一种具有监控及告警系统的多普勒天气雷达的制作方法

本实用新型涉及天气雷达领域，尤其涉及一种具有监控及告警系统的多普勒天气雷达。

背景技术：

中国气象天气雷达经历了711X型(X波段、模拟信号)阶段、713与714型(C波段、S波段数字化)阶段后，进入了新一代天气雷达(数字化、多普勒)第三阶段。目前，全国已有200余部多普勒天气雷达投入业务应用。多普勒天气雷达主要应用主动遥感大气要素技术，即利用传感器主动向被探测目标发射微波，然后接受并记录从目标物反射、散射回的微波，通过对这些“回波”进行处理以获得气象信息。多普勒天气雷达具有灵敏度高、分辨率高、具有风场探测和三维数据自动采集能力，在我国短临灾害性天气预报中发挥了重要作用。

多普勒天气雷达是一个探测、处理、分配并显示雷达天气数据的独立应用系统。雷达获取距离、方位和反射率数据的同时，利用多普勒原理获得目标的速度数据。通过计算机控制雷达工作，产生最佳雷达探测范围并使雷达回波最佳化，然后利用气象算法对获得的基本数据进行处理，生成雷达状态文件、雷达报警文件、雷达基数据和雷达产品。通过一定的图形算法对这些产品作进一步处理后即可生成可显示的气象数据。

多普勒天气雷达主要由天线/天线罩、发射机、接收机、信号处理机、雷达监控终端5大部分组成。按照功能划分可以分为下列五个系统：雷达数据采集(RDA)系统、通信(WNC)系统、雷达产品生成(RPG)系统、主用户处理(PUP)系统和附属安装设备(RPIE)系统。

雷达数据采集系统(Radar Data Acquisition,RDA)由天线、天线罩、天线座、发射机、接收机、信号处理器和雷达监控计算机(RAD计算机)等组成；它产生并发射射频信号，然后获取并处理反射的射频信号，得到雷达基数据。RDA计算机执行信号处理、地面杂波抑制、数据获取、伺服控制、状态监控、故障检测、本地控制和性能数据显示、自动标定以及与雷达工作相关的存档功能。

雷达发射机是一个高功率微波脉冲放大器，采用全相参放大链，它接收外部RF激励、同步和控制信号。输入是一个由接收机产生的频率在5.34GHZ±20MHZ的低功率RF驱动信号；输出高功率RF脉冲，宽度为0.83s和2.50s；脉冲重复频率(PRF)为318～1304Hz，峰值功率≥250KW，发射机13由信号处理机来的定时信号控制以确定其脉宽和重复频率，它还将模式和故障状态数据经过数据采集接口发送给RDA计算机。馈线系统将高功率射频信号经旋转关节发送至天线，也可根据控制命令将高功率射频信号发送至假负载进行系统测试和维护。馈线系统还提供用于测量的前向/反向功率监视点。RDA计算机还与波导充气单元相连。

天线使用特别设计的馈电喇叭以发出线性水平极化的射频能量，并将其投射到抛物面反射器。反射器将入射的能量聚焦成接近1度(0.99度)的笔形波束后向大气空间发射。线性水平极化的射频电磁波碰到反射体便返回，经天线聚焦回到馈电喇叭，由其接收这种极化电磁波，其它极化形式的电磁波都将被衰减或完全被抑制。这种技术在提高雷达对气象目标灵敏度的同时，降低了对飞机、飞鸟之类空中目标物的灵敏度。射频回波经馈源喇叭到环行器/收发器，由其将射频回波送至接收机前端。

天线定位系统由天线底座组件、伺服控制计算机以及天线座功率放大器组成。位于机柜中的伺服控制计算机根据RDA计算机的仰角、方位和速度命令，经天线座功率放大器驱动天线座内的仰角和方位驱动马达，使天线按要求转动。两个方向轴的最大角速度均为36度/秒，天线仰角最大角行程为-1.2度～+90.2度，而且方位可连续转动。天线座内装有角编码器和速度传感器，用来闭合伺服系统的位置环、速度环和加速度环。天线定位系统还包括故障和状态传感器输出的数据，与速率和位置数据一起发送到RDA计算机16进行处理。

天线收集射频回波并将其送到接收机前端。接收机前端在射频脉冲发射期间保护接收机。在接收期间放大射频回波信号。接收机处理由前端送来的信号，从中提取视频信号。同相的(I)和正交(Q，即90度相移)的视频信号包含生成基数据所需的回波幅度和相位信息。除I和Q视频以外，接收机的对数视频提供宽动态范围的自动增益控制(AGC)。I和Q视频转换成数字信号后经信号处理器进行地物杂波抑制后，生成径向基数据。接收机还以数字格式将各个监视点的信号传送给信号处理器，进行系统标定、性能监视以及故障定位。接收机还向发射机提供RF激励驱动、稳定本振和相参信号。

