基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统的制作方法
基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及大气风场测量技术领域，特别是涉及一种基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统。
【背景技术】
[0002]现有的测风雷达利用大气遥感原理和多普勒雷达技术，获取随高度和时间变化的风速、风向信息，即风廓线数据。它能实现无球探空并具有较高的时、空分辨率，因此得到重视和推广。自1990年代起，这种测风雷达项目在美国、日本和中国得到迅速发展；应用在气象、飞行保障、海洋事业、风能勘测、大气污染监控以及国防军事等领域；测风雷达不仅提供风廓线数据，还可以根据大气物理原理导出具有重要应用价值的二次软件产品，如风切变、水平和垂直气流廓面、大气折射率结构常数等信息。但是，现有的测风雷达被设计为一个独立运行的系统；信号处理器单元担任雷达控制，信号采集和信号处理的任务；服务器担任信息产品的计算及存储、与用户终端和网络通讯的任务；用户得到的基本上都是一维的时间高度风廓线信息，即使将多部雷达的信息“拼接”和“插值”，也只生成比较粗糙的三维风场产品。为了克服这一困难，比较可行的是采用大功率激光雷达和风廓线雷达联合工作，互相弥补探测范围和环境适应性的不足。但是，大功率激光雷达的造价和维持成本过高，体积、重量和功耗过高，使得应用范围受到限制。如今，在互联网迅速发展和通讯卫星得以广泛应用的条件下，本发明提出的基于云计算的测风雷达将能提供一个全面的解决方案。
【发明内容】
[0003]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种经云计算平台来得到三维大气风场信息产品的方法及系统，用于解决现有技术中通过多部雷达的信息“拼接”和“插值来得到的三维风场信息产品不太理想、以及依靠大功率激光雷达和风廓线雷达联合工作来获取三维风场信息产品成本过高的问题。
[0004]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供以下技术方案:
[0005]一种基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统，包括:测风雷达装置，通过网络接入云计算平台，用于按照云计算平台发送的工作模式命令来获取采样信号，并按所述工作模式命令对所述采样信号进行预处理，以得到供云计算平台进行计算的输入值；云计算平台，用于按所接入测风雷达装置的请求来获取其配置信息和状态信息，并生成对应的工作模式命令，并予以输出；以及还用于对所有输入值进行时空计算处理，以生成对应的三维风场信息产品。
[0006]作为上述基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统的优选方案，所述云计算平台中还包括一质量控制单元，用于根据云计算平台对输入值的计算结果来修正用于控制测风雷达装置的工作模式命令。因为，是云计算规定的工作模式命令可以优化相控阵天线的工作模式，可对影响计算结果敏感的空域加密采样，还可以增加敏感空域的信号处理时间，相应缩短非敏感空域的信号处理时间，既达到提高信噪比，又缩减计算开销和硬件配置、减少雷达能耗的目的。
[0007]作为上述基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统的优选方案，所述云计算平台还用于将多个相关联的接入云计算平台的测风雷达装置发送来的输入值形成一大数据，并将其中任一接入测风雷达装置发送来的输入值融入所述大数据后再对所述输入值进行时空计算处理，以得到三维大气风场信息产品。将本地采集的数据融入云上的大数据后再进行时空相关处理，提高了输入数据的质量和三维风场数据结果的置信度；同时，云计算资源共享和云端控制可以优化相控阵天线的工作模式和信号处理能力，达到提高雷达运行的时效性，缩减硬件配置、减少雷达能耗的目的。网络上运行的测风雷达数目由二部到几十部。雷达类型可以是边界层和对流层二种，可以一种类型组网，也可以混合组网。
[0008]作为上述基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统的优选方案，所述测风雷达装置包括:相控阵天线单元；通讯接口单元，供所述测风雷达装置通过网络接入所述云计算平台；雷达信号发射单元，用于将生成的微波信号按工作模式命令规定的方式经由所述相控阵天线单元予以发射出去；雷达信号接收单元，用于接收所述微波信号反射回来的回波信号，并对其进行放大、A/D转换、检波及鉴相处理后转换成一组IQ信号；信号处理单元，用于对IQ信号进行FFT谱分析计算，以得到供云计算平台计算的输入值。
