一种相控阵天气雷达扫描波束的偏差监测方法和装置与流程

1.本公开涉及气象探测技术领域，具体涉及一种相控阵天气雷达扫描波束的偏差监测方法和装置。


背景技术：

2.天气雷达在灾害天气监测、定量降水估计、数值模式同化等领域有着广泛应用。目前，天气雷达主要采用机械扫描体制，尽管该体制雷达能够满足常规业务应用，但是在时间分辨率以及自适应扫描方面仍有待提高。相控阵天气雷达是一种新颖的气象观测设备，可以通过控制相位来实现电子扫描的功能，其在扫描速度以及灵活性方面较机械扫描雷达具有显著提升。
3.尽管相控阵天气雷达具有上述优势，但是当雷达波束偏离法向后(即采用扫描波束进行观测)，受天线方向图变化、水平和垂直偏振通道失配等因素影响，相控阵天气雷达探测得到的雷达参量相对于法向将存在偏差。因此，相控阵天气雷达在出厂前会通过微波暗室或其他手段对相控阵天线的性能进行测量，从而对扫描波束的偏差进行校正。
4.在相控阵天气雷达长期运行过程中，受器件老化等因素影响，原始校正参数不再适用，这时便需要对相控阵天气雷达扫描波束偏差进行重新标定。然而，对相控阵天气雷达的标定过程需要花费较长时间，由于现有技术中并无有效的方法能确定何时对相控阵天气雷达进行标定，造成了对相控阵天气雷达标定频率过高则不利于雷达观测业务运行，或者标定频率过低则无法保证雷达观测数据质量的问题。


技术实现要素：

5.为了解决相关技术中的问题，本公开实施例提供一种相控阵天气雷达扫描波束的偏差监测方法和装置。
6.第一方面，本公开实施例中提供了一种相控阵天气雷达扫描波束的偏差监测方法。
7.具体的，所述相控阵天气雷达扫描波束的偏差监测方法，包括：
8.接收雷达扫描数据并识别是否为有效降水回波；
9.若是，则根据所述雷达扫描数据将雷达的方位角调整至第一位置；
10.在所述第一位置下，调整天线的仰角为至少两个预设角度，并在每个预设角度下调整天线的偏转角，使得一个预设角度下天线的偏转角调整至某一位置扫描的区域，与另一个预设角度下天线的法线方向扫描的区域重叠；
11.接收调整所述天线的仰角以及天线的偏转角后的观测数据；
12.根据所述观测数据以及预设阈值确定是否对雷达进行标定。
13.可选的，所述接收雷达扫描数据并识别是否为有效降水回波，包括：
14.接收雷达扫描数据并在剔除非气象回波后进行回波类型识别；
15.若无回波，则识别为非有效降水回波；
16.若回波类型为对流降水回波或者为层状降水回波，则识别为有效降水回波。
17.可选的，所述回波类型识别的步骤包括：
18.设定垂直累积液态水含量阈值范围以及距离库数阈值范围；
19.统计所述垂直累积液态水含量低于所述垂直累积液态水含量阈值范围下限的第一距离库数，若所述第一距离库数低于所述距离库数阈值范围的下限，则识别为非有效降水回波；
20.统计所述垂直累积液态水含量高于所述垂直累积液态水含量阈值范围上限的第二距离库数，若所述第二距离库数高于所述距离库数阈值范围的上限，则识别为对流降水回波；
21.若所述第一距离库数不低于所述距离库数阈值范围的下限且所述第二距离库数不高于所述距离库数阈值范围的上限，则识别为层状降水回波。
22.可选的，所述雷达扫描数据是遍历所有的方位角后得到的；
23.所述根据所述雷达扫描数据将雷达的方位角调整至第一位置，包括：
24.统计所述雷达扫描数据中存在所述有效降水回波的第三距离库数；
25.选取所述第三距离库数数值最大的方位角作为第一位置；
26.将所述雷达的方位角调整至所述第一位置。
27.可选的，所述天线的偏转角设置有多个，多个所述天线的偏转角以天线的法线方向为中心，按照预设步进调整。
28.可选的，所述根据所述观测数据以及预设阈值确定是否对雷达进行标定，包括：
29.将天线的法线方向扫描的区域的观测数据作为真值；
30.调整所述天线的仰角以及天线的偏转角后，计算与所述天线的法线方向扫描的区域重叠的至少两个观测数据与所述真值的差值；
31.判断所述差值的平均值是否大于所述预设阈值，若是，则对所述雷达进行标定。
32.可选的，所述对所述雷达进行标定包括：
33.利用金属球法对所述雷达进行标定。
34.第二方面，本公开实施例中提供了一种相控阵天气雷达扫描波束的偏差监测装置。
35.具体的，所述相控阵天气雷达扫描波束的偏差监测装置，包括：
36.识别模块，被配置为接收雷达扫描数据并识别是否为有效降水回波；
37.判断模块，被配置为若是，则根据所述雷达扫描数据将雷达的方位角调整至第一位置；
38.调整模块，被配置为在所述第一位置下，调整天线的仰角为至少两个预设角度，并在每个预设角度下调整天线的偏转角，使得一个预设角度下天线的偏转角调整至某一位置扫描的区域，与另一个预设角度下天线的法线方向扫描的区域重叠；
39.接收模块，被配置为接收调整所述天线的仰角以及天线的偏转角后的观测数据；
40.确定模块，被配置为根据所述观测数据以及预设阈值确定是否对雷达进行标定。
41.可选的，所述识别模块，包括：
42.接收雷达扫描数据并在剔除非气象回波后进行回波类型识别；
43.若无回波，则识别为非有效降水回波；
44.若回波类型为对流降水回波或者为层状降水回波，则识别为有效降水回波。
45.可选的，所述回波类型识别的步骤包括：
46.设定垂直累积液态水含量阈值范围以及距离库数阈值范围；
