[0001] 本申请涉及林火监管技术领域，尤其是涉及一种基于X波段双偏振相控阵雷达的林火早期识别与预警方法。

[0002] 目前，林火监测的主要手段包括卫星监测、视频监控、人工巡护、航空巡护等，近年来无人机技术迅速发展，也被应用到林火监测。

[0003] 除了以上监测手段，近年来研究发现，气象部门布设的天气雷达除了能监测降水外，也能够监测到林火回波。天气雷达探测林火于探测降水粒子的原理类似，即雷达发射的电磁波遇到因林火燃烧热力抬升的后向散射物后产生的回波。

[0004] 天气雷达虽然可以探测到林火回波，但是要实现对林火回波与降水回波的有效区分和自动提取还面临比较大的困难。目前，国内对林火的雷达研究大多基于业务布网的S波段和C波段雷达，受技术体制和探测模式限制，主要依靠对林火回波的雷达反射率特征进行识别，导致对于尺度小、强度弱或混杂在地物、弱降水等中的林火回波难以有效区分，尤其自动识别比较困难。另外，业务布网雷达间距较大，受地球曲率和雷达探测方式影响，距离雷达越远雷达探测波束越高，而林火一般位于3km以下的低空，因此较大的低空盲区可能导致林火的漏报。

[0005] 公布号为CN110596710A的专利公开了一种基于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。

[0006] 上述现有技术提供了一种利用X波段双偏雷达监测火情的方案，相对普通天气雷达，有利用X波段双偏振相控阵雷达的特点，提高林火识别准确率，但是其存在以下缺陷：其采用的X波段双偏振天气雷达为传统机械扫描体制天气雷达，存在扫描速度慢、扫描模式实时调整困难的不足；另外，方案相对简略，仅根据雷达所得回波块的回波面积即判别火情，未充分利用林火回波的空间结构特征和差分反射率ZDR等偏振参数特征，导致误报、报空几率依旧相对较高，对于早期林火这类分钟级演变事件，尤其影响预警救援等效果，因此提出一种新的技术方案。

[0018] 以下结合附图1‑10对本申请作进一步详细说明。

[0019] 本申请实施例公开一种基于X波段双偏振相控阵雷达的林火早期识别与预警方法。

[0020] 参照图1，基于X波段双偏振相控阵雷达的林火早期识别与预警方法包括：获取X波段双偏振相控阵雷达的雷达回波强度图；
过滤雷达回波强度图中的孤立杂波回波，得到一次处理数据；
识别一次处理数据，得到回波强度大于给定阈值且相互连通的回波区域，定义为
2D回波区，并从低层到高层，将2D回波单体（指一个单独区）进行垂直关联，得到3D回波区；
基于识别出的3D回波区的多个特征参数进行疑似林火判别；
基于偏振参数对判别出的疑似林火再确认判别，得到林火数据；以及，
记录林火数据的识别时间以及其他附属参数（对应区域、面积等参数），并发送林火预警信息至设定地址（网络地址）；信息可通过图形、声音、短信等方式传达。

[0021] 参照图2，本方法所述X波段双偏振相控阵雷达，其采用最新的相位控制电子扫描技术代替传统雷达的机械扫描体制，具有更快的扫描速度、更高的空间分辨率，更好的抗干扰能力。将传统气象雷达扫描时间由6分钟提升到1分钟，空间分辨率由1km提升至30米；另外，该雷达在相控阵的基础上还实现了双偏振功能，可进一步获取空间粒子的偏振参数信息，显著提升目标物的形状、尺寸、相态等识别能力；该型雷达已经逐步开始在气象部门布网建设，观测试验表明该雷达快速、精细以及多参数的探测能力有利于林火的早期监测识别和跟踪预警。

[0022] X波段相控阵雷达主要由天线阵面、GPS授时系统、信号处理机柜、空调制冷系统、雷达底座和转台六部分组成；从功能上，分为双线偏振相控阵阵列天线、伺服系统、收发单元、标定单元、波束控制与合成单元、信号处理单元、监控与显示单元和附属设备等。

