CN104730524A - 阵列天气雷达探测系统及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列天气雷达探测系统及探测方法，包括多个雷达收发单元以及控制和数据处理中心，天气雷达按照三角形结构布设阵列。探测方法包括以下步骤：按照三角形结构布设阵列天气雷达，对三角形区域内的天气情况进行同步探测，合成数据，形成降水粒子三维运动速度和反射率因子场。本发明的阵列天气雷达探测系统扫描速度快、探测空间分辨率高，数据合成误差小，雷达收发单元体积小、重量轻、便于架设。

Description

阵列天气雷达探测系统及探测方法

技术领域

本发明涉及一种大气环流探测系统及探测方法，特别涉及一种天气雷达探测系统及探测方法，尤其涉及一种小尺度环流阵列天气雷达探测系统及探测方法。

背景技术

人类对天气的预测自古至今从未停止过。从古代的“看云识天气”，“蚂蚁搬家要下雨”，到现代社会的“一周天气预报”，“短期强对流天气预警”，人类已在天气预测领域取得了长足的进步，天气预报已经成为现代人生活离不开的重要信息。沿海渔民凭借天气预报做好打渔作业和躲避台风的准备。内地居民凭借天气预报做好防风、防暑准备。天气预报在我们人类的生活生产中已起到举足轻重的作用。

随着科学技术的发展，越来越多的先进技术应用到天气预测领域，诸如气象卫星，天气雷达等等。气象卫星能较好的观测行星尺度（水平尺度10⁴km）和大尺度（水平尺度10³km）天气环流，如在卫星云图上，我们可以观测到整个地球的大气环流，预测台风运动轨迹，但是对于发生在小范围内的强对流天气，由于其尺度小、范围小，来得快、去的也快，卫星完全检测不到这种天气现象，这就需要用到局部区域的天气雷达了。

现有的较常用的天气雷达能较好地观测中尺度环流（水平尺度10²km），但低空目标不易探测到，空间分辨率低，扫描速度慢，时间差大，合成数据可信度低。因而无法揭示空间尺度小、变化快的小尺度环流。

而在现实生活中出现的强烈天气现象，诸如暴雨、冰雹、雷雨大风、龙卷风等灾害性天气的内核就是小尺度天气系统，这些灾害性天气的强烈程度，与小尺度天气系统相对应。现有技术预测小尺度天气情况采用的方法之一是网络化雷达系统，但由于网络化雷达扫描速度慢，合成误差大，在小尺度天气预测中仍然见效甚微。采用的另外一种方法是多普勒天气雷达，但需要一定的假设条件，使应用受到了很大限制，同时误差也比较大。

发明内容

针对现有技术存在的不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种阵列天气雷达探测系统及其探测方法。用以克服现有雷达系统扫描速度慢、数据合成误差大、限定条件多等缺点。

为了解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明的一种阵列天气雷达探测系统，包括多个雷达收发单元，多个雷达收发单元形成雷达前端，按照三角形结构布设阵列，雷达收发单元包括天线阵列，与天线阵列连接的TR模块阵列，与TR模块阵列连接的信号处理器阵列，与信号处理器阵列连接的同步和通信模块以及与同步和通信模块连接的方位旋转伺服机构，负责数据采集与向控制和数据处理中心传输探测数据。

与雷达收发单元连接的控制和数据处理中心，控制和数据处理中心包括控制和监测单元、数据处理平台、数据传输中心以及数据存储阵列。将强度数据融合为一个反射率因子场，完成雷达收发单元与数据处理中心间的通信，以及数据存储、分发。

多个雷达收发单元的数量至少是三个，用以对三维探测子区同时进行扫描。

三角形结构是阵列天气雷达最基本的构成，在此基础上每增加一个雷达收发单元，将增加一至二个新的三维探测子区，构成更大的三维探测区。

一个三维探测子区内的三个雷达收发单元扫描同步，探测同一空间资料时间差小，是网络化雷达的几十分之一，能获得高时空分辨率、高准确的三维云雨粒子速度场与强度场信息。

相邻雷达收发单元相互之间的分布距离为20Km～50Km。该分布距离探测空间分辨率高，可精细刻画中小尺度气象目标，并可以有效克服地球曲率的影响。

雷达收发单元俯仰为电扫描，扫描范围在0°~90°。不仅能获取近距离和低空气象信息，还能获取天顶气象信息，实现全天空覆盖。

多个雷达收发单元扫描工作模式为强回波三维探测模式、三维探测模式和搜索探测模式中的一种。强回波三维探测模式扫描速快，适合探测变化和移动快的强回波目标；三维探测模式探测弱回波的能力强；搜索探测模式探测距离可以扩展到150Km，用于搜索和预警。使用时可根据需要选择任意一种探测模式。

