CN115436906B - 一种提升雷达探测目标位置及风场反演信息准确性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提升雷达探测目标位置及风场反演信息准确性的方法，属于雷达探测技术领域，包括：获取雷达倾角角度信息；将雷达仰角设置为0°，并进行至少两次的圆周扫描，获取天线轴向上的最大倾斜角度值，并记录此时的方位角度；通过雷达方位/俯仰角度信息以及雷达扫描方式对雷达数据进行修正；根据雷达任意径向相对角度关系对任意径向、任意扫描区域的数据进行修正或者对圆周扫描一周的所有数据进行修正；根据雷达任意径向相对角度关系得到设定高度层的真实矢量风速。本发明采用倾角传感器在气象雷达上的应用方式与软件数据修正算法的结合，降低了雷达部署难度和部署成本，提升了雷达运行指标和气象能源利用效率。

Description

一种提升雷达探测目标位置及风场反演信息准确性的方法

技术领域

本发明涉及雷达探测技术领域，尤其涉及一种提升雷达探测目标位置及风场反演信息准确性的方法。

背景技术

气象雷达是用于警戒和预报中、小尺度天气系统（如台风和暴雨云系）的主要探测工具之一，在突发性、灾害性的监测、预报、警报和人影作业中具有极为重要的作用。其探测精准度直接影响到气象预报、预警、气象科学研究和人影作业的准确性、时效性、可靠性和经济性。测风雷达是用于气象气候监测、天气探测、空气污染追踪、大气研究和风能利用等领域。雷达探测精准度直接影响到风速、风向的获取的正确性，其结果会直接影响到气象气候监测、天气探测、空气污染追踪、大气研究的准确性、时效性、可靠性及风能的利用效率。气象雷达和测风雷达的探测精准度除受天线波束宽度、伺服定位精度、雷达波段等设计指标影响，同时还受到部署环境、部署方式等后期因素影响。其中设计指标在一部雷达定型后其探测精准度已经被设计定型且无法被更改，该指标为理论指标即最佳指标，为保障雷达在实际使用过程中其探测精准度指标无限接近理论指标，故雷达供应方与雷达应用方均对雷达的架设位置、架设方式提出了近乎苛刻的要求。

目前国内固定观测类气象雷达的部署方式主要分为地基式部署和移动式部署两种方式，为保证雷达的探测精准度，在雷达部署时均要求雷达天线的0°与水平面0°无限趋近。针对这一要求，地基式部署的雷达会在雷达部署地兴建一块无限趋近于水平面的架设平台，然后将雷达架设在该平台上，再通过雷达自带的水平仪进行人为2次校准；移动式部署的雷达主要通过控制车载平台无限趋近于水平面，然后将雷达架设在该平台上，再通过雷达自带的水平仪进行人为2次校准。其中移动式部署的气象雷达由于其经常会变更观测地点，故其调平工作会多次重复进行。

由上述可知，在雷达部署过程中为保障雷达的探测精准度，雷达供应方与雷达应用方均采用了很多措施，这些措施在一定程度上启到了相应的效果，但这些措施中存在很多的外在影响因素，不仅增加了雷达的部署成本和部署难度，同时因为存在人为感官判定条件，致使其结果存在不可控性和不确定性，无法做到统一标准，最终出现同型雷达不同人员部署其呈现结果不一致的现象。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息只用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种提升雷达探测目标位置及风场反演信息准确性的方法，解决了目前雷达探实测目标与真实目标物存在误差、安装架设难度大、安装架设成本高和测风雷达矢量风速合成受架设平面精度影响的问题。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种提升雷达探测目标位置及风场反演信息准确性的方法，所述方法包括：

