(解放軍理工大學氣象海洋學院,江蘇南京211101)

0 引言

多普勒天氣雷達可以獲取降水區(qū)域回波強度、徑向速度和速度譜寬等基數(shù)據(jù)。通過對基數(shù)據(jù)進行坐標變換和計算處理,可以得到形態(tài)特征更明顯的數(shù)據(jù)顯示產(chǎn)品和氣象意義更直觀的物理量產(chǎn)品,如任意垂直剖面顯示(VCS)、組合反射率因子顯示(CR)和等高平面位置顯示(CAPPI)、垂直累積液態(tài)含水量(VIL)等。豐富的雷達產(chǎn)品為氣象工作者預報天氣提供了重要的參考資料。然而,雷達基數(shù)據(jù)通常會受到各種噪聲(如地物雜波、超折射回波、非降水回波、雷達系統(tǒng)噪聲等)的干擾,尤其是低仰角數(shù)據(jù)。因此,為使雷達基數(shù)據(jù)及其衍生產(chǎn)品能準確地反映氣象目標信息,提高多普勒天氣雷達基數(shù)據(jù)質(zhì)量非常關鍵[1]。

根據(jù)在信號與數(shù)據(jù)處理過程中引入質(zhì)量控制方法的不同階段,目前天氣雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法的研究主要分為兩類。一類是研究使用效果更好的地雜波抑制算法來提高基數(shù)據(jù)質(zhì)量[2]。該質(zhì)量控制方法根據(jù)地物干擾與降水回波不同的信號特征,選取合適的濾波算法去除地物干擾,并盡可能不影響降水回波,但是該方法主要針對地物干擾而且抑制深度有限。另一類是應用模糊邏輯算法對基數(shù)據(jù)識別篩選[3-4]。該質(zhì)量控制方法能有效識別各種噪聲回波,但是主觀性太大,通常會將孤立的降水回波錯誤地識別為噪聲。

本文利用存儲的時域脈沖數(shù)據(jù)(即時域I/Q數(shù)據(jù))直接計算回波的基數(shù)據(jù),根據(jù)已知的降水回波和噪聲的信號特征差異,對獲取的原始基數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制。文章主要引入4個門限參數(shù),如信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)、信號質(zhì)量因子(Signal Quality Index,SQI)、雜波校正(Clutter Correction,CCOR)和天氣信號功率(Weather Signal Power,SIG),通過設置合適的參數(shù)門限得到純凈的降水回波基數(shù)據(jù)[5]。

1 信號處理算法介紹

本文使用我校S波段多普勒天氣雷達在2013年8月26日探測得到的一次強對流天氣的時域I/Q數(shù)據(jù)資料,如圖1所示,進行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制研究之前,需要對獲取的I/Q數(shù)據(jù)進行計算,以得到質(zhì)量控制研究所需的原始基數(shù)據(jù),整個計算過程主要分為兩部分:地雜波抑制和譜矩估計。

圖1 I/Q數(shù)據(jù)到基數(shù)據(jù)處理流程

1.1 地雜波抑制算法

頻域濾波是目前研究比較多且效果較好的地雜波抑制算法,本文采用“FFT(快速傅里葉變換) +凹口”頻域濾波器。因為實際工作中脈沖多普勒天氣雷達信號處理的數(shù)據(jù)是取回波信號x(n)的N點觀察數(shù)據(jù)x N(n)作為功率譜估計的采樣信號(假設N點觀察數(shù)據(jù)x N(n)是同一距離庫返回的回波信號),所以,首先對x N(n)作傅里葉變換,將時域信號變換到頻域,得到頻域幅度信號X N(ω):

然后,根據(jù)地物靜止的特點采用三點插值濾波算法,對零速度附近一定寬度內(nèi)的雜波分量進行處理,最終得到地雜波抑制后的頻域幅度信號X′N(ω)。

1.2 譜矩估計算法

譜矩估計的任務是計算回波信號的平均功率、平均速度和譜寬等信息。首先,根據(jù)地雜波抑制后的頻域幅度信號X′N(ω)估計出功率譜密度函數(shù)P(ω):

然后,根據(jù)功率譜密度函數(shù)分別計算平均功率、平均速度和速度譜寬[6]:

2 參數(shù)介紹及效果分析

采用上面介紹的信號處理算法,對0.5°仰角PPI的時域I/Q數(shù)據(jù)處理,得到與其對應的原始基數(shù)據(jù),如圖2所示,分別是回波強度PPI圖像、平均速度PPI圖像和譜寬PPI圖像,圖中顯示的最遠探測距離為150 km,相鄰距離圈間隔50 km,圖像顯示原始基數(shù)據(jù)中夾雜有大量的噪聲干擾。

