[发明专利]一种风廓线雷达大气湍流能量探测系统及方法

说明书

本发明涉及大气湍流能量探测领域，尤其涉及一种风廓线雷达大气湍流能量探测系统及方法。该系统包括数字中频接收机，用于采集大气湍流雷达回波信号，将雷达回波信号进行数字化处理得到时域数据并发送到第一存储模块中；第一存储模块，用于存储数字中频接收机发送的时域数据；信号处理模块，用于对第一存储模块中的时域数据进行信号处理，生成大气湍流回波功率谱数据并发送到第二存储模块中。本发明提供了一种用于实现对大气湍流能量和摩擦速度进行观察、探测和处理的风廓线雷达大气湍流能量探测系统和方法，能实时获得数据，数据准确，精确度高，真实还原大气湍流，可应用于科研、大气观测和农业应用等多个领域。

技术领域

本发明涉及大气湍流能量探测领域，尤其涉及一种风廓线雷达大气湍流能量探测系统及方法。

背景技术

大气湍流是大气中一种不规则的随机运动，湍流每一点上的压强、速度、温度等物理特性等随机涨落。大气湍流的存在使大气中的动量、热量、水气和污染物的垂直和水平交换作用明显增强，远大于分子运动的交换强度，同时对光波、声波和电磁波在大气中的传播产生一定的干扰作用。大气湍流最常发生的3个区域是：大气底层的边界层内，对流云的云体内部，大气对流层上部的西风急流区内。

大气湍流对飞行器的飞行性能、结构载荷、飞行安全的影响很大；大气边界层中，是地气相互作用的重要过程,同时也对农业、森林和大气污染等实际应用问题起至关重要的作用；另外,近地面层湍流通量的确定还是大气环流和数值模拟等相关科研工作的重要问题。对于大气湍流的观测和研究一直是有关专业领域的重要内容，但是，当前湍流理论尚不完备，湍流观测仪器和实验手段存在局限性。

在气象观测中，用风廓线雷达探测大气湍流速度已经得到普遍应用，能够探测大气边界层、对流层等区域，得到大气湍流风场的水平风速、水平风向和垂直气流速度。风廓线雷达具有时空分辨力高、精度高等优点，是全天候无人值守探测方式。随着风廓线雷达的推广应用，获得了大量观测数据，风廓线雷达的回波功率谱中含有丰富的大气湍流信息，在此基础上，能够更加深入和精细化地研究大气湍流；其中，大气湍流能量TKE(TurbulenceKinetic Energy)和摩擦速度FV(Friction Velocity)是大气湍流研究中的重要参量，表征了湍流尺度、能量传输、随机性运动规律等大气湍流的特征，湍流能量很大时，随机性的湍流可能形成风切变，研究湍流与风切变的关系对预警风切变有一定的意义。

受实际探测技术的限制，以前对于大气湍流的这两个参量主要是在理论、实验和数值模拟研究方面有一些成果，而原有风廓线雷达的数据处理和数据产品中，还没有对大气湍流能量(TKE)和摩擦速度(FV)进行探测和处理的先例。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种风廓线雷达大气湍流能量探测系统及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种风廓线雷达大气湍流能量探测系统，包括：

数字中频接收机，用于采集大气湍流雷达回波信号，将雷达回波信号进行数字化处理得到时域数据并发送到第一存储模块中；

第一存储模块，用于存储数字中频接收机发送的时域数据；

信号处理模块，用于对第一存储模块中的时域数据进行信号处理，生成大气湍流回波功率谱数据并发送到第二存储模块中；

第二存储模块，用于存储信号处理模块发送的大气湍流回波功率谱数据；

数据处理模块，用于对第二存储模块中的大气湍流回波功率谱数据进行谱矩处理，得到多个大气风场的分量数据，将多个分量数据按获取的时间顺序进行有重叠分组，按分组的顺序处理分量数据，得到按时间顺序排列的大气湍流能量和摩擦速度并储存。