阅读说明：本技术 一种基于x波段双偏振天气雷达网的火情监测与决策系统和方法 (Fire monitoring and decision-making system and method based on X-band dual-polarization weather radar network ) 是由 严勇 李忱 张越 于 2019-10-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于X波段双偏振天气雷达网的火情监测与决策系统和方法,所述系统采用一部或多部X波段双偏振天气雷达,对用户关注区域进行高时空分辨率的火情监测,当监测到火情发生时,可转入追踪模式,开始做更高时间分辨率的跟踪观测；所有雷达监测到的火情信息通过通讯链路发送至信息中心,在信息中心综合平台上集中显示与预警,并实时评估火情的发展趋势,为及时发现和扑灭火情提供依据。本发明可以获取包括起火时间、起火地点、火情发展趋势、烟尘扩散影响、火情控制时间等信息的探测资料,为火情扑救指挥提供科学探测依据,也能通过反查分析历史资料,成为火情历史个例调查的数据支撑。(The invention discloses a fire monitoring and decision-making system and method based on an X-band dual-polarization weather radar network, wherein the system adopts one or more X-band dual-polarization weather radars to monitor fire with high spatial and temporal resolution in a user attention area, and when the fire is monitored, the system can switch into a tracking mode to start tracking observation with higher temporal resolution; fire information monitored by all the radars is sent to an information center through a communication link, centralized display and early warning are carried out on an information center comprehensive platform, the development trend of the fire is evaluated in real time, and a basis is provided for timely discovering and extinguishing the fire. The invention can obtain detection data including information such as the fire time, the fire place, the fire development trend, the smoke diffusion influence, the fire control time and the like, provides scientific detection basis for fire suppression commanding, and can also be used as data support for fire history individual case investigation by reversely checking and analyzing historical data.)

一种基于X波段双偏振天气雷达网的火情监测与决策系统和 方法

技术领域

本发明属于气象雷达探测技术领域，具体涉及一种基于X波段双偏振天气雷达网的火情监测与决策系统。

背景技术

火灾是一种突发性强、破坏性大、处置救助较为困难的灾害。目前，进行火情监测的主要技术有卫星监测、视频监控、人工巡护、航空巡护等，近年来无人机技术的迅速发展，也被应用到火情监测中。

但是，卫星监测每天经过同一区域的次数仅十几次，时间间隔长，分辨率较粗，且易受地形、云层厚度等因素的影响；视频监控虽然可以实时不间断的监控，但是监控范围有限，只能针对重点区域，且受能见度的影响大，后期维护成本高；人工巡护需要耗费大量的人力物力，效果不理想；航空巡护成本高，需要费用高昂的基础设施条件；无人机监测一般用于火灾发生后的现场指挥。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于X波段双偏振天气雷达网的火情监测与决策系统和方法，对用户关注区域内的火情进行监测与评估，为及时发现和扑灭火情提供依据。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于X波段双偏振天气雷达网的火情监测与决策系统，所述系统包括一部或多部X波段双偏振天气雷达、火情自动识别模块、数据传输链路和信息中心；

所述X波段双偏振天气雷达实时监测目标区域的火情，火情自动识别模块通过X波段双偏振天气雷达探测到的目标区域内各种回波，并基于各种回波的特征，对回波进行逐一区分，实现对火情的自动识别和评估；

X波段双偏振天气雷达监测到的火情信息通过数据传输链路发送至信息中心，在信息中心集中显示与预警，并实时评估火情的发展趋势，为及时发现和扑灭火情提供依据。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的多部X波段双偏振天气雷达构成雷达组网，雷达组网时，各部雷达采用等边三角形的形式；雷达间距与雷达探测距离相当。

上述的X波段双偏振天气雷达采用全相参脉冲多普勒双偏振体制，包括天线、馈线、发射机、接收机、伺服、信号处理和数据处理模块；

所述天线长2.4m，波束宽度为1°，增益≥44dB，馈线损耗≤3dB，在方位上做0～360°扫描，俯仰覆盖范围0～30°；

所述发射机采用全固态体制，峰值功率为200w，脉宽为1/40μs，发射机两路接收，动态范围≥90dB，噪声系数≤3dB，灵敏度≤－108dBm；

所述X波段双偏振天气雷达探测量程60km，距离分辨率60m，输出参数有强度、速度、谱宽、差分反射率和相关系数。

上述的X波段双偏振天气雷达包括监测模式和追踪模式两种工作模式，系统启动后，X波段双偏振天气雷达均在监测模式工作，当监测到火情发生时，切换到追踪模式；

所述监测模式采用6层体扫模式，仰角根据雷达站点高度及监测范围进行调整，天线转速为12°/秒，时间分辨率分别为3分钟，60°，用于监测雷达覆盖范围内是否有火情的发生；

所述追踪模式采用扇形体扫模式，仰角根据雷达站点高度及监测范围进行调整，在方位上以火情点为中心、左右各30°范围内进行扫描；天线转速为12°/秒，时间分辨率包括1分钟和2分钟两种，分别对应60°和120°追踪模式，用于在监测模式发现火情后对火情进行连续追踪。