圖2 未進行輸出控制的天氣雷達基數(shù)據(jù)圖像

筆者認為主要存在以下幾類噪聲:一是地物雜波和超折射地物回波,由于濾波器的地物雜波抑制深度不夠,使得數(shù)據(jù)中殘存少量的地物雜波,該類噪聲一般強度比較大;二是雷達系統(tǒng)噪聲,存在于所有距離單元中,嚴重干擾無降水回波區(qū)域,這類噪聲功率相對降水回波功率要小很多;三是失真的降水回波數(shù)據(jù),根據(jù)式(5)和噪聲在速度譜中均勻分布的特征,當降水回波信號功率較小時,噪聲影響使得譜寬估計值變大,因此通常保留信號功率足夠強的數(shù)據(jù),以保證譜寬數(shù)據(jù)準確。根據(jù)上述噪聲的信號特點,應用信噪比、雜波校正、信號質(zhì)量因子、天氣信號功率等參數(shù)對基數(shù)據(jù)進行輸出控制。

2.1 信噪比

信噪比(SNR)是用于量度接收回波信號強度的參數(shù)。相對降水回波信號,系統(tǒng)噪聲是非常弱的信號,設置合適的信噪比參數(shù)可以有效濾除這些弱干擾信號。該參數(shù)通常用對數(shù)值表示,單位為d B,默認值設置為0.5 d B。

式中:T(0)為濾波前回波信號零延遲自相關函數(shù),表示濾波前的回波信號功率;R(0)為濾波后回波信號零延遲自相關函數(shù),表示濾波后的回波信號功率;N為接收機平均噪聲功率;d BT為無抑制的回波反射率因子。由上式可知,本文要應用的信噪比,其實并不是嚴格意義上的SNR。由于時域I/Q數(shù)據(jù)中夾雜有微弱的噪聲干擾,其實際意義表示(S+N)/N。

圖3展示了設置SNR門限得到的有效反射率因子PPI圖像,與圖2(a)相比較,可以看出無回波區(qū)域的系統(tǒng)噪聲干擾大都被濾除了,但仍殘留部分較強的地物干擾,如圖3中圓框標記處,還需要采用其他參數(shù)門限進行質(zhì)量控制。

圖3設置SNR＞4 dB反射率因子的PPI圖像(當距離庫參數(shù)估計值SNR＞4 dB時,則輸出回波反射率因子數(shù)據(jù))

2.2 雜波校正

雜波校正(CCOR)是用來濾除有強雜波干擾的數(shù)據(jù)庫的參數(shù)。信號處理過程中,本文采用“FFT變換+凹口濾波”算法濾除地雜波,該方法可以剔除大部分地物雜波,但由于少量地物雜波信號帶寬較大,經(jīng)過濾波器處理后還會存在少量地物雜波。因此,通過比較各距離庫濾波前后回波信號功率的強度變化,本文導出該距離庫單元的CCOR。通常合適的CCOR值取決于雷達系統(tǒng)的相干性,默認值設置為-25 dB。其表達式為

式中,S表示降水回波信號功率,C表示地物雜波功率,SCR表示信雜比。

根據(jù)R(0)和T(0)計算雜波校正因子:

由式(9)可知,當SNR較大時,式(9)與式(8)偏差較小,說明使用R(0)和T(0)計算的CCOR估計值較為準確;但當SNR較小時,式(9)與式(8)偏差較大,該門限參數(shù)的識別效果降低。

圖4為設置CCOR門限后輸出反射率因子數(shù)據(jù)圖像的變化,比較圖4(a)、(b)發(fā)現(xiàn),引入CCOR門限可以有效識別出殘留的強地物雜波干擾,能夠彌補信號濾波算法抑制深度不足的缺陷。但是由于CCOR門限值不能太高,否則會影響有用的降水回波數(shù)據(jù),所以設置CCOR門限也不能徹底濾除識別出的地物雜波。

圖4 設置CCOR門限處理效果(兩幅圖是反射率因子PPI近雷達區(qū)域的顯示圖像,當參數(shù)估計值大于設置的門限值時輸出基數(shù)據(jù))

2.3 信號質(zhì)量因子

信號質(zhì)量因子(SQI)是一個關于信號相干性的測量參數(shù)。根據(jù)信號相干性理論,對于非相關的白噪聲信號,其自相關函數(shù)為沖擊性,即各階自相關函數(shù)中只有R(0)存在,其余都為零。對于真實的降水回波信號,其延遲一段時間后的信號理論上與其有很大的相似性。所以,根據(jù)這個性質(zhì)就可以區(qū)分噪聲回波和降水回波信號,并且相對于應用信噪比門限,應用SQI可以保留弱天氣信號,濾除高信噪比的噪聲信號。該門限默認值設置為0.5,其表達式為

基于R(1)、R(0)自相關函數(shù)的SQI計算公式:

式中,R(1)表示濾波后時域I/Q一階自相關函數(shù)。由式(11)可知SQI是自相關的歸一化幅度值。對于非相關的白噪聲信號,SQI=0;對于無噪聲零譜寬的純頻譜信號,SQI=1。因為降水回波信號滿足高斯模型,所以SQI計算公式可變換為

式中,SNR表示信噪比(線性值),w表示譜寬。當信噪比SNR很大時,SQI是一個只與譜寬有關的函數(shù);對于零譜寬的純頻譜數(shù)據(jù),SQI是一個只與信噪比SNR有關的函數(shù),例如,當w=0, SNR=1,則SQI=0.5。因為當信號譜寬較大或者信噪比較低時,多普勒速度估值精度會降低,所以通常在速度和譜寬估值中設置SQI門限,以獲取更為準確的速度信息。

