天气雷达探测有效立体空域计算方法研究与实现.pdf

第期气 象 水 文 海 洋 仪 器N o 年月M e t e o r o l o g i c a l,H y d r o l o g i c a l a n dM a r i n e I n s t r u m e n t sJ u n 收稿日期:基金项目:广东省重点领域研发计划项目(对接国家重大科技专项)“多波束双极化相控阵雷达研制及龙卷风探测业务应用”(B )和广东省重点领域研发计划项目“基于 G应用的新型监测及气象灾害视频图像智能识别研究”(B )资助作者简介:吕雪芹(),女,硕士,高级工程师主要从事气象探测仪器设备研发和气象观测方法研究工作通讯作者:敖振浪(),男,大学,教授级高级工程师主要从事气象探测仪器设备研发、气象观测方法研究、设备防雷技术研究和嵌入式软件硬件开发工作天气雷达探测有效立体空域计算方法研究与实现吕雪芹,敖振浪,黄宏智(广东省气象探测数据中心,广州 )摘要:天气雷达站选址时,需要对雷达探测环境进行客观的分析判断,传统做法主要是通过测量和计算阻挡角图和等射束高度图来衡量,存在较大的不全面性.文章提出细分逼近方法来计算雷达探测有效的立体空域体积及各种占比,通过离线G I S地理信息系统快速读取D EM高程数据,即时计算并输出阻挡角图、等射束高度图、探测有效立体空域体积、探测盲区及各种占比等评价结果,更加客观准确地评价探测净空条件.细分逼近计算方法提供了一种更加合理的选址评价手段,较好地解决了雷达站探测环境的定量化评价问题.在粤港澳大湾区 部X波段双极化相控阵天气雷达建设的实践应用中表明,该方法以及实现的软件系统是可行的,实用价值较高.关键词:天气雷达;探测空域;探测盲区;定量分析;系统实现中图分类号:T P 文献标志码:A文章编号:X()S t u d ya n dr e a l i z a t i o no nc a l c u l a t i o nm e t h o df o rd e t e c t i o no f e f f e c t i v e s t e r e oa i r s p a c eb yw e a t h e r r a d a rL vX u e q i n,A oZ h e n l a n g,H u a n gH o n g z h i(G u a n g d o n gM e t e o r o l o g i c a lD e t e c t i o nD a t aC e n t e r,G u a n g z h o u )A b s t r a c t:A sf o rt h es e l e c t i o no fw e a t h e rr a d a rs i t e,i ti sr e q u i r e dt o m a k ea no b j e c t i v ea n a l y t i c a lj u d g m e n t f o rt h er a d a rd e t e c t i o ne n v i r o n m e n t I nc o n v e n t i o n a lp r a c t i c e,t h em e a s u r e m e n ti sm a i n l yd o n eb ym e a s u r i n ga n dc a l c u l a t i n gt h eb l o c k i n ga n g l ed i a g r a ma n di s o b e a mh e i g h td i a g r a m,c a u s i n ge x i s t e n c eo f l a r g e i n c o m p l e t e n e s s T h i sp a p e r a d o p t s t h e s u b d i v i s i o na p p r o x i m a t i o nm e t h o d t o c a l c u l a t ee f f e c t i v es t e r e o s p a t i a l v o l u m e a n d v a r i o u s p r o p o r t i o n s f o r r a d a r d e t e c t i o n T h e o