信号处理器由硬件信号处理板和安装在RDA计算机主机中的HSP背板以及可编程信号处理器(PSP)组成。HSP提供数字视频信号、提供系统同步所需的定时信号、保存所有杂波地图数据，还处理每个距离库的数据并输出时间序列的回波数据。PSP处理HSP来的I、Q时间序列信号并形成回波功率、反射率、速度和谱宽，RDA计算机根据这些数据生成基数据。PSP还进行杂波检查和距离退模糊。PSP利用监视模式下的回波功率(它存于先前扫描的RDASC中，接着返回到PSP)进行距离退模糊处理。PSP根据接收机各个内部监视点的采样信号计算接收机标定参数。信号处理器另外一个主要功能是向发射机、接收机以及信号处理器本身提供同步时钟。

通信(Wideband And Narrowband Communication,WNC)系统由连接RDA计算机和RPG计算机的宽带通信以及连接RPG计算机和PUP计算机的窄带通信组成。通信系统一般使用计算机本地网络连接，或根据用户要求采用光纤、电话专用线或微波线路通信等。通信系统实现RDA与RPG、RPG与PUP之间基数据、雷达状态、控制命令和气象产品数据的传输。

雷达产品生成(Radar Product Generator,RPG)系统由RPG计算机及运行于其中的RPG程序组成。通过用天气算法处理RDA获取的基本天气数据，产生各种雷达气象产品，并将产品发送给PUP计算机显示；RPG的另一个主要功能是以远程控制的方式完成RDA计算机的功能，对雷达系统进行监控。

主用户处理(Principal User Processing,PUP)系统由PUP计算机及运行于其中的PUP程序组成。PUP功能包括：产品请求、产品显示、本机产品存储、产品注释、PUP控制和状态监视等。

附属安装设备(RPIE)系统由设备房(发电机等设备)、塔、天线罩以及辅助设备组成。辅助设备包括：与油机相连的配电设备(包括备用发电机)和照明、加热、通风和空调、防火探测与灭火以及安保与状态监控。

多普勒天气雷达主要生成用于探测冰雹的基本发生率产品、用于估计风速风向的基本平均径向速度、用于估计湍流以及检查径向速度稳定性的基本谱宽、用于显示风暴最大反射率的组合反射率和用于探测降水的一小时累计降水量、三小时累计降水量、风暴总累计降水量等监测产品，满足对常规和危险天气监测和预报的要求。

随着大量多普勒天气雷达的部署和业务化应用，如何及时掌握所属多普勒天气雷达运行状况已成为全国各地气象部门雷达技术保障业务中面临的迫切问题。2003年起，为了保障新一代天气雷达建设和运行，全国气象部门相继开始探索研发多普勒天气雷达运行监控系统，以实现多普勒天气雷达故障监控。例如，裴宗寿和晁红艳在《现代农业科技》(2016年第14期)发表的“海北州新一代天气雷达运行状态监控及报警系统设计与实现”论文，通过分析青海省海北州新一代天气雷达目前的运行状况、存在的问题，从技术层面提出了新一代天气雷达运行状态监控解决方案和实现途径。2007年，中国气象局气象探测中心研发建设了以地理信息系统为主要技术特征的新一代天气雷达国家级运行监控系统。2015至2016年，中国气象局气象探测中心牵头建设了“两级(国家级、省级)部署，四级(国家、省、地市和台站)应用”架构方式的多普勒天气雷达运行监控系统，进一步加强了多普勒天气雷达省级运行监控作用。

多普勒天气雷达运行监控系统上线运行以来，基本实现了新一代天气雷达运行状况监控集约化、信息化，为天气雷达站机务人员、地市和省级天气雷达技术保障人员了解和掌握所属多普勒天气雷达运行情况提供了参考依据和平台。但是，在多普勒天气雷达运行监控系统业务运行过程中，存在“运行监控工作效率低”、“故障发现不及时”、“异常信息告警不及时导致雷达故障维修及时率较低”等问题，造成上述问题的主要原因是目前各类多普勒天气雷达运行监控系统所采用的技术方法均是常规的“雷达站数据采集、上传---省局气象信息中心存储、转发—雷达监控系统解析、入库、展示—业务人员登录平台查看运行状况”，造成雷达故障发现不及时的主要原因是“需要业务人员登录雷达系统，逐项点击相关页面，人工识别雷达是否运行异常或发生故障”，这样的技术方法就决定了气象部门的各级雷达技术保障人员必须24小时登录雷达监控系统方能了解和掌握所属多普勒天气雷达的运行状况，人力成本高的同时还无法保证不遗漏任何一次故障。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种具有监控和预警系统的多普勒天气雷达，以解决目前现有多普勒天气雷达监控及告警系统运行监控工作效率低、故障发现不及时、异常信息告警不及时导致雷达故障维修及时率较低、业务值班人员工作强度大、异常信息无法100％及时发现等技术问题。

