毫米波測云雷達回波信號衰減補償仿真研究

黃 勤，高玉春

（1.成都信息工程學院 四川 成都 610225；2.中國氣象局氣象探測中心 北京 100081）

云在大氣系統中有著重要作用，對輻射能量傳輸和平衡過程有著重要的影響，是氣象業務與氣象學科研究的一個中心問題[1]。毫米波測云雷達與波長較長的天氣雷達相比，具有更靈敏的探測精度，可以探測直徑遠小于雷達波長的粒子，能探測從直徑為幾微米的云粒子到弱降水粒子的范圍，具有穿透云的能力而能描述云內部物理結構，并且可以連續監測云的垂直剖面變化，彌補其他遙感手段的不足[1-3]。但是，毫米波在云雨天大氣傳輸過程中，受到大氣和云雨的衰減很嚴重，衰減作用造成回波面積減小、雷達觀測值比實際值小，不能真實反映云的內部結構[2]。因此有必要對其探測值進行衰減補償。

雷達回波的衰減補償是經典問題，經很多國內外專家研究，已經有很多經典的衰減補償方法。常用方法是利用已知的經驗關系（k=aZb），求解反射率因子Z的衰減補償解析表達式完成衰減補償。HB算法、迭代法、逐庫訂正法等[2-4]衰減補償算法對衰減都有較好的補償能力，但仍然存在補償不足或過度的情況，因此需要尋求更有效的衰減補償方法。本文從I、Q信號出發，對信號進行衰減補償研究，考慮降水和云對毫米波測云雷達的衰減，模擬雷達回波I、Q信號，進行雷達回波信號衰減補償仿真試驗。

1 云、雨對毫米波的衰減

1.1 雨特征衰減

雨衰減是造成雷達回波信號傳輸損耗的主要因素之一。當雷達電磁波信號穿過降雨區域時，雨滴會對電磁波產生吸收和散射，故而造成衰減[5-6]。雨衰減對電磁波產生的影響主要是吸收衰減。雨衰減的大小和雨滴半徑與波長的比值有著密切的關系，而雨滴半徑又與降雨強度有關。因此降雨引起的衰減常用如下經驗公式表示：

其中，kr是以dB/km為單位的衰減系數，I是以mm/h為單位的降雨強度。a、b是依賴于頻率、雨滴尺寸和雨滴溫度的參數。通常情況又將衰減表示為

1.2 云特征衰減

云由微小的水滴組成，水滴的直徑在0.001~0.4 mm之間。由于云滴的尺寸較毫米波的波長小得多，一般情況下，可以利用Rayleigh近似計算云滴的消光截面[5]。由于云滴的吸收截面遠大于散射截面，云的體消光系數近似等于體吸收系數，因此云的衰減可以近似看作云對電磁波的吸收，衰減量也可近似看作吸收量。毫米波雷達發射的電磁波在傳播路徑上受到的云衰減，其特征衰減率[5-6]可表示為

2 仿真實驗

2.1 仿真設計

2.1.1 雷達回波信號模擬

采用如下回波功率的統計譜模型[7]形式：

模擬雷達回波信號。其中，Pr為回波功率，cc為噪聲功率譜密度，σf為譜寬。仿真試驗中，設雷達波長λ=0.8 cm，采樣頻率fs=1 024 Hz，多普勒頻移fd=150 Hz，信噪比SNR=-1 dB。

2.1.2 補償算法條件假設

仿真試驗中，設模擬的雷達回波數據為弱降水時探測的數據，相應的補償算法參數如表1所示。

表1 補償算法相關參數Tab.1 Compensation algorithm parameters

假定6~7.5 km垂直高度范圍內云含水量很小，衰減不計；云內粒子相態全為液態水；云內溫度遞減率近似為大氣溫度遞減率。2~6 km高度范圍內，云液態含水量W由如下液態水云粒子含水量分布廓線計算，如圖1所示。

2.1.3 衰減補償算法

設Pr為衰減后的功率，Pr0為補償后的功率。可知，補償前后功率存在如下關系：

其中，M為單程衰減量。電磁波信號穿過雨區時，

圖1 液態水云粒子分布廓線Fig.1 Cloud liquid water distribution profile

電磁波信號穿過云區時，

R為電磁波穿過云雨區的路程。設a為信號在某個距離庫的振幅衰減值，φ為該距離庫I、Q值對應的幅角，則由式（6）可得下式

根據式（9）計算得到衰減振幅值a，并聯合式（10）補償衰減。

2.2 衰減補償流程

在給定云、雨路環境條件和雷達回波模擬條件下，由式（5）模擬雷達回波信號功率譜，生成 I、Q 序列；通過式（2）（3）計算出云路和雨路的衰減量M；結合I、Q序列的幅角，通過式（9）計算衰減振幅 a，進而通過式（10）補償 I、Q 信號。 衰減補償流程如圖2所示。

圖2 衰減補償流程圖Fig.2 Attenuation compensation flowchart

2.3 結果分析

為了直觀顯示補償效果，選取徑向距離7.5 km處，對應垂直高度為3.75 km處的試驗結果數據。此高度處為云區，信號衰減為雨衰減加上部分云內液態水衰減，單程衰減量約為2.667 dB。經計算，補償的信號振幅衰減值a=0.587 1 mV，以下為相應的仿真結果。

補償前后的功率譜曲線如圖3所示，實線為補償前功率譜曲線，虛線為補償后功率譜曲線。可以看出，補償前、后曲線譜峰值明顯增大，增大量約為補償前譜峰值的2.5倍，可見信號衰減量很大。補償后氣象目標信號強度明顯增強，為信號處理過程中有效提取目標信息奠定基礎。

