CN108051816B

CN108051816B - 阵列天气雷达协同扫描系统及方法

Info

Publication number: CN108051816B
Application number: CN201711380425.XA
Authority: CN
Inventors: 马舒庆
Original assignee: Leixiang Technology Beijing Co ltd
Current assignee: Leixiang Technology Beijing Co ltd
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2021-10-12
Anticipated expiration: 2037-12-20
Also published as: CN108051816A

Abstract

本发明提出了一种阵列天气雷达协同扫描系统及方法，所述系统包括：按照三角形结构布设阵列的多个雷达收发单元及计算机终端，所述多个雷达收发单元形成三维探测区，每一雷达收发单元包括天线，与天线连接的天线方位伺服电机，与天线发方位伺服电机连接的方位伺服电机控制模块以及与电机控制模块连接的通信模块，所述方位伺服电机控制模块通过通信模块连接于计算机控制终端；所述计算机控制终端通过电机控制模块控制天线的转动，使得所述多个雷达收发单元的天线扫描线到达三维探测区的各自起始方位时间为固定时间。本发明降低了天气雷达探测云、雨运动速度的合成误差，提高了天气雷达探测大气运动的准确度。

Description

阵列天气雷达协同扫描系统及方法

技术领域

本发明涉及大气科学技术领域，特别涉及一种阵列天气雷达协同扫描系统及方法。

背景技术

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。气象卫星能较好地观测行星尺度和大尺度天气环流，如在卫星云图上，我们可以观测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、去得也快，卫星完全检测不到这种天气现象，这就需要用到局部地区的天气雷达了。

现有的常用天气雷达能较好地观测中尺度（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、冰雹等灾害性天气的内核就是小尺度天气系统。现有技术预测小尺度天气情况采用的方法通常是网络化雷达系统，但网络化雷达扫描速度慢，合成误差大。

发明内容

本发明的目的是提出一种阵列天气雷达协同扫描系统及方法，能降低天气雷达探测云、雨运动速度的合成误差，提高天气雷达探测大气运动的准确度。

为达到上述目的，本发明提出了一种阵列天气雷达协同扫描系统，所述系统包括：按照三角形结构布设阵列的多个雷达收发单元及计算机控制终端，所述多个雷达收发单元形成三维探测区，每一雷达收发单元包括天线，与天线连接的天线方位伺服电机，与天线方位伺服电机连接的方位伺服电机控制模块以及与电机控制模块连接的通信模块，所述方位伺服电机控制模块通过通信模块连接于计算机控制终端；所述计算机控制终端通过电机控制模块控制天线的转动，使得所述多个雷达收发单元的天线扫描线到达三维探测区的各自起始方位时间为固定时间。

进一步，在上述阵列天气雷达协同扫描系统中，所述天线上还设有天线方位角度传感器，所述天线方位角度传感器用于检测天线方向并将方向数据发送给方位伺服电机控制模块。

进一步，在上述阵列天气雷达协同扫描系统中，所述多个雷达收发单元包括第一雷达收发单元、第二雷达收发单元及第三雷达收发单元，第二雷达收发单元与第一雷达收发单元的延长线方向定义为方位0度，第一雷达收发单元、第二雷达收发单元及第三雷达收发单元的天线顺时针旋转为0~360度，通过计算机控制终端及电机控制模块控制雷达收发单元的天线的转动，使得所述第一雷达收发单元、第二雷达收发单元及第三雷达收发单元的天线扫描线到达三维探测区的各自起始方位时间为固定时间。

进一步，在上述阵列天气雷达协同扫描系统中，所述第一雷达收发单元天线扫描起始方位为0度，所述第二雷达收发单元的天线扫描起始方位为120度以及第三雷达收发单元的天线扫描起始方位为240度，所述第一雷达收发单元、第二雷达收发单元及第三雷达收发单元的天线扫描到达各自起始方位的时间为T+n*9秒；

