本发明涉及雷达探测技术领域，尤其涉及一种风廓线雷达的垂直波束加密观测方法和系统。
背景技术：
风廓线雷达的垂直探测能力对大气的垂直运动、降水、降水云观测具有重要意义。现有技术中，如图2所示，风廓线雷达观测模式固定为五波束测风，依次为顶波束、北波束、东波束、南波束和西波束，其中对垂直探测作用最为重要的顶波束为垂直波束，顶波束在整个探测周期中仅有20％的作用时间。正常情况下，风廓线雷达完成一个探测周期需要3-5分钟，而天气状况的变化往往较快，因此，在一个探测周期内，如果垂直波束的作用时间不够长，对于变化过程较快的垂直运动过程就可能出现观测不全，导致雷达不能探测完整的降水过程信息，不利于对天气过程的记录与研究。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种风廓线雷达的垂直波束加密观测方法和系统，解决由于垂直波束在探测周期所占比重较低而导致风廓线雷达垂直探测能力受限的问题，提高风廓线雷达垂直探测能力。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种风廓线雷达的垂直波束加密观测方法，具体包括步骤：
根据用户输入的操作指令，生成垂直波束加密探测指令，所述垂直波束加密探测指令用于提高一个探测周期内顶波束的数量；
根据垂直波束加密探测指令，向不同方向发射出脉冲信号，一个探测周期内包括多个顶波束；
接收脉冲信号对应的回波信号，对回波信号进行处理，得到信号处理结果；
根据信号处理结果生成加密探测数据。
本发明的有益效果在于：根据垂直波束加密探测指令提高垂直波束在单一探测周期内所占的比重，提升大气垂直探测结果的时间分辨率，解决了风廓线雷达垂直探测能力受限的问题，提高风廓线雷达垂直探测能力。
进一步，根据垂直波束加密探测指令，向不同方向发射出脉冲信号具体包括：
根据垂直波束加密探测指令产生脉冲信号，并将脉冲信号辐射到空间中；
对脉冲信号的辐射方向进行控制，辐射方向依次为顶波束-北波束-顶波束-东波束-顶波束-南波束-顶波束-西波束，并依次循环。
进一步，接收脉冲信号对应的回波信号，对回波信号进行处理，得到信号处理结果具体包括：
接收脉冲信号对应的回波信号并进行转换，把回波信号转换成时域信号；
对时域信号进行处理，得到信号处理结果；对时域信号进行处理的方式包括时域积累、脉冲压缩、去直流、加窗、fft变换，所述信号处理结果包括多个脉冲信号对应的探测波束的功率谱数据文件。
进一步，根据信号处理结果生成加密探测数据具体包括：
根据探测周期内的多个顶波束的功率谱数据文件和同一个探测周期内的北波束、东波束、南波束和西波束的功率谱数据文件得到径向速度信息，并根据径向速度信息计算加密探测数据。
进一步，所述加密探测数据包括风廓线、垂直速度分布图和垂直速度曲线；
具体地，在生成垂直速度分布图时，不需要进行加权平均，直接使用多个顶波束功率谱数据文件；在生成风廓线时，需要对多个顶波束功率谱数据文件进行加权平均；而对于垂直速度曲线，则可以选择直接使用多个顶波束功率谱数据文件或者对多个顶波束功率谱数据文件进行平均。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种风廓线雷达的垂直波束加密观测系统，包括：
显控模块，用于根据用户输入的操作指令生成垂直波束加密探测指令，所述垂直波束加密探测指令用于提高一个探测周期内顶波束的数量；
波束控制模块，用于控制脉冲信号的发射方向；
发射模块，用于根据垂直波束加密探测指令，向不同方向发射出脉冲信号，一个探测周期内包括多个顶波束；
接收模块，用于接收脉冲信号对应的回波信号；
信号处理模块，用于对回波信号进行处理，得到信号处理结果；
数据处理模块，用于根据信号处理结果生成加密探测数据。
