改变扫描夹角的DBS风场扫描方法与流程

本发明属于基于测风雷达的dbs风场反演技术领域，涉及一种改变扫描夹角的dbs风场扫描方法。

背景技术：

风场信息是大气探测的主要气象因子之一，其时空变化特征是气象上的重要数据，无论是常规天气预报、灾害性天气监测、污染物漂移研究还是低空风切变预警、飞机起降保障等领域，都对风场的精准探测有着严格的要求。激光测风雷达是一种新型的风场探测手段，其抗干扰能力强、资料分辨率高，能有效弥补天气雷达和风廓线雷达对于低空风场探测能力上的不足。其进行风廓线模式(dbs)扫描时，可精准监测从飞机决断高度30m起到3000m高的风场波动情况，为民航、通航及舰载机起降提供精细化的风场资料保障支持。通常情况下，激光雷达进行dbs扫描时，要求累积四束方位角间隔固定，圆锥扫描仰角对称的波束，但受自然环境、地理位置以及人为原因等影响，使得雷达安装位置受限，导致雷达任意扫描波束出现遮挡，造成常规dbs风场反演算法失效，不能有效反演出风廓线、垂直气流等数据产品。为保证激光雷达dbs风场反演算法的有效性，提出了调整被遮挡波束圆锥扫描角度的改进方法，然后重构反演方程，推导求得水平风速风向以及垂直气流，并对改进后的dbs风场反演算法的误差来源进行详细分析，确保严格控制影响因子的取值范围，使得真实三维风场测量量满足研制要求。而迄今为止，较少有人针对该问题提出过合理有效的研究。

技术实现要素：

(一)发明目的

本发明的目的是：针对上述现有技术的不足之处，提供一种精确度高、计算合理的变角dbs风场反演方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种改变扫描夹角的dbs风场扫描方法，其过程为：

进行变角dbs扫描探测时，雷达1正常扫描测得目标空域2的风场数据，发出四束方位角间隔固定的波束，由于雷达安装位置受限会造成雷达扫描波束遮挡，此时调整任意被遮挡波束的圆锥扫描半角为γ1，其余三个波束的圆锥扫描半角依旧为γ。以雷达为原点建立直角坐标系，重新构建每个径向风速与风向矢量的关系式。连续四个方向的径向速度即可反演处理得到水平风速、风向以及垂直气流形成的三维风场信息。并对改进后的dbs风场反演算法的误差来源进行详细分析，确保严格控制影响因子的取值范围，使得真实三维风场探测量满足研制要求。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的改变扫描夹角的dbs风场扫描方法，相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)精准度高。

本发明通过激光雷达倾角传感器及方位传感器读出雷达波束的方位角θ和圆锥扫描仰角γ，由于激光雷达扫描迅速，完全可以满足“局部均匀、各向同性”的前提条件。按照设定的扫描方式进行气象探测，得到水平风速、风向以及垂直气流形成的三维风场信息，利用空间几何学中坐标变换的方法对上述结果进行校正，从而得到目标高度层处的风场信息。由于传感器比较灵敏，即使有很小的偏差都可以进行修正，大大提高了风场的测量精度。

(2)计算简洁。

本发明不受制于雷达以及雷达的安装位置，相较于其他风场反演算法，其扫描波束少，能直接探测竖直方向的大气风场的对流垂直运动速度，在保证了风场反演算法精度的同时，该算法直观灵活，运算量小，计算简洁。

本发明通过调整任意遮挡波束圆锥扫描角度，重构风场反演方程来改进因波束遮挡导致的常规dbs算法失效问题。改进后色算法放宽了雷达的测量条件、雷达的安装条件，提高了风场反演的能力，解决了现有技术使用条件严苛以及测量精确度不高的问题。

本发明选用两台雷达进行对比试验，利用真实风场数据进行了试验，验证了该发明的可行性和正确性。

本发明适用于任何测风雷达。

附图说明

图1是本发明所涉及的正常情况下的雷达dbs扫描示意图。

图2是本发明所涉及的任意波束遮挡情况下的变角dbs扫描示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

参阅图1和图2。根据本发明，进行变角dbs扫描探测时，雷达(1)正常扫描测得目标空域(2)的风场数据，发出四束方位角间隔固定的波束，由于雷达安装位置受限会造成雷达扫描波束遮挡，此时调整任意被遮挡波束的圆锥扫描半角为γ1，其余三个波束的圆锥扫描半角依旧为γ。以雷达为原点建立直角坐标系，重新构建每个径向风速与风向矢量的关系式。连续四个方向的径向速度即可反演处理得到水平风速、风向以及垂直气流形成的三维风场信息。并对改进后的dbs风场反演算法的误差来源进行详细分析，确保严格控制影响因子的取值范围，使得真实三维风场测量量满足研制要求。

在图2中，设定风场矢量在dbs扫描过程中保持不变，四个波束发射方向间隔90°。将雷达(1)所在位置作为原点建立直角坐标系，设风矢量为(u，v，w)，则u沿着x轴，v沿着y轴，w沿着z轴，圆锥扫描半角γ是波束指向与z正轴的夹角，扫描方位角θ以x坐标正轴为0度起点；即四个方向测得的径向风速分别为vr1，vr2，vr3，vr4，由设置在雷达(1)上的倾角传感器和方位传感器读出雷达四个波束的方位角θ1，θ2，θ3，θ4和圆锥扫描夹角γ，按照预设的准则，计算出以雷达(1)为原点，四个扫描方向的径向速度为：

若坐标轴x，y分别与east，north方向重合，则测风雷达四个扫描方位角对准e，n，w，s方向，即θ1，θ2，θ3，θ4分别为0°，90°，180°，270°，则可测的三维真实风矢量在x，y，z轴上的投影分量为：

假若西波束被遮挡，则调整vrw方向的圆锥扫描角度为γ1，其余三个方向的圆锥扫描角度依旧为γ，雷达(1)即可按预定的探测模式进行扫描测得实际探测空域(2)上的水平风速、风向和垂直气流的三维风场信息。

重构后的三维风场投影分量为：

那么水平风速vh和水平风向α为：

且在三角坐标中，直接由反正切函数计算出来的角度值α不是气象学上的风向角度值，需做如下转换：

当时，

当时，

计算出水平风速和水平风向后，估算其误差来源分别为：

同理可得：

即：水平风速风向误差不仅和径向风速误差、圆锥扫描半角有关，还和风速大小有关，严格控制以上影响因子的取值范围，即可使得水平风速风向误差满足研制要求。

本发明的结果利用两台雷达进行了对比试验。在真实风场数据验证中，采用1号雷达为标准器，设置1号雷达的四个波束的圆锥扫描半角均为γ，2号雷达的四个波束的圆锥扫描半角也均为γ，两台雷达同时开始测量，录取1小时数据，计算其风场误差；之后利用本发明方法将2号雷达设置为西波束的圆锥扫描半角为γ1，其余三个波束的圆锥扫描半角均为γ，录取1小时数据，计算其风场误差；将两个时段的风场误差对比，可以发现两者偏差很小，水平风速误差不大于0.3m/s，水平风向误差不大于5°，垂直气流误差不大于0.2m/s。证明本发明是可靠有效的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。