圖5(a)、(b)分別是應用SNR門限和SQI門限進行輸出控制得到的速度數(shù)據(jù)圖像。通過比較兩幅圖像,很容易發(fā)現(xiàn),相對于采用SNR門限對速度數(shù)據(jù)進行輸出控制,引入SQI門限不僅能有效識別大部分的系統(tǒng)噪聲,而且從近雷達站速度數(shù)據(jù)圖像可以發(fā)現(xiàn),能夠識別大部分速度值比較大且信噪比較大的噪聲干擾。但是對于近雷達區(qū)域的很多噪聲依舊無法識別。

圖5 設置SQI門限對速度數(shù)據(jù)處理效果(兩幅圖是速度PPI近雷達區(qū)域的顯示圖像,只有當距離庫參數(shù)估計值大于設置的門限值才輸出)

2.4 天氣信號功率

天氣信號功率(SIG)用于表征天氣信號信噪比大小,通常單位用dB表示。在實際信號處理的過程中,我們發(fā)現(xiàn)回波信號功率比較小時(如降水區(qū)域邊緣的回波),處理得到的譜寬數(shù)據(jù)會出現(xiàn)很大誤差。為能夠準確地測量譜寬數(shù)據(jù),我們設置SIG門限濾除失真的譜寬數(shù)據(jù)。該門限默認值設置為5 dB,其表達式為

該式表示濾除雜波后的天氣信號功率(這個功率值是個相對值,是相對于平均噪聲電平而言的)。

圖6(a)、(b)展示了應用SIG門限對譜寬數(shù)據(jù)的處理效果,比較兩幅圖像可以發(fā)現(xiàn),應用SIG門限可以識別處于降水回波邊緣的失真譜寬數(shù)據(jù),譜寬數(shù)據(jù)更加可信。

圖6 設置SIG門限對譜寬數(shù)據(jù)處理效果對比(兩幅圖是譜寬PPI方位270°距離90 km附近的顯示圖像,只有當距離庫參數(shù)估計值大于設置的門限值才輸出)

3 參數(shù)門限配置

上面介紹了引入單個參數(shù)門限對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響,由于各參數(shù)反映了不同的信號特點,通常聯(lián)合使用多種門限參數(shù)對基數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制。首先,本文根據(jù)各基數(shù)據(jù)參數(shù)特征以及Vaisala公司研制的RVP8信號處理器門限參數(shù)配置,確定使用SNR、CCOR對dBZ進行質(zhì)量控制,使用SNR對dBT進行質(zhì)量控制,使用SQI、CCOR對速度數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制,使用SQI、CCOR、SIG對譜寬數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制;然后,參考上述各參數(shù)門限默認值對基數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制,根據(jù)處理效果對參數(shù)門限值進行微調(diào),當輸出干擾數(shù)據(jù)較多時,則稍微提高門限值,當有效數(shù)據(jù)受到抑制,則稍微減小門限值;最后,確定最合適的參數(shù)門限值,并檢驗組合參數(shù)門限對各基數(shù)據(jù)參數(shù)質(zhì)量控制效果。表1列出了本次實驗確定的各基數(shù)據(jù)組合參數(shù)及相應門限電平。

表1 組合門限設置

需要注意的是,在設置參數(shù)門限的過程中,一定要選取合適的閾值,使其剛好能濾除噪聲信號為佳,這樣既能濾除噪聲,又盡可能保留了有用的降水回波信號,保證了雷達探測靈敏度。采用上述門限最終處理結(jié)果表明,通過設置合適的參數(shù)門限,可以有效識別并濾除降水回波數(shù)據(jù)中的噪聲干擾。

4 結(jié)束語

天氣雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量是影響雷達探測準確性的一個重要因素,而目前應用較多的雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法(如地物雜波抑制和模糊邏輯識別)都有一定的局限性。通過對譜矩估計得到的原始基數(shù)據(jù)引入質(zhì)量控制方法(即參數(shù)門限法),不僅可以改善濾波器抑制深度不夠的缺陷,而且根據(jù)每個距離庫的SNR、SQI和SIG參數(shù)估計值有效識別系統(tǒng)噪聲數(shù)據(jù)和失真的降水回波數(shù)據(jù)。該處理階段的質(zhì)量控制方法是雷達信號處理過程中不可或缺的環(huán)節(jié),處理效果直接影響后面基數(shù)據(jù)的應用。

然而,設置門限閾值也并不能徹底濾除噪聲信號,比如圖4(b)中設置門限閾值雖然可以識別地物雜波,但很明顯地物雜波的邊緣部分并沒有被徹底濾除。為了進一步提高回波數(shù)據(jù)質(zhì)量,在有效基數(shù)據(jù)后續(xù)處理階段還需要結(jié)合其他質(zhì)控方法(如模糊邏輯算法)對殘余噪聲進行識別。

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