本实用新型所解决的技术问题可以采取以下方案来实现：所述多普勒天气雷达包括主用户处理系统；其特征在于：所述多普勒天气雷达还包括监控及告警系统，所述监控及告警系统包括数据采集层、网络传输层、数据中心服务器、监控和告警信息推送平台和移动终端设备，所述的数据中心服务器通过网络传输层的局域网连接主用户处理系统，通过局域网所述的数据中心服务器和主用户处理系统连接，数据中心服务器通过局域网与监控和告警信息推送平台连接，移动终端设备通过无线网络或者移动网络与监控和告警信息推送平台连接；

多普勒天气雷达的运行状态通过主用户处理系统进行收集；

主用户处理系统由计算机及多普勒雷达状态监视组成；

监控和告警信息推送平台将多普勒天气雷达告警模块的告警信息通过无线网络协议、移动网络或无线网络定向自动推送到气象行业指定用户的移动终端设备上；

气象行业指定用户的移动终端设备通过无线网络、无线网络协议或移动网络接收监控和告警信息推送平台定向推送的告警信息；移动终端设备将读取信息时间和运维上报时间通过网络返回到监控和告警信息推送平台。

采用本实用新型的技术方案，带来如下技术效果：(1)应用移动终端，实现多普勒天气雷达运行监控移动化，解决业务值班人员工作强度大问题。多普勒天气雷达各级技术保障人员和业务管理人员只需利用移动终端，即可随时随地查看所属多普勒天气雷达运行状况，有效解决了多普勒天气雷达运行监控工作效率低的问题。(2)综合判别多普勒天气雷达产品文件、状态文件、报警文件采集、上传、解析情况，综合判定结果与自动与用户去匹配，最终实现每部多普勒天气雷达每10分钟生成的户告警信息与所对应的用户完全对应，为告警信息的智能分级推送奠定基础，实现了多普勒天气雷达运行异常100％无遗漏，有效提升了雷达运行异常监控准确率。(3)应用移动终端，实现多普勒天气雷达“数据未到、状态文件已到但产品文件未到、状态文件未到但产品文件已到、报警文件未到、报警文件已到但存在告警”等5种告警信息对指定用户的定向自动推送，实现了多普勒天气雷达运行异常的智能告警与推送，解决了雷达运行监控值班人员工作强度大问题。(4)应用移动终端，实现多普勒天气雷达站、地市、省级技术保障人员和业务管理人员就多普勒天气雷达维修进展在线实时沟通交流，交流形式为文字、语音、视频、图片，实现了多普勒天气雷达省、市、站三级保障人员和管理人员即时沟通，大大提升了工作效率。(5)实现了与中国气象局气象探测中心牵头研发建设的综合气象观测系统运行监控(简称：ASOM平台)接口对接，采用实用新型的监控及告警系统，各级用户无需再登录浏览ASOM平台即可实现所属多普勒天气雷达运行状况监控、维护维修行为进展上报与反馈，并自动将维护维修进展同步到省级ASOM和国家级ASOM平台。(6)应用本实用新型，各级多普勒天气雷达技术保障人员开展的雷达维护、维修工作进展均可实时推送到上级业务管理人员移动终端，业务管理人员借助移动终端，可以及时跟踪、评估雷达技术保障工作质效，实现了雷达保障工作综合在线实时监管和评估。

本实用新型专利技术实现了对多普勒天气雷达所有资料的自动采集处理，对其运行状况进行智能判别，实现运行异常信息分级定向智能推送，大大缩短多普勒天气雷达故障维修响应时间，有效提升上、下层级协作人员沟通协作效率和多普勒天气雷达稳定运行率，进而促进多普勒天气雷达在气象灾害短临监测与预警、重点活动气象保障与服务中发挥更加突出的应用效益。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。

