X波段雙偏振雷達(dá)反射率的衰減訂正

雷亞會(huì)

(成都信息工程學(xué)院電子工程學(xué)院，四川成都610225)

0 引言

氣象雷達(dá)在探測(cè)天氣目標(biāo)時(shí)，雷達(dá)發(fā)射出去的能量會(huì)有一部分被天氣目標(biāo)吸收，使回波強(qiáng)度在探測(cè)過程中被衰減[1]。在各種氣象雷達(dá)中，波長(zhǎng)較短的雷達(dá)相比波長(zhǎng)較長(zhǎng)的雷達(dá)，在探測(cè)信號(hào)時(shí)接收到的回波衰減更加嚴(yán)重[2]。波長(zhǎng)較短的X波段雷達(dá)接收到的回波的衰減率(AH)是波長(zhǎng)較長(zhǎng)的C、S波段雷達(dá)的7～8倍[3]。同時(shí)，X波段雷達(dá)的發(fā)射頻段是10GHz左右，氣象信號(hào)回波強(qiáng)度的強(qiáng)弱會(huì)導(dǎo)致回波的衰減不同，因此，X波段雷達(dá)在探測(cè)氣象信號(hào)回波時(shí)的精度受到雷達(dá)信號(hào)回波衰減的嚴(yán)重影響[4]。但是X波段雙偏振雷達(dá)的價(jià)格低、體積小、易運(yùn)輸、分辨率高，在探測(cè)天氣信號(hào)方面有優(yōu)勢(shì)[5]。所以，有必要訂正X波段雷達(dá)反射率強(qiáng)度以優(yōu)化其探測(cè)效果。

對(duì)X波段雷達(dá)反射率的衰減訂正算法研究中，Bringi使用的訂正算法是“自適應(yīng)約束”法，并將該算法訂正后的數(shù)據(jù)，與C波段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，二者接近。由于C波段雷達(dá)的回波信號(hào)衰減較小，所以說明自適應(yīng)約束算法較好[6]。何宇翔等在利用KDP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行衰減訂正的基礎(chǔ)上，加入了卡爾曼濾波技術(shù)，訂正層狀云回波的衰減，并指出引入卡爾曼濾波后適用于處理穩(wěn)定的降水云[7]。胡志群等比較了幾種衰減訂正的方法、最后提出ZHKDP綜合衰減訂正法，該方法在KDP值較大和較小時(shí)都較有效[8]。對(duì)比以上的數(shù)據(jù)訂正法，采用ZH-KDP法對(duì)X波段雷達(dá)反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并分析其處理后的結(jié)果。

1 X波段衰減訂正方法

首先，對(duì)反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行衰減訂正的基本公式

其中ZHe為訂正后的反射率值，ZHa為訂正前的反射率值，r為雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)與雷達(dá)中心之間的距離，AH則代表衰減率。實(shí)際上，衰減訂正關(guān)鍵就是準(zhǔn)確的確定衰減率[9]。

利用KDP值對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正處理，那么要先求得KDP與AH的關(guān)系。根據(jù)Bringi等的研究，可先令二者的關(guān)系公式為

這樣就只需確定a的值，Bringi等[10]模擬雷達(dá)信號(hào)回波為gamma分布，進(jìn)行試驗(yàn)，求得a為0.21～0.247。Matrosov等[11]在此基礎(chǔ)上，對(duì)式(2)進(jìn)行外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得a的值為0.22。根據(jù)這些研究，文中設(shè)定a的值為0.22dB/deg。以上分析是單獨(dú)考慮KDP值對(duì)回波反射率設(shè)計(jì)訂正算法。但當(dāng)KDP的值較小時(shí)，會(huì)受到外界其他因素地干擾，對(duì)訂正結(jié)果造成嚴(yán)重誤差[12]。所以胡志群等[13]提出ZH-KDP綜合法，即設(shè)定兩個(gè)閾值σ1和σ2，當(dāng)σ1＜KDP＜σ2時(shí)，利用上面所述KDP方法訂正。當(dāng)KDP＜σ1或KDP＞σ2時(shí)，衰減率的計(jì)算公式為

其中Zh=10Zh/10(mm6/m3)，根據(jù) Park 等[14]的研究，a=1.37 ×10－4，b=0.779。設(shè)定閾值 σ1=0.1 deg/km，σ2=3deg/km。在實(shí)際算法設(shè)計(jì)時(shí)，是將式(1)～(2)合并，得:

即利用式(3)處理σ1＜KDP＜σ2時(shí)的數(shù)據(jù)[15]。式中，nr代表雷達(dá)一個(gè)徑向距離庫數(shù)目，Bw代表雷達(dá)一個(gè)距離庫長(zhǎng)度。

2 軟件實(shí)現(xiàn)

開發(fā)工具選用Visual C++6.0。VC++6.0是C語言和C++語言的編程平臺(tái)，其運(yùn)行效率高，內(nèi)存占用小。輔助工具軟件是ReadBaseData1.0和Matlab7.1。ReadBaseData1.0將雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像的方式予以顯示。Matlab7.1用于繪制徑向數(shù)據(jù)曲線圖。

