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机场气象雷达回波扫描及导航站天气预警软件的研发和设计

时间:2016-07-28来源: 作者: 点击: 151次


摘要:成都双流国际机场DWSR-2500C/K气象雷达工作站运行于Linux系统,这样使得运行在Windows系统环境下的终端电脑无法实时获取雷达动态扫描图像。作者开发的软件通过读取Linux服务器即时生成的雷达基数据后,对雷达的多仰角回波信息在Windows终端电脑进行重建,从而使天气回波能以动态扫描的形式呈现给终端客户,并通过算法提取导航站上空的回波信息,以红绿灯的形式对导航站回波情况进行预警,方便用户(进近管制室)了解各导航站及航线的天气情况。本软件基于MFC并采用网络Socket编程技术实现了雷达回波数据的实时扫描显示,从而为管制部门实时获取雷达图像提供了方便。

关键词:Linux系统;动态扫描;回波预警;MFC; Socket编程

1,引言

民航西南空管局DWSR-2500C/K多普勒气象雷达为美国EEC公司研发的C波段气象雷达。该气象雷达的主工作站(称为A机)采用双网卡技术。在主工作站工作过程中,其中一路网卡与雷达信号处理器连接获取雷达回波信号,另一路网卡负责主工作站与预报室工作站(称为B机)进行数据通讯。在整个西南空管局气象业务配置中,气象雷达A、B工作站均运行在Linux操作系统,而其他气象业务终端均运行于Windows操作系统。鉴于Linux操作系统与Windows操作系统不相兼容,管制部门目前对雷达信息的获取采用了FTP的方式每隔固定时间对生产的产品图片进行显示,这种现实方法实时性不足且给管制用户提供的是单一仰角的回波信息,在不同仰角扫描时,回波强度有很大差别,特别是强雷暴产生和消亡的时候。为了缩短用户获得天气信息的时间以及使得用户更直观更立体的获取气象回波信息,为管制用户提供更好的服务和更直观的雷达回波信息,我们通过实时读取雷达产生的基数据文件,在Windows终端上对雷达回波扫描进行了重建,使得管制用户可以更快的看到立体扫描的动态回波信息,看到和预报终端一样的动态立体扫描回波,软件同时对读取到的数据信息进行算法处理,获取导航站上空及周围的回波信息,对导航站的天气情况进行回波预警。预警的模式采用红绿灯的直观方式,当回波信息大于某个阈值时,导航站对应的圆圈会显示相应的颜色信息。当超过报警级别时,显示红色报警。

2,雷达基数据文件读取

2.1  NetCDF文件简介及格式

双流国际机场使用的DWSR-2500C/K雷达基数据可以保存成

NetCDF格式的文件。NetCDF(Network Common Data Form,通用网络数据格式)是美国大学大气研究协会UCAR(University Cooperation for Atmosphere Research)下的Unidata项目科学家针对科学数据固有的特点为了适用于网络共享的数据编码标准而提出的一种面对数组型数据。NetCDF文件独立于机器并用于保存科学数据,是一种通用的资料存取方式,其资料形状包括单点的观测值、时间序列、规则排列的网格以及人造卫星或雷达的影像文件。其软件实现形式是一个免费的NetCDF软件包,内含可访问NetCDF数据的工具程序和多种语言的接口函数库[1],该函数库包含了访问数组格式的功能。

NetCDF是一种二进制、自描述的文件格式,不需要额外的文件进行描述。每个文件都包含维数、变量、属性和数据4个子域,其中属性分为适用于特定变量的局部属性和适用于整个文件的全局属性[2]。一个NetCDF文件的结构包括以下对象:

NetCDFname{

Dimensions:… //定义维数,例如longitude,latitude,layers,time

Variables:…  //定义变量,例如temperature,RH,DBZ

Attributes:…  //属性,用于对数据辅助说明

Data:…      //数据内容,要读取的数据部分

}

dimension对应函数中的某个自变量,或者说是函数图象中的一个坐标轴,在线性代数中就是一个N维向量的一个分量(这也是维这个名称的由来)。在NetCDF中,一个维具有一个名字和范围(或者说长度,也就是数学上所说的定义域,可以是离散的点集合或者连续的区间)。在NetCDF中,维的长度基本都是有限的,最多只能有一个具有无限长度的维。

Variables对应着真实的物理数据。比如我们家里的电表,每个时刻显示的读数表示用户的到该时刻的耗电量。这个读数值就可以用NetCDF里的变量来表示。它是一个以时间为自变量(或者说自变量个数为一维)的单值函数。

Attributes是对变量值和维的具体物理含义的注释或者说解释。因为变量和维在NetCDF中都只是无量纲的数字,要想让人们明白这些数字的具体含义,就得靠属性这个对象了。