圖3 補償前后功率譜曲線Fig.3 Power spectrum before compensation

補償前、后I、Q路信號曲線如圖4、圖5所示，實線表示補償前的信號，虛線表示補償后的信號。在徑向距離7.5 km、垂直高度為3.75 km處，信號振幅衰減值a=0.587 1 mV，對應該距離庫上的I、Q幅角值，分別計算出I、Q補償量。從圖4、圖5可看出，有部分幅度值在補償之后，相對于補償前約增大了一倍，信號增強。

圖4 補償前后I路信號Fig.4 Isingal before and after compensation

圖5 補償前后Q路信號Fig.5 Q singal before and after compensation

I、Q路信號幅度衰減值曲線，也即信號補償量曲線如圖6所示。

雷達仰角在30°時，徑向距離所對應的垂直高度上單程衰減量變化曲線如圖7所示。其中，0~6 km范圍，電磁波信號穿過云區和雨區，衰減量隨高度的增加而增大；因假設6 km以上云內液態水含量很小，忽略對電磁波的衰減，衰減量基本保持不變。

圖6 I、Q路信號幅度變化量曲線Fig.6 I、Q singal amplitude change amount

圖7 垂直高度上單程衰減量變化曲線Fig.7 Vertical height of the one-way attenuation

圖8 徑向距離上單程衰減量變化曲線Fig.8 Radial distance of one-way attenuation

雷達仰角在30°時，徑向距離上單程衰減量變化曲線如圖8所示，x軸表示徑向距離。可以發現，隨著徑向距離增大，衰減量先增大后趨于平穩。徑向距離0~4 km（垂直高度0~2 km）為雨衰減，衰減量隨距離的增大而線性增大，雨區單程總衰減量為0.08 dB；徑向距離4~12 km（垂直高度2~6 km）為云內液態水衰減，因云內液態水含量隨高度變化而變化，且衰減系數也隨云內溫度減小而增大，衰減量隨距離的增大呈非線性增長，云區單程總衰減量約為2.98 dB；徑向距離12 km以上（垂直高度6 km以上），因假設云內液態水含量很小，忽略其衰減，衰減量趨于平衡。

此外，從圖8可見，通過雨區和云區的衰減，單程衰減量在遠距離處多達3dB，衰減量很大。電磁波往返穿過雨區和云區，最大衰減多至6dB，很容易導致遠距離處信號返回時因衰減而變得很弱。

3 結 論

考慮云和雨對毫米波測云雷達電磁波的衰減影響，從I、Q信號角度出發，進行回波信號衰減補償仿真試驗研究，得到如下結論：

1）從I、Q信號角度逐庫補償云雨粒子對毫米波的衰減，通過衰減補償，信號強度明顯增強，目標信號突出。

2）電磁波通過雨區和云區的衰減，在遠距離處衰減量很大，容易導致遠距離處信號返回時因衰減而變得很弱，在后續信號處理中將此處信號當作噪聲處理。從I、Q信號角度補償衰減對于遠距離的目標信號有一定優勢，有效地補償弱信號，能夠在一定程度上解決目標信號太弱而無法提取的問題。

但是，對信號補償的同時，也在一定程度上將噪聲增強，還需要采用有效的去噪方法去噪以達到有效提取目標信息的目的，反應雷達真實回波情況。

[1]仲凌志，劉黎平，葛潤生.毫米波測云雷達的特點及其研究現狀與展望[J].地球科學進展，2009，24（4）:383-390.ZHONGLing-zhi，LIU Li-ping，GE Run-sheng.Characteristics about the millimeter-wavelength radar and its status and prospect in and Abroad[J].Advances in Earth Science，2009，24（4）:383-390.

[2]張培昌，王振會.天氣雷達回波衰減訂正算法的研究（I）：理論分析[J].高原氣象，2001，20（1）:1-5.ZHANG Pei-chang，WANG Zhen-hui.A study on algorithm to make attenuation correction to radar observations of radar reflectivityfactor（I）:Theoretical Analysis[J].Plateau Meteorology，2001，20（1）:1-5.

[3]王振會，張培昌.天氣雷達回波衰減訂正算法的研究（II）：數值模擬與個例實驗[J].高原氣象，2001，20（2）:115-120.WANG Zhen-hui，ZHANG Pei-chang.A study on algorithm to make attenuation correction to radar observations of radar reflectivity factor （II）:Numerical simulation and a case study[J].Plateau Meteorology，2001，20（2）:115-120.

[4]王振會，紀雷，黃興友，等.機載W波段測云雷達回波強度衰減訂正仿真研究[J].高原氣象，2011，30（2）:437-444.WANG Zhen-hui，JI Lei，HUANG Xing-you.Simulation study on the attenuation correction to reflectivity factor observed with an air-borne w-band cloud radar[J].Plateau Meteorology，2011，30（2）:437-444.

[5]李松江，劉永波，李德鑫，等.電磁波的云霧衰減特性研究[J].艦船電子對抗，2010，33（5）:22-28.LI Song-jiang，LIU Yong-bo，LI De-xin.Research into the attenuation characteristics of cloud and fog aginst electromagnetic wave propagation[J].Shipboard Electronic Countermesure，2010，33（5）:22-28.

[6]張培昌，戴鐵丕.雷達氣象學[M].北京：氣象出版社，2001.

[7]肖艷嬌，袁立功，張建偉.天氣雷達回波信號處理的模擬試驗[J].遙感技術與應用，1998，13（4）：43-47.XIAO Yan-jiao，YUAN Li-gong，ZHANG Jian-wei. A simulation experiment for echo singals from weather doppler radar[J].Remote Sensing Technology and Application，1998，13（4）：43-47.