S1、获取雷达倾角角度信息步骤；

S2、获取初始修正位置步骤：将雷达仰角设置为0°，并进行至少两次的圆周扫描，获取天线轴向上的最大倾斜角度值，并记录此时的方位角度，该方位角度即为初始修正位置；

S3、雷达数据修正步骤：通过雷达方位/俯仰角度信息以及雷达扫描方式对雷达数据进行修正；

S4、气象雷达数据修正步骤：根据雷达任意径向相对角度关系对任意径向、任意扫描区域的数据进行修正或者对圆周扫描一周的所有数据进行修正；

S5、测风雷达数据修正步骤：根据雷达任意径向相对角度关系得到设定高度层的真实矢量风速。

所述雷达数据修正步骤具体包括：

通过雷达天线的方位/俯仰角度信息与地面倾斜角度信息获取得到两者的相对关系；

根据两者的相对关系和雷达的扫描方式获取雷达数据任意径向对应的相对角度关系，通过该相对角度关系得到径向数据的真实角度值；

将真实角度值引入到雷达探测目标位置计算公式中得到准确的目标位置信息和由目标位置反演出的其他探测信息。

所述通过雷达天线的方位/俯仰角度信息与地面倾斜角度信息获取得到两者的相对关系包括：

通过倾角传感器获取雷达实际架设平面与理论架设平面之间的夹角∠α，并将雷达按照∠α′设定仰角进行圆周扫描；

得到此时雷达的实测高度h′、H′,实测水平距离b′、B′，和修正后的真实探测高度h、H，真实水平距离b、B；h′=sin∠α*R，h=sin（∠α+∠α′）*R，b′=cos∠α*R，b=cos（∠α+∠α′）*R；当∠α′＞∠α时，H′=sin∠α′*R，H=sin（∠α′-∠α）*R，B′=cos∠α′*R，B=cos（∠α′-∠α）*R；当∠α′=∠α时，H=H′= sin∠α*R，B=B′= cos∠α*R；当∠α′＜∠α时，H=H′= sin∠α′*R，B=B′= cos∠α′*R；其中，c轴为参考水平面，c′为雷达实际架设面，R为雷达探测的径向距离。

所述根据两者的相对关系和雷达的扫描方式获取雷达数据任意径向对应的相对角度关系包括：

当雷达在0°~90°或者180°~270°范围内进行扫描时，将公式h=sin（∠α+∠α′）*R和b=cos（∠α+∠α′）*R分别转换为

和

；

当雷达在90°~180°或者270°~0°范围内进行扫描时，将公式H=sin（∠α′-∠α）*R和B=cos（∠α′-∠α）*R分别转换为

和

，其中，n为雷达扫描一周的累积径向数，k为第k条径向号，该值为≥1且≤

的整数。

所述气象雷达数据修正步骤具体包括：

通过公式

、

、

和

完成任意径向、任意扫描区域的数据修正或者圆周扫描一周的所有数据修正；

通过公式H=H′= sin∠α*R、B=B′= cos∠α*R、H=H′= sin∠α′*R和B=B′= cos∠α′*R对满足各种雷达架设情况下的数据进行修正。

所述测风雷达数据修正步骤包括：通过公式

、

、

和

获取受倾斜角影响的真实高度及投影距离数据，将真实获取到的数据带入测风雷达矢量风速合成公式得到设定高度层的真实矢量风速。

所述获取雷达倾角角度信息步骤中雷达倾斜角角度通过倾角传感器获取，所述倾角传感器安装与雷达天线基座内，并使倾角传感器某一轴线与雷达天线指向处于同一水平面，用于采集雷达x轴和y轴两个轴向的倾斜角度变化。

本发明具有以下优点：一种提升雷达探测目标位置及风场反演信息准确性的方法，采用倾角传感器在气象雷达上的新型应用方式与软件数据修正算法的结合，降低了雷达部署难度和部署成本，消除了人为外在影响风险，提升了雷达运行指标和气象能源利用效率。

附图说明

图1 为本发明方法的流程示意图；

图2 为雷达数据修正的流程示意图；

图3 为雷达架设平面倾斜示意图；

图4 为单一径向上的雷达对称指向图；

图5 为雷达逆时针圆周扫描图；

图6 为测风雷达DBS（多普勒波束锐化）模式测风示意图；

图7 为测风雷达DBS模式剖析图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。

本发明具体涉及一种提升雷达探测目标位置及风场反演信息准确性的方法，以提升气象雷达和测风雷达的探测精准度，减小探测误差，同时该设计还可降低雷达部署难度、部署成本，减少人为外在影响风险，提高人影作业的准确性、时效性、可靠性和经济性，提升气象能源的利用效率。

由硬件系统和软件系统共同组成，硬件系统包含倾斜度传感器和数据采集卡，软件系统包含数据修正算法和气象数据产品修正输出，硬件系统由倾角传感器和数据采集卡组成，其中倾角传感器安装于雷达天线基座内，并使倾角传感器某一轴线与雷达天线指向处于同一水平面，用于采集雷达倾斜角数据，数据采集卡位于雷达控制系统用于采集倾角传感器所采集到的雷达倾斜角数据。

其中，倾角传感器可以采集到x轴和y轴两个轴向的角度变化，其采集精度优于0.01°。该传感器安装于雷达天线基座内，且传感器在安装时某一轴线与天线指向0°轴向重合，故传感器的该轴向上的倾斜度变化即能反应出雷达天线在该轴向上的倾斜度变化。