[0009]作为上述基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统及其优选方案的进一步优化，所述云计算平台所获取的配置信息包括位置信息、发射功率信息、相控阵天线波束的空间分布、雷达的测量精度；所获取的状态信息为测风雷达装置的运行状态和待机状态。
[0010]作为上述基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统及其优选方案的进一步优化，所述云计算平台所生成的工作模式命令包括测风雷达装置中相控阵天线的扫描方式、信号处理单元的工作参数以及数据预处理任务。
[0011]作为上述基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统及其优选方案的进一步优化，所述输入值为功率谱数据参数，所述功率谱参数由对所述IQ信进行FFT计算得到的对应测风雷达装置在每一个波束方向上的各个距离门处的风速分量、回波信号功率、速度谱宽、信噪比四种功率谱参数、并连同所述测风雷达装置波束方向、距离门和采样时间参数构成。
[0012]综上所述，本发明至少具有以下有益效果:本发明将线下的分布在不同区域的多部测风雷达装置通过网络来接入云计算平台，然后利用云计算平台来根据线下测风雷达装置的计算请求来为其配置相应的工作模式和工作参数，进而得到供进行三维风场信息产品计算的输入值，即功率谱数据参数；然后，云计算平台根据功率谱数据参数来进行计算，进而得到所需的三维风场信息产品，相对于现有技术中依靠雷达装置自身固定的工作参数来获取回波信号的方式，本发明更加灵活而且不用考虑地域和环境等因素，效率还更高，而且云计算平台可以同时连接多台线下的测风雷达装置，这相对现有技术中每台雷达装置都配备有单独的数据处理设备来说，能够大大降低设备成本。
【附图说明】
[0013]图1显示为本发明提供的基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统的原理图。
[0014]图2为本发明中测风雷达装置的原理示意图。
[0015]附图标号说明
[0016]10测风雷达装置
[0017]101相控阵天线单元
[0018]102雷达信号发射单元
[0019]103雷达信号接收单元
[0020]104信号处理单元
[0021]105通讯接口单元
[0022]20云计算平台
【具体实施方式】
[0023]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0024]需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0025]在本实施例中将提供一种基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统，请参考图1，示出了本发明提供的一种基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统的原理图，如图所示，该系统包括:测风雷达装置10，通过网络接入云计算平台20，用于按照云计算平台20发送的工作模式命令来获取采样信号和对采样信号进行预处理，以得到供云计算平台20进行计算的输入值；云计算平台20，用于按所接入测风雷达装置10的请求来获取其配置信息和状态信息，并生成对应的工作模式命令，并予以输出；以及还用于对所有输入值进行时空计算处理，以生成对应的三维风场信息产品。
[0026]通过本发明提供的系统，可以将本地采集的数据(即输入值)融入云计算平台20中，以形成大数据，并通过该大数据来提高三维风场数据结果的置信度；同时，实现了云计算资源共享和云端控制，通过发送工作模式命令来优化接入测风雷达装置10的工作模式和信号处理能力，以达到提高雷达运行的时效性、缩减硬件配置、减少雷达能耗的目的。
[0027]具体地，请参考图2，在本发明提供的测风雷达装置10中，配置有雷达信号发射单元102、雷达信号接收单元103、相控阵天线单元101、信号处理单元104和通讯接口单元105，其中，相控阵天线单元101分别连接于雷达信号发射单元102和雷达信号接收单元103，信号处理单元104也分别连接于雷达信号发射单元102和雷达信号接收单元103，通讯接口单元105连接于信号处理单元104。雷达信号发射单元102周期性地生成一串脉冲调制的微波信号，经相控阵天线单元101传输到大气中去，每一个脉冲都会在传输路径上被大气反射，有很小的一部分电磁能量返回到相控阵天线单元101 口面，这部分电磁能量被称为回波信号。由此可以，沿电磁波传输路径的距离由近到远，回波信号到达相控阵天线单元101 口面的时间则由先到后，形成时间序列信号，由于大气的运动，时间序列信号除了有功率大小的变动还会有多普勒频偏，因此时间序列信号是一组以时间和距离为参量的风矢量矩阵；另外，雷达信号接收单元103的功能则是对时间序列信号进行放大、A/D转换、检波、鉴相，进而把时间序列信号转换成一组适合进行FFT谱分析的IQ(in_phase qua drature)信号，并输送到信号处理单元104去完成谱分析计算；相控阵天线单元101是由电控移相器阵列组成一个二维阵列，移相器之间的相位差和信号功率权重的分配方案决定雷达发射和接收波束的方向和形状，由FFT计算出的多普勒功率谱数据可导出雷达在每一个波束方向上的各个距离门处的风速分量、回波信号功率、速度谱宽、信噪比等四种功率谱参数，这四种功率谱参数连同波束方向、距离门和采样时间参数共同构成三维空间风矢量数据阵列计算的输入值，三维空间风矢量数据阵列计算在云计算平台20上进行(下文将详细说明)，三维空间风矢量数据阵列计算模式有二大类:为发布给公众使用的模式和为不同用户要求专门开发的模式。