軟件設(shè)計(jì)的流程主要分為3步:(1)是從文件里讀取KDP和ZH數(shù)據(jù)，并將其值的單位轉(zhuǎn)化成dBz。(2)是程序的算法核心部分，利用ZH-KDP綜合訂正法實(shí)現(xiàn)對(duì)反射率數(shù)據(jù)的衰減訂正。當(dāng)0.1deg/km≤KDP≤3deg/km時(shí)，程序利用KDP值訂正，否則，程序利用ZH值訂正。(3)是轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)，把訂正后的ZH值以雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示軟件的格式保存。

圖1 軟件流程圖

3 實(shí)例對(duì)比分析

3.1 資料來源

采用的雷達(dá)資料來自成都信息工程學(xué)院X波段雙偏振天氣雷達(dá)，觀測(cè)地點(diǎn)成都信息工程學(xué)院。雷達(dá)數(shù)據(jù)距離庫長(zhǎng)度是125米，方位精度是1度。后面的圖形每個(gè)距離圈表示80千米。

3.2 反射率數(shù)據(jù)處理前后效果及分析

2013年4月10日，成都經(jīng)歷的一次大范圍降雨過程中。觀測(cè)資料顯示，北京時(shí)間19:42～19:46時(shí)段的雨區(qū)回波面積大，故選取該時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。圖2為利用ZH-KDP綜合訂正法訂正前反射率數(shù)據(jù)的體掃模式第一層的PPI圖像。圖3為處理前雷達(dá)回波差傳播相移圖像。

圖2顯示，方位角10°～45°，和235°～270°區(qū)域，有較強(qiáng)的降雨回波，其值較大。強(qiáng)度在20～35dBz，沿著這些徑向方向，回波反射率強(qiáng)度隨距離減弱。

圖4為訂正后的雷達(dá)回波反射率值的PPI圖，由圖4可看出，ZH-KDP綜合法對(duì)反射率數(shù)據(jù)訂正后，其強(qiáng)度普遍增加，在方位角10°～45°，以及235°～270°附近，ZH值大都訂正到25～40dBz，與其前方的回波較強(qiáng)區(qū)域的反射率強(qiáng)度相接近。并且，還有其他幾個(gè)區(qū)域上的回波強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。

圖2 未經(jīng)處理的雷達(dá)回波反射率值(單位:dBz)

圖3 未經(jīng)處理的雷達(dá)回波差傳播相移(單位:deg/km)

圖5為雷達(dá)回波反射率經(jīng)過ZH-KDP綜合訂正法處理后，反射率補(bǔ)償值的PPI圖，從圖5可以看出，雷達(dá)回波反射率的訂正值一般在2～10dBz，在方位角235°～270°附近，某些區(qū)域ZH訂正值超10dB。

圖4 經(jīng)處理后的雷達(dá)回波反射率值(單位:dBz)

圖5 經(jīng)處理后雷達(dá)回波反射率的補(bǔ)償值(單位:dB)

3.3 在一個(gè)徑向上的反射率值對(duì)比分析

圖6為2013年4月10日雷達(dá)的回波徑向數(shù)據(jù)圖，圖中的徑向方位角為50°，顯示了ZH-KDP算法處理前后雷達(dá)回波反射率沿徑向變化曲線。點(diǎn)畫線為訂正前的雷達(dá)回波反射率值，直線為訂正后的雷達(dá)回波反射率值，虛線為訂正了的值。

從圖6可以看出，在20～45km，因回波反射率強(qiáng)度小，因而雷達(dá)反射率衰減小，反射率訂正前后的值相差不多;45～80km，回波反射率強(qiáng)度較大，基本超過20dBz，衰減訂正之后的反射率值比訂正之前的值高2～5dBz。這表明雷達(dá)回波沿一個(gè)徑向上的反射率，距雷達(dá)中心距離越遠(yuǎn)，反射率的衰減越大。相同距離，天氣目標(biāo)的回波反射率強(qiáng)度越強(qiáng)，衰減越嚴(yán)重。

圖6 雷達(dá)回波反射率訂正前后沿徑變化曲線(徑向方位角50°)

3.4 利用S波段雷達(dá)數(shù)據(jù)驗(yàn)證其訂正效果

圖7為同時(shí)刻S波段雷達(dá)的回波反射率圖。從圖7可以看出，在方位角10°～45°，以及235°～270°附近，ZH值基本在30～40dBz。對(duì)比圖7與圖4，可看出，S波段雷達(dá)的回波反射率值和訂正后的X波段雷達(dá)反射率值相差不多，所以證明對(duì)X波段雷達(dá)反射率數(shù)據(jù)的訂正達(dá)到了預(yù)期效果。

圖7 S波段雷達(dá)回波反射率值(單位:dBz)

4 結(jié)束語

首先提出對(duì)X波段雷達(dá)的回波反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行衰減訂正的必要性，進(jìn)而介紹了一種對(duì)數(shù)據(jù)衰減進(jìn)行訂正的算法，并以此算法為基礎(chǔ)，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，經(jīng)過結(jié)果分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)成都信息工程學(xué)院X波段雙偏振雷達(dá)的反射率衰減訂正。

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