上述的X波段双偏振天气雷达，若监测范围内只有一个火情点，则采用60°追踪模式，即在方位上以火情点为中心、左右各30°范围内进行扫描；若所述X波段双偏振天气雷达监测范围内存在多个火情点时，则先将各个火情点的监测范围进行合并，当合并后的范围在方位上不超过120°度时，选用120°的追踪模式监测，否则继续在监测模式下工作。

上述的信息中心包括数据接收模块、数据存储模块、综合显示模块、火情预警模块和火情评估模块；

数据接收模块负责接收雷达上传的火情监测结果，在数据存储模块中进行存储；综合显示模块以地理信息系统为背景显示火情发生的位置，并通过火情预警模块进行听觉/视觉预警；火情评估模块根据火情回波的移向移速和相邻时次的回波面积，对火情发展态势进行评估与决策。

一种基于X波段双偏振天气雷达网的火情监测与决策方法，包括以下步骤：

步骤1：读取雷达探测数据，根据低仰角数据的回波分布得到一系列回波块；

步骤2：判断所述回波块的面积是否处于某个给定的区间内，若在给定区间内，则判断为火情回波，进入步骤3：否则，不是火情回波，结束程序；

步骤3：调取相邻时次的数据，分析火情回波块的位置是否稳定，若稳定，则进入步骤4；否则结束程序；

步骤4：分别计算火情回波块的平均强度、平均相关系数和回波顶高，若平均强度小于设定阈值，平均相关系数小于设定阈值，且回波顶高低于5km，则判断火情回波块为初起火情；若平均强度大于设定阈值，则搜索初起火情，并进行回波块匹配处理，匹配完毕后，根据回波块之间是否在沿风向扩散，确定回波块是否为发展中的火情回波；

步骤5：利用相邻时次火情回波的面积和雷达探测得到的速度数据，对火情的发展进行评估，为决策提供依据。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明采用X波段天气雷达组网技术测量，能提高火情监测的时间和空间分辨率，不受地形、能见度等因素的影响，后期维护成本低。

2.本发明具有方案设计合理、可扩展性好、时空分辨率高等优点。

3.采用本发明监测火情，可以获取包括起火时间、起火地点、火情发展趋势、烟尘扩散影响、火情控制时间等信息的探测资料，为火情扑救指挥提供科学探测依据，也能通过反查分析历史资料，成为火情历史个例调查的数据支撑。

4.研究表明，利用国家气象局布网的新一代天气雷达业务运行模式下的数据，监测火情的命中率(POD)为79％，误警率(FAR)为4％，临界成功指数(ICS)为76％，取得了非常不错的效果。在本发明中，针对业务运行雷达在监测火情时存在的问题，提出X波段双偏振天气雷达组网的方案，探测高度、灵敏度、时空分辨率等得到有效解决，其实际效果应优于上述研究结果。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明中X波段天气雷达组网示意图；

图3为本发明的火情自动识别算法流程图；

图4为本发明的工作模式切换示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

如图1所示，本发明的一种基于X波段双偏振天气雷达网的火情监测与决策系统，包括一部或多部X波段双偏振天气雷达(图中为3部)、火情自动识别模块、数据传输链路和信息中心；

所述X波段双偏振天气雷达实时监测目标区域的火情，火情自动识别模块通过X波段双偏振天气雷达探测到的目标区域内雨、雪、冰雹、地物、鸟群、昆虫、火情等各种回波，并基于各种回波的特征，对回波进行逐一区分，实现对火情的自动识别和评估；

X波段双偏振天气雷达监测到的火情信息通过数据传输链路发送至信息中心，在信息中心集中显示与预警，并实时评估火情的发展趋势，为及时发现和扑灭火情提供依据。

实施例中，X波段双偏振天气雷达的火情回波除了能够定位火情的地理位置外，还可以：根据回波面积确定火情的范围，根据回波的移向移速确定火情下一步的发展方向，利用相邻时次的探测结果对火情进行追踪和预测，评估火情的火势演变情况，为扑灭火情提供强有力的依据。

实施例中，各雷达站与信息中心之间的数据传输链路，因数据信息量很小，既可以公共信道，也可以采用专用信道；在方式上，既可以采用有线网络，也可以采用无线网络。

实施例中，本系统可以由一部或多部X波段双偏振天气雷达进行组网监测，这主要取决于用户关注区域的范围。火情在天气雷达上的回波顶高一般不会超过5km，因此不管在近区还是远区，雷达都存在探测盲区：在近区，受观测仰角的限制，一般探测不到这个高度；在远区，由于地球曲率的影响，距离越远，雷达能够探测到的回波最低高度也会越高，因此超过一定距离后，雷达也会探测不到。为了克服这个问题，本发明实施例采用多部X波段双偏振天气雷达组网的形式，相互补充，共同对用户关注的区域进行监测。

如图2所示，在实施雷达组网时，各部雷达的布局尽量考虑采用等边三角形的形式，需要时可无限向外扩展，这样可以保证同等雷达数目下的监测面积最大；间距与雷达探测距离相当，解决近距离区域的盲区问题。当然，也可以根据监测区域的实际范围或火情高发区域，采用适应性的最优化布局方式。