多个雷达收发单元与控制和数据处理中心之间的数据传输链路为通用信道。这种方式对阵列天气雷达技术要求低。

雷达收发单元与控制和数据处理中心之间的数据传输链路同时使用雷达信道和通用信道。阵列天气雷达采用这种方式探测效率高。

本发明的阵列天气雷达探测系统扫描速度快、探测空间分辨率高，数据合成误差小，雷达收发单元体积小、重量轻、便于架设。

根据本发明的另一个方面，本发明的一种阵列天气雷达探测系统探测大气环流的方法包括如下步骤：

1）按照三角形方式布设阵列天气雷达，在每个三角形顶点布设一个雷达收发单元，三个雷达收发单元探测一个三棱柱状的三维探测子区；

2）一个三维探测子区内的三个雷达收发单元对探测子区进行同步扫描，获得区域内的强度数据和降水粒子的径向速度数据；

3）通过雷达收发单元与控制和数据处理中心之间的数据传输链路将步骤2）中获得的数据传到控制和数据处理中心；

4）控制和数据处理中心对步骤2）的数据进行合成，得到反射率因子场Z值和降水粒子的三维运动速度V。

步骤3）中的数据传输链路为雷达信道。用雷达信道传输雷达收发单元协同探测指令和探测信息，采用这种方式阵列天气雷达自主性强，可以完全独立运行。

步骤3）中的数据传输链路为通用信道。这种方式对阵列天气雷达技术要求低。

步骤3）中的数据传输链路同时使用雷达信道和通用信道。阵列天气雷达采用这种方式探测效率高。

采用上述方法可获取强烈天气（龙卷、冰雹、暴雨）探测资料，结合现有观测系统观测资料，分析研究小尺度天气系统以及小尺度天气系统与其他尺度天气系统相互作用，初步探索小尺度系统动力学模型，为强灾害天气研究提供支撑。该阵列天气雷达将在大气科学研究的野外观测中广泛使用，为揭示灾害天气过程的机理，建立小尺度系统动力学模型等科学研究中发挥关键性作用。

附图说明

图1为本发明的阵列天气雷达探测系统的一个实施例的结构框图；

图2为本发明的阵列天气雷达探测系统的一个实施例的探测区域示意图；

图3为本发明的阵列天气雷达探测系统的一个实施例的扫描顺序示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的进行详细地说明。

参照图1及图2，阵列天气雷达探测系统包括多个雷达收发单元，多个雷达收发单元形成雷达前端，按照三角形结构布设阵列，雷达收发单元包括天线阵列，与天线阵列连接的TR模块阵列，与TR模块阵列连接的信号处理器阵列，与信号处理器阵列连接的同步和通信模块以及与同步和通信模块连接的方位旋转伺服机构，负责数据采集与向控制和数据处理中心传输探测数据。三维探测区的探测数据包含三组强度数据Z’1（x,y,z）、Z’2（x,y,z）、Z’3（x,y,z）和三组径向速度数据v1（x,y,z）、v2（x,y,z）、 v3（x,y,z）。

与雷达收发单元连接的控制和数据处理中心，控制和数据处理中心包括控制和监测单元、数据处理平台、数据传输中心以及数据存储阵列。负责系统同步控制，将三组径向速度数据合成速度矢量场V（x,y,z），将三组强度数据融合为一个反射率因子场Z（x,y,z），完成雷达收发单元与数据处理中心间的通信，以及数据存储、分发。

多个雷达收发单元的数量至少是三个，三个雷达收发单元对一个三棱柱状的三维探测子区进行探测。三维探测子区是以三个雷达收发单元形成的三角形为底（如图2所示）的一个三棱柱状的区域，三维探测子区的底边为20Km～50Km左右，三维探测子区的高度为20Km左右。三个雷达收发单元形成的三角形结构是阵列天气雷达最基本的构成，在此基础上每增加一个雷达收发单元，将增加一至二个新的三维探测子区，构成更大的三维探测区。以等边三角形布局为例，每个雷达收发单元探测扫描的方位角是60度，仰角是90度，布局间隔20公里。雷达收发单元可根据地形条件选择架设在建筑物、通信塔或山顶。阵列天气雷达最基本的构成为三个雷达收发单元结构。如图2所示，图中三角形探测区域为三个雷达收发单元共同扫描覆盖区在平面上投影，三个雷达收发单元各自扫描方位60度，俯仰90度的空间，称之为三维探测子区。