[0023] 雷达的主要性能指标为：天线长1.3米，宽0.7米。增益≥36dB,峰值功率256W,最大探测距离42km，最小空间分辨率30m，俯仰覆盖范围0.9‑20.7°，最快扫描周期30秒根据上述内容，本方法基于上述新的观测设备和数据，针对林火的早期识别和预警，先对受地物干扰等影响产生的孤立杂波做滤除，减小后续回波计算量，减小干扰；再基于一次处理数据做回波识别，且在此过程中，有目的地筛选回波，而非将所得的回波带入下一流程；接着对于筛选识别出的回波区，基于多个特征参数进行疑似判别；之后，引入双偏振观测参数对林火回波进行进一步识别确认；后续，再记录时间等信息，并发送预警提示。由此可知，本方法相对现有技术，误报、空报率更低，林火识别准确率更高。

[0024] 具体的，对于孤立杂波过滤，其包括：采用噪声过滤方法对孤立杂波回波进行过滤，其方法为：对于雷达扫描平面上的每一个点，移动一个5*5的窗口，计算窗口内所有探测值为非空的点的个数N；其中，非空的百分率Pr=N/Ntotal，Ntotal代表以X为中心窗口的点数；以及，如果Pr小于设定的阈值，则认为点X为孤立点并删除。此时，删除孤立点的数据即为一次处理数据。

[0025] 对于3D回波区的识别：参照图3，阴影区域所示为识别出的3个2D回波区。从低层到高层，将2D回波单体进行垂直关联，得到3D回波区。其计算方法为：首先设定2D回波识别的强度阈值（例如：
10dBz），将第一个大于阈值的像素点设为区域增长的开始点，向其上、下、左、右4 个方向搜寻大于阈值的像素点, 直到没有与其相连的点为止；再对识别出的每一个2D回波单体进行标记，包括每一个点的坐标位置，强度等；然后将多个仰角识别出的2D回波单体进行垂直关联，实现3D回波区识别。具体方法为：从低层到高层，依次判断相邻高度的2D回波区，如果他们的质心距离小于一定阈值，或者在水平面上投影重合面积大于设定阈值，则认为这两个
2D回波在垂直方向是关联的，标记为一个3D回波区，如图4所示；并进一步计算3D回波特征参数。

[0026] 上述3D回波区的多个特征参数包括面积参数、回波强度和顶高；此时，疑似林火判别包括：A、计算识别出的3D回波区的面积参数，并判断是否超出给定阈值，如果否，则标记为非林火回波；面积参数计算示例：
对识别出的每一个3D回波区，计算每一个2D回波的格点数，再根据格点数计算回波的2D面积（相控阵雷达每个格点的空间分辨率为30*30米），将面积最大的2D区域作为面
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积参数，根据林火回波面积一般较小的特点，对于回波面积大于100km的回波区（若80，则对应约3万个格点），标记为非林火回波，否则进行下一步判断。

[0027] B、对识别出的每一个3D回波区,根据每一个2D区域的格点及其对应的回波强度值，计算该2D区域的回波强度平均值和最大值，并判断2D回波的最大值和平均值是否均小于设定阈值，如果否，则标记为非林火回波。例如：根据林火回波强度一般较弱的特点，2D回波的最大值和平均值都应该小于设定阈值（阈值=最大值为40dBz,平均值为20dBz），对于不满足条件的回波区，直接标记为非林火回波，否则进行下一步判断。

[0028] C、计算识别出的3D回波区的回波的顶高，并判断是否超出给定阈值，如果是，则标记为非林火回波。

[0029] 回波顶高(Echo Tops，简称ET)指大于给定阈值的反射率因子被探测到时以最高扫描仰角为基础的回波顶高度。计算林火回波的顶高时，例如：设置默认阈值为5dBz，对识别出的每一个3D回波区，根据最高仰角识别出的2D回波对应的仰角和位置，计算对应的高度，作为单体发展的最大高度，即顶高。雷达测量目标的高度‑距离‑仰角公式如：其中， 是目标高度， 是目标到雷达的距离， 是雷达站海拔高度， 指向目标的仰角， 为等效地球半径。