[0028]概括地来讲，在上述测风雷达装置10中，通讯接口单元105用于供测风雷达装置10接入云计算平台20 ;雷达信号发射单元102，用于将生成的微波信号按工作模式命令规定的方式经由相控阵天线单元101予以发射出去；雷达信号接收单元103，用于接收对应微波信号的回波信号，并对其进行放大、A/D转换、检波及鉴相处理后转换成一组IQ信号；信号处理单元104，用于对IQ信号进行FFT谱分析计算，以得到供云计算平台20计算的功率谱参数。进一步地来讲，所述通讯接口单元105具有把云上的雷达工作模式命令(包括控制命令和参数命令)解释为本地雷达可接受和可执行的命令的功能，解决云计算对不同型号雷达的兼容性问题。
[0029]再具体地，本发明提供的云计算平台20，通过上述的通讯接口单元105获取所有接入云端运行的测风雷达的配置信息和状态信息，其中配置信息包括:位置信息(例如测风雷达装置10所在的经玮度坐标)、发射功率信息、相控阵天线波束的空间分布、雷达的测量精度；而状态信息为测风雷达装置10当前的工作状态，包括运行状态和待机状态。再结合根据三维风场矢量矩阵计算的边界条件来制定不同位置的雷达的相控阵天线的扫描方式、信号处理器的工作参数、数据预处理任务，也即生成一供控制测风雷达装置10的工作模式命令，工作模式命令包括上述雷达的相控阵天线的扫描方式、信号处理器的工作参数、数据预处理任务。当然，如前面所述一样，测风雷达装置10将按云计算平台20的规定来采集信息，再对采集信息进行预处理以后发送到云计算平台20中去，最终计算出测风雷达装置10所覆盖区域的三维大气风场信息产品(例如，三维流线、二维廓面、切变识别、垂直气流还是水平气流显示、以及三维风矢量的空间和时间分辨率、精度等描述大气运动特征的产品)，以供用户使用。
[0030]进一步地，本发明提供的接入云计算平台20中的多部测风雷达装置10所采样的输入值包含着一个区域的风场的时空相关性，有利于在三维空间上计算背景风场、识别各种扰动和消除各种非风场信号、提高信噪比。因此，可以将接入云计算平台20中的多部测风雷达装置10采集的输入值构成一大数据，并将其中任一测风雷达装置10的输入值融入该大数据中，然后再进行时空计算处理，以此来提高输入值的质量和三维风场信息产品结果的置信度。
[0031]更加详细地来讲，发送至云计算平台20中的输入值可以是功率谱数据，即对时间序列信号进行预处理后生成的为功率谱数据，然后云计算平台20对功率谱数据做谱参数数据的时空计算处理，即可获得主导风、气旋和垂直气流数据。为了提高谱参数数据的质量和置信度，那么可以将某一发送来的功率谱数据融入到其它功率谱数据形成的大数据中，并从中进行筛选出供进行时空计算处理的功率谱数据。例如，由某一测风雷达装置10输入的功率谱数据明显和与该测风雷达装置10相关的其它测风雷达装置10所输入的功率谱数据不同，那么这时通过上述融入大数据的方法即可从该大数据中筛选出一在该功率谱数据正常范围内的相关值来代替。不过应当理解，上面所讲的大数据是多个相关联的测风雷达装置10所有发送至云平台的输入值的结合。
[0032]更进一步地，本发明提供的云计算平台20中，还可以根据云计算平台20对输入值的计算结果来修正用于控制测风雷达装置10的工作模式命令，具体地，可以对某一接入云平台的测风雷达装置10的输入值的计算结果求偏离值和方差值，并根据该偏离值和方差值来修正对应该测风雷达装置10的工作模式命令。这样可以优化测风雷达装置10中相控阵天线的工作模式，例如可以实现对影响计算结果敏感的空域加密采样，以及还可以增加敏感空域的信号处理时间，进而相应缩短了非敏感空域的信号处理时间，从而达到提高信噪比、缩减计算开销和硬件配置、以及减少雷达能耗的目的。
