基于雷达基数据的探测回波自动报警系统设计与实现

周义兵，王　毅，周淑巧，占世林

(1.安康市气象局，陕西安康　725000；2.南京信息工程大学滨江学院，南京　210044)



基于雷达基数据的探测回波自动报警系统设计与实现

周义兵1，王毅1，周淑巧2，占世林1

(1.安康市气象局，陕西安康725000；2.南京信息工程大学滨江学院，南京210044)

摘要：利用天气雷达厂商提供的雷达基数据类 CINRADPolarDat处理解析雷达基数据，对雷达基数据进行解码，实时检索新一代天气雷达体扫基数据，提取回波强度、范围大小、位置等基本信息作为报警判据，并将报警判据分为安全级、观察级、预警级和警报级四个警戒级别进行报警提示。系统通过Microsoft Visual Studio 2005开发环境采用VB6.0语言编程，实现了新一代天气雷达探测数据实时报警功能，自动判断警戒级别并通过发出文字、声音、手机短信及拨打电话等不同报警方式提醒业务服务人员，避免突发灾害天气遗漏，做到临近突发灾害性天气快速跟踪预警与服务。

关键词：雷达；基数据；自动报警

我国在“十二五”期间布设新一代天气雷达观测网，极大地增强了灾害性天气监测水平，提高了天气监测的时空分辨率，使得中小尺度突发性天气提前预警成为可能，在气象防灾减灾工作中发挥了重要作用。

一般情况下，天气雷达在汛期全天候开机，每6 min完成一次体扫；在非汛期每日的10时到15时开机。这样的工作模式可以保证在雷达的有效探测范围内，基本不会漏掉对任何一次天气过程的发生发展状况的监测。尽管如此，但由于业务服务人员无法做到全天候关注雷达监测资料，即使雷达探测到异常情况或强回波，由于业务服务人员未能及时发现，也会造成重大天气遗漏或预报服务失误。鉴于此，开发雷达探测实时自动报警系统非常必要。

1设计思路

目前，国内有人做过雷达预警类似的工作，俞小鼎等[1]对强对流天气的雷达识别和预警技术进行了研究，为进一步设计开发雷达探测回波自动报警提供了有力的支撑。但是基于实时探测回波自动分析报警仍然处在空白状态。基于实际工作的需求，考虑到自动报警的准确性和时效性，在程序设计时，采取直接对雷达数据采集单元RDA实时生成的基数据进行分析解码，一旦系统判断探测数据超过阈值，立即发出报警的设计思路，从而确保预警准确及时。

2功能及界面设计

2.1功能设计

雷达探测回波自动报警系统在Microsoft visual studio2005开发环境中采用Visual basic程序集编写，该系统可定时自动检索RDA生成的实时体扫基数据，通过对雷达基数据的分析解码，判断探测区域内强回波的范围、大小、位置等数据信息，并依据给定的不同警戒阈值，采用窗口文字、声音、手机短信以及拨打电话等报警方式发出报警。其功能主要有报警方式选择、自动跟踪、工作日志、效果检验等，辅助功能有手动选择雷达基数据显示PPI图像、分层显示、PPI/RHI图像切换、放大、缩小、降水估测等。

2.2界面设计

该系统主要为业务服务人员使用，因此在界面设计时，考虑其在日常工作中使用一些其他业务软件的习惯，突出软件界面的美观性、易操作性，功能分区简洁大方等因素，共设计了四方面的功能：图像显示、选项选择、功能操作和信息显示。图像显示窗用于显示当前或历史体扫PPI图像，双击实现放大或缩小功能，单击实现降水估算功能；选项选择主要为系统工作选择关键数据参数或报警阈值；功能操作主要包括软件自动监控、手动选取、图像操作和报警效果检验及系统工作日志查看；信息显示窗口主要显示雷达基本参数数据和报警信息。

2.3报警系统流程算法

系统进入自动监控工作模式后，首先读入参数文件，获取基数据目录、检索时间间隔、不同警戒阈值和报警短信手机号码等信息，时间控制器开始工作，按照设定的时间间隔定时启动最新基数据检索模块，一旦发现新的基数据文件进入基数据分析模块，提取回波强度、范围和位置等信息，通过与警戒阈值对比做出不同的报警方式。报警系统工作流程见图1 。

