張新宜 鄭文佳 劉熠炎 林麗華 周曉宇

摘 要：在雷達(dá)探測(cè)降雨過程中，雷達(dá)回波存在干擾，而X波段的雷達(dá)波長(zhǎng)較短，回波的干擾和衰減更為明顯，所以要對(duì)其進(jìn)行訂正。文章通過研究結(jié)果表明，如果出現(xiàn)干擾毛刺時(shí)不能夠識(shí)別毛刺回波，中值插值法應(yīng)用到雷達(dá)分散化徑向區(qū)干擾區(qū)域中具有良好的效果，存在大量且集中的徑向干擾區(qū)域，通過中值插值法能夠創(chuàng)建環(huán)狀回波，降低效果。以此，文章對(duì)X波段雙偏振天氣雷達(dá)徑向干擾回波訂正算法進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：X波段;雙偏振天氣雷達(dá);干擾回波

0 引言

隨著雷達(dá)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的不斷加密，對(duì)雷達(dá)回波資料的要求也越來越高。但是，多種因素會(huì)對(duì)雷達(dá)回波造成干擾，包括外來電磁波、大氣折射、周邊地形等，從而導(dǎo)致雷達(dá)回波中也有雜波，對(duì)雷達(dá)產(chǎn)品的有效使用造成影響。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)雷達(dá)徑向干擾等方面開展了大量研究，Lakshman等[1]在研究過程中提出了利用反射率因子相關(guān)系數(shù)對(duì)徑向干擾進(jìn)行識(shí)別的方法，使干擾濾波能夠被剔除，回波填充利用插值法來實(shí)現(xiàn)。目前，我國(guó)對(duì)雙偏振天氣雷達(dá)徑向干擾回波去除的研究比較少，因此對(duì)X波段雙偏振天氣雷達(dá)徑向干擾回波訂正算法進(jìn)行研究尤為必要。

1 資料和方法

1.1 資料

肇慶市懷集站X波段全固態(tài)雙偏振天氣雷達(dá)2018年11月22日至28日的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)。

1.2 徑向干擾回波的識(shí)別和訂正算法

1.2.1 邊緣識(shí)別法

選擇能夠反映徑向干擾回波特征的物理量，即同一個(gè)距離庫(kù)中相鄰回波強(qiáng)度差D。徑向回波區(qū)域干擾方位的強(qiáng)度值各有不同，另外因?yàn)楦蓴_回波通過近雷達(dá)區(qū)在雷達(dá)最大探測(cè)器距離中延伸，所以能夠使回波強(qiáng)度差D值點(diǎn)數(shù)得到滿足，通過此特征能夠有效判斷干擾回波起始和結(jié)束的方位，回波強(qiáng)度差公式表示：

設(shè)置D閾值Zth，指的是不同地區(qū)，對(duì)是否為干擾回波點(diǎn)閾值Zth1進(jìn)行判斷，是否為干擾回波點(diǎn)閾值Zth2進(jìn)行判斷。本文主要是對(duì)雷達(dá)徑向進(jìn)行研究，對(duì)距離庫(kù)和D的絕對(duì)值進(jìn)行判斷，如果比Zth1要大，表示干擾回波點(diǎn)，對(duì)徑向干擾回波點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如果數(shù)量比Zth2要大，表示干擾目標(biāo)在此方位中。利用上述步驟對(duì)干擾區(qū)域邊緣方位進(jìn)行確定，干擾方位就是兩個(gè)邊緣方位。

1.2.2 中值插值法

對(duì)徑向干擾回波利用邊緣識(shí)別法進(jìn)行識(shí)別，對(duì)干擾方位進(jìn)行確定，去除干擾方位回波。通過干擾方位反射率Zi，j能夠創(chuàng)建3*3窗口實(shí)現(xiàn)中值插值。對(duì)Zi，j周圍8個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，將干擾方位上下兩個(gè)點(diǎn)Zi，j-1，Zi，j+1進(jìn)行去除，判斷剩余? ? ?6個(gè)點(diǎn)反射率值，假如有值點(diǎn)數(shù)≤3，說明Zij表示孤立點(diǎn);假如點(diǎn)數(shù)≥4，要對(duì)有值點(diǎn)數(shù)從大到小排序，排序之后中間值對(duì)Zi，j進(jìn)行賦值，使其成為訂正反射率[3]。

