專利名稱：一種基于單站風(fēng)廓線雷達(dá)的風(fēng)切變識(shí)別和追蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)切變識(shí)別和追蹤方法，特別是一種基于單站風(fēng)廓線雷達(dá)的風(fēng)切變識(shí)別和追蹤方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)廓線雷達(dá)是以大氣湍流為探測(cè)目標(biāo)、具有晴空探測(cè)能力的脈沖多普勒測(cè)速雷達(dá)，主要用于測(cè)量風(fēng)隨高度的變化。由于風(fēng)廓線雷達(dá)采用遙感方式，可連續(xù)無人值守運(yùn)行， 且探測(cè)資料具有種類多、時(shí)空分辨率高、廓線形式等眾多優(yōu)點(diǎn)，在高空(非地面)風(fēng)探測(cè)方面正發(fā)揮著越來越重要的作用。大量的觀測(cè)資料表明，對(duì)飛行安全有影響的切變線在風(fēng)廓線雷達(dá)連續(xù)的觀測(cè)資料中有著清晰的表現(xiàn)。因此利用風(fēng)廓線雷達(dá)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)切變的探測(cè)具有重要的意義。目前常用的地基風(fēng)切變探測(cè)方法一般是通過包括低空風(fēng)切變預(yù)警系統(tǒng)(LLWAS)、 多普勒天氣雷達(dá)、多普勒激光雷達(dá)和集成低空風(fēng)切變警報(bào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，由于這些系統(tǒng)與風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)原理和方式上的差異，所用的風(fēng)切變識(shí)別和追蹤方法并不適用于風(fēng)廓線雷達(dá)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于單站風(fēng)廓線雷達(dá)的風(fēng)切變識(shí)別和追蹤方法，解決過去的風(fēng)切變識(shí)別和追蹤方法不適用于風(fēng)廓線雷達(dá)的問題。一種基于單站風(fēng)廓線雷達(dá)的風(fēng)切變識(shí)別和追蹤方法，具體步驟為第一步搭建風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)切變識(shí)別和追蹤系統(tǒng)風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)切變識(shí)別和追蹤系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、風(fēng)切變識(shí)別模塊和風(fēng)切變追蹤模塊。數(shù)據(jù)采集模塊用于采集風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊用于對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，風(fēng)切變識(shí)別模塊用于風(fēng)切變的自動(dòng)探測(cè)和識(shí)別，風(fēng)切變追蹤模塊用于風(fēng)切變的自動(dòng)追蹤和報(bào)警。第二步數(shù)據(jù)采集模塊采集風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊采集風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)數(shù)據(jù)作為風(fēng)切變探測(cè)、識(shí)別、追蹤的初始輸入信息。由于風(fēng)切變的生命周期短，數(shù)據(jù)采集模塊輸出的風(fēng)廓線時(shí)間分辨率為lOmin。第三步數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊識(shí)別并剔除探測(cè)數(shù)據(jù)中由于外界干擾等原因產(chǎn)生的虛假數(shù)據(jù)，避免在風(fēng)切變計(jì)算時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤信息，提供虛假情報(bào)。當(dāng)風(fēng)向小于0°或大于360°，或風(fēng)速值為負(fù)值時(shí)，判斷為無物理意義的數(shù)據(jù)；當(dāng)?shù)涂诊L(fēng)速大于80m/s時(shí)，判斷為不符合一般統(tǒng)計(jì)特征的數(shù)據(jù)；當(dāng)上下高度層及前一個(gè)時(shí)刻的同一高度層都為無效數(shù)據(jù)時(shí)，判斷為孤立的數(shù)據(jù)；對(duì)于不滿足時(shí)空連續(xù)性的數(shù)據(jù)，其判斷準(zhǔn)則為首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波。將水平風(fēng)分解為U、ν分量，用于檢測(cè)的數(shù)據(jù)記為(U”Vi),與其空間和時(shí)間上緊鄰的數(shù)據(jù)之中值(um、vm)進(jìn)行比較，如果二者間的差超過指定門限 (Tu、Tv)，則將被檢測(cè)的風(fēng)數(shù)據(jù)(Ui、Vi)標(biāo)識(shí)為無效。門限的確定公式為T2 = 0. 67(-6. 127Xl(TV+0· 0012h+7. 383) (5)式中，h為距地面高度。然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行水平風(fēng)的垂直切變檢查。在邊界層，除了極端天氣狀況，水平風(fēng)的垂直切變小于0. k—1，更強(qiáng)的風(fēng)切變對(duì)應(yīng)著更為極端的天氣狀況。在此，設(shè)定最大水平風(fēng)的垂直切變門限為0. -1，超過門限的情況下，風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)所依賴的局地均勻各向同性假設(shè)得不到滿足，則提供的數(shù)據(jù)不能反映真實(shí)大氣情況。