劉 昉，李學華，丁明星（.重慶市氣象信息與技術保障中心 重慶4047；.成都信息工程大學 電子工程學院，四川 成都 60000）

天氣雷達回波數(shù)據(jù)質量分析及控制系統(tǒng)設計研究

劉 昉1，李學華2，丁明星1
（1.重慶市氣象信息與技術保障中心 重慶401147；2.成都信息工程大學 電子工程學院，四川 成都 610000）

天氣雷達以使用相同參數(shù)標定的晴空標準地物回波強度為參考，和實時采集的回波強度進行對比分析，在實現(xiàn)回波強度數(shù)據(jù)質量檢測的同時完成對其校正，對比參考地物及實際回波強度間誤差，實現(xiàn)對天氣雷達的回波強度數(shù)據(jù)質量檢測。在誤差較大的檢測結果的基礎上找出造成該誤差的原因以及解決方案，提出了一種新型的可以快速高效的天氣雷達探測數(shù)據(jù)質量控制方式，為實現(xiàn)天氣雷達的準確探測提供了保障，使其得到的數(shù)據(jù)更為真實可信。

天氣雷達；雷達反射率；回波強度；質量控制

在經濟迅速發(fā)展的帶動下，我國基礎產業(yè)的各相關方面也得到更多的關注，而氣象事業(yè)作為關系到民眾生活各個方面的基礎事業(yè)，因此也就獲得了更為廣泛的關注。近幾年，國家相關部門更是了解到氣象事業(yè)在民眾生活中所起到的積極作用，同時，國家相繼投入了更多的人力與物力到氣象事業(yè)的建設與研究中，以期獲得更好的氣象探測手段，使我國的氣象探測能力得到有效提高[1-3]。而在我國氣象局氣象信息中心的雷達加工處理項目的子系統(tǒng)中，雷達系統(tǒng)獲得的天氣數(shù)據(jù)的質量則是氣象事業(yè)的重要內容，同時也關系到氣象資料質量的優(yōu)劣。目前是中國氣象局氣象信息中心雷達項目加工處理子系統(tǒng)中重要的業(yè)務環(huán)節(jié)，是保障氣象資料質量的關鍵。到現(xiàn)在為止，我國還沒有在天氣雷達回波數(shù)據(jù)質量控制這一方面取得較為突出的成就[4-6]，由此，本文將對天氣雷達回波數(shù)據(jù)質量分析及控制系統(tǒng)進行相關的設計與研究。

1 質量分析與系統(tǒng)總體設計

天氣雷達回波數(shù)據(jù)的質量分析與控制系統(tǒng)主要包含雷達系統(tǒng)的標校、參考地物體的回波采集、強度數(shù)據(jù)質量控制以及速度數(shù)據(jù)質量的控制4個方面。在這4個方面中，對第一部分的雷達系統(tǒng)的標校主要使用專業(yè)的測試儀器儀表來進行，其他三方面則主要是運用相關的軟件編進行編程進而達到預期目的所以被稱為軟件設計模塊，同時又因為運用的軟件將被嵌入到雷達臺站的實時處理系統(tǒng)當中，這就使得該軟件在實際得操作使用中更具有實時性與實用性。軟件設計模塊的系統(tǒng)研究如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)研究框圖

2 系統(tǒng)標校

2.1 機內信號源對回波強度定標的檢驗

目前，我國所使用的天氣雷達系統(tǒng)中都配備了先進的全自動標定功能[7-10]，因此在對系統(tǒng)進行日常維護時，針對雷達回波強度數(shù)據(jù)的相關檢測主要是由系統(tǒng)自帶的標定功能來完成的。其原理為：向接收機注入功率為-90 dBm至-40 dBm的理想信號源，之后便可在系統(tǒng)的顯示終端檢查回波強度的測量值，要注意的是該測量值必須在距離5 km至200 km范圍內進行，此時系統(tǒng)會計算出注入信號的回波強度值（期望值）與其測量值之間的差值，且將差值控制在±1 dB的范圍內。機內信號源檢測雷達回波強度的計算公式如公式（2）所示：