进一步，还包括：天线模块，其中，
发射模块具体用于根据垂直波束加密探测指令产生脉冲信号，并通过天线模块将脉冲信号辐射到空间中；
波束控制模块具体用于对脉冲信号的辐射方向进行控制，辐射方向依次为顶波束-北波束-顶波束-东波束-顶波束-南波束-顶波束-西波束，并依次循环。
进一步，接收模块具体用于接收脉冲信号对应的回波信号并进行转换，把回波信号转换成时域信号；
信号处理模块具体用于对时域信号进行处理，得到信号处理结果；对时域信号进行处理的方式包括时域积累、脉冲压缩、去直流、加窗、fft变换，所述信号处理结果包括多个脉冲信号对应的探测波束的功率谱数据文件。
进一步，数据处理模块具体用于根据一个探测周期内的多个顶波束的功率谱数据文件和同一个探测周期内的北波束、东波束、南波束和西波束的功率谱数据文件得到径向速度信息，并根据径向速度信息计算加密探测数据。
进一步，所述加密探测数据包括风廓线、垂直速度分布图和垂直速度曲线。
本发明的工作原理为：风廓线雷达开始工作时，通过显控模块的控制软件发送垂直波束加密探测指令，雷达各分系统根据接收到的垂直波束加密探测指令后调用相应的工作时序；发射模块根据设定好的工作参数产生发射脉冲信号，脉冲信号经t/r开关传送至天线模块并辐射到空间中；在天线模块向外辐射信号时，波束控制模块通过电控的方式对天线模块形成的发射波束进行方向控制，在一个探测周期内，辐射方向按照顶波束-北波束-顶波束-东波束-顶波束-南波束-顶波束-西波束的顺序进行，完成一个探测周期后，继续按照这样的顺序发送脉冲信号；在探测过程进行中，接收模块不断接收脉冲信号对应的回波信号，对其进行处理后传送至信号处理模块；控制与信号处理模块对由接收模块传送过来的时域信号进行时域积累、脉冲压缩、去直流、加窗、fft变换等处理，形成八个探测波束的功率谱数据文件，并将这些文件传送至数据处理模块；数据处理模块通过谱估计生成径向速度信息，并根据径向速度信息计算风廓线、垂直速度分布图、垂直速度曲线等加密探测数据。
附图说明
图1为本发明一种风廓线雷达的垂直波束加密观测系统的示意图；
图2为本发明的波束切换示意图；
图3为本发明探测模式改进前后获取垂直风速数据对比图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、显控模块，2、波束控制模块，3、发射模块，4、接收模块，5、信号处理模块，6、数据处理模块，7、天线模块。
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。
一种风廓线雷达的垂直波束加密观测方法，具体包括步骤：
雷达显控模块1根据用户输入的操作指令生成垂直波束加密探测指令；
垂直波束加密探测指令由雷达显控模块1下发至发射模块3、接收模块4、波束控制模块2、天线模块7、信号处理模块5等，并由各模块共同执行垂直波束加密探测指令，根据垂直波束加密探测指令，向不同方向发射出脉冲信号，一个探测周期内包括多个顶波束；
接收模块4接收脉冲信号对应的回波信号，信号处理模块5对回波信号进行处理，得到信号处理结果；
数据处理模块6根据信号处理结果生成加密探测数据，所述加密探测数据包括风廓线、垂直速度分布图、垂直速度曲线。