47.统计所述垂直累积液态水含量低于所述垂直累积液态水含量阈值范围下限的第一距离库数，若所述第一距离库数低于所述距离库数阈值范围的下限，则识别为非有效降水回波；
48.统计所述垂直累积液态水含量高于所述垂直累积液态水含量阈值范围上限的第二距离库数，若所述第二距离库数高于所述距离库数阈值范围的上限，则识别为对流降水回波；
49.若所述第一距离库数不低于所述距离库数阈值范围的下限且所述第二距离库数不高于所述距离库数阈值范围的上限，则识别为层状降水回波。
50.可选的，所述雷达扫描数据是遍历所有的方位角后得到的；
51.所述判断模块，包括：
52.统计所述雷达扫描数据中存在所述有效降水回波的第三距离库数；
53.选取所述第三距离库数数值最大的方位角作为第一位置；
54.将所述雷达的方位角调整至所述第一位置。
55.可选的，所述天线的偏转角设置有多个，多个所述天线的偏转角以天线的法线方向为中心，按照预设步进调整。
56.可选的，所述确定模块，包括：
57.将天线的法线方向扫描的区域的观测数据作为真值；
58.调整所述天线的仰角以及天线的偏转角后，计算与所述天线的法线方向扫描的区域重叠的至少两个观测数据与所述真值的差值；
59.判断所述差值的平均值是否大于所述预设阈值，若是，则对所述雷达进行标定。
60.可选的，所述对所述雷达进行标定包括：
61.利用金属球法对所述雷达进行标定。
62.第三方面，本公开实施例提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，其中，所述存储器用于存储一条或多条计算机指令，其中，所述一条或多条计算机指令被所述处理器执行以实现如第一方面任一项所述的方法。
63.第四方面，本公开实施例中提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该计算机指令被处理器执行时实现如第一方面任一项所述的方法。
64.根据本公开实施例提供的相控阵天气雷达扫描波束的偏差监测方法和装置，所述方法包括：接收雷达扫描数据并识别是否为有效降水回波；若是，则根据所述雷达扫描数据将雷达的方位角调整至第一位置；在所述第一位置下，调整天线的仰角为至少两个预设角度，并在每个预设角度下调整天线的偏转角，使得一个预设角度下天线的偏转角调整至某一位置扫描的区域，与另一个预设角度下天线的法线方向扫描的区域重叠；接收调整所述天线的仰角以及天线的偏转角后的观测数据；根据所述观测数据以及预设阈值确定是否对雷达进行标定。上述技术方案通过雷达接收扫描数据并对其进行分析，以识别是否存在有效降水回波，如果存在有效降水回波，则根据扫描数据调整雷达的方位角，将其调整至第一位置，所述第一位置是根据所述雷达扫描数据计算得到的最佳方位角，如此以确保扫描波
束能够覆盖更多降水回波，在第一位置调整天线的仰角为至少两个预设角度，并在每个预设角度下进一步调整天线的偏转角，使一个预设角度下天线的偏转角对应于某一位置的扫描区域，同时与另一个预设角度下天线的法线方向扫描的区域重叠，雷达接收调整后的天线仰角和偏转角所探测的观测数据，通过分析观测数据以及将其与预设阈值进行比较，确定是否需要对雷达进行标定。如果观测数据符合预期并且偏差在预设阈值范围内，则无需对雷达进行标定；反之，如果偏差超出预设阈值，则需要对雷达进行标定，以确保扫描波束的精确性和稳定性，进而保障观测数据的质量准确可靠。解决了现有技术中因不能确定何时对相控阵天气雷达进行标定，造成的对相控阵天气雷达标定频率过高则不利于雷达观测业务运行，或者标定频率过低则无法保证雷达观测数据质量的问题。
65.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
66.结合附图，通过以下非限制性实施方式的详细描述，本公开的其它特征、目的和优点将变得更加明显。在附图中：
67.图1示出根据本公开的实施例的相控阵天气雷达扫描波束的偏差监测方法的流程图。
68.图2示出根据本公开的实施例的相控阵天气雷达扫描波束的偏差监测方法的步骤图。
69.图3示出根据本公开的实施例的相控阵天气雷达的机械仰角和偏转角的位置示意图。
70.图4a-图4f示出根据本公开的实施例的相控阵天气雷达扫描波束的偏差监测方法的仿真结果图。
71.图5示出根据本公开的实施例的相控阵天气雷达扫描波束的偏差监测装置的结构框图。
72.图6示出根据本公开的实施例的电子设备的结构框图。
73.图7示出适于用来实现根据本公开实施例的方法的计算机系统的结构示意图。
具体实施方式
74.下文中，将参考附图详细描述本公开的示例性实施例，以使本领域技术人员可容易地实现它们。此外，为了清楚起见，在附图中省略了与描述示例性实施例无关的部分。
75.在本公开中，应理解，诸如“包括”或“具有”等的术语旨在指示本说明书中所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不欲排除一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在或被添加的可能性。
76.另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
77.在本公开中，如涉及对用户信息或用户数据的获取操作或向他人展示用户信息或用户数据的操作，则所述操作均为经用户授权、确认，或由用户主动选择的操作。