[0030] 上述三者在某一层面顺序可做互换，三者配合完成在疑似判别，得到疑似林火的数据；后续，基于此再确认判别，再确认判别基于差分反射率ZDR（即图中 ）和相关系数CC，其中，ZDR参数与目标物的尺寸、形状等相关，林火的上升气流导致大量未充分燃烧的树叶等杂物到空中，呈现出较大的ZDR值；CC代表雷达水平和垂直极化脉冲返回信号的相似度，对于形状、类型和尺寸一致性好的气象回波，CC值一般大于0.95；对于林火回波，由于其形状、尺寸变化杂乱，CC显著低于气象回波。两参数来自雷达，雷达的探测参数除反射率因子(Z)、径向速度(V)、谱宽(W)等常规参数外，还包括差分反射率(ZDR)、差分相位（ΦDP）、差分相移率(KDP)和相关系数（CC）等偏振参数。

[0031] 再确认判别包括：ZDR与回波强度数据格式类似，强度数据的每一个格点上都对应有ZDR参数。对于识别出的每一个3D回波区，根据回波强度上2D区域每一个点的位置信息，计算所有对应的差分反射率ZDR参数平均值，如果ZDR平均值大于设定阈值，则标记为次级确认数据，进行下一步判断。

[0032] 对于识别出的每一个3D回波区，根据回波强度上2D区域每一个点的位置信息，计算对应的所有点的相关系数CC产品的平均值，如果CC平均值低于设定阈值，则标记为林火回波。

[0033] 根据上述识别出林火后，除了做上述林火预警外，还可根据相控阵雷达每个扫描周期识别出的林火回波的特征参数，绘制林火区域关键雷达特征的时间序列发展演变图，以用于为判断林火的发展趋势提供支撑。如图5所示即为一次林火过程雷达最大反射率因子及(b)回波面积随时间的演变示例。

[0034] 具体应用示例：如图6所示，为国内某地区某一时间一次林火过程的雷达回波强度观测结果。雷达在11:20:24分即首次观测到林火回波，X波段相控阵雷达高时空分辨率可以精细监测到回波结构、强度及扩散演变。图7是早期林火回波的面积演变和强度演变，可以间接反映林火的发展旺盛程度。初始林火回波不足1km2 ，因此在同时刻的S波段天气雷达上（图8）未观测到林火回波。11：24S波段雷达才首次观测到林火回波，但是仅仅数个像素点，且跟晴空回波混杂在一起，极易造成漏报。图9是基于林火回波统计的偏振参数的分布及演变，ZDR主要为大的正值，且分布在较宽的区间范围，CC大部都分布在0.7以下。而同等回波强度下的降水ZDR一般位于0‑0.5左右，CC大于0.95.因此，借助偏振参数对林火可以进一步识别。图10是林火识别的结果，X波段相控阵雷达准确的识别出了林火区域，S波段雷达虽然也识别出了林火区，但是也将一些杂波和晴空回波识别成了林火回波，空报率较高。

[0035] 综上所述：本发明利用X波段相双偏振控阵雷达回波数据对林火进行识别，与传统天气雷达（6分钟一次体扫，1km空间分辨率）相比，由于其时空分辨率更高（最快30秒一次体扫，空间分辨率低至30米，常规天气雷达完成一次体扫则需要6分钟，空间分辨率1km），可以对林火回波进行更早期识别，可以获取更精细的林火回波空间结构和时间演变信息，可以反演分钟级的火情发展趋势，可为灭火指挥部门提供高密度的参考数据。

[0036] 本发明除利用林火回波强度特征信息外，首次引入双偏振观测参量差分反射率ZDR和相关系数CC对林火回波进行进一步识别确认。结果表明偏振参数可以更进一步区分气象回波和林火回波，还能够对降水于林火混合回波进行有效识别，显著提升了雷达识别林火回波的准确率，降低空报率。

[0037] 本发明理由在发现林火回波后，可实时调整雷达扫描模式，对底层林火回波进行快速加密扫描，同时利用径向速度信息反演林火区域大气风场信息，为烟尘扩散，火情发展提供进一步支撑。

[0038] 同时，本发明基于气象部门最新布设的X波段双偏振相控阵天气雷达开展林火早期识别，解决了现有业务天气雷达难以对早期林火回波准确识别的难点；通过X波段双偏振相控阵天气雷达高时空分辨率观测的特点，可以对早期面积小、强度弱、高度低的林火回波进行准确定位和精细结构识别，利用特有的偏振参数，可以进一步实现对非林火回波的剔除，显著提高林火回波识别的准确率。

[0039] 以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。