分别由公式(4)-(6)计算，其概率密度函数分别由公式(7)-(12)表示，取累计密度函数值f(μ)为90％时，通过公式(13)依次反求雷达网波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
为特征量对应的特征值。
[0030][0031]
式中f(μ)为特征量μ的累计空间密度函数(其值在(0,1)之间),f
u
(μ)为特征量μ的空间密度函数。逆向思维，已知特征量μ值的范围，可求得某特定累计空间密度函数值对应的δ值，称为特征量μ对应的特征值。
[0032]
优选的，差异性比较波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
特征值，确定合理的天气雷达组网策略。一方面，通过不同组网策略的天气雷达网波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
特征值差异性数值比较，表征天气雷达网在方位分辨率、探测盲区、弱回波探测能力，以及空间探测一致性等方面性能。一般数值越小，性能越优；倘若数值过分小，表明组网网距l不合理，造成雷达资源的浪费。另一方面，通过特定组网策略的天气雷达网与单部天气雷达波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
特征值差异性数值比较，表征天气雷达网在方位分辨率、探测盲区、弱回波探测能力，以及空间探测一致性等方面性能
改进程度。综合天气雷达网与网、网与单部天气雷达性能比较，确定合理的天气雷达组网策略。
[0033]
为实现上述目的，本发明提供第二方面的技术方案：一种天气雷达组网策略评估，包括：参数信息传递模块、模型匹配与计算模块、对比与文件输出模块。
[0034]
优选的，参数信息传递模块。在visual c++6.0软件平台下，搭建参数信息输入对话框，获取基本参数，包括雷达网参数、天气雷达性能参数、附属信息。其中，雷达网参数包括，雷达数量n(雷达网拓扑结构)、雷达网距l；天雷达性能参数包括，最大探测距离r
max
、最大波束直径b
smax
、最大最低波束高度b
hmax
、最大探测灵敏度z
max
；附属信息包括，天气雷达波长、制作单位、制作日期等。并以变量赋值形式存储用户输入的基本参数，形成参数信息传递模块。
[0035]
优选的，模型匹配与计算模块。在visual c++6.0软件平台下，依据雷达网参数，匹配雷达网基本单元数学模型；并结合天气雷达性能参数，分别计算天气雷达网和单部天气雷达波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
对应的特征值，形成模型匹配与计算模块。
[0036]
优选的，对比与文件输出模块。在visual c++6.0软件平台下，按照用户请求，比对不同策略下雷达网以及特定策略雷达网和单部天气雷达波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
对应的特征值差异，给出合理的天气雷达组网策略建议，并以文件形式输出，形成对比与文件输出模块。
[0037]
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0038]
1、本发明将天气雷达网组网策略模型化，采用固定累积概率密度值反求特征量的特征值方法，通过特征值的差异性比较，评估不同组网策略下的雷达网性能，并给出合理的天气雷达组网策略。具体为：将天气雷达组网策略模型化成正三角形、正四边形、正六边形，求解出重叠率m；分别令波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
为特征量，依据其空间密度函数和空间域算法，取累积概率密度函数值为90％，反求特征值；差异性比较波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
特征值，确定合理的天气雷达组网策略。
[0039]
2、本发明提出波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
三个性能指标开展天气雷达组网策略性能评估。波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
原本只是单部天气雷达的性能指标，均是探测距离的函数，均不涉及雷达硬件性能，分别表征其在方位分辨率、探测盲区、弱回波探测能力，以及空间探测一致性等方面性能。多部天气雷达构成的雷达网延用波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
作为性能指标的比较工具，不仅可实现不同组网策略下天气雷达网在方位分辨率、探测盲区、弱回波探测能力，以及空间探测一致性等方面性能比较，也可实现特定组网策略下天气雷达网与单部天气雷达性能比较，表征其性能改善程度。
[0040]