第四步風(fēng)切變識(shí)別模塊進(jìn)行風(fēng)切變的自動(dòng)探測(cè)和識(shí)別風(fēng)切變是大氣中空間兩點(diǎn)之間每單位距離內(nèi)風(fēng)速和風(fēng)向的變化，為一個(gè)向量，單位為m/s/30m或者s—1，公式為Vshear=(V2-V1)M21(6)其中，V2和V1為空間兩點(diǎn)上的風(fēng)矢量，d21為空間兩點(diǎn)間的距離。將風(fēng)切變分解為水平風(fēng)的水平切變、水平風(fēng)的垂直切變、垂直風(fēng)的水平切變和垂直風(fēng)的垂直切變。單站風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)的是站點(diǎn)上空的垂直風(fēng)廓線，用于探測(cè)水平風(fēng)的垂直切變和垂直風(fēng)的垂直切變。將水平風(fēng)分解為沿跑道的分量和垂直于跑道的分量，分別記為縱風(fēng)和橫風(fēng)，分解公式為Vx = Vcos(D+180° -A)(7)Vy = Vsin(D+180° -A)(8)其中，Vx為縱風(fēng)，代表沿跑道的風(fēng)分量，Vy為橫風(fēng)，代表垂直于跑道的風(fēng)分量，D為風(fēng)向，A為航向。相應(yīng)的，沿跑道的風(fēng)切變和垂直于跑道的風(fēng)切變的計(jì)算公式為Vshearji = (V2x-Vlx)/d21 (9)Vshearj= (V2y-Vly)/d21 (10)垂直風(fēng)的垂直切變計(jì)算公式為Vshear—Z= (V2z-Vlz)M21 (11)另外，對(duì)風(fēng)切變無方向性要求時(shí)，水平風(fēng)的垂直切變的計(jì)算公式為Vshearxy =水V2x-V1J2 HV2y-VJ2 Zd21(12)第五步風(fēng)切變追蹤模塊實(shí)現(xiàn)風(fēng)切變的自動(dòng)追蹤和報(bào)警對(duì)于當(dāng)前時(shí)刻風(fēng)廓線，計(jì)算其每個(gè)高度層的風(fēng)切變強(qiáng)度，當(dāng)沒有超過門限的風(fēng)切變高度層時(shí)，判斷其前一時(shí)刻是否有超過門限的風(fēng)切變高度層，沒有則無動(dòng)作，有則解除上次追蹤；當(dāng)前時(shí)刻風(fēng)廓線中有超過門限的風(fēng)切變高度層時(shí)，判斷其前一時(shí)刻是否有超過門限的風(fēng)切變高度層，沒有則開始一次新的追蹤并記錄風(fēng)切變所發(fā)生的時(shí)間、高度層及其強(qiáng)度，有則根據(jù)風(fēng)切變所發(fā)生的高度層判斷是否為同一切變線，是則繼續(xù)追蹤，不是則開始新Tu = max (Tul，T2)Tv = max (Tvl, T2)Tul = 0.2|um+uiTvl = 0. 2 I Vm+Vi
(1) ⑵
⑶ ⑷
5的追蹤。在風(fēng)切變追蹤開始和解除時(shí)，自動(dòng)給出報(bào)警信號(hào)。至此，實(shí)現(xiàn)了基于單站風(fēng)廓線雷達(dá)的風(fēng)切變識(shí)別和追蹤方法。本方法簡(jiǎn)單易行、識(shí)別準(zhǔn)確率高、全自動(dòng)運(yùn)行，可以獲取水平風(fēng)的垂直切變和垂直風(fēng)的垂直切變信息，有效探測(cè)追蹤站點(diǎn)上空風(fēng)切變出現(xiàn)的起始時(shí)間、高度和強(qiáng)度。
具體實(shí)施例方式一種基于單站風(fēng)廓線雷達(dá)的風(fēng)切變識(shí)別和追蹤方法，具體步驟為第一步搭建風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)切變識(shí)別和追蹤系統(tǒng)風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)切變識(shí)別和追蹤系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、風(fēng)切變識(shí)別模塊和風(fēng)切變追蹤模塊。數(shù)據(jù)采集模塊用于采集風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊用于對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，風(fēng)切變識(shí)別模塊用于風(fēng)切變的自動(dòng)探測(cè)和識(shí)別，風(fēng)切變追蹤模塊用于風(fēng)切變的自動(dòng)追蹤和報(bào)警。第二步數(shù)據(jù)采集模塊采集風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊采集風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)數(shù)據(jù)作為風(fēng)切變探測(cè)、識(shí)別、追蹤的初始輸入信息。由于風(fēng)切變的生命周期短，數(shù)據(jù)采集模塊輸出的風(fēng)廓線時(shí)間分辨率為lOmin。第三步數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊識(shí)別并剔除探測(cè)數(shù)據(jù)中由于外界干擾等原因產(chǎn)生的虛假數(shù)據(jù)，避免在風(fēng)切變計(jì)算時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤信息，提供虛假情報(bào)。當(dāng)風(fēng)向小于0°或大于360°，或風(fēng)速值為負(fù)值時(shí)，判斷為無物理意義的數(shù)據(jù)；當(dāng)?shù)涂诊L(fēng)速大于80m/s時(shí)，判斷為不符合一般統(tǒng)計(jì)特征的數(shù)據(jù)；當(dāng)上下高度層及前一個(gè)時(shí)刻的同一高度層都為無效數(shù)據(jù)時(shí)，判斷為孤立的數(shù)據(jù)；對(duì)于不滿足時(shí)空連續(xù)性的數(shù)據(jù)，其判斷準(zhǔn)則為首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波。將水平風(fēng)分解為U、ν分量，用于檢測(cè)的數(shù)據(jù)記為(U” Vi)，與其空間和時(shí)間上緊鄰的數(shù)據(jù)之中值(um、vm)進(jìn)行比較，如果二者間的差超過指定門限 (Tu、Tv)，則將被檢測(cè)的風(fēng)數(shù)據(jù)(Ui、Vi)標(biāo)識(shí)為無效。門限的確定公式為