通過雷達接收機饋線系統(tǒng)接收到的回波輸入功率為：

其中，Pt表示雷達發(fā)射機脈沖功率，G表示天線增益，θ、φ分別表示天線水平、垂直方向波束寬度，C表示電磁波在空中的傳播速度，τ表示發(fā)射脈沖寬度，λ表示雷達工作波長，m表示大氣復折射指數(shù)，R表示雷達回波距離，Z表示反射率因子。

其中，K表示波爾茲曼常數(shù)，T表示絕對溫度，F(xiàn)n表示接收機噪聲系數(shù)，B表示接收機帶寬。

其中，Pr=（S/N）+10log（KTB）+Fn，C=10log[（2.69× 1016λ2）/PtτG2θφ]表示雷達常數(shù)，LΣ表示雷達系統(tǒng)的饋線總損耗 （dB），Lat表示電磁波大氣損耗，S波段取0.011 dB/km（雙程），C波段取0.016 dB/km（雙程）。

2.2 外接信號源對回波強度定標的檢驗

為了使天氣雷達探測系統(tǒng)具有更高的準確性，本系統(tǒng)同時安裝了機外檢測儀表對數(shù)據(jù)進行更進一步的校正。主要原理：將信號經過雷達接收機的回波端注入，然后系統(tǒng)的信號處理器（距離訂正也同時進行）對數(shù)據(jù)進行處理和定標[11-13]，最終在輸出終端顯示測試信號的強度值，與此同時，依據(jù)輸入信號的幅值，系統(tǒng)根據(jù)氣象方程計算出該點的準確回波強度值。氣象方程中相關的參數(shù)取自實測數(shù)值，這就使得計算出的回波強度值以及終端讀數(shù)更加精確，同時控制輸入信號強度（輸入信號值取-90～-40 dB）來對數(shù)據(jù)標定。

3 檢測數(shù)據(jù)的雷達回波強度檢驗

在確保雷達接收機工作狀況的前提下，運用外接信號源經過接收機的回波入口輸入-90～-40 dBm的信號功率，并在其處理終端顯示處獲取與之相應的回波強度測量值，其測量值與期望值（公式（2）計算獲得）的最大差值小于等于±1 dB，其測量數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)表1能夠獲得雷達運用實測雷達參數(shù)實現(xiàn)對回波強度值定標，運用機外信號源以及機內測試信號實現(xiàn)對回波強度定標值的誤差檢查，從表1中可以看出最大差值是0.58 dB，滿足技術指標要求。

4 控制系統(tǒng)編程

雷達在正常工作狀態(tài)下采集獲得的是實測地物回波，在調用已存參考地物回波在同一仰角以及距離的狀態(tài)下運用公式實現(xiàn)其數(shù)據(jù)分析，同時把運用回波圖的方法實現(xiàn)其結果顯示，并獲得不同的對比結果。在回波圖中包含方位每度最大誤差、均方根誤差以及360度均方根誤差等信息，其程序代碼如下：

//回波圖方式

float dMax，dMin；

void __fastcall TForm1::i1Click （TObject *Sender）

{AnsiString lx1="類型:地物強度差異"；

AnsiString lx2="方式:回波圖方式"；

AnsiString lx=lx1+" "+lx2；

表1 測量數(shù)據(jù)