f f l i n e G I Sg e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e mi su s e dt or a p i d l yr e a do u tD EMa l t i t u d ed a t a,t i m e l yc a l c u l a t ea n do u t p u tt h e b l o c k i n g a n g l e d i a g r a m,i s o b e a m h e i g h td i a g r a m,e f f e c t i v es t e r e o s p a t i a lv o l u m e o fd e t e c t i o n,d e a dz o n eo f d e t e c t i o n,v a r i o u sp r o p o r t i o n s a n do t h e r e v a l u a t i o nr e s u l t s a n dm o r eo b j e c t i v e l ya n da c c u r a t e l ya s s e s st h ed e t e c t i o nc l e a r a n c ec o n d i t i o n s T h es u b d i v i s i o na p p r o x i m a t i o nc a l c u l a t i o nm e t h o dp r o v i d e sa m o r er e a s o n a b l ea s s e s s m e n t m e t h o df o rs i t es e l e c t i o na n d b e t t e rs o l v e st h eq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o np r o b l e m sr e l a t e dt ot h ed e t e c t i o ne n v i r o n m e n to fr a d a rs t a t i o n T h ep r a c t i c a l气 象 水 文 海 洋 仪 器J u n a p p l i c a t i o no f X b a n dd u a l p o l a r i z a t i o np h a s e da r r a yw e a t h e r r a d a r s i nt h eG u a n g d o n g H o n gK o n g M a c a oG r e a t e rB a yA r e a s h o w s t h a t t h em e t h o da n d t h e i m p l e m e n t e ds o f t w a r e s y s t e ma r e f e a s i b l e a n dh a v eh i g hp r a c t i c a l v a l u e K e yw o r d s:w e a t h e r r a d a r;d e t e c t i o nd o m a i n;d e t e c t i o nb l i n d z o n e;q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s;s y s t e mr e a l i z a t i o n引言天气雷达系统探测是获取气象目标信息的重要手段之一,中国的S波段新一代天气雷达已经工作了超 a,在气象监测预警预报服务中发挥了重要作用.随着科学技术的迅猛发展,雷达技术发展越来越快,近年来中国又发展了更加先进的X波段双极化相控阵天气雷达,目前已经在广东乃至全国大量部署使用.传统的雷达站选址方法不能客观准确地判断所选的站址是否科学合理,影响雷达探测数据质量和雷达系统设备的投资效益.目前关于雷达选址的文章大多利用探测遮挡角和等射束高度图分析探测环境.