[0033]综上所述，本发明将测风雷达装置10获取的回波信号进行处理后上传至云计算平台20中去处理，从而缩减计算开销和硬件配置、减少雷达能耗；另外，还可以通过云计算平台20对来测风雷达装置10进行控制，相对现有技术中测风雷达装置10的各参数都是出厂时配置好的，且同型号的雷达的工作参数都一样，不因现场天气状况和数据质量而调整，也不兼备调整参数的依据的情况，本发明则更加灵活，能够对雷达的工作模式进行优化和配置，而且还可以根据云计算的结果来进一步优化对雷达的控制；而且，由云计算要求规定每一部相控阵天线的工作模式，可对影响计算结果敏感的空域加密采样，提高敏感空域的空间分辨率，还可以增加敏感空域的信号处理时间，相应缩短非敏感空域的信号处理时间，还能达到提高信噪比的目的。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0034]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【主权项】
1.一种基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统，其特征在于，包括: 测风雷达装置，通过网络接入云计算平台，用于按照云计算平台发送的工作模式命令来获取采样信号，并按所述工作模式命令对所述采样信号进行预处理，以得到供云计算平台进行计算的输入值； 云计算平台，用于按所接入测风雷达装置的请求来获取其配置信息和状态信息，并生成对应的工作模式命令，并予以输出；以及还用于对所有输入值进行时空计算处理，以生成对应的三维风场信息产品。2.根据权利要求1所述的基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统，其特征在于，所述云计算平台中还包括: 一质量控制单元，用于根据云计算平台对输入值的计算结果来修正用于控制测风雷达装置的工作模式命令。3.根据权利要求1所述的基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统，其特征在于，所述云计算平台还用于: 将多个相关联的接入云计算平台的测风雷达装置发送来的输入值形成一大数据，并将其中任一接入测风雷达装置发送来的输入值融入所述大数据后再对所述输入值进行时空计算处理，以得到三维大气风场信息产品。4.根据权利要求1所述的基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统，其特征在于，所述测风雷达装置包括: 相控阵天线单元； 通讯接口单元，供所述测风雷达装置通过网络接入所述云计算平台； 雷达信号发射单元，用于将生成的微波信号按工作模式命令规定的方式经由所述相控阵天线单元予以发射出去； 雷达信号接收单元，用于接收所述微波信号反射回来的回波信号，并对其进行放大、A/D转换、检波及鉴相处理后转换成一组IQ信号； 信号处理单元，用于对IQ信号进行FFT谱分析计算，以得到供云计算平台计算的输入值。5.根据权利要求1-4任一项所述的基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统，其特征在于，所述云计算平台所获取的配置信息包括位置信息、发射功率信息、相控阵天线波束的空间分布、雷达的测量精度；所获取的状态信息为测风雷达装置的运行状态和待机状态。6.根据权利要求1-4任一项所述的基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统，其特征在于，所述云计算平台所生成的工作模式命令包括测风雷达装置中相控阵天线的扫描方式、信号处理单元的工作参数以及数据预处理任务。7.根据权利要求1-4任一项所述的基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统，其特征在于，所述输入值为功率谱数据参数，所述功率谱参数由对所述IQ信进行FFT计算得到的对应测风雷达装置在每一个波束方向上的各个距离门处的风速分量、回波信号功率、速度谱宽、信噪比四种功率谱参数、并连同所述测风雷达装置波束方向、距离门和采样时间参数构成。8.根据权利要求1-4任一项所述的基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统，其特征在于，接入云计算平台的所述测风雷达类型包括边界层和对流层，且接入云计算平台的多个所述测风雷达为相同类型组网或者混合类型组网。
【专利摘要】本发明提供一种基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统，应用于大气风场测量技术领域，通过将测风雷达装置接入云计算平台中，云计算平台根据所接入的每部测风雷达装置的情况来进行相关的工作模式配置，进而来获取大气风场的采样数据，之后再将采样数据统一上传至云计算平台进行计算，进而得到三维大气风场信息产品以供用户读取和查询。本发明将本地采集的数据融入云计算平台上的大数据后再进行时空相关处理，提高了输入数据的质量和三维风场数据结果的置信度，同时克服了现有技术中通过单个雷达来进行风场测量的局限性，大大提高了雷达运行的时效性，缩减了硬件配置，同时还减少了雷达能耗。
【IPC分类】G01S13/95
【公开号】CN104898122
【申请号】CN201510340105
【发明人】周卫平, 张晓伟
【申请人】周卫平