在上述方法中，显控模块1所产生的垂直波束加密探测指令用于提高一个探测周期内垂直波束数量，其中垂直波束所占比重由传统五波束探测模式下的一次探测增加到了四次探测，而斜波束数量不变，即总探测波束达到八个。八个探测波束的探测顺序由标准的顶波束-北波束-东波束-南波束-西波束变更为顶波束-北波束-顶波束-东波束-顶波束-南波束-顶波束-西波束。各模块接收到控制命令后，发射模块3、接收模块4按标准工作状态工作，而波束控制模块2、信号处理模块5、数据处理模块6按照垂直波束加密探测指令执行特定的工作任务：波束控制模块2按照八波束探测顺序切换状态，使天线模块7完成探测周期内八波束扫描；信号处理模块5对由接收模块4传送过来的时域信号进行时域积累、脉冲压缩、去直流、加窗、fft变换等处理，形成功率谱数据文件，并将功率谱数据文件传送至数据处理模块6，其中，功率谱数据文件为八个探测波束的数据文件。数据处理模块6生成风廓线过程中，每个探测周期的垂直速度采用四个垂直波束探测结果的加权平均值，并根据这一计算结果推算水平风速、风向。在生成垂直速度数据产品时会采用全部的垂直波束探测结果；在生成对于垂直速度曲线时，则可以选择直接使用多个顶波束功率谱数据文件或者对多个顶波束功率谱数据文件进行平均。
如图1所示，图1为一种风廓线雷达的垂直波束加密观测系统的示意图。一种风廓线雷达的垂直波束加密观测系统，包括室内设备和室外设备，室内设备由显控模块1、数据处理模块6、信号处理模块5、监控模块、接收模块4、发射模块3、波束控制模块2以及t/r开关组成，室外设备由天线模块7组成。波束控制模块2和t/r开关通过转接板与天线模块7相连；监控模块的作用是各个模块间传输控制指令和监测各个模块的状态。
通过对显控模块1的软件界面进行操作，根据用户输入的操作指令生成垂直波束加密探测指令，开始垂直波束加密探测过程。垂直波束加密探测指令通过通信链路，经数据处理模块6传送至信号处理模块5并最终传送至监控模块，监控模块接收垂直波束加密探测指令后向各模块下发垂直波束加密探测指令来实施加密探测：控制发射模块3内部的频率源产生脉冲信号，脉冲信号经发射模块3放大后通过t/r开关传送至天线模块7，其中，t/r开关为雷达发射/接收信号的控制开关；波束控制模块2根据垂直波束加密探测指令实现对天线模块7的八波束切换，波束切换方式见图2。
如图2所示，图2为本发明的波束切换示意图。图2左侧表示雷达天线模块7能够产生的波束指向，从图中可以看出5个波束位置，分别是顶波束、北波束、东波束、南波束、西波束。现有技术中，脉冲信号的辐射方向依次为顶波束-北波束-东波束-南波束-西波束，并依次循环。在本发明中，通过在各个斜波束中插入顶波束的方式来提高顶波束在一个探测周期内的比重，从而提高垂直波束数据率，即形成了如图2右侧中所示的八波束切换，八波束切换的辐射方向依次具体为为顶波束-北波束-顶波束-东波束-顶波束-南波束-顶波束-西波束，并依次循环。
天线模块7发射脉冲信号后，所产生的回波信号还会通过天线模块7接收，并传送至接收模块4，接收模块4对回波信号进行处理后，将处理完的时域信号传送至信号处理模块5，信号处理模块5通过信号处理生成功率谱数据文件并传送至数据处理模块6，数据处理模块6通过谱识别、数据处理等方法生成各类加密探测数据以及高时间分辨率的垂直探测信息，所述加密探测数据包括风廓线、垂直速度分布图、垂直速度曲线。根据一个探测周期内的多个顶波束的功率谱数据文件和同一个探测周期内的北波束、东波束、南波束和西波束的功率谱数据文件，生成标准数据产品：在生成风廓线时，采用了将四个垂直波束探测结果进行加权平均的方式，转换成一个垂直波束探测结果，依然保持了一个垂直探测结果、四个倾斜探测结果的形式，能够顺利计算得到水平风场信息。在生成垂直速度分布图时，不需要进行加权平均，直接使用多个顶波束功率谱数据文件；而对于垂直速度曲线，则可以选择直接使用多个顶波束功率谱数据文件或者对多个顶波束功率谱数据文件进行平均。
如图3所示，提高垂直波束在单一探测周期内所占的比重，可提升大气垂直探测结果的时间分辨率，在同一时间段内，采用改进后的探测模式能够得到更高时间分辨率的垂直速度图像，能够为天气过程变化研究提供更加精致、丰富的参考信息。
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。