78.天气雷达在灾害天气监测、定量降水估计、数值模式同化等领域有着广泛应用。目
前，天气雷达主要采用机械扫描体制，尽管该体制雷达能够满足常规业务应用，但是在时间分辨率以及自适应扫描方面仍有待提高。相控阵天气雷达是一种新颖的气象观测设备，可以通过控制相位来实现电子扫描的功能，其在扫描速度以及灵活性方面较机械扫描雷达具有显著提升。
79.尽管相控阵天气雷达具有上述优势，但是当雷达波束偏离法向后(即采用扫描波束进行观测)，受天线方向图变化、水平和垂直偏振通道失配等因素影响，相控阵天气雷达探测得到的雷达参量相对于法向将存在偏差。因此，相控阵天气雷达在出厂前会通过微波暗室或其他手段对相控阵天线的性能进行测量，从而对扫描波束的偏差进行校正。
80.在相控阵天气雷达长期运行过程中，受器件老化等因素影响，原始校正参数不再适用，这时便需要对相控阵天气雷达扫描波束偏差进行重新标定。然而，对相控阵天气雷达的标定过程需要花费较长时间，由于现有技术中并无有效的方法能确定何时对相控阵天气雷达进行标定，造成了对相控阵天气雷达标定频率过高则不利于雷达观测业务运行，或者标定频率过低则无法保证雷达观测数据质量的问题。
81.图1示出根据本公开的实施例的相控阵天气雷达扫描波束的偏差监测方法的流程图。
82.如图1所示，所述相控阵天气雷达扫描波束的偏差监测方法包括以下步骤s101-s105：
83.步骤s101：接收雷达扫描数据并识别是否为有效降水回波；
84.步骤s102：若是，则根据所述雷达扫描数据将雷达的方位角调整至第一位置；
85.步骤s103：在所述第一位置下，调整天线的仰角为至少两个预设角度，并在每个预设角度下调整天线的偏转角，使得一个预设角度下天线的偏转角调整至某一位置扫描的区域，与另一个预设角度下天线的法线方向扫描的区域重叠；
86.步骤s104：接收调整所述天线的仰角以及天线的偏转角后的观测数据；
87.步骤s105：根据所述观测数据以及预设阈值确定是否对雷达进行标定。
88.本公开实施例提供的相控阵天气雷达扫描波束的偏差监测方法，通过雷达接收扫描数据并对其进行分析，以识别是否存在有效降水回波，如果存在有效降水回波，则根据扫描数据调整雷达的方位角，将其调整至第一位置，所述第一位置是根据所述雷达扫描数据计算得到的最佳方位角，如此以确保扫描波束能够覆盖更多降水回波，在第一位置调整天线的仰角为至少两个预设角度，并在每个预设角度下进一步调整天线的偏转角，使一个预设角度下天线的偏转角对应于某一位置的扫描区域，同时与另一个预设角度下天线的法线方向扫描的区域重叠，雷达接收调整后的天线仰角和偏转角所探测的观测数据，通过分析观测数据以及将其与预设阈值进行比较，确定是否需要对雷达进行标定。如果观测数据符合预期并且偏差在预设阈值范围内，则无需对雷达进行标定；反之，如果偏差超出预设阈值，则需要对雷达进行标定，以确保扫描波束的精确性和稳定性，进而保障观测数据的质量准确可靠。解决了现有技术中因不能确定何时对相控阵天气雷达进行标定，造成的对相控阵天气雷达标定频率过高则不利于雷达观测业务运行，或者标定频率过低则无法保证雷达观测数据质量的问题。
89.根据本公开的实施例，本公开的步骤s101即接收雷达扫描数据并识别是否为有效降水回波的步骤中，所述接收雷达扫描数据并识别是否为有效降水回波，包括：
90.接收雷达扫描数据并在剔除非气象回波后进行回波类型识别；
91.若无回波，则识别为非有效降水回波；
92.若回波类型为对流降水回波或者为层状降水回波，则识别为有效降水回波。
93.根据本公开的实施例，相控阵天气雷达接收到的扫描数据可能包含多种类型的回波信号，其中包括气象回波和非气象回波(如地物回波、电磁干扰回波等)。首先，对接收到的扫描数据进行处理，去除非气象回波的影响，例如通过地物回波滤除算法、电磁干扰回波滤除算法等剔除非气象回波信号。
94.剔除非气象回波的影响后，会产生两种情况，一种是无气象回波即无回波，另一种是有气象回波即可具体分析回波类型。
95.其中，若无回波，则识别为非有效降水回波。即经过剔除非气象回波后，如果在所扫描的目标区域内没有检测到回波信号，可以判定为非有效降水回波。这种情况可能出现在无降水或弱降水的天气条件下，或者由于雷达故障等原因导致无法接收到有效的回波信号。若是天气原因，则可停止本次监测；若是雷达故障原因，则需工作人员及时维修排除故障，重新启动监测。
96.其中，若回波类型为对流降水回波或者为层状降水回波，则识别为有效降水回波。根据回波的特征和形态，对去除非气象回波后所剩余的回波信号进行类型识别。对流降水回波具有强度较强、形状不规则、空间变化较快等特点；而层状降水回波具有均匀且持续的回波分布。如果回波类型被识别为对流降水回波或层状降水回波，则可判定为有效降水回波。
97.通过对接收到的雷达扫描数据进行回波类型识别，将有效降水回波与非有效降水回波进行区分，有助于在进行后续的雷达扫描波束的调整和监测过程中，仅针对有效降水回波信号进行相应的处理和分析，提高监测的工作效率。
98.具体的，所述回波类型识别的步骤包括：
99.设定垂直累积液态水含量阈值范围以及距离库数阈值范围；
100.统计所述垂直累积液态水含量低于所述垂直累积液态水含量阈值范围下限的第一距离库数，若所述第一距离库数低于所述距离库数阈值范围的下限，则识别为非有效降水回波；