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月18日
【技术领域】
[0001]本发明涉及大气风场测量技术领域，特别是涉及一种基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统。
【背景技术】
[0002]现有的测风雷达利用大气遥感原理和多普勒雷达技术，获取随高度和时间变化的风速、风向信息，即风廓线数据。它能实现无球探空并具有较高的时、空分辨率，因此得到重视和推广。自1990年代起，这种测风雷达项目在美国、日本和中国得到迅速发展；应用在气象、飞行保障、海洋事业、风能勘测、大气污染监控以及国防军事等领域；测风雷达不仅提供风廓线数据，还可以根据大气物理原理导出具有重要应用价值的二次软件产品，如风切变、水平和垂直气流廓面、大气折射率结构常数等信息。但是，现有的测风雷达被设计为一个独立运行的系统；信号处理器单元担任雷达控制，信号采集和信号处理的任务；服务器担任信息产品的计算及存储、与用户终端和网络通讯的任务；用户得到的基本上都是一维的时间高度风廓线信息，即使将多部雷达的信息“拼接”和“插值”，也只生成比较粗糙的三维风场产品。为了克服这一困难，比较可行的是采用大功率激光雷达和风廓线雷达联合工作，互相弥补探测范围和环境适应性的不足。但是，大功率激光雷达的造价和维持成本过高，体积、重量和功耗过高，使得应用范围受到限制。如今，在互联网迅速发展和通讯卫星得以广泛应用的条件下，本发明提出的基于云计算的测风雷达将能提供一个全面的解决方案。
【发明内容】
[0003]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种经云计算平台来得到三维大气风场信息产品的方法及系统，用于解决现有技术中通过多部雷达的信息“拼接”和“插值来得到的三维风场信息产品不太理想、以及依靠大功率激光雷达和风廓线雷达联合工作来获取三维风场信息产品成本过高的问题。
[0004]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供以下技术方案:
[0005]一种基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统，包括:测风雷达装置，通过网络接入云计算平台，用于按照云计算平台发送的工作模式命令来获取采样信号，并按所述工作模式命令对所述采样信号进行预处理，以得到供云计算平台进行计算的输入值；云计算平台，用于按所接入测风雷达装置的请求来获取其配置信息和状态信息，并生成对应的工作模式命令，并予以输出；以及还用于对所有输入值进行时空计算处理，以生成对应的三维风场信息产品。
[0006]作为上述基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统的优选方案，所述云计算平台中还包括一质量控制单元，用于根据云计算平台对输入值的计算结果来修正用于控制测风雷达装置的工作模式命令。因为，是云计算规定的工作模式命令可以优化相控阵天线的工作模式，可对影响计算结果敏感的空域加密采样，还可以增加敏感空域的信号处理时间，相应缩短非敏感空域的信号处理时间，既达到提高信噪比，又缩减计算开销和硬件配置、减少雷达能耗的目的。
[0007]作为上述基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统的优选方案，所述云计算平台还用于将多个相关联的接入云计算平台的测风雷达装置发送来的输入值形成一大数据，并将其中任一接入测风雷达装置发送来的输入值融入所述大数据后再对所述输入值进行时空计算处理，以得到三维大气风场信息产品。将本地采集的数据融入云上的大数据后再进行时空相关处理，提高了输入数据的质量和三维风场数据结果的置信度；同时，云计算资源共享和云端控制可以优化相控阵天线的工作模式和信号处理能力，达到提高雷达运行的时效性，缩减硬件配置、减少雷达能耗的目的。网络上运行的测风雷达数目由二部到几十部。雷达类型可以是边界层和对流层二种，可以一种类型组网，也可以混合组网。
[0008]作为上述基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统的优选方案，所述测风雷达装置包括:相控阵天线单元；通讯接口单元，供所述测风雷达装置通过网络接入所述云计算平台；雷达信号发射单元，用于将生成的微波信号按工作模式命令规定的方式经由所述相控阵天线单元予以发射出去；雷达信号接收单元，用于接收所述微波信号反射回来的回波信号，并对其进行放大、A/D转换、检波及鉴相处理后转换成一组IQ信号；信号处理单元，用于对IQ信号进行FFT谱分析计算，以得到供云计算平台计算的输入值。
[0009]作为上述基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统及其优选方案的进一步优化，所述云计算平台所获取的配置信息包括位置信息、发射功率信息、相控阵天线波束的空间分布、雷达的测量精度；所获取的状态信息为测风雷达装置的运行状态和待机状态。