作为本发明的再一个优选实施例，一个探测子区内的三个雷达收发单元同步进行扫描，探测同一空间资料时间差小，是网络化雷达的几十分之一，能获得高时空分辨率、高准确的三维云雨粒子速度场与强度场信息。优选地，阵列天气雷达的各雷达收发单元采用相控阵技术，俯仰快速电扫描，方位机械扫描，具有俯仰5波束探测和14波束探测能力，在1.5s内完成三维探测子区探测，9s内完成三维探测区探测，时间分辨率较现有网络化雷达高几十倍。

作为本发明的又一个优选实施例，两相邻收发单元相互之间的分布距离为20Km。该分布距离探测空间分辨率高，可精细刻画中小尺度气象目标，并可以有效克服地球曲率的影响。优选地，波束宽度约1.6°，在5km、10km、20km处的切向尺度分别为140m、279m和558m，径向分辨率为100m，无论是纵向还是切向分辨率较新一代天气雷达都有大幅度的提高。

作为本发明的另一个优选实施例，多个雷达收发单元俯仰采用电扫描，扫描范围在0°~90°。不仅能获取近距离和低空气象信息，还能获取天顶气象信息，实现全天空覆盖。

作为本发明的再一个优选实施例，多个雷达收发单元扫描工作模式为强回波三维探测模式、三维探测模式和搜索探测模式中的一种。强回波三维探测模式扫描速快，适合探测变化和移动快的强回波目标；三维探测模式探测弱回波的能力强；搜索探测模式探测距离可以扩展到150Km，用于搜索和预警。使用时可根据需要选择任意一种探测模式。

作为一个优选实施例，强回波三维探测模式垂直方向采用14个接收波束扫描，复盖22.4度仰角，分4次完成89.6度仰角扫描。水平方向采用机械扫描方式，天线旋转速度40度/秒，完成60度方位扫描，需要1.5秒，也就是完成一个三维探测子区只需1.5秒。

作为再一个优选实施例，三维探测模式垂直方向采用5接收波束扫描， 5波束覆盖8度仰角，分11次完成88度仰角扫描。水平方向采用机械扫描方式，天线旋转速度10度/秒，完成60度方位扫描，需要6秒，也就是完成一个三维探测子区只需6秒，相对于强回波模式三维探测模式探测弱回波的能力强。

作为又一个优选实施例，搜索探测模式垂直方向采用1接收波束扫描， 1波束覆盖1.6度仰角。水平方向采用机械扫描方式，天线旋转速度10度/秒。这种方式类似现有天气雷达扫描方式，探测距离可以扩展到150Km，用于搜索和预警。使用时可根据需要选择任意一种探测模式。

作为本发明的又一个优选实施例，多个雷达收发单元与控制和数据处理中心之间的数据传输链路为雷达信道。用雷达信道传输雷达收发单元协同探测指令和探测信息，采用这种方式阵列天气雷达自主性强，可以完全独立运行。

作为本发明的另一个优选实施例，多个雷达收发单元与控制和数据处理中心之间的数据传输链路为通用信道。这种方式对阵列天气雷达技术要求低。

作为本发明的再一个优选实施例，雷达收发单元与控制和数据处理中心之间的数据传输链路同时使用雷达信道和通用信道。阵列天气雷达采用这种方式探测效率高。

通信时，可采用三种不同的通信模式：1）利用雷达信道传输雷达收发单元协同探测指令，利用通用信道传输探测信息；2）利用雷达信道传输雷达收发单元协同探测指令和探测信息，这种方式探测信息传输要占用一定的时间，探测效率不如第一种方式；3）利用通用信道传输阵列单元协同探测指令和探测信息，这种方式要求通用信道实时性要好，保证协同观测能同步进行。

参照图3，雷达收发单元在控制和数据处理中心协调下，每三个相邻雷达收发单元为一组同步探测。例如，在强回波三维探测模式下，三个相邻雷达收发单元完成三维探测子区的时间是1.5秒，也就是说三个相邻雷达收发单元同一空间的资料最大时间偏差只有0.75s。图3是7个雷达收发单元（A、B、C、D、E、F、G）的阵列天气雷达（6个三维探测子区）扫描顺序列示意图，图中的罗马数字（I、II、III、IV、V、VI）是探测扫描三维探测子区的顺序，图中的字母表示雷达收发单元。首先是A、B、C三个雷达收发单元开始同步扫描它们构成的三维探测子区I，每个雷达收发单元水平扫描60°范围，俯仰扫描0°到90°范围，然后A、C、D三个雷达收发单元开始同步扫描它们构成的三维探测子区II，以此类推，经过6组扫描就完成整个六边形区域的探测扫描。

