莊 庭，呂江津

(天津市濱海新區(qū)氣象局 天津300457)

新一代多普勒天氣雷達數(shù)據(jù)處理中頻域濾波技術(shù)的研究

莊 庭，呂江津

(天津市濱海新區(qū)氣象局 天津300457)

多普勒天氣雷達的基數(shù)據(jù)主要由氣象回波和地物雜波組成，地物雜波過多就會嚴重損害雷達基數(shù)據(jù)的精確性，因而多普勒氣象雷達想獲得質(zhì)量高的數(shù)據(jù)產(chǎn)品就必須抑制地物雜波。探討了如何使用頻域濾波技術(shù)提高多普勒天氣雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量的問題。

頻域濾波 時域濾波 地物雜波 自適應(yīng)高斯濾波器

反射率產(chǎn)品是目前多普勒天氣雷達應(yīng)用最普遍的產(chǎn)品之一，超折射回波、地物雜波和大面積距離重合是雷達反射率產(chǎn)品的主要影響因素。對于多普勒天氣雷達來說，地物回波一般是指雷達 0.5,°仰角運轉(zhuǎn)時探測到的山脈和建筑物等非氣象固定目標。超折射現(xiàn)象一般發(fā)生于一些特殊的氣象條件，如：大氣層存在逆溫并且濕度隨高度遞減、濕度隨高度銳減等情況，大氣折射把雷達波束的傳播彎曲到地面，這時就會在雷達反射率產(chǎn)品中產(chǎn)生超折射回波。當出現(xiàn)超折射現(xiàn)象時，在雷達反射率產(chǎn)品中表現(xiàn)出來的是地物雜波存在區(qū)域大了許多，同時雷達回波的反射率強度也大大增強。因此，當某個地區(qū)的地物雜波和氣象回波混雜在一起的時候，將使雷達反射率產(chǎn)品在該地區(qū)顯示的反射率強度大大增強，嚴重影響天氣預(yù)報的準確性。

1 超折射回波的成因及抑制

大氣的溫、壓、濕等氣象因素隨著高度的增加會出現(xiàn)不同程度的改變。這些因子都是影響電磁波在大氣中傳播狀態(tài)的主要因素，會導(dǎo)致折射指數(shù)因高度變化而出現(xiàn)變化，使雷達脈沖波向上發(fā)射時行進過程出現(xiàn)彎曲。其情況可大致分成標準折射、臨界折射、超折射、負折射和零折射(見圖 1)。在雷達業(yè)務(wù)運行過程中，超折射現(xiàn)象是比較普遍的。

3種氣象條件容易形成超折射現(xiàn)象，并依據(jù)其進行分類：①輻射超折射；②平流超折射；③雷暴超折射。

靜止不動的地物目標是影響雷達產(chǎn)品質(zhì)量的非氣象目標雜波能量的主要來源。由于地物目標一般都是不會動的，徑向速度為零，但在尼奎斯特速度區(qū)間范圍內(nèi)，真實氣象目標的徑向速度值隨處都可能出現(xiàn)。WSR-88D雷達正是利用這一特性，將地物雜波從距離庫中濾去或?qū)⑵浣档阶畹汀?/p>

圖1 折射分類圖Fig.1 Classification of refractions

2 地物雜波的成因及抑制

和早期的天氣雷達一樣，地物雜波對于多普勒天氣雷達產(chǎn)品的污染主要表現(xiàn)為以下3個方面：①地物雜波主要影響 0.5,°仰角的產(chǎn)品；②離雷達站不遠處最容易發(fā)生地物雜波污染；③一般多普勒天氣雷達的體掃為6,min一次，如果在某一個仰角的雷達產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)地物雜波污染，則該污染在下一個6,min的體掃中依然會出現(xiàn)，并且會一直存在。

使用頻域濾波方式進行地物雜波抑制，在提高雷達基數(shù)據(jù)質(zhì)量方面具有明顯的優(yōu)勢，可以在不損壞原有真實氣象回波的基礎(chǔ)上抑制住地物雜波。而時域濾波方式由于從時間信號方面處理地物雜波，所以當真實氣象回波信號里混有地物雜波時，進行濾波操作難免會損壞真實的氣象回波信號。

3 多普勒天氣雷達地物雜波時域抑制研究

早期一般都是通過時域數(shù)字濾波器來進行時域濾波處理。數(shù)字濾波器有兩種：有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器和無限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器。這兩種濾波器的濾波過程都必須疊加處理信號信息。

本文使用的實際雷達回波數(shù)據(jù)均是天津市濱海新區(qū)氣象局的多普勒天氣雷達業(yè)務(wù)運行數(shù)據(jù)，該雷達是S波段的多普勒天氣雷達，波長 λ= 10cm 。由于主要是為了分析地物雜波的抑制情況，最好選擇低仰角的雷達數(shù)據(jù)產(chǎn)品，以便于觀察。本文選擇仰角 0.5,°，多普勒天氣雷達 PRF= 1013Hz 。

圖2 晴天無濾波情況下雷達反射率圖Fig.2 Radar reflectivity in a sunny day without filtering

圖4 降水天氣無濾波情況下雷達反射率圖Fig.4 Radar reflectivity under precipitation conditions without filtering

由于地物回波的位置不隨天氣和時間變化，所以比較圖2和圖4可知，圖2中3個橢圓圈里的回波均為超折射回波。從圖 4中可以看到橢圓形的圓圈里是沒有雷達回波的，并且這 3個圈所在地方不變，只是時間不同，所以圖2中3個橢圓圈里的回波均為超折射回波。同理可得，兩個方塊圈里的回波均為地物雜波。