[0010]作为上述基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统及其优选方案的进一步优化，所述云计算平台所生成的工作模式命令包括测风雷达装置中相控阵天线的扫描方式、信号处理单元的工作参数以及数据预处理任务。
[0011]作为上述基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统及其优选方案的进一步优化，所述输入值为功率谱数据参数，所述功率谱参数由对所述IQ信进行FFT计算得到的对应测风雷达装置在每一个波束方向上的各个距离门处的风速分量、回波信号功率、速度谱宽、信噪比四种功率谱参数、并连同所述测风雷达装置波束方向、距离门和采样时间参数构成。
[0012]综上所述，本发明至少具有以下有益效果:本发明将线下的分布在不同区域的多部测风雷达装置通过网络来接入云计算平台，然后利用云计算平台来根据线下测风雷达装置的计算请求来为其配置相应的工作模式和工作参数，进而得到供进行三维风场信息产品计算的输入值，即功率谱数据参数；然后，云计算平台根据功率谱数据参数来进行计算，进而得到所需的三维风场信息产品，相对于现有技术中依靠雷达装置自身固定的工作参数来获取回波信号的方式，本发明更加灵活而且不用考虑地域和环境等因素，效率还更高，而且云计算平台可以同时连接多台线下的测风雷达装置，这相对现有技术中每台雷达装置都配备有单独的数据处理设备来说，能够大大降低设备成本。
【附图说明】
[0013]图1显示为本发明提供的基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统的原理图。
[0014]图2为本发明中测风雷达装置的原理示意图。
[0015]附图标号说明
[0016]10测风雷达装置
[0017]101相控阵天线单元
[0018]102雷达信号发射单元
[0019]103雷达信号接收单元
[0020]104信号处理单元
[0021]105通讯接口单元
[0022]20云计算平台
【具体实施方式】
[0023]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0024]需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0025]在本实施例中将提供一种基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统，请参考图1，示出了本发明提供的一种基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统的原理图，如图所示，该系统包括:测风雷达装置10，通过网络接入云计算平台20，用于按照云计算平台20发送的工作模式命令来获取采样信号和对采样信号进行预处理，以得到供云计算平台20进行计算的输入值；云计算平台20，用于按所接入测风雷达装置10的请求来获取其配置信息和状态信息，并生成对应的工作模式命令，并予以输出；以及还用于对所有输入值进行时空计算处理，以生成对应的三维风场信息产品。
[0026]通过本发明提供的系统，可以将本地采集的数据(即输入值)融入云计算平台20中，以形成大数据，并通过该大数据来提高三维风场数据结果的置信度；同时，实现了云计算资源共享和云端控制，通过发送工作模式命令来优化接入测风雷达装置10的工作模式和信号处理能力，以达到提高雷达运行的时效性、缩减硬件配置、减少雷达能耗的目的。
[0027]具体地，请参考图2，在本发明提供的测风雷达装置10中，配置有雷达信号发射单元102、雷达信号接收单元103、相控阵天线单元101、信号处理单元104和通讯接口单元105，其中，相控阵天线单元101分别连接于雷达信号发射单元102和雷达信号接收单元103，信号处理单元104也分别连接于雷达信号发射单元102和雷达信号接收单元103，通讯接口单元105连接于信号处理单元104。雷达信号发射单元102周期性地生成一串脉冲调制的微波信号，经相控阵天线单元101传输到大气中去，每一个脉冲都会在传输路径上被大气反射，有很小的一部分电磁能量返回到相控阵天线单元101 口面，这部分电磁能量被称为回波信号。由此可以，沿电磁波传输路径的距离由近到远，回波信号到达相控阵天线单元101 口面的时间则由先到后，形成时间序列信号，由于大气的运动，时间序列信号除了有功率大小的变动还会有多普勒频偏，因此时间序列信号是一组以时间和距离为参量的风矢量矩阵；另外，雷达信号接收单元103的功能则是对时间序列信号进行放大、A/D转换、检波、鉴相，进而把时间序列信号转换成一组适合进行FFT谱分析的IQ(in_phase qua drature)信号，并输送到信号处理单元104去完成谱分析计算；相控阵天线单元101是由电控移相器阵列组成一个二维阵列，移相器之间的相位差和信号功率权重的分配方案决定雷达发射和接收波束的方向和形状，由FFT计算出的多普勒功率谱数据可导出雷达在每一个波束方向上的各个距离门处的风速分量、回波信号功率、速度谱宽、信噪比等四种功率谱参数，这四种功率谱参数连同波束方向、距离门和采样时间参数共同构成三维空间风矢量数据阵列计算的输入值，三维空间风矢量数据阵列计算在云计算平台20上进行(下文将详细说明)，三维空间风矢量数据阵列计算模式有二大类:为发布给公众使用的模式和为不同用户要求专门开发的模式。