其中，T为所述第一雷达收发单元、第二雷达收发单元及第三雷达收发单元的天线扫描第一次到达起始方位的时间，n为体扫序号。

进一步，在上述阵列天气雷达协同扫描系统中，所述多个雷达收发单元包括第一雷达收发单元、第二雷达收发单元、第三雷达收发单元、第四雷达收发单元、第五雷达收发单元、第六雷达收发单元及第七雷达收发单元；

其中，所述第一雷达收发单元位于正六边形的中心，所述第二雷达收发单元、第三雷达收发单元、第四雷达收发单元、第五雷达收发单元、第六雷达收发单元及第七雷达收发单元依次位于正六边形的顶点，且所述第二雷达收发单元、第三雷达收发单元、第四雷达收发单元、第五雷达收发单元、第六雷达收发单元及第七雷达收发单元与第一雷达收发单元之间依次对应形成六个三维探测区；所述第一雷达收发单元、第二雷达收发单元、第三雷达收发单元、第四雷达收发单元、第五雷达收发单元、第六雷达收发单元及第七雷达收发单元的天线均进行360度扫描，并通过计算机控制终端及电机控制模块控制雷达收发单元的天线的转动，使得所述第一雷达收发单元、第二雷达收发单元、第三雷达收发单元、第四雷达收发单元、第五雷达收发单元、第六雷达收发单元及第七雷达收发单元的天线扫描线到达对应的三维探测区的各自起始方位时间为固定时间。

进一步，在上述阵列天气雷达协同扫描系统中，所述第一雷达收发单元的天线顺时针旋转扫描，第二雷达收发单元、第三雷达收发单元、第四雷达收发单元、第五雷达收发单元、第六雷达收发单元及第七雷达收发单元的天线逆时针旋转扫描，所述第一雷达收发单元与第二雷达收发单元的连线向外延长线方向为0度；所述第一雷达收发单元的天线扫描到达0度，所述第二雷达收发单元的天线扫描到达180度，所述第三雷达收发单元的天线扫描到达300度的时间为T+n*9秒；所述第四雷达收发单元的天线扫描到达0度的时间为T+n*9+1.5秒；所述第五雷达收发单元E的天线扫描到达60度的时间为T+n*9+3秒；所述第六雷达收发单元的天线扫描到达120度的时间为T+n*9+4.5秒；所述第七雷达收发单元的天线扫描到达180度的时间为T+n*9+6秒；其中，T为所述第一雷达收发单元的天线扫描第一次到达起始方位的时间，n为体扫序号。

另，本发明还提供一种上述的阵列天气雷达协同扫描系统的扫描方法，包括以下步骤：

步骤S1：所述计算机控制终端向方位伺服电机控制模块发送控制命令，所述控制命令包括雷达收发单元的天线的旋转速度、起始方位、过起始方位时间；

步骤S2：所述方位伺服电机控制模块控制天线方位伺服电机工作，以驱动所述雷达收发单元的天线按照所述控制命令进行转动扫描；

步骤S3：所述计算机控制终端根据天线方位角度传感器采集的天线方向数据控制天线的转动，使得所述多个雷达收发单元的天线扫描线到达三维探测区的各自起始方位时间为固定时间。

本发明通过控制多个雷达收发单元的天线扫描线到达三维探测区的各自起始方位时间为固定时间，使得雷达收发单元探测得到的资料时差较小，从而降低了天气雷达探测云、雨运动速度的合成误差，提高了天气雷达探测大气运动的准确度。

附图说明

图1为本发明阵列天气雷达协同扫描系统的结构示意图；

图2为本发明阵列天气雷达协同扫描系统的阵列雷达实施例一的结构示意图；

图3为本发明阵列天气雷达协同扫描系统的阵列雷达实施例二的结构示意图；

图4为本发明阵列天气雷达协同扫描方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

请参阅图1至图3，图1为本发明阵列天气雷达协同扫描系统的结构示意图。

本发明阵列天气雷达协同扫描系统包括：按照三角形结构布设阵列的多个雷达收发单元10及计算机控制终端20，所述多个雷达收发单元10形成三维探测区，每一雷达收发单元10包括天线101，与天线101连接的天线方位伺服电机102，与天线发方位伺服电机102连接的方位伺服电机控制模块103以及与方位伺服电机控制模块103连接的通信模块104，所述方位伺服电机控制模块103通过通信模块104连接于计算机控制终端20；所述计算机控制终端20通过方位伺服电机控制模块103控制天线101的转动，使得所述多个雷达收发单元10的天线101扫描线到达三维探测区的各自起始方位时间为固定时间。

