一种用于复杂地形的雷达协同监测系统的制作方法

本发明属于雷达图像传感与天气监测，尤其涉及一种用于复杂地形的雷达协同监测系统。

背景技术：

1、天气雷达监测网络通常采用多波段雷达协同工作的方式，对强对流天气过程进行监测，其中，s波段雷达的电磁波衰减较小、探测距离较远，通常作为雷达网络的骨干；c波段雷达主要用于区域组网；x波段雷达具有较高的时间分辨率和空间分辨率，常用于补充低空探测盲区并获取更精细的回波图像，在山地环境中，现有技术通常将各波段雷达采集的三维体扫回波数据插值映射到统一的三维网格空间，以便对不同波段雷达的监测数据进行协同处理，然而，在强对流天气快速发展且山地地形遮挡较为明显的情况下，现有的数据融合方式容易出现空间位置偏差和指标计算误差，强对流回波胞体移动速度较快，不同波段雷达进行体扫采样时存在时间差，因而会造成三维空间中的回波位置不能准确对齐，常用的最邻近插值方法没有考虑水平风场对回波胞体移动及形态变化的影响，容易使不同雷达的回波图像在重叠区域出现重影或虚假结构。

2、现有的数据插值与栅格化方法在处理雷达基数据时，未充分考虑物理衰减机理，例如，授权公告号为cn108169751b的中国发明专利公开了一种天气雷达基数据三维栅格化方法、计算机可读存储介质及电子设备，通过建立直角坐标系下的栅格立方体，并基于极坐标扫描点在邻近方位角与仰角层的几何相对位置确定栅格单元的回波强度，然而，该技术方案仅依赖纯几何空间关系的插值与取值，未考虑复杂地形条件下雷达波束遭受山体连续阻挡所产生的物理遮挡衰减，未建立高程阻挡与衰减补偿之间的定量映射关系，此外，反射率因子的衰减误差在垂直累积液态水含量的四分之七次方运算和垂直积分过程中会不断放大，使不同波段雷达计算得到的预警指标产生非线性偏差，导致统一预警阈值难以准确适用，现有的低层反射率因子修正过程还缺少高层气象绝热上升包络线的限制，可能使高层回波顶高出现不符合实际的抬升或降低。

3、因此，如何提高不同波段雷达回波数据的时空对准精度，对山地地形造成的连续波束遮挡和衰减进行补偿，并抑制预警指标计算过程中误差的累积放大，成为需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决背景技术中的问题，本发明的技术方案如下：一种用于复杂地形的雷达协同监测系统，包括：

2、回波采集模块，用于同步采集监测区域的s波段、c波段及x波段雷达的三维体扫回波数据，输出三维极坐标数据集；

3、时空映射模块，连接回波采集模块，用于以s波段雷达的坐标网格为基准，将三维极坐标数据集中x波段与c波段雷达的数据插值映射至三维等距网格空间；

4、偏差修正模块，连接时空映射模块，用于以映射后的s波段雷达的反射率因子为基准，构建随径向距离及基准变化的二元偏差函数，提取数字高程模型数据计算波束遮挡率，将波束遮挡率作为物理权重嵌入二元偏差函数，生成经地形加权修正的反射率因子；

5、指标重构模块，连接偏差修正模块，用于依据经地形加权修正的反射率因子计算各网格点的垂直累积液态水含量与回波顶高，利用随径向距离与基准变化的非线性缩放因子对垂直累积液态水含量叠加增益与截距补偿，输出统一预警指标；

6、协同裁决模块，连接指标重构模块，用于依据统一预警指标划分雷暴强度等级并输出预警信号。

7、优选的，偏差修正模块计算经地形加权修正的反射率因子，其计算式为：，其中，为x波段雷达在网格点的原始反射率因子，为二元偏差函数，为波束遮挡率，为地形影响权重系数，取值范围为0.0至1.0。

