专利名称：天气雷达径向风信息提取及量化分析系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及现代多普勒天气雷达监测产品一雷达径向风场的信息提取、动力学量化分析与天气信息图形化显示，属于新一代天气雷达探测资料精细化客观定量应用的技术领域。
背景技术：
现代天气雷达探测大气环境的局地精细化动态结构与特征，其产品主要为3个通道的信息:回波强度(PPI)，径向风速，谱宽。其中回波强度给出探测范围内的云体位置及其移动，直观明了，在日常业务中受到最多关注与使用。径向风虽然给出了风速大�。捎谒鼋鑫导史绲牟糠殖煞郑胧导史绮⒉灰恢拢虼怂允悼龇绯〉姆从承枰ㄒ祷聿拍芴峁┚钟蚍绯〉目凸坌畔�。因此，在没有有效客观的信息提取方法情况下，主要的应用是某些特定系统的定性识别，因此使用率远不如回波强度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是通过对天气雷达径向风信息进行提取、处理、分析与展示的系列流程，定量地反映大气中小尺度环流的径向风局域精细化结构，充分显示雷达径向风含有的风场天气动力信息，为中小尺度天气系统和局地强对流天气的预测预警提供快捷、清晰、量化、直观的参考结论及指标。丰富天气雷达监测产品，有效利用新一代天气雷达的监测预警功能。本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统，包括数据预处理模块、径向风分解�？�、计算与验证�？椋黄渲校鍪菰ご砟？橛糜诙岳状锸挡饩断蚍缡萁型队啊⒙瞬ê拖肷恚凰鼍断蚍绶纸饽？橛糜诙允菰ご砟？榇砗蟮木断蚍缡萁蟹缡噶糠纸夂妥曜恚凰黾扑阌胙橹つ？橛糜诟菥断蚍绶纸饽？榈姆纸饨峁崛±状锞断蚍绯⌒畔ⅲ黄渲�:(I)所述数据预处理�？榘ㄌ迳嫜≡衲？�、数据滤波�？�、误差校正�？�、数据消噪声模块；其中:所述体扫面选择�？橛糜诙栽季断蚍缢俣仁莩“凑仗迳嬷鹨唤猩秆。蹦骋痪断蚍缢俣仁莩≈惺粲谌辈夂途嗬胝鄣姆段Т笥谌∶婊�1/3时，该体扫面被从参与继续分析的体扫面序列中剔除，转向对下一个体扫面的筛�。凰鍪萋瞬？橛糜诙蕴迳嫜≡衲？樯秆〕龅木断蚍缢俣仁莩〗兴俣鹊燃豆椴ⅲ唇婊缢俟椴⑽骋蝗范ǖ乃俣鹊燃叮扛鏊俣鹊燃洞硪桓鋈范ǖ乃俣确段В源思蚧萏卣鳎凰鑫蟛钚Ｕ？橛糜诙允萋瞬？榇砗蟮木断蚍缢俣仁葜写嬖诘乃俣饶：侍饨忻植购凸娣洞恚玫降燃痘睦状锞断蚍缢俣瘸。凰鍪菹肷？橛糜诙运龅燃痘睦状锞断蚍缢俣瘸〗锌占湓胍粝⒉嫉姆蔷壤肷⒎植嫉囊熘捣缢俚愫托∏撸炊杂诘确缢俅械脑肷邢胍舸恚恢链耍玫骄菰ご砗蟮募曛械木断蚍缢俣瘸。⒔写娲ⅲ�(2)径向风分解�？榘ǚ纸饽？楹偷谝谎橹つ？椋黄渲�:所述分解模块用于将极坐标中的径向风速度场分解到直角坐标中，形成U、V两个径向风分量�。凰龅谝谎橹つ？橛糜诙苑纸饽？榈姆纸庑Ч屑煅椋�(3)计算与验证�？榘ㄔ怂隳？�、第二验证�？椋渲�:所述运算�？橛糜诙苑纸夂蟮睦状锞断蚍绯〗辛骱胧坪牡蠼猓竦镁断蚍缢俣瘸〉牧鞫煞钟敕⒊煞值目占浞植夹翁捅硐痔卣鳎凰龅诙橹つ？橛糜诙粤骱胧坪怂阈Ч募煅椋ü聪蚣扑阒亟║、