图1是本实用新型具有监控及告警系统的多普勒天气雷达的结构示意图；

图2是本实用新型具有监控及告警系统的多普勒天气雷达的监控和告警信息推送系统的结构框图；

主要标件与标号：

雷达数据采集系统：1；通信系统：2；雷达产品生成系统：3；主用户处理系统：4附属安装设备系统：5；天线：11；天线罩：12；发射机：13；接收机：14；信号处理器：15；RDA计算机：16；馈线系统：17；波导充气单元：18；宽带通信：21；窄带通信：22；RPG计算机：31；PUP计算机：41；配电设备：51；油机：52。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚地展示，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

实施例

图1所示为本实施例多普勒天气雷达的结构示意图，所述多普勒天气雷达包括雷达数据采集(RDA)系统1、通信(WNC)系统2、雷达产品生成(RPG)系统3、主用户处理(PUP)系统4和附属安装设备(RPIE)系统5。

雷达数据采集系统1(Radar Data Acquisition,RDA)由天线11、天线罩12、天线座、发射机13、接收机14、信号处理器15和雷达监控计算机(RAD计算机)16等组成；它产生并发射射频信号，然后获取并处理反射的射频信号，得到雷达基数据。RDA计算机16执行信号处理、地面杂波抑制、数据获取、伺服控制、状态监控、故障检测、本地控制和性能数据显示、自动标定以及与雷达工作相关的存档功能。

雷达发射机13是一个高功率微波脉冲放大器，采用全相参放大链，它接收外部RF激励、同步和控制信号。输入是一个由接收机14产生的频率在5.34GHZ±20MHZ的低功率RF驱动信号；输出高功率RF脉冲，宽度为0.83s和2.50s；脉冲重复频率(PRF)为318～1304Hz，峰值功率≥250KW，发射机13由信号处理机来的定时信号控制以确定其脉宽和重复频率，它还将模式和故障状态数据经过数据采集接口发送给RDA计算机16。馈线系统17将高功率射频信号经旋转关节发送至天线11，也可根据控制命令将高功率射频信号发送至假负载进行系统测试和维护。馈线系统17还提供用于测量的前向/反向功率监视点。RDA计算机16还与波导充气单元18相连。

天线11使用特别设计的馈电喇叭以发出线性水平极化的射频能量，并将其投射到抛物面反射器。反射器将入射的能量聚焦成接近1度(0.99度)的笔形波束后向大气空间发射。线性水平极化的射频电磁波碰到反射体便返回，经天线聚焦回到馈电喇叭，由其接收这种极化电磁波，其它极化形式的电磁波都将被衰减或完全被抑制。这种技术在提高雷达对气象目标灵敏度的同时，降低了对飞机、飞鸟之类空中目标物的灵敏度。射频回波经馈源喇叭到环行器/收发器，由其将射频回波送至接收机前端。

天线定位系统由天线底座组件、伺服控制计算机以及天线座功率放大器组成。位于机柜中的伺服控制计算机根据RDA计算机的仰角、方位和速度命令，经天线座功率放大器驱动天线座内的仰角和方位驱动马达，使天线按要求转动。两个方向轴的最大角速度均为36度/秒，天线仰角最大角行程为-1.2度～+90.2度，而且方位可连续转动。天线座内装有角编码器和速度传感器，用来闭合伺服系统的位置环、速度环和加速度环。天线定位系统还包括故障和状态传感器输出的数据，与速率和位置数据一起发送到RDA计算机16进行处理。

天线收集射频回波并将其送到接收机前端。接收机前端在射频脉冲发射期间保护接收机14。在接收期间放大射频回波信号。接收机14处理由前端送来的信号，从中提取视频信号。同相的(I)和正交(Q，即90度相移)的视频信号包含生成基数据所需的回波幅度和相位信息。除I和Q视频以外，接收机的对数视频提供宽动态范围的自动增益控制(AGC)。I和Q视频转换成数字信号后经信号处理器15进行地物杂波抑制后，生成径向基数据。接收机14还以数字格式将各个监视点的信号传送给信号处理器15，进行系统标定、性能监视以及故障定位。接收机14还向发射机13提供RF激励驱动、稳定本振和相参信号。

信号处理器15由硬件信号处理板和安装在RDA计算机16主机中的HSP背板以及可编程信号处理器(PSP)组成。HSP提供数字视频信号、提供系统同步所需的定时信号、保存所有杂波地图数据，还处理每个距离库的数据并输出时间序列的回波数据。PSP处理HSP来的I、Q时间序列信号并形成回波功率、反射率、速度和谱宽，RDA计算机16根据这些数据生成基数据。PSP还进行杂波检查和距离退模糊。PSP利用监视模式下的回波功率(它存于先前扫描的RDASC中，接着返回到PSP)进行距离退模糊处理。PSP根据接收机各个内部监视点的采样信号计算接收机14标定参数。信号处理器15另外一个主要功能是向发射机13、接收机14以及信号处理器本身提供同步时钟。