Label7-＞Caption=""；

Label8-＞Caption=lx；

Image2-＞Visible=true；

Label14-＞Visible=true；

DisplayC（0）；

MinError（）；

MaxError（0）；

Timer1-＞Enabled=true；

DrawSebiao1（）；

flagMouse=true；

Label9-＞Caption=""；

//Label10-＞Caption=""；

//Label11-＞Caption=""；

//Label12-＞Caption=""；

N5-＞Enabled=true；

Label14-＞Caption="單位:Dbz"；

int dddd=（int）（JfeAll1*10）；

float kkkk=dddd/10.0；

AnsiString mae="最大誤差:"+（AnsiString）dMax+"db"；

AnsiString mie=" 最小誤差:"+（AnsiString）dMin+"db"；

//char*avere；//="均方根誤差:"+（AnsiString）kkkk+"db"；

if（fabs（kkkk）＜=2.5&&fabs（kkkk）＞=1.0）

{kkkk=1.0；}

char avere[MAX_PATH]；

sprintf（avere，"均方根誤差:%2.2fdb"，kkkk）；

AnsiString sss；

if（kkkk＞1.0||kkkk＜-1.0）

{sss="結論：強度數(shù)據(jù)異常，請單擊'檢測方案'按鈕進行檢測"；

Button1-＞Visible=true；}

else

{sss="結論：強度數(shù)據(jù)正常"；

Button1-＞Visible=false；}

Label12-＞Caption=（AnsiString）avere+" "+ sss；

Label11-＞Caption="類型：結果分析"；

GroupBox1-＞Visible=true；}

//

datalastC [i*360*998+j*998+k]=datalastDW [i*360*998+j*998+k]-datalastBZ[i*360*998+j*998+ k]；

MaxError（0）；//每個徑向的最大誤差Image1-＞Picture=NULL；flagMouse=false；RGBCOLOR*ptr；

5 實測結果分析

5.1 探測位置確定

根據(jù)天氣預報工作人員的多年經驗反映，因為雷達站測定時強降水回波中心區(qū)域的地理位置的各異，使得雷達系統(tǒng)的探測數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差，這就給天氣預報工作人員進行降雨區(qū)域的預報以及實際降水量的預測上造成很大困難[14-15]。例如，由天氣雷達探測到的回波數(shù)據(jù)圖可以看出在四川省的梓潼和劍閣間有一塊強回波，而通過回波所在區(qū)域圖上表明的經緯度的比較，可以知道廣元雷達和南充雷達的觀測位置基本上可視為同一區(qū)域，因此也可將兩地區(qū)看成同一降水回波。但從回波數(shù)據(jù)圖可以看出綿陽與其他兩地的回波數(shù)據(jù)在地圖上有很大的位置差異，這就使得工作人員無法進行準確的預測，因此氣象臺的工作人員考慮這可能是因為雷達標定存在缺陷造成的。通過從全省的天氣雷達[16-17]探測數(shù)據(jù)拼圖軟件可以獲得各個雷達站探測到的回波數(shù)據(jù)，而回波數(shù)據(jù)顯明廣元、綿陽、南充3個雷達站在相同時間段內接收到的回波數(shù)據(jù)構成的拼圖確實不在相同區(qū)域上，大概相差的距離為 20 km左右，分別如圖2～4所示。

圖2 廣元雷達15點41分雷達回波

通過使用新型的天氣雷達拼圖軟件可以得到綿陽雷達站探測到的強降水回波區(qū)域，該回波處于梓潼東北偏北方向并且與梓潼有較遠的距離。

圖3 綿陽雷達站在15點39分時雷達回波圖

通過使用新型的天氣雷達拼圖軟件可以得到南充雷達站探測到的強降水回波區(qū)域，該回波處于梓潼東北偏南方向并且與梓潼相距較近。很容易就可以知道該回波區(qū)域與綿陽雷達有很大不同。

工作人員通過對可能引起誤差的太陽法標校、角度控制精度以及地理位置坐標等信息進行了統(tǒng)一檢查，檢查后發(fā)現(xiàn)三雷達站并沒有發(fā)生誤差超差以及經緯度的相關錯誤。另外，天氣雷達強度數(shù)據(jù)質量控制軟件分析三地雷達探測數(shù)據(jù)并進行強度數(shù)據(jù)質量控制后的回波圖，分別如圖5～7所示。