2 實(shí)例分析

對(duì)2018年11月22日15∶50的雷達(dá)反射率、差分反射率、差分傳播相移（KDP）的圖形進(jìn)行分析。通過分析可知，強(qiáng)降水區(qū)域位于雷達(dá)東南側(cè)，為帶狀分布，降水中心回波強(qiáng)度為35～45 dBZ，差分反射率為1.5～2.5 dB，反射率與差分反射率都是回波強(qiáng)度參數(shù)，會(huì)受到降水區(qū)域干擾。一般在差分傳播相移KDP比較大的時(shí)候，說明雨滴濃度和降水率也比較大，也就是強(qiáng)降水地區(qū)。但KDP所說明的強(qiáng)降水帶處于27.5 km圈外側(cè)，此處不是差分反射率與反射率最強(qiáng)區(qū)域。KDP與反射率、差分反射率強(qiáng)區(qū)域不吻合，說明雷達(dá)發(fā)射的電磁波在進(jìn)入到強(qiáng)降水區(qū)域之后的回波強(qiáng)度會(huì)受到干擾[4]。

圖1為雷達(dá)徑向觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過雷達(dá)站點(diǎn)根據(jù)方位角137°徑向數(shù)據(jù)廊線，顯示最大距離為50 km。其中，? 10～20 km反射率在20 dBZ以下，KDP在1°/km以下，ZDR在1 dB以下，此處指的是小雨區(qū)。20～27 km反射率為20～40dBz，KDP不超過3°/km，此處為中雨區(qū);27～35 km為KDP處于3°-8°/km，說明此處雨滴濃度比較大，具有強(qiáng)降雨，但是反射率不超過40 dBz，差分反射率比較小，說明進(jìn)入到此區(qū)之后雷達(dá)信號(hào)會(huì)受到大的干擾。

通過圖1（a）和1（b）可看出，本文所使用方法能夠訂正干擾回波與反射率，在27～35 km的反射率訂正為60 dBz，差分反射率訂正為4 dB，具有良好的訂正效果[5]。

3 結(jié)果檢驗(yàn)

為了對(duì)本文訂正方法與效果進(jìn)行分析，對(duì)訂正之后的結(jié)果和實(shí)際觀測(cè)值進(jìn)行分析對(duì)比，以弱對(duì)流性與強(qiáng)對(duì)流性將與類型擬合不同系數(shù)，對(duì)比模擬結(jié)果，對(duì)訂正方法進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 與S波段雷達(dá)對(duì)比

Chand表示S波段雷達(dá)除非是濕雹區(qū)，要不然是沒有雨區(qū)衰減的。另外還分析了S波段和X波段是否能夠?qū)Ρ龋瑢⑸⑸渥鳛榛A(chǔ)，在頻率出現(xiàn)改變的過程中，反射率并不會(huì)出現(xiàn)變化，但是在增加直徑的過程中因?yàn)樵鰪?qiáng)了電磁波頻率，且存在不同的電磁波頻率，所以也使散射反射率的值各有不同，在反射率比30 dBz要高的時(shí)候，X波段雷達(dá)的發(fā)射率比S波段雷達(dá)要高。在X波段雷達(dá)東偏南處為S波段，157°為方位角，兩部雷達(dá)直線距離為20.3 km，兩部雷達(dá)之間存在大量的高樓，導(dǎo)致遮擋問題比較嚴(yán)重，對(duì)雷達(dá)周邊的情況和位置進(jìn)行分析，將X波段雷達(dá)作為基礎(chǔ)，其中最佳觀測(cè)區(qū)域?yàn)?0°-150°[6]。

為了對(duì)訂正效果進(jìn)行全面對(duì)比，本文選擇幾個(gè)12 km*? 12 km區(qū)域，對(duì)X波段與S波段雷達(dá)訂正前后反射率與平均值進(jìn)行分析，以此驗(yàn)證訂正前后的效果。本文所選擇區(qū)域剛好處于雨區(qū)開始范圍中，干擾降低，能夠開展初始對(duì)比。對(duì)此區(qū)域范圍中全部高度層反射率值和概率分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。通過分析可知，利用三者的反射率表示趨勢(shì)與分布圖是一樣的，都是處于25～35 dBz，30 dBz為最大概率，說明X波段雷達(dá)在沒有衰減的時(shí)候和S波段具有相同的觀測(cè)波段[7]。