101.统计所述垂直累积液态水含量高于所述垂直累积液态水含量阈值范围上限的第二距离库数，若所述第二距离库数高于所述距离库数阈值范围的上限，则识别为对流降水回波；
102.若所述第一距离库数不低于所述距离库数阈值范围的下限且所述第二距离库数不高于所述距离库数阈值范围的上限，则识别为层状降水回波。
103.其中，垂直累积液态水含量(vil)阈值范围以及距离库数阈值范围可根据历史数据、气象统计和工作人员的经验进行确定。回波类型识别的步骤包括：首先，统计低于设定的垂直累积液态水含量阈值下限的第一距离库数，若第一距离库数低于距离库数阈值范围的下限，则识别为非有效降水回波，然后使用有效降水回波的雷达扫描数据进行偏差监测。在本公开的实施例中有效降水回波可以是对流降水回波或者层状降水回波，优选的，本公开的偏差监测方法应用于层状降水回波的观测数据时更精准可靠。
104.根据本公开的实施例，本公开的步骤s102即若是，则根据所述雷达扫描数据将雷
达的方位角调整至第一位置的步骤中，所述雷达扫描数据是遍历所有的方位角后得到的；
105.所述根据所述雷达扫描数据将雷达的方位角调整至第一位置，包括：
106.统计所述雷达扫描数据中存在所述有效降水回波的第三距离库数；
107.选取所述第三距离库数数值最大的方位角作为第一位置；
108.将所述雷达的方位角调整至所述第一位置。
109.具体的，首先对遍历所有方位角后得到的雷达扫描数据进行分析，统计在不同方位角下存在有效降水回波的第三距离库数，然后根据统计结果，选取具有最大第三距离库数数值的方位角作为第一位置即最佳方位角。最大第三距离库数对应着降水最强或分布范围最广的区域，因此将雷达的方位角调整至该位置可以最大程度地覆盖有效降水区域。最后通过调整相控阵天气雷达的方位角，将雷达的方位角调整至该第一位置。如此，使得雷达扫描波束的扫描范围聚焦于该第一位置，提高了雷达对降水区域的全面观测和监测能力。
110.根据本公开的实施例，本公开的步骤s103即在所述第一位置下，调整天线的仰角为至少两个预设角度，并在每个预设角度下调整天线的偏转角，使得一个预设角度下天线的偏转角调整至某一位置扫描的区域，与另一个预设角度下天线的法线方向扫描的区域重叠的步骤中，通过不断调整雷达的天线的仰角和偏转角，以覆盖更广泛的扫描区域，并确保不同仰角和偏转角的扫描区域之间存在重叠扫描，通过监测重叠扫描区域的观测数据的偏差，确定是否对雷达进行标定。进一步的，通过实时或定期接收和处理雷达扫描数据，可使得监测过程高效，方便工作人员及时确定是否需要对雷达进行标定，从而保障雷达探测数据的连续性和稳定性。
111.进一步的，在本公开的实施例中天线的偏转角设置有多个，多个所述天线的偏转角以天线的法线方向为中心，按照预设步进调整。其中，多个偏转角可根据天气条件、观测要求或实验设计预先设置。例如，设定偏转角度阈值范围，以确保覆盖目标区域并获得所需的观测数据。在设置偏转角时，可以天线的法线方向作为中心，天线的法线方向是指垂直于天线主轴的方向，在天线法线方向的两侧按照预设步进依次设置多个偏转角，可使得天线在不同方向上能够进行扫描和观测。在设置多个偏转角时，可以按照预设的步进进行调整，步进是指偏转角度之间的间隔，可以是固定的角度值或根据实际需求进行设定，通过按照预设步进调整偏转角，可以确保雷达扫描波束在整个扫描范围内进行充分的覆盖和观测，实现在不同方向上的扫描和观测，获得多个角度下的观测数据，进一步提高天气雷达的监测精度和可靠性。
112.根据本公开的实施例，本公开的步骤s104即接收调整所述天线的仰角以及天线的偏转角后的观测数据的步骤中，所述观测数据例如可以是反射率因子zh、差分反射率z
dr
、差分传播相移φ
dp
、相关系数ρ
hv
等。可以理解的是，本公开的雷达观测数据并不局限于此，本领域技术人员可根据实际需要自行增加或减少。
113.根据本公开的实施例，本公开的步骤s105即根据所述观测数据以及预设阈值确定是否对雷达进行标定的步骤，包括：
114.将天线的法线方向扫描的区域的观测数据作为真值；
115.调整所述天线的仰角以及天线的偏转角后，计算与所述天线的法线方向扫描的区域重叠的至少两个观测数据与所述真值的差值；
116.判断所述差值的平均值是否大于所述预设阈值，若是，则对所述雷达进行标定。
117.在本实施例的技术方案中，首先，将天线的法线方向扫描区域内获得的观测数据作为真值参考。然后通过调整天线的仰角和偏转角，将天线的观测范围调整至目标区域，以获得与法线方向扫描的区域重叠的至少两个观测数据集；之后，对于与法线方向扫描的区域重叠的观测数据集，计算它们与真值之间的差值，例如比较反射率因子zh、差分反射率z
dr
、差分传播相移φ
dp
、相关系数ρ
hv
等物理量；最后，将差值求平均值，并与预设阈值进行比较，如果差值的平均值大于预设阈值，表示观测数据与真值存在显著偏差，则需要对雷达进行标定。如此可达到及时发现和修正雷达的偏差，保证雷达观测数据的可靠性和精确性的效果。如果差值的平均值小于预设阈值，则无需对雷达进行标定。
118.在本公开的实施例中，可以采用金属球法对雷达标定。金属球法是通过在雷达观测范围内放置一个具有已知雷达散射特性的金属球来对雷达进行标定，金属球的反射特性可以提前进行测量和标定，并具有良好的回波特性，通过将金属球置于雷达的观测范围内，可以比较观测到的球面反射信号与已知的金属球特性之间的差异，从而评估雷达系统的校准情况，这种标定方法可靠性高、操作简单和可重复性好。可以理解的是，也可采用其他标定方法对相控阵天气雷达进行标定，本公开对此不做限定。