[0028]概括地来讲，在上述测风雷达装置10中，通讯接口单元105用于供测风雷达装置10接入云计算平台20 ;雷达信号发射单元102，用于将生成的微波信号按工作模式命令规定的方式经由相控阵天线单元101予以发射出去；雷达信号接收单元103，用于接收对应微波信号的回波信号，并对其进行放大、A/D转换、检波及鉴相处理后转换成一组IQ信号；信号处理单元104，用于对IQ信号进行FFT谱分析计算，以得到供云计算平台20计算的功率谱参数。进一步地来讲，所述通讯接口单元105具有把云上的雷达工作模式命令(包括控制命令和参数命令)解释为本地雷达可接受和可执行的命令的功能，解决云计算对不同型号雷达的兼容性问题。
[0029]再具体地，本发明提供的云计算平台20，通过上述的通讯接口单元105获取所有接入云端运行的测风雷达的配置信息和状态信息，其中配置信息包括:位置信息(例如测风雷达装置10所在的经玮度坐标)、发射功率信息、相控阵天线波束的空间分布、雷达的测量精度；而状态信息为测风雷达装置10当前的工作状态，包括运行状态和待机状态。再结合根据三维风场矢量矩阵计算的边界条件来制定不同位置的雷达的相控阵天线的扫描方式、信号处理器的工作参数、数据预处理任务，也即生成一供控制测风雷达装置10的工作模式命令，工作模式命令包括上述雷达的相控阵天线的扫描方式、信号处理器的工作参数、数据预处理任务。当然，如前面所述一样，测风雷达装置10将按云计算平台20的规定来采集信息，再对采集信息进行预处理以后发送到云计算平台20中去，最终计算出测风雷达装置10所覆盖区域的三维大气风场信息产品(例如，三维流线、二维廓面、切变识别、垂直气流还是水平气流显示、以及三维风矢量的空间和时间分辨率、精度等描述大气运动特征的产品)，以供用户使用。
[0030]进一步地，本发明提供的接入云计算平台20中的多部测风雷达装置10所采样的输入值包含着一个区域的风场的时空相关性，有利于在三维空间上计算背景风场、识别各种扰动和消除各种非风场信号、提高信噪比。因此，可以将接入云计算平台20中的多部测风雷达装置10采集的输入值构成一大数据，并将其中任一测风雷达装置10的输入值融入该大数据中，然后再进行时空计算处理，以此来提高输入值的质量和三维风场信息产品结果的置信度。
[0031]更加详细地来讲，发送至云计算平台20中的输入值可以是功率谱数据，即对时间序列信号进行预处理后生成的为功率谱数据，然后云计算平台20对功率谱数据做谱参数数据的时空计算处理，即可获得主导风、气旋和垂直气流数据。为了提高谱参数数据的质量和置信度，那么可以将某一发送来的功率谱数据融入到其它功率谱数据形成的大数据中，并从中进行筛选出供进行时空计算处理的功率谱数据。例如，由某一测风雷达装置10输入的功率谱数据明显和与该测风雷达装置10相关的其它测风雷达装置10所输入的功率谱数据不同，那么这时通过上述融入大数据的方法即可从该大数据中筛选出一在该功率谱数据正常范围内的相关值来代替。不过应当理解，上面所讲的大数据是多个相关联的测风雷达装置10所有发送至云平台的输入值的结合。
[0032]更进一步地，本发明提供的云计算平台20中，还可以根据云计算平台20对输入值的计算结果来修正用于控制测风雷达装置10的工作模式命令，具体地，可以对某一接入云平台的测风雷达装置10的输入值的计算结果求偏离值和方差值，并根据该偏离值和方差值来修正对应该测风雷达装置10的工作模式命令。这样可以优化测风雷达装置10中相控阵天线的工作模式，例如可以实现对影响计算结果敏感的空域加密采样，以及还可以增加敏感空域的信号处理时间，进而相应缩短了非敏感空域的信号处理时间，从而达到提高信噪比、缩减计算开销和硬件配置、以及减少雷达能耗的目的。
[0033]综上所述，本发明将测风雷达装置10获取的回波信号进行处理后上传至云计算平台20中去处理，从而缩减计算开销和硬件配置、减少雷达能耗；另外，还可以通过云计算平台20对来测风雷达装置10进行控制，相对现有技术中测风雷达装置10的各参数都是出厂时配置好的，且同型号的雷达的工作参数都一样，不因现场天气状况和数据质量而调整，也不兼备调整参数的依据的情况，本发明则更加灵活，能够对雷达的工作模式进行优化和配置，而且还可以根据云计算的结果来进一步优化对雷达的控制；而且，由云计算要求规定每一部相控阵天线的工作模式，可对影响计算结果敏感的空域加密采样，提高敏感空域的空间分辨率，还可以增加敏感空域的信号处理时间，相应缩短非敏感空域的信号处理时间，还能达到提高信噪比的目的。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0034]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【主权项】