比較圖2和圖3可知，經(jīng)過IIR橢圓濾波器的濾波處理后，圖 3中橢圓圈里的雷達回波大小、強度與圖2差不多，說明IIR橢圓濾波器對超折射回波沒起到抑制作用。這是由于一旦氣象回波的速度為零，該氣象回波受IIR技術(shù)算法影響很大，為了使真實的氣象回波不受IIR濾波算法的破壞，國內(nèi)每個雷達站點的雷達系統(tǒng)都有一套和該雷達站附近地物環(huán)境相匹配的雜波濾波圖。IIR橢圓濾波器的濾波算法參照濾波圖，只針對參照圖里標有地物雜波的地方，如果有雷達回波就對該回波進行雜波抑制。由于在任何地方都可能出現(xiàn)超折射回波，所以無法在雷達系統(tǒng)的濾波圖中添加超折射回波的位置信息，導(dǎo)致IIR橢圓濾波器對超折射回波起不到太大作用。圖 3中方塊圈里的雷達回波大小和強度明顯弱于圖 2，這說明 IIR橢圓濾波器對于普通地物雜波還是起到了一定的抑制作用。

4 使用頻域濾波技術(shù)提高多普勒天氣雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量

目前，在新一代天氣雷達反射率數(shù)據(jù)質(zhì)量上存在的最主要問題是超折射回波。由于超折射回波的位置、區(qū)域和強度大小都不確定，現(xiàn)有的濾波技術(shù)無法對其進行有效抑制，加上氣象預(yù)報人員較難識別，對氣象預(yù)報人員充分應(yīng)用雷達反射率資料和人工影響天氣的作業(yè)效果造成了較大的影響。

為了減小超折射回波對氣象預(yù)報人員的影響，提高我國天氣雷達在信號處理方面的技術(shù)水平，北京敏視達雷達公司開發(fā)出基于頻域信號處理算法的新型濾波技術(shù)，該濾波技術(shù)可有效抑制超折射回波，對氣象回波的影響很小，同時對地物的抑制能力優(yōu)于WSR-88D(Weather Service Radar，美國新一代天氣雷達，以下簡稱88D)算法。

表 1給出了圖 5、圖 6、圖 7和圖 8中降水和晴空條件下使用自適應(yīng)高斯頻域濾波技術(shù)過濾不同類型雷達回波后的效果。

表1 對于不同種類回波使用自適應(yīng)高斯頻域濾波技術(shù)的濾波效果Tab.1 Filtering effect of different echoes when applying the self-adaption Gaussian frequency-domain filtering technique

圖5 晴空情況下無濾波多普勒雷達反射率圖Fig.5 Doppler radar reflectivity in a sunny day without filtering

圖6 晴空情況下頻域濾波后多普勒雷達反射率圖Fig.6 Doppler radar reflectivity in a sunny day with frequency domain filtering

圖7 降水情況下無濾波多普勒雷達反射率圖Fig.7 Doppler radar reflectivity under precipitation conditions without filtering

圖8 降水情況下頻域濾波后多普勒雷達反射率圖Fig.8 Doppler radar reflectivity under precipitation conditions with frequency domain filtering

從表中可以得出下面結(jié)論：①自適應(yīng)高斯頻域濾波技術(shù)抑制地物雜波的同時對真實氣象回波幾乎無影響。②當真實天氣回波被地物雜波污染后，自適應(yīng)高斯頻域濾波可以有效削弱地物雜波，同時不損壞真實天氣回波信號。③當出現(xiàn)超折射現(xiàn)象時，自適應(yīng)高斯頻域濾波對其濾波效果能達到 67,dBz。④無論氣象條件如何多變，自適應(yīng)高斯頻域濾波對地物雜波的濾波效果始終不變。

5 結(jié) 語

自適應(yīng)高斯頻域濾波器對地物雜波的濾波效果非常好，且不損壞真實天氣回波信號。在超折射回波的抑制方面，IIR橢圓濾波器對超折射回波無能為力，而自適應(yīng)高斯頻域濾波器對于超折射回波的抑制能力能達到 67,dBz。因此從濾波器的濾波性能方面，自適應(yīng)高斯頻域濾波器大大優(yōu)于 IIR橢圓濾波器的濾波效果。

使用地物雜波圖是能否有效完成 IIR橢圓濾波器濾波的關(guān)鍵，而使用自適應(yīng)高斯頻域濾波器進行濾波時，完全無需地物雜波圖，可以更好地濾除地物雜波，同時不損壞真實天氣回波信號。

［1］ 北京敏視達雷達有限公司. 中國新一代多普勒天氣雷達用戶手冊(上、中、下)[Z].

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Technical Research on Frequency Domain Filter of a New Generation Doppler Weather Radar

ZHUANG Ting，LV Jiangjin
(Metrological Bureau of Tianjin Binhai New Area，Tianjin 300457，China)

Doppler weather radar-based data is mainly composed of meteorological echoes and ground clutters，while excessive ground clutters pose serious pollution to the base data. Therefore，ground clutters have to be restrained to acquire high-quality base data. This paper discussed how to use the frequency-domain filtering technique to improve the quality of Doppler weather radar data.

frequency-domain filtering；time-domain filtering；ground clutter；adaptive Gaussian frequencydomain filter

P415.2

A

1006-8945(2014)06-0068-03

2014-05-09