如图1所示，软件系统的方法步骤具体包括以下：

S1、获取雷达倾角角度信息步骤；

S2、获取初始修正位置步骤：将雷达仰角设置为0°，并进行至少两次的圆周扫描（扫描次数越多获取到的数据精度越高），获取天线轴向上的最大倾斜角度值，并记录此时的方位角度，该方位角度即为初始修正位置，该位置在雷达实际运行过程中可进行实时修正；

S3、雷达数据修正步骤：通过雷达方位/俯仰角度信息以及雷达扫描方式对雷达数据进行修正；

S4、气象雷达数据修正步骤：根据雷达任意径向相对角度关系对任意径向、任意扫描区域的数据进行修正或者对圆周扫描一周的所有数据进行修正；

S5、测风雷达数据修正步骤：根据雷达任意径向相对角度关系得到设定高度层的真实矢量风速。

进一步地，如图2所示，雷达数据修正步骤具体包括：

通过雷达天线的方位/俯仰角度信息与地面倾斜角度信息获取得到两者的相对关系；

根据两者的相对关系和雷达的扫描方式获取雷达数据任意径向对应的相对角度关系，通过该相对角度关系得到径向数据的真实角度值；

将真实角度值引入到雷达探测目标位置计算公式中得到准确的目标位置信息和由目标位置反演出的其他探测信息。

本发明不仅可实现雷达实时探测的目标位置修正及由目标位置反演出的其他探测信息修正，亦可实现雷达探测到的历史目标位置修正及由目标位置反演出的其他探测信息修正，其实现机理为使用径向数据的真实角度信息去替换历史径向数据中的角度，后续操作与实时修正一致。

进一步地，如图3和图4所示，通过雷达天线的方位/俯仰角度信息与地面倾斜角度信息获取得到两者的相对关系包括：

通过倾角传感器获取雷达实际架设平面与理论架设平面之间的夹角∠α，并将雷达按照∠α′设定仰角进行圆周扫描；

得到此时雷达的实测高度h′、H′,实测水平距离b′、B′，和修正后的真实探测高度h、H，真实水平距离b、B；h′=sin∠α*R，h=sin（∠α+∠α′）*R，b′=cos∠α*R，b=cos（∠α+∠α′）*R；当∠α′＞∠α时，H′=sin∠α′*R，H=sin（∠α′-∠α）*R，B′=cos∠α′*R，B=cos（∠α′-∠α）*R；当∠α′=∠α时，H=H′= sin∠α*R，B=B′= cos∠α*R；当∠α′＜∠α时，H=H′= sin∠α′*R，B=B′= cos∠α′*R；其中，c轴为参考水平面，c′为雷达实际架设面，R为雷达探测的径向距离。

通过上述计算公式可知，当雷达的架设平面误差越大、探测距离越远，其测量到的目标高度信息、水平距离信息误差就越大。同理根据高度和水平距离所反演出的信息其误差也会同步增大。

进一步地，如图5所示，根据两者的相对关系和雷达的扫描方式获取雷达数据任意径向对应的相对角度关系包括：

当雷达进行圆周扫描时，倾斜角α随扫描角度变化而成规律性变化，当雷达在0°~90°或者180°~270°范围内进行扫描时，将公式h=sin（∠α+∠α′）*R和b=cos（∠α+∠α′）*R分别转换为

和

；

当雷达在90°~180°或者270°~0°范围内进行扫描时，将公式H=sin（∠α′-∠α）*R和B=cos（∠α′-∠α）*R分别转换为

和

，其中，n为雷达扫描一周的累积径向数，k为第k条径向号，该值为≥1且≤

的整数，k值每90°进行一次复位（计算值复位，不改变真实径向号）。

进一步地，气象雷达数据修正步骤具体包括：

通过公式

、

、

和

完成任意径向、任意扫描区域的数据修正或者圆周扫描一周的所有数据修正；

通过公式H=H′= sin∠α*R、B=B′= cos∠α*R、H=H′= sin∠α′*R和B=B′= cos∠α′*R可即可满足各种雷达架设情况下的数据修正需求。

进一步地，如图6所示，测风雷达矢量风速u、v、w由垂直顶空、东向倾斜、北向倾斜、西向倾斜和南向倾斜的五个独立径向速度进行估算，如图7所示，当测风雷达架设在东西倾斜的架设面上，当雷达按∠α′设定仰角进行扫描时，其位置信息变化关系与图4所示一致，同时通过图6可知，其位置信息的变化将导致测风雷达的矢量风速无法正确获取。