119.图2示出根据本公开的实施例的相控阵天气雷达扫描波束的偏差监测方法的步骤图。图3示出根据本公开的实施例的相控阵天气雷达的机械仰角和偏转角的位置示意图。
120.如图2所示，本公开的相控阵天气雷达扫描波束的偏差监测方法的具体步骤包括：
121.(1)数据输入及参数配置：本公开的监测方法定期执行，判断是否满足偏差监测周期，若满足，则在执行时输入雷达最新体扫观测数据(即zh、z
dr
、φ
dp
、ρ
hv
)；用于质量控制的ρ
hv
阈值；用于回波类型识别的vil(垂直累积液态水含量)下限阈值、vil上限阈值、距离库数阈值1、距离库数阈值2；设定雷达机械仰角旋转范围、机械仰角旋转步进、雷达扫描波束偏转角范围(相对于法向)、扫描波束步进(与机械仰角旋转步进相同)；各雷达参量偏差阈值。
122.(2)雷达数据质量控制：本公开的监测方法以基于层状降水回波进行偏差监测为例进行说明，在对层状降水回波进行偏差监测时，需要对雷达数据进行质量控制，剔除非气象回波(例如地杂波、海杂波、生物回波、电磁干扰回波等)造成的影响。本公开的监测方法通过设置ρ
hv
阈值，将低于ρ
hv
阈值的距离库识别为受非气象回波干扰并进行剔除。
123.(3)回波类型识别：本公开的监测方法以基于层状降水回波进行偏差监测为例进行说明，在对层状降水回波进行偏差监测时，需要对回波类型进行识别，在识别结果为无有效降水回波以及对流降水回波时不再进行后续流程，一方面避免在晴空条件下无有效降水回波的情况，另一方面避免对流降水回波的快速演变导致监测结果失真。本公开的监测方法计算体扫观测数据的vil，并对其进行二维中值滤波，从而抑制残留非气象回波影响；统计vil超过下限阈值的距离库数，如果数量低于距离库数阈值1则识别为无有效降水回波；统计vil超过上限阈值的距离库数，如果数量高于距离库数阈值2则识别为对流降水回波；其他情况则认为是层状降水。
124.(4)调整雷达方位角：由于本公开的监测方法的准确性和稳定性随数据量的增加会有所提升，因此需要在有效降水回波距离库最多的方位角执行偏差监测。本公开的监测方法遍历所有方位角，并统计存在降水回波的距离库数，将雷达调整至距离库数最多的方位角位置。
125.(5)调整雷达机械仰角并进行电子扫描：如图3所示，以图3中对应的参数为例对该
步骤进行说明。在θ1～θ3范围内以δθ为步进逐步调整雷达机械仰角(其中δθ＝θ3–
θ2＝θ2–
θ1)，使天线法向随仰角变化覆盖不同区域；在每次调整雷达机械仰角后，按照预定偏转角配置在-2δθ～2δθ范围内以δθ为步进进行电子扫描。
126.(6)偏差估算:请继续参照图3，在完成所有预设机械仰角调整及电子扫描后，将所有观测数据进行统计分析。
127.在以θ1为例的仰角处，雷达进行3次观测，即雷达机械仰角为θ1扫描波束偏转角为0(简称“观测1”)、雷达机械仰角为θ2扫描波束偏转角为-δθ(简称“观测2”)、雷达机械仰角为θ3扫描波束偏转角为-2δθ(简称“观测3“)。由于“观测1”是雷达在法向进行观测，不存在扫描波束偏差。因此将“观测1”得到的雷达参量作为真值，计算“观测2”和“观测3”得到的雷达参量与其之间的差值，并将结果作为对应偏转角(“观测2”对应-δθ，“观测3”对应-2δθ)的偏差。
128.在以-δθ为例的偏转角处，雷达可以进行多次偏差估算，例如雷达机械仰角为θ1扫描波束偏转角为0与雷达机械仰角为θ2扫描波束偏转角为-δθ可以估算一次，雷达机械仰角为θ2扫描波束偏转角为0与雷达机械仰角为θ3扫描波束偏转角为-δθ也可以估算一次。通过对多次估算的偏差进行平均可以得到更加准确的结果。
129.在估算得到各扫描波束的各雷达参量对应偏差后，将其于预设阈值进行比较，如果所得偏差大于预设阈值，则表明雷达标定偏差发生显著变化，需要进行高精度标定(例如金属球法)以确保雷达探测数据准确性，此时，向当值工作人员发出雷达需进行标定的提示。
130.图4a-图4f示出根据本公开的实施例的相控阵天气雷达扫描波束的偏差监测方法的仿真结果图。
131.如图4a-图4f所示，采用仿真数据对本公开的监测方法的效果进行验证，具体如下：
132.(1)提取一次典型层状降水过程的rhi数据(包括zh、z
dr
、φ
dp
；简称“原始数据”)。
133.(2)为仿真层状降水过程随时间的变化，对原始数据叠加标准差为δ的高斯随机噪声(δ对于不同雷达参量具有不同取值)，并形成一组新的rhi数据(简称“仿真数据1”)。对仿真数据1重复上述对原始数据进行的操作，生成仿真数据2，并以此类推生成一系列仿真数据，即仿真数据1、仿真数据2
…
仿真数据n。
134.(3)现有研究结果表明，相控阵天气雷达扫描波束观测得到的zh、z
dr
、φ
dp
的偏差与偏转角之间的关系近似正弦函数。因此，基于该特性生成zh、z
dr
、φ
dp
的理论偏差。
135.(4)假设仿真数据1～n为相控阵天气雷达在不同机械仰角观测所得结果(由此可以确定相控阵天气雷达法向)，将生成的zh、z
dr
、φ
dp
的理论偏差叠加到仿真数据1～n上(确保法向处偏差为0)，由此仿真出相控阵天气雷达在不同机械仰角的观测结果。
136.(5)采用本公开的监测方法对仿真数据对应的偏差进行估计，所得结果如图所示。其中，图4a是δ(zh)＝1db的仿真结果图，图4b是δ(z