其中，所述阵列天气雷达是由三个以上雷达收发单元组成。所述天线101上还设有天线方位角度传感器105，所述天线方位角度传感器105用于检测天线方向并将方向数据发送给方位伺服电机控制模块103。这样，所述计算机控制终端20通过电机控制模块103设置天线101的旋转速度、起始方位、过起始方位时间等参数，从而控制各个雷达收发单元10的天线101的转动。

所述计算机控制终端20位于雷达中心站，所述方位伺服电机控制模块103接收雷达中心站的计算机终端20的控制命令，控制天线方位伺服电机102工作，包括控制电机转速、采集天线方位角度传感器数据、向中心站计算机终端20传送天线方位角度传感器105采集的数据，所述天线方位伺服电机102驱动天线101旋转，所述天线方位角度传感器105检测天线101的方向数据。

请参阅图2，图2为本发明阵列天气雷达协同扫描系统的阵列雷达实施例一的结构示意图。本实施例中，所述多个雷达收发单元的数量为三个，即包括第一雷达收发单元A、第二雷达收发单元B及第三雷达收发单元C；所述第一雷达收发单元A、第二雷达收发单元B及第三雷达收发单元C形成一个三角形结构布设阵列（优选为等边三角形布局），且所述第一雷达收发单元A、第二雷达收发单元B及第三雷达收发单元C的三角形内部形成三维探测区I，即所述三维探测区I是以第一雷达收发单元A、第二雷达收发单元B及第三雷达收发单元C形成的三角形为底的一个三棱柱状的区域，所述三维探测区I的底边为20KM~50KM左右，所述三维探测区I的高度为20KM左右。

所述雷达收发单元10的天线101通过天线方位伺服电机102的驱动进行方位旋转，从而对三维探测子区I进行扫描探测，其中， C、A的延长线方向定义为方位0度，第一雷达收发单元A、第二雷达收发单元B及第三雷达收发单元C的天线101顺时针旋转为0~360度。

所述三维探测区I的探测数据包括三维探测区I内运动物体（云、雨）的三个运动分量，即三组强度数据Z1（x,y,z）、Z2（x,y,z）、Z3（x,y,z）和三组径向速度数据V1（x,y,z）、V2（x,y,z）、V3（x,y,z），若上述三组数据是同时刻的数据，那么就能合成得到云、雨的运动速度；若这三个数据不是同时刻的数据，那么合成得到云、雨的运动速度就会有误差，随着数据之间的时间差加大，这个误差也加大，以致得到的速度失效。因此要求三个雷达收发单元的扫描三角形区域的时差尽可能小。

需要说明的是，本实施例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区，构成更大的三维探测区。

本实施例中，所述阵列天气雷达的扫描方式有两种：

一种是扇扫模式，即作为三角形的顶点的第一雷达收发单元A、第二雷达收发单元B及第三雷达收发单元C的天线同步进行扫描，即第一雷达收发单元A、第二雷达收发单元B及第三雷达收发单元C根据三角形顶角角度同步对三维探测子区I进行扫描探测（三个雷达收发单元10的天线旋转速度相同），从而同步覆盖整个三维探测子区I，这样，所述第一雷达收发单元A、第二雷达收发单元B及第三雷达收发单元C的天线扫描探测的资料时差最小，降低了天气雷达探测云、雨运动速度的合成误差，提高了天气雷达探测大气运动的准确度。