圖4 南充雷達站在15點40分時雷達

圖5 廣元雷達進行強度數(shù)據(jù)質量控制后的回波圖

圖6 綿陽雷達進行強度數(shù)據(jù)質量控制后的回波圖

圖7 南充雷達進行強度數(shù)據(jù)質量控制后的回波圖

由此可以看出廣元雷達站強度數(shù)據(jù)誤差為0.6 dB，綿陽雷達站強度數(shù)據(jù)誤差為0.1 dB，南充雷達站強度數(shù)據(jù)誤差為 0.3 dB，其結果顯示強度數(shù)據(jù)均在技術指標范圍內 （即說明各雷達在運行過程中是正常的），并通過對雷達回波基數(shù)據(jù)的反演結果進行分析，各雷達站探測數(shù)據(jù)均沒有異常，由此可以判斷出雷達設備未出現(xiàn)異常情況，而出現(xiàn)同一回波用不同雷達探測時的結果不同的主要原因應該在軟件設置上。

5.2 探測回波的強度確定

在保證天氣雷達可靠運行的前提下，南充及達州雷達及時準確的給廣安市的冰雹天氣提供了探測數(shù)據(jù)信息。雷達探測狀況指出：受冷暖氣流交匯及低層強輻合的雙重作用，廣安市產生了颮線天氣，在其過境時市區(qū)以及周邊發(fā)生雷暴、冰雹天氣，經過天氣雷達強度數(shù)據(jù)質量控制系統(tǒng)實現(xiàn)對南充及達州雷達站的標定檢測，確保了其探測以及回波數(shù)據(jù)的準確性。

盡管從歷史信息中獲知在該季節(jié)中不會發(fā)生這么強的回波，但是預報人員對探測獲得的回波信息深信不疑，同時準確無誤的做出了預報，及時向民眾發(fā)出了預警，分別如圖8及圖9所示。

圖8 通過南充雷達探測的回波信息

圖9 通過達州雷達探測的回波信息

6 結 論

經過對回波強度數(shù)據(jù)的檢測來控制雷達探測數(shù)據(jù)質量，同時設計了回波質量控制程序應用到天氣雷達實時處理程序中，根據(jù)實驗結果能夠得知該方法實現(xiàn)了對雷達探測數(shù)據(jù)質量的準確檢測，并依照檢測結果實現(xiàn)對雷達可能發(fā)生參數(shù)改變及性能下降等情況的及時調節(jié)以及維護，完成雷達探測數(shù)據(jù)的質量控制，能夠運用于雷達技術保障工作中，為高效及時的實現(xiàn)對雷達探測數(shù)據(jù)質量檢測及控制發(fā)揮至關重要的作用。

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Quality analysis and control system research for echo data of weather radar

LIU Fang1，LI Xue-hua2，DING Ming-xing1
（1.Chongqing Weather Information and Technical Support Center，Chongqing 401147，China；2.Electronic Engineering Institute，Chengdu University of Information Engineering，Chengdu 610000，China）

The weather radar to use the same parameter calibration standard feature skies reference echo intensity，echo intensity and real-time collection of comparative analysis，data quality in the realization of echo intensity detected simultaneously with reference to its correction，contrast feature and actual error between echo strength，to achieve the weather radar echo intensity data quality testing.On the basis of the detection result of the error is larger on to find out the cause of the error and the solution presents a new fast and efficient weather radar data quality control，in order to achieve accurate detection weather radar to provide a guarantee，the resulting data make it more authentic.

weather radar；radar reflectivity；echo intensity；quality control

TN959

A

1674－6236（2017）07-0001-05

2016-07-04稿件編號：201607018

國家自然科學基金（41575022）；四川省科技廳（2014YJ0093）；重慶市氣象局青年基金項目（QNJJ-201407）

劉 昉（1984—），男，重慶人，碩士，工程師。研究方向：氣象雷達維護與研究。