dr
)＝0.3db的仿真结果图，图4c是δ(φ
dp
)＝10
°
的仿真结果图，图4d是δ(zh)＝3db的仿真结果图，图4e是δ(z
dr
)＝1db的仿真结果图，图4f是δ(φ
dp
)＝30
°
的仿真结果图。从仿真结果中可以看出，在δ较小时(对应变化速度缓慢的层状降水)，本公开的监测方法具有较高地监测精度；随着δ增大(对应变化速度较快的对流降水)，本公开的监测方法的监测精度有所降低。
137.图5示出根据本公开的实施例的相控阵天气雷达扫描波束的偏差监测装置的结构框图。其中，该装置可以通过软件、硬件或者两者的结合实现成为电子设备的部分或者全部。
138.如图5所示，所述相控阵天气雷达扫描波束的偏差监测装置500包括：
139.识别模块510，被配置为接收雷达扫描数据并识别是否为有效降水回波；
140.判断模块520，被配置为若是，则根据所述雷达扫描数据将雷达的方位角调整至第一位置；
141.调整模块530，被配置为在所述第一位置下，调整天线的仰角为至少两个预设角度，并在每个预设角度下调整天线的偏转角，使得一个预设角度下天线的偏转角调整至某一位置扫描的区域，与另一个预设角度下天线的法线方向扫描的区域重叠；
142.接收模块540，被配置为接收调整所述天线的仰角以及天线的偏转角后的观测数据；
143.确定模块550，被配置为根据所述观测数据以及预设阈值确定是否对雷达进行标定。
144.本公开实施例提供的相控阵天气雷达扫描波束的偏差监测装置，通过雷达接收扫描数据并对其进行分析，以识别是否存在有效降水回波，如果存在有效降水回波，则根据扫描数据调整雷达的方位角，将其调整至第一位置，所述第一位置是根据所述雷达扫描数据计算得到的最佳方位角，如此以确保扫描波束能够覆盖更多降水回波，在第一位置调整天线的仰角为至少两个预设角度，并在每个预设角度下进一步调整天线的偏转角，使一个预设角度下天线的偏转角对应于某一位置的扫描区域，同时与另一个预设角度下天线的法线方向扫描的区域重叠，雷达接收调整后的天线仰角和偏转角所探测的观测数据，通过分析观测数据以及将其与预设阈值进行比较，确定是否需要对雷达进行标定。如果观测数据符合预期并且偏差在预设阈值范围内，则无需对雷达进行标定；反之，如果偏差超出预设阈值，则需要对雷达进行标定，以确保扫描波束的精确性和稳定性，进而保障观测数据的质量准确可靠。解决了现有技术中因不能确定何时对相控阵天气雷达进行标定，造成的对相控阵天气雷达标定频率过高则不利于雷达观测业务运行，或者标定频率过低则无法保证雷达观测数据质量的问题。
145.根据本公开的实施例，所述识别模块510，包括：
146.接收雷达扫描数据并在剔除非气象回波后进行回波类型识别；
147.若无回波，则识别为非有效降水回波；
148.若回波类型为对流降水回波或者为层状降水回波，则识别为有效降水回波。
149.根据本公开的实施例，所述回波类型识别的步骤包括：
150.设定垂直累积液态水含量阈值范围以及距离库数阈值范围；
151.统计所述垂直累积液态水含量低于所述垂直累积液态水含量阈值范围下限的第一距离库数，若所述第一距离库数低于所述距离库数阈值范围的下限，则识别为非有效降水回波；
152.统计所述垂直累积液态水含量高于所述垂直累积液态水含量阈值范围上限的第二距离库数，若所述第二距离库数高于所述距离库数阈值范围的上限，则识别为对流降水回波；
153.若所述第一距离库数不低于所述距离库数阈值范围的下限且所述第二距离库数不高于所述距离库数阈值范围的上限，则识别为层状降水回波。
154.根据本公开的实施例，所述雷达扫描数据是遍历所有的方位角后得到的；
155.所述判断模块520，包括：
156.统计所述雷达扫描数据中存在所述有效降水回波的第三距离库数；
157.选取所述第三距离库数数值最大的方位角作为第一位置；
158.将所述雷达的方位角调整至所述第一位置。
159.根据本公开的实施例，所述天线的偏转角设置有多个，多个所述天线的偏转角以天线的法线方向为中心，按照预设步进调整。
160.根据本公开的实施例，所述确定模块550，包括：
161.将天线的法线方向扫描的区域的观测数据作为真值；
162.调整所述天线的仰角以及天线的偏转角后，计算与所述天线的法线方向扫描的区域重叠的至少两个观测数据与所述真值的差值；
163.判断所述差值的平均值是否大于所述预设阈值，若是，则对所述雷达进行标定。
164.根据本公开的实施例，所述对所述雷达进行标定包括：
165.利用金属球法对所述雷达进行标定。
166.本公开还公开了一种电子设备，图6示出根据本公开的实施例的电子设备的结构框图。
167.如图6所示，所述电子设备包括存储器和处理器，其中，存储器用于存储一条或多条计算机指令，其中，所述一条或多条计算机指令被所述处理器执行以实现如下方法步骤：
168.接收雷达扫描数据并识别是否为有效降水回波；
169.若是，则根据所述雷达扫描数据将雷达的方位角调整至第一位置；
170.在所述第一位置下，调整天线的仰角为至少两个预设角度，并在每个预设角度下调整天线的偏转角，使得一个预设角度下天线的偏转角调整至某一位置扫描的区域，与另一个预设角度下天线的法线方向扫描的区域重叠；
171.接收调整所述天线的仰角以及天线的偏转角后的观测数据；