下面详细列出本发明的阵列天气雷达系统的一个优选实施例的技术指标。

雷达收发单元间距： 20km

接收波束宽度：≤1.6°

距离分辨率：100m

时间分辨率：

强回波三维探测模式：

完成一个三维探测子区：1.5s

完成整个三维探测区：9s

三维探测模式：完成一个三维探测子区：6s

完成整个三维探测区：36s

频率集：

频率范围为9300～9500MHz，频率间隔为10MHz，通过采用发射随机码波形，优化雷达频点分配。

输出数据：

Z（反射率因子）、u\v（水平速度）、w（垂直速度）

本发明并不限于上述实施方式，凡是采用与本发明上述实施例相同或近似的阵列天气雷达探测系统，均在本发明的保护范围之内。

根据本发明的另一个方面，本发明的一种阵列天气雷达探测系统探测大气环流的方法包括如下步骤：

1）按照三角形方式布设阵列天气雷达，在每个三角形顶点布设一个雷达收发单元，三个雷达收发单元探测一个三棱柱状的三维探测子区；

2）一个三维探测子区内的三个雷达收发单元对探测子区进行同步扫描，获得区域内的强度数据和降水粒子的径向速度数据；

3）通过雷达收发单元与控制和数据处理中心之间的数据传输链路将步骤2）中获得的数据传到控制和数据处理中心；

4）控制和数据处理中心对步骤2）的数据进行合成，得到反射率因子场Z值和降水粒子的三维运动速度V。

步骤3）中的数据传输链路为雷达信道。用雷达信道传输雷达收发单元协同探测指令和探测信息，采用这种方式阵列天气雷达自主性强，可以完全独立运行。

步骤3）中的数据传输链路为通用信道。这种方式对阵列天气雷达技术要求低。

步骤3）中的数据传输链路同时使用雷达信道和通用信道。阵列天气雷达采用这种方式探测效率高。

采用上述方法可获取强烈天气（龙卷、冰雹、暴雨）探测资料，结合现有观测系统观测资料，分析研究小尺度天气系统以及小尺度天气系统与其他尺度天气系统相互作用，初步探索小尺度系统动力学模型，为强灾害天气研究提供支撑。该阵列天气雷达将在大气科学研究的野外观测中广泛使用，为揭示灾害天气过程的机理，建立小尺度系统动力学模型等科学研究中发挥关键性作用。

Claims (9)

1.一种阵列天气雷达探测系统，其特征在于，包括：

多个雷达收发单元，所述多个雷达收发单元形成雷达前端，按照三角形结构布设阵列，所述雷达收发单元包括天线阵列，与所述天线阵列连接的TR模块阵列，与所述TR模块阵列连接的信号处理器阵列，与所述信号处理器阵列连接的同步和通信模块以及与所述同步和通信模块连接的方位旋转伺服机构；

与所述雷达收发单元连接的控制和数据处理中心，所述控制和数据处理中心包括控制和监测单元、数据处理平台、数据传输中心以及数据存储阵列。

2.根据权利要求1所述的一种阵列天气雷达探测系统，其特征在于，所述多个雷达收发单元的数量至少是三个，用以探测一个三棱柱状的三维探测子区。

3.根据权利要求2所述的一种阵列天气雷达探测系统，其特征在于，所述一个三维探测子区内的三个雷达收发单元对三维探测子区同时进行扫描。

4.根据权利要求1所述的一种阵列天气雷达探测系统，其特征在于，相邻雷达收发单元相互之间的距离为20Km～50Km。

5.根据权利要求1所述的一种阵列天气雷达探测系统，其特征在于，所述雷达收发单元俯仰为电扫描，扫描范围在0°~90°。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种阵列天气雷达探测系统，其特征在于，所述雷达收发单元扫描工作模式为强回波三维探测模式、三维探测模式和搜索探测模式中的一种。

7.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种阵列天气雷达探测系统，其特征在于，所述雷达收发单元与所述控制和数据处理中心之间的数据传输链路为通用信道。

8.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种阵列天气雷达探测系统，其特征在于，所述雷达收发单元与所述控制和数据处理中心之间的数据传输链路为同时使用的雷达信道和通用信道。

9.根据权利要求1所述的一种阵列天气雷达探测系统探测大气环流的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）按照三角形方式布设阵列天气雷达，在每个三角形顶点布设一个雷达收发单元，三个雷达收发单元探测一个三棱柱状的三维探测子区；

2）所述一个三维探测子区内的三个雷达收发单元对探测子区进行同步扫描，获得区域内的强度数据和降水粒子的径向速度数据；

3）通过所述雷达收发单元与所述控制和数据处理中心之间的数据传输链路将步骤2）中获得的数据传到所述控制和数据处理中心；

4）所述控制和数据处理中心对步骤2）的数据进行合成，得到反射率因子场Z值和降水粒子的三维运动速度V。