Data是我们真正关心并需要读取的内容。NetCDF支持的数据类型是char、byte、short、int、float、real或者double。

2.2 程序读取NetCDF数据内容

本软件是基于VC++平台开发的,软件要完成回波扫描的重建以及导航站回波信息预警,必须首先读取雷达基数据信息,双流国际机场的雷达基数据可以存储成NetCDF格式,因此软件首先需要读取NetCDF文件的内容。具体方法如下:1,首先在互联网上下载NetCDF的源代码以及库函数。2,软件建立一个新工程,使用动态链接库netcdf.dll,然后将下载源代码中的netcdfcpp.h、netcdf.h、netcdf.cpp、ncvalues.h、ncvalue.cpp、config.h加载到工程中。3,编写程序调用这些文件中包含的库函数从而实现对数据的读取。

在程序中可以定义一个包含角度、方位和距离库的三维数组,将读取到的反射率因子按照仰角、方位和对应的距离库数存入已经定义的三维数组中,方便程序中回波扫描模块以及导航站预警算法模块的调用。

3,软件研发及使用效果

3.1 软件研发思路及流程

本软件分为服务器端和客户端。实时扫描软件服务器端主要实现雷达基数据读取、运算、提取参数、扫描显示和网络分发等功能。由于各个客户端都需要和服务器端进行连接获取数据,所以服务器端对电脑的要求相对高些,以便整个系统能够比较平稳的运行。软件客户端主要实现网络数据的接收、扫描显示、算法提取导航站反射率和导航站反射率监控预警等功能。软件运行的环境要求较低,一般微机都能够满足运行要求。软件工作流程如图1所示: SHAPE  \* MERGEFORMAT

检索雷达基数据

读取雷达数据信息

雷达数据分析解码

网络数据分发

绘制航线并实时扫描显示

客户端

从服务器端获取雷达数据

数据解码

整合数据并扫描显示

算法提取导航站反射率信息

导航站天气情况预警


图1 机场天气雷达回波扫描及导航站天气预警软件流程图

软件客户端接收服务器分发的数据包,解包后进行扫描显示,在显示屏幕上添加了飞机航线和导航站信息,方便客户更直观的查看到飞机航线和导航站的天气情况。客户端软件在扫描显示的同时,还通过算法计算各个导航站位置的反射率信息,通过提取各导航点的反射率信息实现对导航站天气情况的监控。通过查看导航站监控圆圈反射率色标的变化,可以让气象用户及管制员一目了然的查看导航站及航路上的天气情况。为保证程序稳定不间断运行,防止不可预料的错误出现导致程序崩溃,程序还设置了故障自动重启的功能。

3.2 软件使用效果

自主研发的机场天气雷达回波扫描及导航站天气预警软件已经在西南空管局管制部门进行长时间运行,各项功能都运行正常。

图2  机场天气雷达回波扫描及导航站天气预警软件

软件界面如图2所示,图中左边为本场120km的雷达回波信息,界面上叠加了导航点信息和双流国际机场进近区域的进出港航线。图中跟扫描半径一样长的白色射线为扫描线,在程序运行时会根据不同的方位在扫描。图片中间白色字体标示着回波扫描的基本信息,包括扫描的时间、雷达站点信息、当前扫描的仰角和方位角信息以及反射率强度色标。图片最右边标注的是导航站预警信息,每个圆代表一个导航站,圆圈的颜色代表当前导航站的回波强度,当回波超过特定的阈值时,圆圈变成红色闪烁告警,表明当前此导航站天气恶劣。

软件已经在西南空管局管制部门进行长时间运行,各项功能都运行正常。服务器软件通过读取分析即时生成的雷达原始数据,实现windows系统下的雷达实时扫描,并将读取到的数据分发到网络,供网络终端上的所有客户使用,程序稳定可靠。客户端软件通过接收服务器发送的网络数据包,解包分析后进行实时扫描显示,并通过算法计算获得导航站的回波信息,通过放大监控的方式,使管制员了解导航站的天气信息,程序可靠稳定。本软件实现了双流机场雷达扫描软件从Linux系统到Windows系统的移植,软件扫描得到的回波信息可以使管制员更直观立体地了解本场的天气情况,为航空飞行作保障。

4,总结

软件通过对雷达产生的NetCDF文件的解读,实现了回波立体信息在Windows终端的重建,并利用读取的回波信息计算出导航站的回波强度并进行预警,这极大的方便了管制用户对天气情况的及时掌握。同时,NetCDF文件的解读方法对天气雷达和航管雷达信息融合项目的开展也奠定了基础。软件已经长期稳定运行,管制用户对该软件已经形成依赖,在雷雨汛期天气时给管制用户提供了很大的帮助。在业务运行过程中,根据客户的实际需求,进行自主项目的研发,这不仅可以锻炼自己的业务水平,同时为航空气象安全运行提供了可靠保障。

参考文献

[1], 查石祥。NetCDF数据的编程式访问[J]。气象科技,200432(增刊):40-41

[2], 张林,高玉春,杨金红,杨洪平 .基于VC++平台的相控阵天气雷达NetCDF数据读取与产品显示,2010382):230-234

 

作者简介:郭忠立 1985 男 汉 河南 工程师 雷达数字信号处理

联系方式:电话 17708007470  邮箱 444181895@qq.com

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