172.根据所述观测数据以及预设阈值确定是否对雷达进行标定。
173.本公开实施例提供的技术方案，通过雷达接收扫描数据并对其进行分析，以识别是否存在有效降水回波，如果存在有效降水回波，则根据扫描数据调整雷达的方位角，将其调整至第一位置，所述第一位置是根据所述雷达扫描数据计算得到的最佳方位角，如此以确保扫描波束能够覆盖更多降水回波，在第一位置调整天线的仰角为至少两个预设角度，并在每个预设角度下进一步调整天线的偏转角，使一个预设角度下天线的偏转角对应于某一位置的扫描区域，同时与另一个预设角度下天线的法线方向扫描的区域重叠，雷达接收调整后的天线仰角和偏转角所探测的观测数据，通过分析观测数据以及将其与预设阈值进行比较，确定是否需要对雷达进行标定。如果观测数据符合预期并且偏差在预设阈值范围内，则无需对雷达进行标定；反之，如果偏差超出预设阈值，则需要对雷达进行标定，以确保扫描波束的精确性和稳定性，进而保障观测数据的质量准确可靠。解决了现有技术中因不能确定何时对相控阵天气雷达进行标定，造成的对相控阵天气雷达标定频率过高则不利于雷达观测业务运行，或者标定频率过低则无法保证雷达观测数据质量的问题。
174.根据本公开的实施例，所述接收雷达扫描数据并识别是否为有效降水回波，包括：
175.接收雷达扫描数据并在剔除非气象回波后进行回波类型识别；
176.若无回波，则识别为非有效降水回波；
177.若回波类型为对流降水回波或者为层状降水回波，则识别为有效降水回波。
178.根据本公开的实施例，所述回波类型识别的步骤包括：
179.设定垂直累积液态水含量阈值范围以及距离库数阈值范围；
180.统计所述垂直累积液态水含量低于所述垂直累积液态水含量阈值范围下限的第一距离库数，若所述第一距离库数低于所述距离库数阈值范围的下限，则识别为非有效降水回波；
181.统计所述垂直累积液态水含量高于所述垂直累积液态水含量阈值范围上限的第二距离库数，若所述第二距离库数高于所述距离库数阈值范围的上限，则识别为对流降水回波；
182.若所述第一距离库数不低于所述距离库数阈值范围的下限且所述第二距离库数不高于所述距离库数阈值范围的上限，则识别为层状降水回波。
183.根据本公开的实施例，所述雷达扫描数据是遍历所有的方位角后得到的；
184.所述根据所述雷达扫描数据将雷达的方位角调整至第一位置，包括：
185.统计所述雷达扫描数据中存在所述有效降水回波的第三距离库数；
186.选取所述第三距离库数数值最大的方位角作为第一位置；
187.将所述雷达的方位角调整至所述第一位置。
188.根据本公开的实施例，所述天线的偏转角设置有多个，多个所述天线的偏转角以天线的法线方向为中心，按照预设步进调整。
189.根据本公开的实施例，所述根据所述观测数据以及预设阈值确定是否对雷达进行标定，包括：
190.将天线的法线方向扫描的区域的观测数据作为真值；
191.调整所述天线的仰角以及天线的偏转角后，计算与所述天线的法线方向扫描的区域重叠的至少两个观测数据与所述真值的差值；
192.判断所述差值的平均值是否大于所述预设阈值，若是，则对所述雷达进行标定。
193.根据本公开的实施例，所述对所述雷达进行标定包括：
194.利用金属球法对所述雷达进行标定。
195.图7示出适于用来实现根据本公开实施例的方法的计算机系统的结构示意图。
196.如图7所示，计算机系统包括处理单元，其可以根据存储在只读存储器(rom)中的程序或者从存储部分加载到随机访问存储器(ram)中的程序而执行上述实施例中的各种方法。在ram中，还存储有计算机系统操作所需的各种程序和数据。处理单元、rom以及ram通过总线彼此相连。输入/输出(i/o)接口也连接至总线。
197.以下部件连接至i/o接口：包括键盘、鼠标等的输入部分；包括诸如阴极射线管(crt)、液晶显示器(lcd)等以及扬声器等的输出部分；包括硬盘等的存储部分；以及包括诸如lan卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分。通信部分经由诸如因特网的网络执行通信过程。驱动器也根据需要连接至i/o接口。可拆卸介质，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入
存储部分。其中，所述处理单元可实现为cpu、gpu、tpu、fpga、npu等处理单元。
198.特别地，根据本公开的实施例，上文描述的方法可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括有形地包含在机器可读介质上的计算机程序，所述计算机程序包含用于执行上述方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质被安装。
199.附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
200.描述于本公开实施例中所涉及到的单元或模块可以通过软件的方式实现，也可以通过可编程硬件的方式来实现。所描述的单元或模块也可以设置在处理器中，这些单元或模块的名称在某种情况下并不构成对该单元或模块本身的限定。