张宏达等使用有效覆盖率定量分析地形四周遮挡对雷达探测距离的影响;王翔等 利用微积分原理计算推导出地形对雷达波束阻挡率影响的公式,利用G I S高程栅格数据计算天气雷达球面近似下的波束阻挡率,通过地形补偿对地形遮挡部分进行修正,使降水估测质量得以提高;梁钊扬等利用G I S系统获取雷达站四周的阻挡数据绘制等射束高度图及遮蔽角图,以评估雷达选址条件,避免天气预报中使用雷达图像数据可能忽略的阻挡情况,并提出了解决方法.以上研究基本不涉及探测有效立体空域和探测盲区的计算与实践.天气雷达探测的有效空域受到各个方位角方向的高山、高楼等阻挡物影响,不仅与雷达能够扫描的仰角有关,还与地球的形状有关.在实际业务使用中,绝大多数应用人员不清楚雷达图像上探测范围内被阻挡的位置,以及扫描垂直高度上是否有阻挡等,这直接影响气象预报人员决策的科学性,因此迫切需要一种计算方法以准确计算有效立体空域及阻挡的客观情况.天气雷达扫描范围的设定目前中国业务使用的新一代天气雷达功能规格书给出的定量探测范围是半径 k m,定性探测范围是半径 k m,扫描仰角范围通常设定在 ,扫描层数一般是 层;最新发展起来的X波段双极化相控阵天气雷达,定量探测范围是半径 k m左右,扫描仰角通常设定在 .天气过程绝大多数发生在地面到 k m高空范围内,选择雷达站址时,考虑到低空也有许多重要天气过程,所以应该着重考虑低空扫描覆盖因素.天气雷达很少使用负仰角扫描,因此应重点关注相对于雷达 仰角以上的空域.以S波段新一代天气雷达为例,假定雷达扫描空域水平的探测半径为 k m,垂直扫描高度为 k m,从雷达所在位置 仰角范围.探测有效立体空域计算方法由于自然的地理地形非常复杂,所以很难用常规的几何方法准确计算雷达扫描的有效立体空域.而细分逼近法首先计算雷达探测的等射束高度图垂直投影的有效扫描面积,再通过细分高度层进一步计算能够探测到的有效立体空域.等射束高度图垂直投影有效扫描面积的计算方法直线传播的雷达电磁波束无法穿过阻挡物,在阻挡物后产生探测盲区.在测站四周出现的最高阻挡物会形成最大阻挡角,其所在位置与测站的距离即最大探测距离.等射束高度图是在一定折射条件下绘制的各个方向上、各种斜距下,波束中心轴线能够到达的最低高度等值线图.等射束高度图考虑了雷达天线高度的情况,地球曲率及大气折射的影响,特别是周围地物、地形对雷达探测能力的影响.任意一个高度层的等射束高度图表示的有效探测面积,取决于测站的地形地貌,由于阻挡的等高度线是不规则的,因此使用细分逼近方法近似计算面积.由于等高度线的边界不规则,不容易计算有效探测区域面积,故采取微分方法.由此可知,方位夹角越小,计算的面积越准确.实践表明,范围以 方位角为间隔,细分成 个等腰三角形,可以满足实际业务的需要.有效立体空域体积的计算方法将雷达扫描空域近似看作圆柱体.考虑地形阻挡因素,有效立体空域体积等于每个高度层的等射第期吕雪芹,等:天气雷达探测有效立体空域计算方法研究与实现束高度图的有效面积与高度乘积的累加和.随着高度的升高,等射束高度图的有效面积的变化是离散的,因此,在规定高度范围内,每层的高度细分得越小,计算出来的雷达扫描有效立体空域体积的准确度就越高.实践中根据雷达业务运行需要,设定高度范围是测站馈源上空 k m,每隔 m为层,共分为 层.细分高度越小,有效探测空域的计算结果越精准,即立体空域体积细分逼近计算方法.因为仰角扫描范围是 ,以上仰角的静锥区无法被扫描,所以有效立体空域体积应该减去静锥区部分的体积.具体计算过程在天气雷达探测业务中,需要了解雷达探测的有效空域、静锥区和扫描盲区,及其各自占有的比例关系.从图可以看出,雷达探测 仰角以下、地面水平线以上的区域为探测盲区;由于地球曲率原因,地面水平线以下地球曲面以上的区域为地曲扫描盲区.扫描不到的静锥区V;扫描空域V;扫描盲区V;地曲盲区V;球缺体积V;球缺下面圆锥体体积V图雷达扫描区域示意图)计算静椎区体积V:由于气象雷达观测模式设定仰角扫描范围是 ,所以仰角 以上、测站馈源上空 k m高空范围是业务雷达探测不到的静锥区空域.根据圆锥体积公式V/S h,S是圆锥的底面积,h是圆锥的高,那么静锥区体积V/(/t a n ),k m.)计算默认扫描空域体积V:如果没有任何阻挡,那么整个扫描仰角为 、探测距离最大 k m、测站馈源上空 k m高空范围雷达应探测空域体积,可以根据圆柱体公式近似计算,应探测空域体积 ,k m.默认扫描空域体积V 为应探测空域体积与静椎区体积之差,即V,k m.)