实施例中，所述X波段双偏振天气雷达采用全相参脉冲多普勒双偏振体制，包括天线、馈线、发射机、接收机、伺服、信号处理和数据处理模块；

所述天线长2.4m，波束宽度为1°，增益≥44dB，馈线损耗≤3dB，在方位上做0～360°扫描，俯仰覆盖范围0～30°；

所述发射机采用全固态体制，峰值功率为200w，脉宽为1/40μs，发射机两路接收，动态范围≥90dB，噪声系数≤3dB，灵敏度≤－108dBm；

所述X波段双偏振天气雷达探测量程建议采用60km，距离分辨率60m，输出参数有强度、速度、谱宽、差分反射率和相关系数。

实施例中，所述X波段双偏振天气雷达包括监测模式和追踪模式两种工作模式，由于初起火情回波比较弱，故不论哪种工作模式，探测弱回波的能力都比较强，它们的区别主要在于扫描模式，以便在不同的情况下获取不同的时间分辨率。

系统启动后，X波段双偏振天气雷达均在监测模式工作，所述监测模式采用6层体扫模式，仰角根据雷达站点高度及监测范围进行调整，但一定要保证覆盖区域内回波顶高的探测要求(不低于5km)，天线转速为12°/秒(即2圈/分钟)，时间分辨率分别为3分钟，60°，用于监测雷达覆盖范围内是否有火情的发生；

实施例中，监测模式的工作参数如下：

扫描模式：6层体扫，天线转速12°/秒(即2圈/分钟)，仰角分别采用0.5°、1.8°、3.5°、5.5°、7.5°和10°(保证覆盖范围内的最大探测高度高于5km，满足回波顶高的探测要求)，探测距离：60km。

在识别到火情后，根据火情点的数目和分布情况，对各部雷达的工作模式进行调整，可以采用时间分辨率更高的追踪模式对火情进行监测。

所述追踪模式采用扇形体扫模式，仰角根据雷达站点高度及监测范围进行调整，在方位上以火情点为中心、左右各30°范围内进行扫描；天线转速为12°/秒，时间分辨率包括1分钟和2分钟两种，分别对应60°和120°追踪模式，用于在监测模式发现火情后对火情进行快速的连续追踪。

如图4所示，实施例中，若所述X波段双偏振天气雷达监测范围内只有一个火情点，则采用60°追踪模式，即在方位上以火情点为中心、左右各30°范围内进行扫描；若所述X波段双偏振天气雷达监测范围内存在多个火情点时，则先将各个火情点的监测范围(在方位上以火情点为中心、左右各30°范围)进行合并，当合并后的范围在方位上不超过120°度时，选用120°的追踪模式监测，否则继续在监测模式下工作。

实施例中，所述信息中心包括数据接收模块、数据存储模块、综合显示模块、火情预警模块和火情评估模块；

数据接收模块负责接收雷达上传的火情监测结果，在数据存储模块(本地或服务器数据库)中进行存储；综合显示模块以地理信息系统为背景显示火情发生的位置，并通过火情预警模块进行听觉/视觉预警(用户可配置)；火情评估模块根据火情回波的移向移速和相邻时次的回波面积，对火情发展态势进行评估与决策，此外，用户还可以反查分析历史资料，为火情历史个例调查提供数据支撑。

天气雷达之所以能探测到火情，主要是由于火情产生的烟尘颗粒升腾到空中后同样对雷达电磁波具有散射效应。在火情初起阶段，回波强度较弱，水平尺度也比较小，相关系数比较小；当火势进入旺盛期后，回波强度显著增强，回波沿风向向外扩展；此外，火情回波的位置一般比较稳定，回波顶高也不会很高(不高于5km)。当雷达完成一次观测后，回波数据被送入火情自动识别模块，火情自动识别模块根据火情回波的特征，在本发明采用图3所示的算法流程对火情进行自动识别。

本发明的一种基于X波段双偏振天气雷达网的火情监测与决策方法，包括以下步骤：

步骤1：读取雷达探测数据，根据低仰角数据的回波分布得到一系列回波块；

步骤2：判断所述回波块的面积是否处于某个给定的区间内，若在给定区间内，则判断为火情回波，进入步骤3：否则，不是火情回波，结束程序；

步骤3：调取相邻时次的数据，分析火情回波块的位置是否稳定，若稳定，则进入步骤4；否则结束程序；

步骤4：分别计算火情回波块的平均强度、平均相关系数和回波顶高，若平均强度小于设定阈值，平均相关系数小于设定阈值，且回波顶高低于5km，则判断火情回波块为初起火情；若平均强度大于设定阈值，则搜索初起火情，并进行回波块匹配处理，匹配完毕后，根据回波块之间是否在沿风向扩散，确定回波块是否为发展中的火情回波；

步骤5：利用相邻时次火情回波的面积和雷达探测得到的速度数据，对火情的发展进行评估，为决策提供依据。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。