V分量场，再与前述分解�？榉纸饣竦玫膗、v径向风分量场进行相关对比，验证迭代运算的收敛与合理。作为本发明的一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统的进一步优化方案，还包括一个用于对计算与验证�？樗崛〉睦状锞断蚍绯⌒畔⒔蟹治龃聿⒄故镜男畔⒋砟？椋凰鲂畔⒋砟？榘ǚ掷啻娲⒛？�、统计运算�？�、图表显示�？椋黄渲�:所述分类存储�？橛糜谝谰堇状锞断蚍缢俣瘸〉牧骱褪坪植继卣鳎粤骱褪坪〗蟹掷啻娲ⅲ凰鐾臣圃怂隳？橛糜谡攵岳状锼嗖獾奶炱录欣状锞断蚍绶掷嘈畔⒎从承Ч耐臣疲凰鐾急硐允灸？橥ü谱餍畔⒅副晖急恚跃断蚍缍μ卣鹘卸炕副昊圆籓作为本发明的一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统的进一步优化方案，所述数据滤波�？榈拇戆ㄍ队啊⒙瞬讲街瑁渲校鐾队安街杈咛逦�:采用公式Vre=Ucosa将具有仰角的每一体扫面上的径向风速度场格点数据乘以该体扫面的仰角余弦，即将具有仰角的倾斜体扫面投影到水平面，其中a为体扫面仰角，代表倾斜体扫面上格点径向风速，Vrs代表水平面上格点径向风速；所述滤波步骤具体为:根据PUP处理器中显示系统对径向风场的显示级别，参考MTM算法进行中值滤波，达到每一级中的径向风速度都归并为该级的中值，以此滤除一部分径向风速度数据的随机脉动噪音；其中，MTM算法的数学表示为:outi=average {(Xi) /D1- δ ^ Xi ^ Di+ δ , i e wj
其中，OUti为经中值滤波后的输出值，力表示选定范围内参与运算的点集合，δ为选定的点值强度区间阈值，Xi为任意点径向风速值，Di为中值。作为本发明的一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统的进一步优化方案，所述误差校正�？榈拇砭咛灏ㄅ卸稀⒈昙�、处理、存储步骤；其中，所述判断步骤是对每个雷达体扫面进行检查，根据数据变化特征找到某体扫面上速度�：那颍鏊俣饶：窃诜缢偾兴俣鹊目占浔浠皇前刺荻妊荼洌峭蝗环⑸畔喾吹募凳萸凰霰昙遣街枋嵌苑⑾值乃俣饶：蚪斜昙牵炊愿盟俣饶：械母鞲竦阍谒诶状锾迳婢断蚍缡莩≈械奈恢媒腥范ǎ凰龃聿街枋嵌愿盟俣饶：诿扛龈竦惴缢偈萁蟹鸥谋浯恚韵俣饶：凰龃娲⒉街枋墙俣饶：┱蟮氖莩〗写娲ⅲ员负笮淌褂�。作为本发明的一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统的进一步优化方案，所述分解�？榻队昂笤谄矫婕曛械木断蚍缢俣瘸》纸獾街苯亲晗抵校咛逦�:首先，将极坐标中的径向风格点值分解成u、v两个分两场:
权利要求
1.一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统，其特征在于，包括数据预处理�？�、径向风分解�？�、计算与验证�？椋黄渲校鍪菰ご砟？橛糜诙岳状锸挡饩断蚍缡萁型队�、滤波和消噪声处理；所述径向风分解�？橛糜诙允菰ご砟？榇砗蟮木断蚍缡萁蟹缡噶糠纸夂妥曜恚凰黾扑阌胙橹つ？橛糜诟菥断蚍绶纸饽？榈姆纸饨峁崛±状锞断蚍绯⌒畔ⅲ黄渲�: (1)所述数据预处理�？榘ㄌ迳嫜≡衲？