特别地，当⊿ABC为等边三角形，以箭头方向为零度，∠ACB对应的方向角为0~60度，∠CAB对应的方向角为120~180 度，∠ABC对应的方向角为240~300 度。所述第一雷达收发单元A、第二雷达收发单元B及第三雷达收发单元C进行同步扇扫，三个雷达收发单元10的天线扫描范围分别为0~60度、120~180度、240~300度。即所述第一雷达收发单元A、第二雷达收发单元B及第三雷达收发单元C天线采用扇扫模式协同扫描时，所述第一雷达收发单元A、第二雷达收发单元B及第三雷达收发单元C的天线只需在规定的扫描范围中扇扫，其扫描探测的资料时差就能最小。

另一种模式是360度扫描模式，即第一雷达收发单元A、第二雷达收发单元B及第三雷达收发单元C的天线均进行360度扫描，并通过计算机控制终端20及电机控制模块103控制雷达收发单元的天线101的转动，使得所述第一雷达收发单元A、第二雷达收发单元B及第三雷达收发单元C的天线扫描线到达三维探测区I的各自起始方位时间为固定时间。这样就使得三个雷达收发单元扫描线同时在三维探测区I中，实现了三维探测区I同一空间点三个雷达收发单元探测资料时差最小。

本实施例中，所述第一雷达收发单元A天线扫描起始方位为0度，所述第二雷达收发单元B的天线扫描起始方位为120度以及第三雷达收发单元C的天线扫描起始方位为240度，所述第一雷达收发单元A、第二雷达收发单元B及第三雷达收发单元C的天线扫描到达各自起始方位的时间为T+n*9秒；其中，T为所述第一雷达收发单元A、第二雷达收发单元B及第三雷达收发单元C的天线扫描第一次到达起始方位（0度、120度、240度）的时间（以零点为基点的秒数，如北京时10点，T=36000），n是体扫序号。所述体扫序号是指所述第一雷达收发单元A、第二雷达收发单元B及第三雷达收发单元C的天线在0-360度旋转过程中的扫描序号，即雷达收发单元的天线完成0-360度方位旋转时，每间隔1.5度左右方位角，进行一次0-90度仰角扫描。因此整个0-360度旋转过程就完成了方位0-360度，仰角0-90度空间体扫描，简称体扫。

请参阅图3，图3为本发明阵列天气雷达协同扫描系统的阵列雷达实施例二的结构示意图。本实施例中，所述多个雷达收发单元的数量为七个（七单元阵列天气雷达），即包括第一雷达收发单元A、第二雷达收发单元B、第三雷达收发单元C、第四雷达收发单元D、第五雷达收发单元E、第六雷达收发单元F及第七雷达收发单元G，其中，所述第一雷达收发单元A位于正六边形的中心，所述第二雷达收发单元B、第三雷达收发单元C、第四雷达收发单元D、第五雷达收发单元E、第六雷达收发单元F及第七雷达收发单元G依次位于正六边形的顶点，且所述第二雷达收发单元B、第三雷达收发单元C、第四雷达收发单元D、第五雷达收发单元E、第六雷达收发单元F及第七雷达收发单元G与第一雷达收发单元A之间依次对应形成六个三维探测区（I、II、III、IV、V及VI）；

本实施中，所述第一雷达收发单元A、第二雷达收发单元B、第三雷达收发单元C、第四雷达收发单元D、第五雷达收发单元E、第六雷达收发单元F及第七雷达收发单元G的天线均进行360度扫描，并通过计算机控制终端20及电机控制模块103控制雷达收发单元的天线101的转动，使得所述第一雷达收发单元A、第二雷达收发单元B、第三雷达收发单元C、第四雷达收发单元D、第五雷达收发单元E、第六雷达收发单元F及第七雷达收发单元G的天线扫描线到达对应的三维探测区的各自起始方位时间为固定时间。