计算有效立体空域体积:按照上述方法,通过地理信息系统G I S获取D E M高程数据,计算阻挡角和等射束高度图,再基于各高度层的等射束高度图的细分逼近方法计算出立体空域体积,再减去静锥区体积,就可求出有效立体空域体积 .)计算扫描盲区体积V:设雷达扫描覆盖面积为V,则有Vh Vh .)计算地曲盲区体积V:计算海拔m到地球中心与 k m探测半径范围形成的圆锥柱体体积V:设探测半径为r,地球半径为R,则V/rR ,k m.计算a r c t a n(/,),球缺的高HR(c o s)k m;根据球缺体积公式V H(RH/),可计算出球缺体积V (,/),k m;球缺下面圆锥体体积V/(,c o s)(,s i n),k m;综上计算,地曲盲区体积VVVV ,k m.)计算总空域体积V:雷达探测半径 k m、测站馈源上空 k m以下的总空域体积VV VVV.软件系统实现系统设计采用C语言编写.从G l o b a l M a p p e r下载公开的离线地图数据,生成相应区域的T I F格式高程D E M文件.离线的T I F文件读取速度快,使用方便.在开发的平台输入测站经纬度和天线高度等相关参数后可一键读取并生成数据文件.以雷达站为中心,为方位夹角,沿射线读取 k m范围内的阻挡物高程值,经过地球曲率修正,筛选出对雷达发射波束阻挡最大高度值和对应的距离数据,生成阻挡角数据文件“D a t a T X T”,文件中包含 组挡角数据.气 象 水 文 海 洋 仪 器J u n 生成等射束高度图后,计算各种空域及其占比等信息.以广州花都X波段双极化相控阵雷达站为例,探测半径 k m,仰角 ,高度 k m以下.通过计算机分析给出各种阻挡图、等射束高度图、扫描立体空域覆盖率等,描述如下:本站 k m扫描半径、馈源上空 k m以下范围内,有效探测立体空域占总空域体积的百分比(雷达站 k m探测半径、馈源上空 k m以下范围内)为 .本站 k m扫描半径、馈源上空 k m以下范围内,有效探测立体空域占默认扫描空域的百分比(雷达站 仰角、雷达馈源上空 k m高度范围内)为 .本站 k m扫描半径、馈源上空 k m以下范围内,静椎区空域体积占总空域体积的百分比为 .本站 k m扫描半径、馈源上空 k m以下范围内,低空扫描盲区占总空域体积的百分比(天线馈源以下、仰角 以下)为 .结束语雷达站址的选择是否科学合理关系到整个探测网络的质量.雷达选址的传统做法存在局限性和不足.文章提出的细分逼近算法较好地解决了定量分析雷达探测的有效立体空域覆盖率及各种占比的计算难题,理想模拟验证表明,细分逼近方法的计算结果误差极小,可以满足天气雷达业务使用,为天气雷达探测环境评价添加了一种科学合理的手段,实用价值显著 .基于离线G I S地理信息实现的软件系统能够在几秒钟内快速输出定量分析结果,可以即时判断测站探测环境质量,更加客观地遴选分析测站的合理性和科学性,给现场选址带来极大便利.近几年来在粤港澳大湾区已经建成了 部X波段双极化相控阵天气雷达,利用该方法和实现的系统对每个雷达站进行探测环境评价,为优选测站提供了定量的决策依据.目前研究的细分逼近方法仍局限于单个雷达站点环境的测量和计算,对于互相交叉覆盖的多个站点组网的有效探测空域计算还需要进一步研究,软件系统仍需改进.参考文献:张宏达,孟庆印,杨猛对抗低空突防目标时雷达有效覆盖率分析J地面防空武器,():王翔,沈铁元,杨洪平,等雷达波束传播路径精确定位与地形对波束的阻挡计算J沙漠与绿洲气象,():罗丽,井高飞,郭佳,等北京气象局天气雷达回波阻挡订正 技 术 研 究 J科 学 技 术 与 工 程,():梁钊扬,吴国锐,林高斌基于G I S绘制等射束高度图分析 肇庆 雷 达的 探测 能 力J电 子 世 界,():郑锋计算雷达探测范围的一种新方法J现代雷达,():,伍洋 G I S技术在新一代天气雷达工程选址分析中的应用J电子技术与软件工程,():王红艳,刘黎平新一代天气雷达降水估算的区域覆盖能力评估J高原气象,():高永芹,曹志勇,陈晨,等基于W e b G I S优化技术的评估研 究 J计算 机 测 量 与 控 制,():,刘锋 W e b G I S架构下的地理信息系统构建研究J计算机测量与控制,():,吕雪芹,何艳丽,敖振浪相控阵天气雷达站环境参数智能分析系统研发J计算机测量与控制,():王蓓蕾,梁斌,傅佩玲广州相控阵天气雷达组网站址分析J广东气象,():程延松,孙清清,祝亮,等一种确定空管监视台站选址范围的方法J雷达科学与技术,():,