新一代多普勒天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中頻域?yàn)V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)

新一代多普勒天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中頻域?yàn)V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(dá)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(huì)嚴(yán)重?fù)p害雷達(dá)基數(shù)據(jù)的精確性，因而多普勒氣象雷達(dá)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?yàn)V波技術(shù)提高多普勒天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量的問題。

頻域?yàn)V波 時(shí)域?yàn)V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(dá)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(dá)反射率產(chǎn)品的主要影響因素。對(duì)于多普勒天氣雷達(dá)來說，地物回波一般是指雷達(dá) 0.5,°仰角運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)探測到的山脈和建筑物等非氣象固定目標(biāo)。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(dá)波束的傳播彎曲到地面，這時(shí)就會(huì)在雷達(dá)反射率產(chǎn)品中產(chǎn)生超折射回波。當(dāng)出現(xiàn)超折射現(xiàn)象時(shí)，在雷達(dá)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(shí)雷達(dá)回波的反射率強(qiáng)度也大大增強(qiáng)。因此，當(dāng)某個(gè)地區(qū)的地物雜波和氣象回波混雜在一起的時(shí)候，將使雷達(dá)反射率產(chǎn)品在該地區(qū)顯示的反射率強(qiáng)度大大增強(qiáng)，嚴(yán)重影響天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)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(huì)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(huì)導(dǎo)致折射指數(shù)因高度變化而出現(xiàn)變化，使雷達(dá)脈沖波向上發(fā)射時(shí)行進(jìn)過程出現(xiàn)彎曲。其情況可大致分成標(biāo)準(zhǔn)折射、臨界折射、超折射、負(fù)折射和零折射(見圖 1)。在雷達(dá)業(yè)務(wù)運(yùn)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(jìn)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(dòng)的地物目標(biāo)是影響雷達(dá)產(chǎn)品質(zhì)量的非氣象目標(biāo)雜波能量的主要來源。由于地物目標(biāo)一般都是不會(huì)動(dòng)的，徑向速度為零，但在尼奎斯特速度區(qū)間范圍內(nèi)，真實(shí)氣象目標(biāo)的徑向速度值隨處都可能出現(xiàn)。WSR-88D雷達(dá)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(dá)一樣，地物雜波對(duì)于多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品的污染主要表現(xiàn)為以下3個(gè)方面：①地物雜波主要影響 0.5,°仰角的產(chǎn)品；②離雷達(dá)站不遠(yuǎn)處最容易發(fā)生地物雜波污染；③一般多普勒天氣雷達(dá)的體掃為6,min一次，如果在某一個(gè)仰角的雷達(dá)產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)地物雜波污染，則該污染在下一個(gè)6,min的體掃中依然會(huì)出現(xiàn)，并且會(huì)一直存在。

使用頻域?yàn)V波方式進(jìn)行地物雜波抑制，在提高雷達(dá)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(shí)氣象回波的基礎(chǔ)上抑制住地物雜波。而時(shí)域?yàn)V波方式由于從時(shí)間信號(hào)方面處理地物雜波，所以當(dāng)真實(shí)氣象回波信號(hào)里混有地物雜波時(shí)，進(jìn)行濾波操作難免會(huì)損壞真實(shí)的氣象回波信號(hào)。

3 多普勒天氣雷達(dá)地物雜波時(shí)域抑制研究

早期一般都是通過時(shí)域數(shù)字濾波器來進(jìn)行時(shí)域?yàn)V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(hào)信息。

本文使用的實(shí)際雷達(dá)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(dá)業(yè)務(wù)運(yùn)行數(shù)據(jù)，該雷達(dá)是S波段的多普勒天氣雷達(dá)，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(dá)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(dá) PRF= 1013Hz 。