3.2 對(duì)應(yīng)仰角系數(shù)關(guān)系

因?yàn)閺较蚋蓴_回波指的是非氣象回波，存在低CC值，所以濾除CC值在0.6以下的反射率數(shù)據(jù)，表示已經(jīng)剔除兩個(gè)區(qū)域徑向干擾回波，并且將其他非氣象雜波進(jìn)行濾除。

懷集站X波段雙偏振天氣雷達(dá)原始體掃資料在0.5°仰角存在干擾回波，在西北、東北、東南等處的徑向干擾回波比較多。通過邊緣識(shí)別法識(shí)別多方位干擾。首先，就此方位中的回波進(jìn)行扣除，通過中值插值法實(shí)現(xiàn)回波的訂正，缺乏理想化的訂正效果，沒有訂正部分徑向干擾回波，部分徑向干擾回波訂正后出現(xiàn)環(huán)狀回波。主要是由于干擾方位的毛刺回波比較多，干擾回波點(diǎn)無法使邊緣識(shí)別法閾值需求得到滿足，所以沒有正確識(shí)別徑向，毛刺回波沒有達(dá)到訂正效果。在300°-224°與152°-157°處為環(huán)狀回波，主要是因?yàn)楦蓴_區(qū)域連續(xù)距離比較近，中值插值法利用干擾數(shù)據(jù)對(duì)上個(gè)區(qū)域進(jìn)行訂正，使徑向干擾回波更加的穩(wěn)定[8]。

3.3 一個(gè)徑向反射率值對(duì)比

圖2為雷達(dá)回波反射率訂正前后路徑變化曲線，徑向方位角為50°，表示在此算法處理前后雷達(dá)回波反射率根據(jù)徑向所變化曲線。通過圖2表示，在20～40 km的時(shí)候，因?yàn)榛夭ǚ瓷渎蕪?qiáng)度比較小，所以雷達(dá)反射率衰減就比較小，反射率訂正前后值并沒有太大的差別。在45～80 km時(shí)，增加了回波反射率強(qiáng)度，在20 dBz以上，衰減訂正后的反射率值要比之前高2～5 dBz。以此說明，雷達(dá)回波根據(jù)一個(gè)徑向反射率距離雷達(dá)中心比較遠(yuǎn)，反射率衰減比較大。相同距離的天氣目標(biāo)回波反射率強(qiáng)度越強(qiáng)，說明衰減就越嚴(yán)重[9]。

3.4 偏振參數(shù)特性

將30°-90°應(yīng)用到弱對(duì)流性降雨區(qū)域中，仰角層位于3°，4°兩層數(shù)據(jù)，與X波段雷達(dá)的距離為30～75 km。訂正之前散點(diǎn)圖比較分散，反射率值處于20～50 dBz左右，KDP在0～4°/km分布，無法和Park模擬曲線進(jìn)行對(duì)比。在訂正之后，散點(diǎn)圖分布出現(xiàn)改變。訂正之后擬合曲線和Park曲線重合，也就是說訂正之后分布和Park散射模擬結(jié)果一樣。在強(qiáng)對(duì)流降雨區(qū)域中，與弱對(duì)流區(qū)相同，訂正前后存在明顯的差別。在處于強(qiáng)對(duì)流降雨的時(shí)候，訂正效果要低于弱對(duì)流，主要是由于強(qiáng)對(duì)流性區(qū)域云內(nèi)存在快速的改變，而且存在比較大的粒子直徑，無法完全濾除后向散射相移，影響了訂正效果[10]。

4 結(jié)語

本文通過研究表明，中值插值法在對(duì)干擾徑向進(jìn)行判斷的過程中是將邊緣識(shí)別算法作為基礎(chǔ)，假如干擾徑向附近存在毛刺的情況，就不能夠?qū)ζ溥M(jìn)行識(shí)別和訂正。中值插值法應(yīng)用到分散化雷達(dá)徑向干擾區(qū)域中效果良好，存在集中且大量的徑向干擾區(qū)域，通過中值插值法創(chuàng)建環(huán)狀回波，效果并不好。其次，相關(guān)系數(shù)CC濾波在訂正過程中是利用CC閾值進(jìn)行，具有快速的訂正優(yōu)勢(shì)，但是應(yīng)用到固態(tài)雷達(dá)盲區(qū)的效果沒有在盲區(qū)外的訂正效果好，能夠?qū)⒌匚镫s波進(jìn)行過濾。

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（編輯 何 琳）