X波段雙偏振天氣雷達徑向干擾回波訂正算法研究

張新宜 鄭文佳 劉熠炎 林麗華 周曉宇

摘 要：在雷達探測降雨過程中，雷達回波存在干擾，而X波段的雷達波長較短，回波的干擾和衰減更為明顯，所以要對其進行訂正。文章通過研究結果表明，如果出現(xiàn)干擾毛刺時不能夠識別毛刺回波，中值插值法應用到雷達分散化徑向區(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X波段雙偏振天氣雷達徑向干擾回波訂正算法進行了分析。

關鍵詞：X波段;雙偏振天氣雷達;干擾回波

0 引言

隨著雷達監(jiān)測網(wǎng)的不斷加密，對雷達回波資料的要求也越來越高。但是，多種因素會對雷達回波造成干擾，包括外來電磁波、大氣折射、周邊地形等，從而導致雷達回波中也有雜波，對雷達產(chǎn)品的有效使用造成影響。國內外研究學者對雷達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系數(shù)對徑向干擾進行識別的方法，使干擾濾波能夠被剔除，回波填充利用插值法來實現(xiàn)。目前，我國對雙偏振天氣雷達徑向干擾回波去除的研究比較少，因此對X波段雙偏振天氣雷達徑向干擾回波訂正算法進行研究尤為必要。

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2018年11月22日至28日的雷達回波數(shù)據(jù)。

1.2 徑向干擾回波的識別和訂正算法

1.2.1 邊緣識別法

選擇能夠反映徑向干擾回波特征的物理量，即同一個距離庫中相鄰回波強度差D。徑向回波區(qū)域干擾方位的強度值各有不同，另外因為干擾回波通過近雷達區(qū)在雷達最大探測器距離中延伸，所以能夠使回波強度差D值點數(shù)得到滿足，通過此特征能夠有效判斷干擾回波起始和結束的方位，回波強度差公式表示：

設置D閾值Zth，指的是不同地區(qū)，對是否為干擾回波點閾值Zth1進行判斷，是否為干擾回波點閾值Zth2進行判斷。本文主要是對雷達徑向進行研究，對距離庫和D的絕對值進行判斷，如果比Zth1要大，表示干擾回波點，對徑向干擾回波點數(shù)量進行統(tǒng)計，如果數(shù)量比Zth2要大，表示干擾目標在此方位中。利用上述步驟對干擾區(qū)域邊緣方位進行確定，干擾方位就是兩個邊緣方位。

1.2.2 中值插值法

對徑向干擾回波利用邊緣識別法進行識別，對干擾方位進行確定，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窗口實現(xiàn)中值插值。對Zi，j周圍8個點數(shù)據(jù)進行檢測，將干擾方位上下兩個點Zi，j-1，Zi，j+1進行去除，判斷剩余? ? ?6個點反射率值，假如有值點數(shù)≤3，說明Zij表示孤立點;假如點數(shù)≥4，要對有值點數(shù)從大到小排序，排序之后中間值對Zi，j進行賦值，使其成為訂正反射率[3]。

2 實例分析

對2018年11月22日15∶50的雷達反射率、差分反射率、差分傳播相移（KDP）的圖形進行分析。通過分析可知，強降水區(qū)域位于雷達東南側，為帶狀分布，降水中心回波強度為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度參數(shù)，會受到降水區(qū)域干擾。一般在差分傳播相移KDP比較大的時候，說明雨滴濃度和降水率也比較大，也就是強降水地區(qū)。但KDP所說明的強降水帶處于27.5 km圈外側，此處不是差分反射率與反射率最強區(qū)域。KDP與反射率、差分反射率強區(qū)域不吻合，說明雷達發(fā)射的電磁波在進入到強降水區(qū)域之后的回波強度會受到干擾[4]。

圖1為雷達徑向觀測數(shù)據(jù)，通過雷達站點根據(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，具有強降雨，但是反射率不超過40 dBz，差分反射率比較小，說明進入到此區(qū)之后雷達信號會受到大的干擾。

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 結果檢驗

為了對本文訂正方法與效果進行分析，對訂正之后的結果和實際觀測值進行分析對比，以弱對流性與強對流性將與類型擬合不同系數(shù)，對比模擬結果，對訂正方法進行驗證。

3.1 與S波段雷達對比

Chand表示S波段雷達除非是濕雹區(qū)，要不然是沒有雨區(qū)衰減的。另外還分析了S波段和X波段是否能夠對比，將散射作為基礎，在頻率出現(xiàn)改變的過程中，反射率并不會出現(xiàn)變化，但是在增加直徑的過程中因為增強了電磁波頻率，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要高的時候，X波段雷達的發(fā)射率比S波段雷達要高。在X波段雷達東偏南處為S波段，157°為方位角，兩部雷達直線距離為20.3 km，兩部雷達之間存在大量的高樓，導致遮擋問題比較嚴重，對雷達周邊的情況和位置進行分析，將X波段雷達作為基礎，其中最佳觀測區(qū)域為30°-150°[6]。

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

3.2 對應仰角系數(shù)關系

因為徑向干擾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)剔除兩個區(qū)域徑向干擾回波，并且將其他非氣象雜波進行濾除。

懷集站X波段雙偏振天氣雷達原始體掃資料在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。通過邊緣識別法識別多方位干擾。首先，就此方位中的回波進行扣除，通過中值插值法實現(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，干擾回波點無法使邊緣識別法閾值需求得到滿足，所以沒有正確識別徑向，毛刺回波沒有達到訂正效果。在300°-224°與152°-157°處為環(huán)狀回波，主要是因為干擾區(qū)域連續(xù)距離比較近，中值插值法利用干擾數(shù)據(jù)對上個區(qū)域進行訂正，使徑向干擾回波更加的穩(wěn)定[8]。

3.3 一個徑向反射率值對比

圖2為雷達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的時候，因為回波反射率強度比較小，所以雷達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，增加了回波反射率強度，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，雷達回波根據(jù)一個徑向反射率距離雷達中心比較遠，反射率衰減比較大。相同距離的天氣目標回波反射率強度越強，說明衰減就越嚴重[9]。

3.4 偏振參數(shù)特性

將30°-90°應用到弱對流性降雨區(qū)域中，仰角層位于3°，4°兩層數(shù)據(jù)，與X波段雷達的距離為30～75 km。訂正之前散點圖比較分散，反射率值處于20～50 dBz左右，KDP在0～4°/km分布，無法和Park模擬曲線進行對比。在訂正之后，散點圖分布出現(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散射模擬結果一樣。在強對流降雨區(qū)域中，與弱對流區(qū)相同，訂正前后存在明顯的差別。在處于強對流降雨的時候，訂正效果要低于弱對流，主要是由于強對流性區(qū)域云內存在快速的改變，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 結語

本文通過研究表明，中值插值法在對干擾徑向進行判斷的過程中是將邊緣識別算法作為基礎，假如干擾徑向附近存在毛刺的情況，就不能夠對其進行識別和訂正。中值插值法應用到分散化雷達徑向干擾區(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，相關系數(shù)CC濾波在訂正過程中是利用CC閾值進行，具有快速的訂正優(yōu)勢，但是應用到固態(tài)雷達盲區(qū)的效果沒有在盲區(qū)外的訂正效果好，能夠將地物雜波進行過濾。

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（編輯 何 琳）