具体地，本实施例中，所述第一雷达收发单元A的天线顺时针旋转扫描，第二雷达收发单元B、第三雷达收发单元C、第四雷达收发单元D、第五雷达收发单元E、第六雷达收发单元F及第七雷达收发单元G的天线逆时针防线旋转扫描，所述第一雷达收发单元A与第二雷达收发单元B的连线向外延长线方向为0度；所述第一雷达收发单元A的天线扫描到达0度，所述第二雷达收发单元B的天线扫描到达180度，所述第三雷达收发单元C的天线扫描到达300度的时间为T+n*9秒；所述第四雷达收发单元D的天线扫描到达0度的时间为T+n*9+1.5秒；所述第五雷达收发单元E的天线扫描到达60度的时间为T+n*9+3秒；所述第六雷达收发单元F的天线扫描到达120度的时间为T+n*9+4.5秒；所述第七雷达收发单元G的天线扫描到达180度的时间为T+n*9+6秒；其中，T为所述第一雷达收发单元A的天线扫描第一次到达起始方位（0度）的时间（以零点为基点的秒数，如北京时10点，T=36000），n是体扫序号。所述体扫序号是指所述第一雷达收发单元A、第二雷达收发单元B及第三雷达收发单元C的天线在0-360度旋转过程中的扫描序号，即雷达收发单元的天线完成0-360度方位旋转时，每间隔1.5度左右方位角，进行一次0-90度仰角扫描。因此整个0-360度旋转过程就完成了方位0-360度，仰角0-90度空间体扫描，简称体扫。

360度扫描模式要求雷达收发单元具有控制天线旋转速度的能力，根据天线过三维探测区起始方位时间的早晚，实时调整伺服旋转速度。这种扫描模式使得三个雷达收发单元探测得到的资料时差在1秒左右，远远小于现有其他天气雷达组网探测时不同雷达资料的时差（60-360秒）。

请参阅图4，图4为本发明阵列天气雷达协同扫描方法的流程示意图。所述方法包括以下步骤：

步骤S1：计算机控制终端20向方位伺服电机控制模块103发送控制命令，所述控制命令包括雷达收发单元10的天线101的旋转速度、起始方位、过起始方位时间；

步骤S2：所述方位伺服电机控制模块103控制天线方位伺服电机102工作，以驱动所述雷达收发单元10的天线101按照所述控制命令进行转动扫描；

步骤S3：所述计算机控制终端20根据天线方位角度传感器105采集的天线方向数据控制天线101的转动，使得所述雷达收发单元101的天线扫描线到达三维探测区的各自起始方位时间为固定时间。

作为本发明的一实施例，所述步骤S3具体包括：

所述第一雷达收发单元A天线扫描起始方位为0度，所述第二雷达收发单元B的天线扫描起始方位为120度以及第三雷达收发单元C的天线扫描起始方位为240度，所述第一雷达收发单元A、第二雷达收发单元B及第三雷达收发单元C的天线扫描到达各自起始方位的时间为T+n*9秒；其中，T为所述第一雷达收发单元A、第二雷达收发单元B及第三雷达收发单元C的天线扫描第一次到达起始方位（0度、120度、240度）的时间（以零点为基点的秒数，如北京时10点，T=36000），n是体扫序号。所述体扫序号是指所述第一雷达收发单元A、第二雷达收发单元B及第三雷达收发单元C的天线在0-360度旋转过程中的扫描序号，即雷达收发单元的天线完成0-360度方位旋转时，每间隔1.5度左右方位角，进行一次0-90度仰角扫描。因此整个0-360度旋转过程就完成了方位0-360度，仰角0-90度空间体扫描，简称体扫。

作为本发明的另一实施例，所述步骤S3具体包括：

所述第一雷达收发单元A的天线顺时针旋转扫描，第二雷达收发单元B、第三雷达收发单元C、第四雷达收发单元D、第五雷达收发单元E、第六雷达收发单元F及第七雷达收发单元G的天线逆时针防线旋转扫描，所述第一雷达收发单元A与第二雷达收发单元B的连线向外延长线方向为0度；所述第一雷达收发单元A的天线扫描到达0度，所述第二雷达收发单元B的天线扫描到达180度，所述第三雷达收发单元C的天线扫描到达300度的时间为T+n*9秒；所述第四雷达收发单元D的天线扫描到达0度的时间为T+n*9+1.5秒；所述第五雷达收发单元E的天线扫描到达60度的时间为T+n*9+3秒；所述第六雷达收发单元F的天线扫描到达120度的时间为T+n*9+4.5秒；所述第七雷达收发单元G的天线扫描到达180度的时间为T+n*9+6秒；其中，T为所述第一雷达收发单元A的天线扫描第一次到达起始方位（0度）的时间，n是体扫序号。