權(quán)利要求
1. 一種基于單站風(fēng)廓線雷達(dá)的風(fēng)切變識(shí)別和追蹤方法，其特征在于具體步驟為 第一步搭建風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)切變識(shí)別和追蹤系統(tǒng)風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)切變識(shí)別和追蹤系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、風(fēng)切變識(shí)別模塊和風(fēng)切變追蹤模塊；數(shù)據(jù)采集模塊用于采集風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊用于對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，風(fēng)切變識(shí)別模塊用于風(fēng)切變的自動(dòng)探測(cè)和識(shí)別， 風(fēng)切變追蹤模塊用于風(fēng)切變的自動(dòng)追蹤和報(bào)警； 第二步數(shù)據(jù)采集模塊采集風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊采集風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)數(shù)據(jù)作為風(fēng)切變探測(cè)、識(shí)別、追蹤的初始輸入信息；由于風(fēng)切變的生命周期短，數(shù)據(jù)采集模塊輸出的風(fēng)廓線時(shí)間分辨率為IOmin ； 第三步數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊識(shí)別并剔除探測(cè)數(shù)據(jù)中由于外界干擾等原因產(chǎn)生的虛假數(shù)據(jù)，避免在風(fēng)切變計(jì)算時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤信息，提供虛假情報(bào)；當(dāng)風(fēng)向小于0°或大于360°，或風(fēng)速值為負(fù)值時(shí)，判斷為無物理意義的數(shù)據(jù)； 當(dāng)?shù)涂诊L(fēng)速大于80m/s時(shí)，判斷為不符合一般統(tǒng)計(jì)特征的數(shù)據(jù)； 當(dāng)上下高度層及前一個(gè)時(shí)刻的同一高度層都為無效數(shù)據(jù)時(shí)，判斷為孤立的數(shù)據(jù)； 對(duì)于不滿足時(shí)空連續(xù)性的數(shù)據(jù)，其判斷準(zhǔn)則為首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波；將水平風(fēng)分解為u、v分量，用于檢測(cè)的數(shù)據(jù)記為(Ui、Vi)，與其空間和時(shí)間上緊鄰的數(shù)據(jù)之中值(um、vffl)進(jìn)行比較，如果二者間的差超過指定門限(Tu、 Tv)，則將被檢測(cè)的風(fēng)數(shù)據(jù)(Ui、Vi)標(biāo)識(shí)為無效；門限的確定公式為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于單站風(fēng)廓線雷達(dá)的風(fēng)切變識(shí)別和追蹤方法，其具體步驟為第一步，搭建風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)切變追蹤系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、風(fēng)切變識(shí)別模塊和風(fēng)切變追蹤模塊；第二步，數(shù)據(jù)采集模塊采集風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)；第三步，數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制；第四步，風(fēng)切變識(shí)別模進(jìn)行風(fēng)切變的自動(dòng)探測(cè)和識(shí)別；第五步，風(fēng)切變追蹤模塊實(shí)現(xiàn)風(fēng)切變的自動(dòng)追蹤和報(bào)警；至此，實(shí)現(xiàn)了基于單站風(fēng)廓線雷達(dá)的風(fēng)切變識(shí)別和追蹤方法。本方法具有簡(jiǎn)單易行、識(shí)別準(zhǔn)確率高、全自動(dòng)運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，可以獲取水平風(fēng)的垂直切變和垂直風(fēng)的垂直切變信息，有效探測(cè)追蹤站點(diǎn)上空風(fēng)切變出現(xiàn)的起始時(shí)間、高度和強(qiáng)度。
文檔編號(hào)G01S7/48GK102565771SQ20101058677
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月14日
發(fā)明者張哲 , 魏艷強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國航天科工集團(tuán)第二研究院二十三所