图1　报警模块流程图

3关键技术

3.1基数据解码

每个体扫数据存储为一个单独的文件，文件大小约16 MB，由文件头和数据两部分成，一个径向数据为4 132 bytes固定长度：其中，前128 bytes存储本次扫描相关的雷达信息头、收集时间、方位角、仰角、径向数据序号、距离库数、RVW数据指针及体扫模式等信息，从第129 bytes开始到文件尾为数据部分。129～928 bytes存放基本反射率数据，距离库总数为800，929～2 528 bytes存放径向速度数据，距离库总数为1 600，2 529～4 128 bytes存放速度谱宽数据，距离库总数1 600，4 129～4 132 bytes为保留字节。

3.2地物过滤

地物过滤一直是雷达探测回波分析的难点之一，由于安康雷达站地处山区，在有效探测范围内周围高大山脉往往会出现在低仰角回波当中，如果人工分析可以根据经验识别出来，但通过编程自动分析雷达强回波时，地物强回波势必造成干扰，特别是在下雨之前或湿度增大时，地物回波也会明显增强，容易报虚警。鉴于此，采取两种有效方式消除地物回波：一是针对地物回波的位置固定性采取地物对消；二是利用新一代天气雷达探测原理，地物回波的径向速度为“0”的基本特征排除地物强回波信息。

3.3自动跟踪

在设计系统时，充分考虑到雷达探测工作状态，汛期雷达一般采用VCP21工作模式，每6 min完成一次完整体扫，并生成本次体扫基数据，实时性强。为了让报警系统能够与雷达工作同步，专门设计了雷达基数据存放路径、定时搜索基数据文件时间间隔等可调参数文件，方便在使用过程中适当调整参数，确保报警延时较小或最小，经过多次测试，考虑不影响工作和计算机性能的情况下，时间间隔可以设置为1.5～3.5 min较为合理。

3.4报警分级和检验

体扫基数据中超过阈值的点数即反映了降水目标物的大小和强弱，故以一次体扫中达到或超过阈值的采样体积的数量(强回波信息点数)为基本判断依据，将报警分为安全级(Ⅰ级)、观察级(Ⅱ级)、预警级(Ⅲ级)、警报级(Ⅳ级)四级，根据报警级别的危险程度采取窗口提示信息、雷声报警、警报音报警及发送手机短信和电话呼叫报警等方式，报警方式依据报警级别一级一级累加。通过解析大量历史基数据，并结合对应时段实际发生的天气状况进行比对，初步确定了不同报警级别的阈值，系统设计了检验反馈模块，正常工作进入自动监控模式以后，自动记录每次体扫的分析结果(强回波信息点数)，通过检验分析，为以后进一步订正和完善合理的报警分级阈值积累数据资料。

4系统特点

4.1智能性

智能自动化是雷达探测自动报警系统设计的最基本要求，一些可调参数设定以后，系统从自动检测最新基数据、自动分析雷达回波、自动进行预警分级到自动发出警报，全程智能自动化，无需人工干预。

4.2准确性

该报警系统在解析大量历史基数据的基础上，结合对应的天气实况，并采取有效的地物对消措施以后确定不同报警级别的阈值，系统报警的准确性高，虚报和误报率低。

4.3实时性

系统开发的目的首先考虑软件的实时性，报警必须及时，通过设计动态的时间间隔参数，可以调整参数以力求报警系统与雷达探测实时同步。

4.4移植性

雷达探测自动报警系统是各级业务服务人员需要的工具之一，在开发中注重系统的可移植性，雷达型号、基数据存放路径、报警分级阈值、时间间隔等重要参数均设计为可选取或调整的，方便用户使用。

参考文献：

[1]俞小鼎,王迎春,陈明轩，等.新一代天气雷达与强对流天气预警[J].高原气象,2005，24(3):456-463.

[2]楚志刚,银燕,顾松山.新一代天气雷达基数据文件格式自动识别方法研究[J].计算机与现代化, 2013(7)：180-184.

[3]朱雷平,朱黎明,于雪涛,等.基于CINRAD/CB雷达基数据的反射率因子地学可视化研究[J]. 科技导报, 2014(19):43-47.

[4]李丰, 刘黎平, 王红艳,等.C波段多普勒天气雷达地物识别方法[J].应用气象学报, 2014，25(2):158-165.

[5]贺音.国家自动气象站数据质量统计软件的设计与实现[J].陕西气象,2015(6):38-40.

文章编号：1006-4354(2016)03-0022-03

收稿日期：2015-12-08

作者简介：周义兵(1974—)，男，汉族，陕西镇安人，学士，高级工程师，主要从事天气预报研究和气象信息分析处理。

中图分类号：TP311.52

文献标识码：B

周义兵，王毅，周淑巧,等.基于雷达基数据的探测回波自动报警系统设计与实现[J].陕西气象，2016(3)：22-24.