8、优选的，二元偏差函数的构建过程为：以s波段雷达的反射率因子为无衰减参考基准，获取网格点至雷达站址的径向距离，计算x波段雷达的反射率因子相对于无衰减参考基准的偏离量，利用历史雷暴样本集拟合确定由幂函数乘积与常数截距构成的偏差补偿模型。

9、优选的，偏差修正模块提取波束遮挡率的过程为：基于雷达站址的海拔高程、天线仰角及大气折射模型确定雷达波束在三维网格空间内的波束中心线海拔高度与波束半功率角扩散范围，提取从雷达站址至目标网格点射线路径上数字高程模型数据的高程阻挡关系，计算地形阻挡面截取波束截面积的比例，得到波束遮挡率。

10、优选的，指标重构模块构建非线性缩放因子的过程为：提取网格点至雷达站址的径向距离，利用偏置调节参数将径向距离与基准的幂次项相乘，叠加常数一生成非线性缩放因子；指标重构模块利用非线性缩放因子与垂直累积液态水含量相乘，并叠加一截距修正项，得到补偿后的垂直累积液态水含量。

11、优选的，时空映射模块将三维极坐标数据集中x波段与c波段雷达的数据插值映射至空间分辨率为1km×1km×0.5km的三维等距网格空间，且控制回波采集模块中各波段雷达体扫的时间差在3min以内。

12、优选的，时空映射模块还用于获取监测区域的水平风场多普勒速度矢量，依据多波段雷达体扫采样的时间差，计算采样时差内回波质心沿水平风场多普勒速度矢量产生的空间位移量，对三维等距网格空间内的坐标补偿反向位移。

13、优选的，协同裁决模块包含跨层校验子模块，用于对垂直累积液态水含量与回波顶高施加空间梯度匹配计算，当低层反射率因子经地形加权修正产生数值变动时，调取气象热力学绝热上升包络线作为物理边界，对高层回波顶高同步校正。

14、优选的，协同裁决模块划分雷暴强度等级的过程为：将输出的统一预警指标输入预设的双参数二维阈值矩阵，通过双参数交叉匹配判别雷暴强度的强弱等级；当统一预警指标中的垂直累积液态水含量与回波顶高的数值组合突破临界报警阈值时，生成对应等级的预警信号。

15、优选的，偏差修正模块还用于以映射后的s波段雷达的反射率因子为基准，建立c波段雷达的反射率因子相对于基准的二元偏差补偿模型，结合提取的数字高程模型数据计算得到c波段雷达在各网格点的波束遮挡率，对c波段雷达的原始反射率因子施加地形加权修正。

16、相对于现有技术，本发明一种用于复杂地形的雷达协同监测系统，具有以下优势：

17、1、在复杂地形的雷达协同监测中，根据不同波段雷达的体扫采样时间差，并结合水平风场多普勒速度矢量对回波位置进行校正，可以减小强对流回波胞体在采样间隔内发生移动所造成的空间错位，避免不同雷达的回波图像在重叠区域出现重影和虚假结构，由此能够提高多波段雷达数据的空间对准精度，为后续反射率因子修正和预警指标计算提供较为准确的时空基准。

18、2、根据数字高程模型数据、天线仰角和大气折射情况计算连续的波束遮挡率，并将波束遮挡率用于反射率因子修正，可以按照山地对雷达波束的实际遮挡程度进行补偿，与采用二值掩模或局部插值的方式相比，该处理能够减小低仰角波束受地形遮挡和衰减造成的回波强度失真，提高山地低空遮挡区域回波数据的准确性。

19、3、利用随径向距离和基准反射率因子变化的非线性缩放因子，对垂直累积液态水含量进行增益和截距补偿，可以抑制反射率因子衰减误差在幂次运算和垂直积分过程中的累积放大，减小不同波段雷达计算结果之间的非线性偏差，由此能够提高垂直累积液态水含量与回波顶高的一致性，使统一雷暴预警阈值能够较为准确地用于多波段雷达协同监测。