椤⑹萋瞬？�、误差校正�？�、数据消噪声�？椋黄渲�: 所述体扫面选择模块用于对原始径向风速度数据场按照体扫面逐一进行筛�。蹦骋痪断蚍缢俣仁莩≈惺粲谌辈夂途嗬胝鄣姆段Т笥谌∶婊�1/3时，该体扫面被从参与继续分析的体扫面序列中剔除，转向对下一个体扫面的筛�。� 所述数据滤波�？橛糜诙蕴迳嫜≡衲？樯秆〕龅木断蚍缢俣仁莩〗兴俣鹊燃豆椴ⅲ唇婊缢俟椴⑽骋蝗范ǖ乃俣鹊燃叮扛鏊俣鹊燃洞硪桓鋈范ǖ乃俣确段В源思蚧萏卣鳎� 所述误差校正�？橛糜诙允萋瞬？榇砗蟮木断蚍缢俣仁葜写嬖诘乃俣饶：侍饨忻植购凸娣洞恚玫降燃痘睦状锞断蚍缢俣瘸。� 所述数据消噪声�？橛糜诙运龅燃痘睦状锞断蚍缢俣瘸〗锌占湓胍粝⒉嫉姆蔷壤肷⒎植嫉囊熘捣缢俚愫托∏撸炊杂诘确缢俅械脑肷邢胍舸恚� 至此，得到经数据预处理后的极坐标中的径向风速度场，并进行存储； (2)径向风分解模块包括分解�？楹偷谝谎橹つ？椋黄渲�: 所述分解模块用于将极坐标中的径向风速度场分解到直角坐标中，形成U、V两个径向风分量�。� 所述第一验证�？橛糜诙苑纸饽？榈姆纸庑Ч屑煅椋� (3)计算与验证�？榘ㄔ怂隳？�、第二验证�？椋渲�: 所述运算�？橛糜诙苑纸夂蟮睦状锞断蚍绯〗辛骱胧坪牡蠼猓竦镁断蚍缢俣瘸〉牧鞫煞钟敕⒊煞值目占浞植夹翁捅硐痔卣鳎� 所述第二验证�？橛糜诙粤骱胧坪怂阈Ч募煅椋ü聪蚣扑阒亟║、V分量场，再与前述分解�？榉纸饣竦玫腢、V径向风分量场进行相关对比，验证迭代运算的收敛与合理。
2.根据权利要求1所述的一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统，其特征在于，还包括一个用于对计算与验证�？樗崛〉睦状锞断蚍绯⌒畔⒔蟹治龃聿⒄故镜男畔⒋砟？椋凰鲂畔⒋砟？榘ǚ掷啻娲⒛？�、统计运算�？�、图表显示�？椋黄渲�: 所述分类存储�？橛糜谝谰堇状锞断蚍缢俣瘸〉牧骱褪坪植继卣鳎粤骱褪坪〗蟹掷啻娲ⅲ� 所述统计运算�？橛糜谡攵岳状锼嗖獾奶炱录欣状锞断蚍绶掷嘈畔⒎从承Ч耐臣疲� 所述图表显示模块通过制作信息指标图表，对径向风动力特征进行定量化指标化显/Jn ο
3.根据权利要求1所述的一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统，其特征在于，所述数据滤波模块的处理包括投影、滤波两步骤，其中， 所述投影步骤具体为: 采用公式V =Uc0sa将具有仰角的每一体扫面上的径向风速度场格点数据乘以该体扫面的仰角余弦，即将具有仰角的倾斜体扫面投影到水平面，其中α为体扫面仰角，V 代表倾斜体扫面上格点径向风速，Vrs代表水平面上格点径向风速； 所述滤波步骤具体为: 根据PUP处理器中显示系统对径向风场的显示级别，参考MTM算法进行中值滤波，达到每一级中的径向风速度都归并为该级的中值，以此滤除一部分径向风速度数据的随机脉动噪音；其中， MTM算法的数学表示为:outi=average {(Xi) /D1- δ ^ Xi ^ Di+ δ，i e wj 其中，OUti为经中值滤波后的输出值，Wi表示选定范围内参与运算的点集合，δ为选定的点值强度区间阈值，Xi为任意点径向风速值，Di为中值。