3、本发明，在visual c++6.0开发平台下，生成天气雷达组网策略评估系统。基于对话框平台的搭建，获取用户输入的基本参数，包括雷达网参数、天气雷达性能参数、附属信息。依据雷达网参数，匹配雷达网基本单元数学模型，并结合天气雷达性能参数，分别计算天气雷达网和单部天气雷达波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
对应的特征值。比对不同策略下雷达网以及特定策略雷达网和单部天气雷达波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
对应的特征值差异，给出合理的天气雷达组网策略建议，并以文件形式输
出。所述系统填补了台站空白，实现了本地化应用，服务于天气雷达站网布设与协同观测业务。
附图说明
[0041]
图1为本发明一种天气雷达组网策略评估方法流程图；
[0042]
图2为本发明一种天气雷达组网策略评估系统流程图；
[0043]
图3为本发明交互式基本参数用户输入对话框图；
[0044]
图4为本发明xxxx波段天气雷达组网策略评估报告(样式)图；
具体实施方式
[0045]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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做出创造性劳动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。
[0046]
请参阅图1-4，一种天气雷达组网策略评估方法，具体方法如下：
[0047]
s1、将天气雷达组网策略模型化，求解重叠率m；
[0048]
s2、依据算法计算不同拓扑结构下雷达网性能指标(bs，bh，zmin)空间域；
[0049]
s3、取累计概率密度函数值为90％，依据算法反求不同拓扑结构下雷达网和单部雷达性能指标(bs，bh，zmin)分别为特征量对应的特征值；
[0050]
s4、差异性比较波束直径bs、最低波束高度bh、探测灵敏度zmin特征值，确定合理的天气雷达组网策略。
[0051]
在一个可选的实施例中，将天气雷达组网策略参数化成雷达网基本单元为正三角形、正四边形、正六边形三种数学模型，求解重叠率m；依据算法分别计算不同拓扑结构下雷达网的波束直径bs、最低波束高度bh、探测灵敏度zmin空间域；令雷达性能指标(bs，bh，zmin)为特征量，取累计概率密度函数值为90％，依据算法依次反求不同拓扑结构下雷达网波束直径bs、最低波束高度bh、探测灵敏度zmin对应的特征值，以及单部天气雷达波束直径bs、最低波束高度bh、探测灵敏度zmin对应的特征值；差异性比较波束直径bs、最低波束高度bh、探测灵敏度zmin特征值，表征天气雷达网方位分辨率、探测盲区、弱回波探测能力以及探测数据空间一致性程度，定量评估不同组网策略下天气雷达网性能，确定合理的天气雷达组网策略。
[0052]
在一个可选的实施例中，将天气雷达组网策略参数化表达成雷达网基本单元为正三角形、正四边形、正六边形三种数学模型，求解其重叠率m；具体为：雷达网基本单元为正三角拓扑结构时，其参数化数学表达为公式(1)；雷达网基本单元为正四边形拓扑结构时，其参数化数学表达为公式(2)；雷达网基本单元为正六边形拓扑结构时，其参数化数学表达为公式(3)；
[0053][0054][0055]
m＝r
max
/l
×
1，n＝6
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0056]
式中，n为同型号雷达数量，表示构成n条边的规则多边形(雷达位于顶点)，为基本单元的形状因子，单位个；rmax为单部雷达最大探测距离，单位km；l为雷达组网网距，即相邻两部雷达之间的距离，单位km；m是重叠率，单部雷达最大探测范围和组网基本单元空间范围的比值，为无量纲量。
[0057]
在一个可选的实施例中，不同拓扑结构下雷达网波束直径bs、最低波束高度bh、探测灵敏度zmin空间域计算方法；具体为：考虑与雷达网波束直径bs空间密度函数一一对应，采取公式(4)分步求解其空间域；考虑与雷达网最低波束高度bh空间密度函数一一对应，采取公式(5)分步求解其空间域；考虑与雷达网探测灵敏度zmin空间密度函数一一对应，采取公式(6)分步求解其空间域；
[0058][0059][0060][0061]
式中，b
smax
为用于组网的单部天气雷达波束直径b
s
最大值，单位米；b
hmax
为用于组网的单部天气雷达最低波束高度b
h
最大值，单位米；z
max
为用于组网的单部天气雷达探测灵敏度z
min
最大值，单位db；θ
s
为雷达网基本单元几何中心点到某顶点与边的夹角，单位为度。
[0062]
在一个可选的实施例中，不同拓扑结构下雷达网和单部雷达波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
空间密度函数计算方法；具体为：雷达网波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
