一種空管氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2015-04-29 00:00:00李志
【摘 要】本文從當(dāng)前空管主要的多普勒氣象雷達(dá)運(yùn)行出發(fā)，針對(duì)實(shí)際運(yùn)行保障對(duì)氣象雷達(dá)的反射率分析，速度分析、天線運(yùn)行穩(wěn)定性分析及雷達(dá)組網(wǎng)分析進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)流程程序處理，集成為統(tǒng)一的、人機(jī)交互較強(qiáng)的軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通過(guò)C#編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)而成，能夠應(yīng)用于空管氣象技術(shù)保障一線。
【關(guān)鍵詞】空管氣象雷達(dá)；雷達(dá)數(shù)據(jù)分析；C#
0.引言
空管氣象保障是空管安全保障的一個(gè)重要組成部分，其中大量的氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于空管氣象雷達(dá)。當(dāng)前空管主要使用多普勒雷達(dá)，由于部署地點(diǎn)的原因造成雷達(dá)技術(shù)保障成為安全應(yīng)急的一個(gè)難點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)，業(yè)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的監(jiān)控進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)及設(shè)計(jì)，從中實(shí)現(xiàn)對(duì)多普勒氣象雷達(dá)進(jìn)行有效的監(jiān)控和技術(shù)保障。而對(duì)于雷達(dá)技術(shù)保障而言，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)當(dāng)然還包括對(duì)雷達(dá)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的合理化建議及科學(xué)部署。本文從空管氣象雷達(dá)實(shí)際運(yùn)行出發(fā)提出一種能監(jiān)控雷達(dá)反射率、雷達(dá)速度分析、天線監(jiān)控以及雷達(dá)的組網(wǎng)分析的集成化雷達(dá)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可應(yīng)用與空管氣象技術(shù)保障一線。
1.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)軟件的模塊話設(shè)計(jì)，包括反射率數(shù)據(jù)分析模塊、速度分析模塊、天線運(yùn)行穩(wěn)定性分析模塊以及雷達(dá)組網(wǎng)數(shù)據(jù)分析模塊。
1.1反射率分析模塊
反射率的大小體現(xiàn)了氣象目標(biāo)的降水粒子的密度分布及體積大小，在實(shí)際氣象技術(shù)中長(zhǎng)期用于表示氣象目標(biāo)的強(qiáng)度，在工作上采用dBZ單位表示。對(duì)于空管氣象雷達(dá)圖，數(shù)據(jù)顯示采用PPI（Plan Position Image）顯示方式。該方式?jīng)Q定了一張氣象雷達(dá)圖由圓錐俯視平面上分析空間的回波構(gòu)成。在設(shè)計(jì)上簡(jiǎn)單介紹其設(shè)計(jì)流程，首先必須讀取原始數(shù)據(jù)，并判斷是否首次讀取，若為首次讀取則對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，否則進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；其次進(jìn)行圖像繪制并判斷是否需要改變仰角。此處需要關(guān)注的關(guān)鍵是如何進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理。在實(shí)現(xiàn)上，對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行反射率信息結(jié)構(gòu)體賦值。當(dāng)然該結(jié)構(gòu)體包括了記錄實(shí)際仰角角度、數(shù)據(jù)文件路徑存儲(chǔ)、雷達(dá)波段判斷以及相關(guān)數(shù)據(jù)的偏移。通過(guò)掃描上述結(jié)構(gòu)體可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的預(yù)處理。程序設(shè)計(jì)上有：
[StructLayout（LayoutKind.Sequential）]
public struct VGAStat
{public int Elevation；
[MarshalAs（UnmanagedType.ByValArray，SizeConst=64）]
public string Path；
public uint Wave；
public bool WorkStatusOk；
[MarshalAs（UnmanagedType.ByValArray，SizeConst=4）]
public tagCheckArg[]ChannelStatistic；
}
1.2速度分析模塊