1.一种基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统，其特征在于，包括: 测风雷达装置，通过网络接入云计算平台，用于按照云计算平台发送的工作模式命令来获取采样信号，并按所述工作模式命令对所述采样信号进行预处理，以得到供云计算平台进行计算的输入值； 云计算平台，用于按所接入测风雷达装置的请求来获取其配置信息和状态信息，并生成对应的工作模式命令，并予以输出；以及还用于对所有输入值进行时空计算处理，以生成对应的三维风场信息产品。2.根据权利要求1所述的基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统，其特征在于，所述云计算平台中还包括: 一质量控制单元，用于根据云计算平台对输入值的计算结果来修正用于控制测风雷达装置的工作模式命令。3.根据权利要求1所述的基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统，其特征在于，所述云计算平台还用于: 将多个相关联的接入云计算平台的测风雷达装置发送来的输入值形成一大数据，并将其中任一接入测风雷达装置发送来的输入值融入所述大数据后再对所述输入值进行时空计算处理，以得到三维大气风场信息产品。4.根据权利要求1所述的基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统，其特征在于，所述测风雷达装置包括: 相控阵天线单元； 通讯接口单元，供所述测风雷达装置通过网络接入所述云计算平台； 雷达信号发射单元，用于将生成的微波信号按工作模式命令规定的方式经由所述相控阵天线单元予以发射出去； 雷达信号接收单元，用于接收所述微波信号反射回来的回波信号，并对其进行放大、A/D转换、检波及鉴相处理后转换成一组IQ信号； 信号处理单元，用于对IQ信号进行FFT谱分析计算，以得到供云计算平台计算的输入值。5.根据权利要求1-4任一项所述的基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统，其特征在于，所述云计算平台所获取的配置信息包括位置信息、发射功率信息、相控阵天线波束的空间分布、雷达的测量精度；所获取的状态信息为测风雷达装置的运行状态和待机状态。6.根据权利要求1-4任一项所述的基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统，其特征在于，所述云计算平台所生成的工作模式命令包括测风雷达装置中相控阵天线的扫描方式、信号处理单元的工作参数以及数据预处理任务。7.根据权利要求1-4任一项所述的基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统，其特征在于，所述输入值为功率谱数据参数，所述功率谱参数由对所述IQ信进行FFT计算得到的对应测风雷达装置在每一个波束方向上的各个距离门处的风速分量、回波信号功率、速度谱宽、信噪比四种功率谱参数、并连同所述测风雷达装置波束方向、距离门和采样时间参数构成。8.根据权利要求1-4任一项所述的基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统，其特征在于，接入云计算平台的所述测风雷达类型包括边界层和对流层，且接入云计算平台的多个所述测风雷达为相同类型组网或者混合类型组网。
【专利摘要】本发明提供一种基于云计算平台来得到三维大气风场信息产品的系统，应用于大气风场测量技术领域，通过将测风雷达装置接入云计算平台中，云计算平台根据所接入的每部测风雷达装置的情况来进行相关的工作模式配置，进而来获取大气风场的采样数据，之后再将采样数据统一上传至云计算平台进行计算，进而得到三维大气风场信息产品以供用户读取和查询。本发明将本地采集的数据融入云计算平台上的大数据后再进行时空相关处理，提高了输入数据的质量和三维风场数据结果的置信度，同时克服了现有技术中通过单个雷达来进行风场测量的局限性，大大提高了雷达运行的时效性，缩减了硬件配置，同时还减少了雷达能耗。
【IPC分类】G01S13/95
【公开号】CN104898122
【申请号】CN201510340105
【发明人】周卫平, 张晓伟
【申请人】周卫平
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月18日
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