相比于现有技术，本发明通过控制多个雷达收发单元的天线扫描线到达三维探测区的起始点时间为固定时间，使得雷达收发单元探测得到的资料时差较小，从而降低了天气雷达探测云、雨运动速度的合成误差，提高了天气雷达探测大气运动的准确度。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims

1.一种阵列天气雷达协同扫描系统，其特征在于，包括：按照三角形结构布设阵列的多个雷达收发单元及计算机控制终端，所述多个雷达收发单元形成三维探测区，每一雷达收发单元包括天线，与天线连接的天线方位伺服电机，与天线方位伺服电机连接的方位伺服电机控制模块以及与电机控制模块连接的通信模块，所述方位伺服电机控制模块通过通信模块连接于计算机控制终端；所述计算机控制终端通过电机控制模块控制天线的转动，使得所述多个雷达收发单元的天线扫描线到达三维探测区的各自起始方位时间为固定时间；

所述天线上还设有天线方位角度传感器，所述天线方位角度传感器用于检测天线方向并将方向数据发送给方位伺服电机控制模块；

所述多个雷达收发单元包括第一雷达收发单元、第二雷达收发单元、第三雷达收发单元、第四雷达收发单元、第五雷达收发单元、第六雷达收发单元及第七雷达收发单元；其中，所述第一雷达收发单元位于正六边形的中心，所述第二雷达收发单元、第三雷达收发单元、第四雷达收发单元、第五雷达收发单元、第六雷达收发单元及第七雷达收发单元依次位于正六边形的顶点，且所述第二雷达收发单元、第三雷达收发单元、第四雷达收发单元、第五雷达收发单元、第六雷达收发单元及第七雷达收发单元与第一雷达收发单元之间依次对应形成六个三维探测区；所述第一雷达收发单元、第二雷达收发单元、第三雷达收发单元、第四雷达收发单元、第五雷达收发单元、第六雷达收发单元及第七雷达收发单元的天线均进行360度扫描，并通过计算机控制终端及电机控制模块控制雷达收发单元的天线的转动，使得所述第一雷达收发单元、第二雷达收发单元、第三雷达收发单元、第四雷达收发单元、第五雷达收发单元、第六雷达收发单元及第七雷达收发单元的天线扫描线到达对应的三维探测区的各自起始方位时间为固定时间；

所述第一雷达收发单元的天线顺时针旋转扫描，第二雷达收发单元、第三雷达收发单元、第四雷达收发单元、第五雷达收发单元、第六雷达收发单元及第七雷达收发单元的天线逆时针旋转扫描，所述第一雷达收发单元与第二雷达收发单元的连线向外延长线方向为0度；所述第一雷达收发单元的天线扫描到达0度，所述第二雷达收发单元的天线扫描到达180度，所述第三雷达收发单元的天线扫描到达300度的时间为T+n*9秒；所述第四雷达收发单元的天线扫描到达0 度的时间为T+n*9+1.5秒；所述第五雷达收发单元的天线扫描到达60度的时间为T+n*9+3 秒；所述第六雷达收发单元的天线扫描到达120度的时间为T+n*9+4.5秒；所述第七雷达收发单元的天线扫描到达180度的时间为T+n*9+6秒；其中，T为所述第一雷达收发单元的天线扫描第一次到达起始方位的时间，n为体扫序号。

2.一种如权利要求1所述的阵列天气雷达协同扫描系统的扫描方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1：计算机控制终端向方位伺服电机控制模块发送控制命令，所述控制命令包括雷达收发单元的天线的旋转速度、起始方位、过起始方位时间；

步骤S3：所述计算机控制终端根据天线方位角度传感器采集的天线方向数据控制天线的转动，使得所述雷达收发单元的天线扫描线到达三维探测区的各自起始方位时间为固定时间。