空间密度函数分别与其空间域一一对应，采取公式(7)-(9)分步计算；单部天气雷达波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
空间密度函数采用公式(10)-(12)直接计算。
[0063]
[0064][0065][0066][0067][0068][0069]
式中，f表示概率密度函数，无量纲量；其中上标n代表雷达网，无上标n表示单部天气雷达；下标b
s
、b
h
、z
min
分别代表波束直径、最低波束高度和探测灵敏度概率密度函数；小括号内和大括号右边b
s
、b
h
、z
min
分别表示波束直径、最低波束高度和探测灵敏度为自变量；b
smax
、b
hmax
、z
max
、θ
s
、m定义同上。
[0070]
在一个可选的实施例中，不同拓扑结构下雷达网和单部天气雷达波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
特征值计算方法；具体为：令雷达网波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
分别为公式(13)中特征量μ，其空间域分别由公式(4)-(6)计算，其概率密度函数分别由公式(7)-(12)表示，取累计密度函数值f(μ)为90％时，通过公式(13)依次反求雷达网波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
为特征量对应的特征值；
[0071][0072]
式中f(μ)为特征量μ的累计空间密度函数(其值在(0,1)之间),f
u
(μ)为特征量μ的空间密度函数，逆向思维，已知特征量μ值的范围，可求得某特定累计空间密度函数值对应的δ值，称为特征量μ对应的特征值。
[0073]
一种天气雷达组网策略评估系统，包括：参数信息传递模块，采用人机交互式，获取用户输入的基本参数，包括雷达网参数、天气雷达性能参数、附属信息，其中，天雷达性能参数包括，雷达网参数包括，雷达数量n(雷达网拓扑结构)、雷达网距l；最大探测距离rmax、最大波束直径bsmax、最大最低波束高度bhmax、最大探测灵敏度zmax；附属信息包括，天气雷达波长、制作单位和制作日期；
[0074]
模型匹配与计算模块，依据雷达网参数，匹配雷达网基本单元数学模型，并计算天气雷达网和单部天气雷达波束直径bs、最低波束高度bh、探测灵敏度zmin对应的特征值；
[0075]
对比与文件输出模块，按照用户请求，比对不同策略下雷达网以及特定策略雷达网和单部天气雷达波束直径bs、最低波束高度bh、探测灵敏度zmin对应的特征值差异，给出合理的天气雷达组网策略建议，并以文件形式输出，便于用户参考。
[0076]
其中，参数信息传递模块，用于接收用户输入的基本参数，并将信息传递至模型匹配与计算模块；模型匹配与计算模块，用于不同的组网策略匹配不同的数学模型以及不同策略下雷达网以及单部天气雷达波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
对应的特征值的计算；对比与文件输出模块，用于不同策略下雷达网以及特定策略雷达网和单部天气雷达波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
对应的特征值差异性对比，给出合理的组网策略建议，并以文件形式输出。
[0077]
使用时，用户按照图2流程，在交互式基本参数用户输入对话框(图3)内输入基本参数，包括雷达网参数、天气雷达性能参数、附属信息。其中，雷达网参数包括，雷达数量n、雷达网距l，最多支持三组，共9个组网策略；天雷达性能参数包括，组网天气雷达和单部天气雷达最大探测距离r
max
、最大波束直径b
smax
、最大最低波束高度b
hmax
、最大探测灵敏度z
max
；附属信息包括，组网天气雷达和单部天气雷达波长、制作单位、制作日期等。后台接收、传递这些参数信息，并经模型匹配与计算模块、对比与文件输出模块，输出结果文件(图4)，供用户参考。
[0078]
综上所述：该天气雷达组网策略评估方法及系统，基于天气雷达网组网策略和组网天气雷达性能指标，采用固定累积密度函数值反求特征量的特征值方法，通过差异性比较不同策略下雷达网以及特定策略雷达网和单部天气雷达波束直径b
s
、最低波束高度b
h
、探测灵敏度z
min
为特征量对应的特征值，定量评估不同组网策略下雷达网性能，并给出合理的天气雷达组网策略，其结果以文件形式输出(图4)，供用户参考。该系统在visal c++6.0平台下进行技术开发，为气象业务人员提供直观的、可视化的业务平面，便于综合评估不同的组网策略下雷达网在方位分辨率、探测盲区、弱回波探测能力以及探测数据空间一致性等方面的性能。其结果以文件形式输出，便于用户直接使用。该发明既填补了台站空白，提高了台站业务能力，又服务了天气雷达站网布设和协同观测业务。
[0079]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。