通信(Wideband And Narrowband Communication,WNC)系统2由连接RDA计算机16和RPG计算机31的宽带通信21以及连接RPG计算机31和PUP计算机41的窄带通信22组成。通信系统一般使用计算机本地网络连接，或根据用户要求采用光纤、电话专用线或微波线路通信等。通信系统实现RDA与RPG、RPG与PUP之间基数据、雷达状态、控制命令和气象产品数据的传输。

雷达产品生成(Radar Product Generator,RPG)系统3由RPG计算机31及运行于其中的RPG程序组成。通过用天气算法处理RDA获取的基本天气数据，产生各种雷达气象产品，并将产品发送给PUP计算机显示；RPG的另一个主要功能是以远程控制的方式完成RDA计算机的功能16，对雷达系统进行监控。

主用户处理(Principal User Processing,PUP)系统4由PUP计算机41及运行于其中的PUP程序组成。PUP功能包括：产品请求、产品显示、本机产品存储、产品注释、PUP控制和状态监视等。

附属安装设备(RPIE)系统5由设备房(发电机等设备)、塔、天线罩以及辅助设备组成。辅助设备包括：与油机52相连的配电设备(包括备用发电机)51和照明、加热、通风和空调、防火探测与灭火以及安保与状态监控。

图2为本实施例具有监控及告警系统的多普勒天气雷达的监控和告警信息推送系统的结构框图，如图2所示，所述多普勒天气雷达还包括监控及告警系统，所述监控及告警系统包括数据采集层、网络传输层、数据中心服务器、监控和告警信息推送平台和移动终端设备。

数据采集层，通过数据端口连接前端数据采集器及传感器，对多普勒天气雷达中的各个传感器和数据采集器中的各类数据进行收集。

网络传输层：采用气象单位内部局域网进行有线传输，通过协议转换和传输配置将从数据采集层采集到的数据传输到数据中心服务器。

数据中心服务器：数据中心服务器包括用户管理模块、数据采集初始模块、系统管理模块和数据分类模块，将采集的数据按照运行规则存储在数据中心服务器对应模块位置，供远程PC端进行调用和显示。

监控和告警信息推送平台：包括用户管理模块、数据调用模块、多普勒天气雷达告警模块和信息推送模块，是整个一种具有监控及告警系统的自动多普勒天气雷达的核心，对多普勒天气雷达进行实时监测，将抓取到的多普勒天气雷达运行数据进行统计、管理和分析，根据分析结果远程监控多普勒天气雷达的运行状态，同时通过自动推送告警信息让当地技术人员和业务管理人员对多普勒天气雷达进行运维。用户管理模块包括用户验证、权限验证和权限管理；用户每次登陆需要通过验证，系统对用户采用动态和分级管理。数据调用模块包括将数据中心服务器地址、用户名、密码进行配置，建立数据接口的配置装置、数据抓取规则装置和多普勒天气雷达运行数据存储模块。调用数据抓取规则装置抓取数据中心服务器中的土壤分仪中按规则定义的运行数据，并存储到多普勒天气雷达运行数据模块。多普勒天气雷达告警模块建立告警类型和内容、建立告警内容和指定用户的配对规则。实现的告警类型、内容：实现的告警类型、内容：实现多普勒天气雷达“数据未到、状态文件已到但产品文件未到、状态文件未到但产品文件已到、报警文件未到、报警文件已到但存在告警”等5种告警信息对指定用户的定向自动推送。根据上述配对规则对多普勒天气雷达运行数据存储模块进行数据运算排序，形成有效数据，生成运行数据告警信息报表。

告警信息推送模块：将上述多普勒天气雷达告警模块5种告警信息通过无线网络协议和无线网络定向自动推送到气象行业指定用户的移动终端设备上。

移动终端设备：通过无线网络和无线网络协议接收监控和告警信息推送平台定向推送的告警信息，同时会提醒移动终端的技术保障员或业务管理员读取告警信息，安排对多普勒天气雷达进行运维。移动终端设备设置有摄像头，天气雷达技术保障人员在运维时，拍摄运维单据上传到监控和告警信息推送平台；移动终端设备将读取信息时间和扫描运维上报时间通过网络返回到监控和告警信息推送平台。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。