圖2 晴天無濾波情況下雷達(dá)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(dá)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(shí)間變化，所以比較圖2和圖4可知，圖2中3個(gè)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(dá)回波的，并且這 3個(gè)圈所在地方不變，只是時(shí)間不同，所以圖2中3個(gè)橢圓圈里的回波均為超折射回波。同理可得，兩個(gè)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(dá)回波大小、強(qiáng)度與圖2差不多，說明IIR橢圓濾波器對(duì)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(shí)的氣象回波不受IIR濾波算法的破壞，國內(nèi)每個(gè)雷達(dá)站點(diǎn)的雷達(dá)系統(tǒng)都有一套和該雷達(dá)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(duì)參照?qǐng)D里標(biāo)有地物雜波的地方，如果有雷達(dá)回波就對(duì)該回波進(jìn)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(dá)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(duì)超折射回波起不到太大作用。圖 3中方塊圈里的雷達(dá)回波大小和強(qiáng)度明顯弱于圖 2，這說明 IIR橢圓濾波器對(duì)于普通地物雜波還是起到了一定的抑制作用。

4 使用頻域?yàn)V波技術(shù)提高多普勒天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量

目前，在新一代天氣雷達(dá)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(qiáng)度大小都不確定，現(xiàn)有的濾波技術(shù)無法對(duì)其進(jìn)行有效抑制，加上氣象預(yù)報(bào)人員較難識(shí)別，對(duì)氣象預(yù)報(bào)人員充分應(yīng)用雷達(dá)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(duì)氣象預(yù)報(bào)人員的影響，提高我國天氣雷達(dá)在信號(hào)處理方面的技術(shù)水平，北京敏視達(dá)雷達(dá)公司開發(fā)出基于頻域信號(hào)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(duì)氣象回波的影響很小，同時(shí)對(duì)地物的抑制能力優(yōu)于WSR-88D(Weather Service Radar，美國新一代天氣雷達(dá)，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?yàn)V波技術(shù)過濾不同類型雷達(dá)回波后的效果。

表1 對(duì)于不同種類回波使用自適應(yīng)高斯頻域?yàn)V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(dá)反射率圖Fig.5 Doppler radar reflectivity in a sunny day without filtering

圖6 晴空情況下頻域?yàn)V波后多普勒雷達(dá)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(dá)反射率圖Fig.7 Doppler radar reflectivity under precipitation conditions without filtering

圖8 降水情況下頻域?yàn)V波后多普勒雷達(dá)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?yàn)V波技術(shù)抑制地物雜波的同時(shí)對(duì)真實(shí)氣象回波幾乎無影響。②當(dāng)真實(shí)天氣回波被地物雜波污染后，自適應(yīng)高斯頻域?yàn)V波可以有效削弱地物雜波，同時(shí)不損壞真實(shí)天氣回波信號(hào)。③當(dāng)出現(xiàn)超折射現(xiàn)象時(shí)，自適應(yīng)高斯頻域?yàn)V波對(duì)其濾波效果能達(dá)到 67,dBz。④無論氣象條件如何多變，自適應(yīng)高斯頻域?yàn)V波對(duì)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?yàn)V波器對(duì)地物雜波的濾波效果非常好，且不損壞真實(shí)天氣回波信號(hào)。在超折射回波的抑制方面，IIR橢圓濾波器對(duì)超折射回波無能為力，而自適應(yīng)高斯頻域?yàn)V波器對(duì)于超折射回波的抑制能力能達(dá)到 67,dBz。因此從濾波器的濾波性能方面，自適應(yīng)高斯頻域?yàn)V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?yàn)V波器進(jìn)行濾波時(shí)，完全無需地物雜波圖，可以更好地濾除地物雜波，同時(shí)不損壞真實(shí)天氣回波信號(hào)。

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

［2］ 刁秀廣，朱君鑒，楊傳鳳，等. CINRAD/SA雷達(dá)超折射回波抑制技術(shù)分析與應(yīng)用[J]. 氣象科技，2006，34(5)：620-623.

［3］ 何建新，王旭，劉艷. 自適應(yīng)高斯頻域?yàn)V波器在天氣雷達(dá)中的應(yīng)用[J]. 氣象，2010，36(6)：117-121.

［4］ 劉艷. 多普勒天氣雷達(dá)地物雜波時(shí)域和頻域抑制研究[D]. 成都：成都信息工程學(xué)院，2007：15-16，38-44.

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