一種空管氣象雷達數據分析系統的設計與實現

【摘 要】本文從當前空管主要的多普勒氣象雷達運行出發，針對實際運行保障對氣象雷達的反射率分析，速度分析、天線運行穩定性分析及雷達組網分析進行軟件設計及數據流程程序處理，集成為統一的、人機交互較強的軟件系統。該系統實現通過C#編程語言設計而成，能夠應用于空管氣象技術保障一線。

【關鍵詞】空管氣象雷達；雷達數據分析；C#

0.引言

空管氣象保障是空管安全保障的一個重要組成部分，其中大量的氣象數據來源于空管氣象雷達。當前空管主要使用多普勒雷達，由于部署地點的原因造成雷達技術保障成為安全應急的一個難點，長期以來，業內專家學者對雷達數據的監控進行了大量的實驗及設計，從中實現對多普勒氣象雷達進行有效的監控和技術保障。而對于雷達技術保障而言，系統的實現當然還包括對雷達現運行狀態的合理化建議及科學部署。本文從空管氣象雷達實際運行出發提出一種能監控雷達反射率、雷達速度分析、天線監控以及雷達的組網分析的集成化雷達數據分析系統。該系統可應用與空管氣象技術保障一線。

1.系統的設計

系統主要實現軟件的模塊話設計，包括反射率數據分析模塊、速度分析模塊、天線運行穩定性分析模塊以及雷達組網數據分析模塊。

1.1反射率分析模塊

反射率的大小體現了氣象目標的降水粒子的密度分布及體積大小，在實際氣象技術中長期用于表示氣象目標的強度，在工作上采用dBZ單位表示。對于空管氣象雷達圖，數據顯示采用PPI（Plan Position Image）顯示方式。該方式決定了一張氣象雷達圖由圓錐俯視平面上分析空間的回波構成。在設計上簡單介紹其設計流程，首先必須讀取原始數據，并判斷是否首次讀取，若為首次讀取則對其進行預處理，否則進行坐標轉換；其次進行圖像繪制并判斷是否需要改變仰角。此處需要關注的關鍵是如何進行數據的預處理。在實現上，對接收的數據進行反射率信息結構體賦值。當然該結構體包括了記錄實際仰角角度、數據文件路徑存儲、雷達波段判斷以及相關數據的偏移。通過掃描上述結構體可以實現對雷達數據的預處理。程序設計上有：

[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

多普勒雷達采用了速度退化模糊技術以擴大其對徑向風速測量不模糊的區間。結構設計主要考慮數據顯示的徑向方式，流程設計則與反射模塊類似。當然在界面設計上，系統將提供對顏色配置的定義，使其人機交互更為快捷。

1.3天線穩定性分析模塊

天線是雷達數據采集的關鍵部位，長期以來是影響雷達運行的主要關鍵點之一。其依賴于底下的電機進行旋轉，目前大多數進口電機可以保證24小時安全運行。而運行時仰角提升和轉速的平穩性直接影響雷達數據的采集。為此，我們通過在徑向數據上采用方位角及仰角進行掃描實現曲線圖監控。通過選擇基數據再進行預處理后繪制相關曲線實現對天線運行狀態的評估。其中，曲線圖的繪制需要的參數為：縱坐標為氣象雷達實際運行的每層仰角均值；橫坐標為范圍角：0-360°。

1.4雷達組網分析模塊

按照民航局的總體規劃，未來空管將實現多氣象雷達覆蓋，在這過程，多個氣象雷達的組網將成為氣象雷達數據的主要來源。這種模式將使得數據覆蓋面更大、數據安全性更高、數據準確性更強。而與此同時帶來了雷達數據融合組網的技術難點。例如在交疊處，雷達在同一個物理點測試的高度應當一致以實現雷達數據的平穩漸變，交疊區域數據的對比是雷達組網的關鍵之一，軟件實現界面如圖1。

圖1 軟件實現界面

設計上，首先模塊將定義雷達站點配置信息，并與此同時提供組網雷達可選數據；其次對選擇雷達數據進行數據預處理；再之則對雷達數據進行統計平均并做坐標轉換；最后進行拼圖處理。在這過程中，需要對雷達數據的強度進行自適應調整、顯示范圍自適應調整。與上述同理，系統核心在于預處理。在C#中定義List數據列表，并在定義其結構為[站點標示][距離][方位角]，對于數據讀取時，需要進行插值算法處理，此時的單時數據拼接分析可以實現不同仰角和方位角的篩選。為了控制系統數據的準確性可以在前端定義雷達數據方位角表，根據表進行映射處理。通常如若出現非連續數據可以在預處理上對其進行差值補償。在C#上可以采用反差圓補償方法。

2.結束語

本文從實際出發，提出一種包括多普勒雷達反射率數據分析、速度分析、天線穩定性分析和雷達組網分析為一體的集成化空管氣象雷達數據分析系統，該系統通過C#設計實現，能夠應用于空管一線技術保障，并為相關多普勒雷達系統數據分析提供一種參考。

【參考文獻】

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[2]俞小鼎等編著.多普勒天氣雷達原理與業務應用[M].氣象出版社，2006.