201.作为另一方面，本公开还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中电子设备或计算机系统中所包含的计算机可读存储介质；也可以是单独存在，未装配入设备中的计算机可读存储介质。计算机可读存储介质存储有一个或者一个以上程序，所述程序被一个或者一个以上的处理器用来执行描述于本公开的方法。
202.以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

技术特征：
1.一种相控阵天气雷达扫描波束的偏差监测方法，其特征在于，包括：接收雷达扫描数据并识别是否为有效降水回波；若是，则根据所述雷达扫描数据将雷达的方位角调整至第一位置；在所述第一位置下，调整天线的仰角为至少两个预设角度，并在每个预设角度下调整天线的偏转角，使得一个预设角度下天线的偏转角调整至某一位置扫描的区域，与另一个预设角度下天线的法线方向扫描的区域重叠；接收调整所述天线的仰角以及天线的偏转角后的观测数据；根据所述观测数据以及预设阈值确定是否对雷达进行标定。2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述接收雷达扫描数据并识别是否为有效降水回波，包括：接收雷达扫描数据并在剔除非气象回波后进行回波类型识别；若无回波，则识别为非有效降水回波；若回波类型为对流降水回波或者为层状降水回波，则识别为有效降水回波。3.根据权利要求2所述的监测方法，其特征在于，所述回波类型识别的步骤包括：设定垂直累积液态水含量阈值范围以及距离库数阈值范围；统计所述垂直累积液态水含量低于所述垂直累积液态水含量阈值范围下限的第一距离库数，若所述第一距离库数低于所述距离库数阈值范围的下限，则识别为非有效降水回波；统计所述垂直累积液态水含量高于所述垂直累积液态水含量阈值范围上限的第二距离库数，若所述第二距离库数高于所述距离库数阈值范围的上限，则识别为对流降水回波；若所述第一距离库数不低于所述距离库数阈值范围的下限且所述第二距离库数不高于所述距离库数阈值范围的上限，则识别为层状降水回波。4.根据权利要求1-3中任一项所述的监测方法，其特征在于，所述雷达扫描数据是遍历所有的方位角后得到的；所述根据所述雷达扫描数据将雷达的方位角调整至第一位置，包括：统计所述雷达扫描数据中存在所述有效降水回波的第三距离库数；选取所述第三距离库数数值最大的方位角作为第一位置；将所述雷达的方位角调整至所述第一位置。5.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于，所述天线的偏转角设置有多个，多个所述天线的偏转角以天线的法线方向为中心，按照预设步进调整。6.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述根据所述观测数据以及预设阈值确定是否对雷达进行标定，包括：将天线的法线方向扫描的区域的观测数据作为真值；调整所述天线的仰角以及天线的偏转角后，计算与所述天线的法线方向扫描的区域重叠的至少两个观测数据与所述真值的差值；判断所述差值的平均值是否大于所述预设阈值，若是，则对所述雷达进行标定。7.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述对所述雷达进行标定包括：利用金属球法对所述雷达进行标定。
8.一种相控阵天气雷达扫描波束的偏差监测装置，其特征在于，包括：识别模块，被配置为接收雷达扫描数据并识别是否为有效降水回波；判断模块，被配置为若是，则根据所述雷达扫描数据将雷达的方位角调整至第一位置；调整模块，被配置为在所述第一位置下，调整天线的仰角为至少两个预设角度，并在每个预设角度下调整天线的偏转角，使得一个预设角度下天线的偏转角调整至某一位置扫描的区域，与另一个预设角度下天线的法线方向扫描的区域重叠；接收模块，被配置为接收调整所述天线的仰角以及天线的偏转角后的观测数据；确定模块，被配置为根据所述观测数据以及预设阈值确定是否对雷达进行标定。9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器；其中，所述存储器用于存储一条或多条计算机指令，其中，所述一条或多条计算机指令被所述处理器执行以实现权利要求1-7任一项所述的方法步骤。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，该计算机指令被处理器执行时实现权利要求1-7任一项所述的方法步骤。

技术总结
本公开涉及气象探测技术领域，具体涉及一种相控阵天气雷达扫描波束的偏差监测方法和装置。所述方法包括：接收雷达扫描数据并识别是否为有效降水回波；若是，则根据所述雷达扫描数据将雷达的方位角调整至第一位置；在所述第一位置下，调整天线的仰角为至少两个预设角度，并在每个预设角度下调整天线的偏转角，使得一个预设角度下天线的偏转角调整至某一位置扫描的区域，与另一个预设角度下天线的法线方向扫描的区域重叠；接收调整所述天线的仰角以及天线的偏转角后的观测数据；根据所述观测数据以及预设阈值确定是否对雷达进行标定。上述技术方案解决了现有技术中无有效的方法能确定何时对相控阵天气雷达进行标定的问题。确定何时对相控阵天气雷达进行标定的问题。确定何时对相控阵天气雷达进行标定的问题。


技术研发人员：张帅 陈玉宝 王箫鹏 虞海峰 陈建军 张建云
受保护的技术使用者：中国气象局气象探测中心
技术研发日：2023.07.21
技术公布日：2023/9/9