测风雷达数据修正步骤包括：通过公式

、

、

和

获取受倾斜角影响的真实高度及投影距离数据，将真实获取到的数据带入测风雷达矢量风速合成公式得到设定高度层的真实矢量风速。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种提升雷达探测目标位置及风场反演信息准确性的方法，其特征在于：所述方法包括：

S1、获取雷达倾角角度信息步骤；

S2、获取初始修正位置步骤：将雷达仰角设置为0°，并进行至少两次的圆周扫描，获取天线轴向上的最大倾斜角度值，并记录此时的方位角度，该方位角度即为初始修正位置；

S3、雷达数据修正步骤：通过雷达方位/俯仰角度信息以及雷达扫描方式对雷达数据进行修正；

S4、气象雷达数据修正步骤：根据雷达任意径向相对角度关系对任意径向、任意扫描区域的数据进行修正或者对圆周扫描一周的所有数据进行修正；

S5、测风雷达数据修正步骤：根据雷达任意径向相对角度关系得到设定高度层的真实矢量风速；

所述雷达数据修正步骤具体包括：

通过雷达天线的方位/俯仰角度信息与地面倾斜角度信息获取得到两者的相对关系；

根据两者的相对关系和雷达的扫描方式获取雷达数据任意径向对应的相对角度关系，通过该相对角度关系得到径向数据的真实角度值；

将真实角度值引入到雷达探测目标位置计算公式中得到准确的目标位置信息和由目标位置反演出的其他探测信息；

所述通过雷达天线的方位/俯仰角度信息与地面倾斜角度信息获取得到两者的相对关系包括：

通过倾角传感器获取雷达实际架设平面与理论架设平面之间的夹角∠α，并将雷达按照∠α′设定仰角进行圆周扫描；

得到此时雷达的实测高度h′、H′，实测水平距离b′、B′，和修正后的真实探测高度h、H，真实水平距离b、B；h′=sin∠α*R，h=sin（∠α+∠α′）*R，b′=cos∠α*R，b=cos（∠α+∠α′）*R；当∠α′＞∠α时，H′=sin∠α′*R，H=sin（∠α′-∠α）*R，B′=cos∠α′*R，B=cos（∠α′-∠α）*R；当∠α′=∠α时，H=H′= sin∠α*R，B=B′= cos∠α*R；当∠α′＜∠α时，H=H′= sin∠α′*R，B=B′= cos∠α′*R；其中， R为雷达探测的径向距离；

当雷达在0°~90°或者180°~270°范围内进行扫描时，将公式h=sin（∠α+∠α′）*R和b=cos（∠α+∠α′）*R分别转换为

和

；

当雷达在90°~180°或者270°~0°范围内进行扫描时，将公式H=sin（∠α′-∠α）*R和B=cos（∠α′-∠α）*R分别转换为

和

，其中，n为雷达扫描一周的累积径向数，k为第k条径向号，该值为≥1且≤

的整数。

2.根据权利要求1所述的一种提升雷达探测目标位置及风场反演信息准确性的方法，其特征在于：所述气象雷达数据修正步骤具体包括：

通过公式

、

、

和

完成任意径向、任意扫描区域的数据修正或者圆周扫描一周的所有数据修正；

通过公式H=H′= sin∠α*R、B=B′= cos∠α*R、H=H′= sin∠α′*R和B=B′= cos∠α′*R对满足各种雷达架设情况下的数据进行修正。

3.根据权利要求1所述的一种提升雷达探测目标位置及风场反演信息准确性的方法，其特征在于：所述测风雷达数据修正步骤包括：通过公式

、

、

和

获取受倾斜角影响的真实高度及投影距离数据，将真实获取到的数据带入测风雷达矢量风速合成公式

,

,

，β表示天顶角，得到设定高度层的真实矢量风速，其中，u表示激光雷达反演出的东西方向的矢量风速，v表示激光雷达反演出的南北方向的矢量风速，w表示激光雷达反演出的垂直对顶方向的矢量风速。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种提升雷达探测目标位置及风场反演信息准确性的方法，其特征在于：所述获取雷达倾角角度信息步骤中雷达倾斜角角度通过倾角传感器获取，所述倾角传感器安装与雷达天线基座内，并使倾角传感器某一轴线与雷达天线指向处于同一水平面，用于采集雷达x轴和y轴两个轴向的倾斜角度变化。

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