4.根据权利要求1所述的一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统，其特征在于，所述误差校正�？榈拇砭咛灏ㄅ卸�、标记、处理、存储步骤；其中， 所述判断步骤是对每个雷达体扫面进行检查，根据数据变化特征找到某体扫面上速度�：那颍鏊俣饶：窃诜缢偾兴俣鹊目占浔浠皇前刺荻妊荼洌峭蝗环⑸畔喾吹募凳萸� 所述标记步骤是对发现的速度�：蚪斜昙牵炊愿盟俣饶：械母鞲竦阍谒诶状锾迳婢断蚍缡莩≈械奈恢媒腥范ǎ� 所述处理步骤是对该速度�：诿扛龈竦惴缢偈萁蟹鸥谋浯恚韵俣饶：� 所述存储步骤是将速度�：┱蟮氖莩〗写娲ⅲ员负笮淌褂�。
5.根据权利要求1所述的一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统，其特征在于，所述分解模块将投影后在平面极坐标中的径向风速度场分解到直角坐标系中，具体为: 首先，将极坐标中的径向风格点值分解成U、V两个分两场:
6.根据权利要求1所述的一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统，其特征在于，所述第一验证�？椴捎媒徊嫜橹し椒ǘ苑纸饽？榈姆纸夥椒ê托Ч醒橹ぁ�
7.根据权利要求1所述的一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统，其特征在于，所述运算�？榈木咛宕聿街栉�: 根据亥姆霍兹原理，将实际风场f分解成无辐散风向分量场f和无旋风向分量场&，即:ν = νΨ+νχ.,其中无辐散风向分量场=其中V为流函数，左为与流函数垂直的涡旋矢量方向；无旋风向分量场:^ = -v；r，其中X为势函数； 使用泊松方程，通过张弛迭代法求解出研究区域的径向风流函数Ψ与势函数X，所述泊松方程为:V V = Cr, V2X = -D ; 其中，Dr> ζ r分 别为从直角坐标中的u, V分量场求出的径向风的散度与润度。
全文摘要
本发明公开了一种天气雷达径向风信息提取及量化分析系统，属于天气雷达精细化定量测量应用的技术领域。本发明包括数据预处理�？�、径向风分解�？椤⒓扑阌胙橹つ？椋黄渲校鍪菰ご砟？橛糜诙岳状锸挡饩断蚍缡萁型队�、滤波和消噪声处理；所述径向风分解�？橛糜诙跃菰ご砟？榇砗蟮木断蚍缡萁蟹缡噶糠纸夂妥曜恚凰黾扑阌胙橹つ？橛糜诟菥断蚍绶纸饽？榈姆纸饨峁崛±状锞断蚍绯⌒畔�。本发明实用性强，只要提供径向风场数据及数据显示规则就可进行系列运算，方便嵌入业务预测预警系统、易于结合进入天气雷达硬件显示系统，也可直接用于科研分析，因此应用范围广、技术适应性好。
文档编号G01S13/95GK103197299SQ20131009752
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月25日 优先权日2013年3月25日
发明者王坚红, 邢彩盈, 苗春生, 王群, 徐良谋 申请人:南京信息工程大学
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