多普勒雷達(dá)采用了速度退化模糊技術(shù)以擴(kuò)大其對(duì)徑向風(fēng)速測(cè)量不模糊的區(qū)間。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮數(shù)據(jù)顯示的徑向方式，流程設(shè)計(jì)則與反射模塊類(lèi)似。當(dāng)然在界面設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)將提供對(duì)顏色配置的定義，使其人機(jī)交互更為快捷。
1.3天線穩(wěn)定性分析模塊
天線是雷達(dá)數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵部位，長(zhǎng)期以來(lái)是影響雷達(dá)運(yùn)行的主要關(guān)鍵點(diǎn)之一。其依賴于底下的電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，目前大多數(shù)進(jìn)口電機(jī)可以保證24小時(shí)安全運(yùn)行。而運(yùn)行時(shí)仰角提升和轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性直接影響雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集。為此，我們通過(guò)在徑向數(shù)據(jù)上采用方位角及仰角進(jìn)行掃描實(shí)現(xiàn)曲線圖監(jiān)控。通過(guò)選擇基數(shù)據(jù)再進(jìn)行預(yù)處理后繪制相關(guān)曲線實(shí)現(xiàn)對(duì)天線運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估。其中，曲線圖的繪制需要的參數(shù)為：縱坐標(biāo)為氣象雷達(dá)實(shí)際運(yùn)行的每層仰角均值；橫坐標(biāo)為范圍角：0-360°。
1.4雷達(dá)組網(wǎng)分析模塊
按照民航局的總體規(guī)劃，未來(lái)空管將實(shí)現(xiàn)多氣象雷達(dá)覆蓋，在這過(guò)程，多個(gè)氣象雷達(dá)的組網(wǎng)將成為氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)的主要來(lái)源。這種模式將使得數(shù)據(jù)覆蓋面更大、數(shù)據(jù)安全性更高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性更強(qiáng)。而與此同時(shí)帶來(lái)了雷達(dá)數(shù)據(jù)融合組網(wǎng)的技術(shù)難點(diǎn)。例如在交疊處，雷達(dá)在同一個(gè)物理點(diǎn)測(cè)試的高度應(yīng)當(dāng)一致以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)數(shù)據(jù)的平穩(wěn)漸變，交疊區(qū)域數(shù)據(jù)的對(duì)比是雷達(dá)組網(wǎng)的關(guān)鍵之一，軟件實(shí)現(xiàn)界面如圖1。
圖1 軟件實(shí)現(xiàn)界面
設(shè)計(jì)上，首先模塊將定義雷達(dá)站點(diǎn)配置信息，并與此同時(shí)提供組網(wǎng)雷達(dá)可選數(shù)據(jù)；其次對(duì)選擇雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；再之則對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均并做坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；最后進(jìn)行拼圖處理。在這過(guò)程中，需要對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的強(qiáng)度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整、顯示范圍自適應(yīng)調(diào)整。與上述同理，系統(tǒng)核心在于預(yù)處理。在C#中定義List數(shù)據(jù)列表，并在定義其結(jié)構(gòu)為[站點(diǎn)標(biāo)示][距離][方位角]，對(duì)于數(shù)據(jù)讀取時(shí)，需要進(jìn)行插值算法處理，此時(shí)的單時(shí)數(shù)據(jù)拼接分析可以實(shí)現(xiàn)不同仰角和方位角的篩選。為了控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性可以在前端定義雷達(dá)數(shù)據(jù)方位角表，根據(jù)表進(jìn)行映射處理。通常如若出現(xiàn)非連續(xù)數(shù)據(jù)可以在預(yù)處理上對(duì)其進(jìn)行差值補(bǔ)償。在C#上可以采用反差圓補(bǔ)償方法。
2.結(jié)束語(yǔ)
本文從實(shí)際出發(fā)，提出一種包括多普勒雷達(dá)反射率數(shù)據(jù)分析、速度分析、天線穩(wěn)定性分析和雷達(dá)組網(wǎng)分析為一體的集成化空管氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)C#設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，能夠應(yīng)用于空管一線技術(shù)保障，并為相關(guān)多普勒雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析提供一種參考。
【參考文獻(xiàn)】
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