新一代多普勒天氣雷達數據處理中頻域濾波技術的研究

莊 庭，呂江津

(天津市濱海新區氣象局 天津300457)

新一代多普勒天氣雷達數據處理中頻域濾波技術的研究

莊 庭，呂江津

(天津市濱海新區氣象局 天津300457)

多普勒天氣雷達的基數據主要由氣象回波和地物雜波組成，地物雜波過多就會嚴重損害雷達基數據的精確性，因而多普勒氣象雷達想獲得質量高的數據產品就必須抑制地物雜波。探討了如何使用頻域濾波技術提高多普勒天氣雷達數據質量的問題。

頻域濾波 時域濾波 地物雜波 自適應高斯濾波器

反射率產品是目前多普勒天氣雷達應用最普遍的產品之一，超折射回波、地物雜波和大面積距離重合是雷達反射率產品的主要影響因素。對于多普勒天氣雷達來說，地物回波一般是指雷達 0.5,°仰角運轉時探測到的山脈和建筑物等非氣象固定目標。超折射現象一般發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，大氣折射把雷達波束的傳播彎曲到地面，這時就會在雷達反射率產品中產生超折射回波。當出現超折射現象時，在雷達反射率產品中表現出來的是地物雜波存在區域大了許多，同時雷達回波的反射率強度也大大增強。因此，當某個地區的地物雜波和氣象回波混雜在一起的時候，將使雷達反射率產品在該地區顯示的反射率強度大大增強，嚴重影響天氣預報的準確性。

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出現不同程度的改變。這些因子都是影響電磁波在大氣中傳播狀態的主要因素，會導致折射指數因高度變化而出現變化，使雷達脈沖波向上發射時行進過程出現彎曲。其情況可大致分成標準折射、臨界折射、超折射、負折射和零折射(見圖 1)。在雷達業務運行過程中，超折射現象是比較普遍的。

3種氣象條件容易形成超折射現象，并依據其進行分類：①輻射超折射；②平流超折射；③雷暴超折射。

靜止不動的地物目標是影響雷達產品質量的非氣象目標雜波能量的主要來源。由于地物目標一般都是不會動的，徑向速度為零，但在尼奎斯特速度區間范圍內，真實氣象目標的徑向速度值隨處都可能出現。WSR-88D雷達正是利用這一特性，將地物雜波從距離庫中濾去或將其降到最低。

圖1 折射分類圖Fig.1 Classification of refractions

2 地物雜波的成因及抑制

和早期的天氣雷達一樣，地物雜波對于多普勒天氣雷達產品的污染主要表現為以下3個方面：①地物雜波主要影響 0.5,°仰角的產品；②離雷達站不遠處最容易發生地物雜波污染；③一般多普勒天氣雷達的體掃為6,min一次，如果在某一個仰角的雷達產品中發現地物雜波污染，則該污染在下一個6,min的體掃中依然會出現，并且會一直存在。

使用頻域濾波方式進行地物雜波抑制，在提高雷達基數據質量方面具有明顯的優勢，可以在不損壞原有真實氣象回波的基礎上抑制住地物雜波。而時域濾波方式由于從時間信號方面處理地物雜波，所以當真實氣象回波信號里混有地物雜波時，進行濾波操作難免會損壞真實的氣象回波信號。

3 多普勒天氣雷達地物雜波時域抑制研究

早期一般都是通過時域數字濾波器來進行時域濾波處理。數字濾波器有兩種：有限脈沖響應(FIR)濾波器和無限脈沖響應(IIR)濾波器。這兩種濾波器的濾波過程都必須疊加處理信號信息。

本文使用的實際雷達回波數據均是天津市濱海新區氣象局的多普勒天氣雷達業務運行數據，該雷達是S波段的多普勒天氣雷達，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數據產品，以便于觀察。本文選擇仰角 0.5,°，多普勒天氣雷達 PRF= 1013Hz 。

圖2 晴天無濾波情況下雷達反射率圖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間變化，所以比較圖2和圖4可知，圖2中3個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回波的，并且這 3個圈所在地方不變，只是時間不同，所以圖2中3個橢圓圈里的回波均為超折射回波。同理可得，兩個方塊圈里的回波均為地物雜波。

比較圖2和圖3可知，經過IIR橢圓濾波器的濾波處理后，圖 3中橢圓圈里的雷達回波大小、強度與圖2差不多，說明IIR橢圓濾波器對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技術算法影響很大，為了使真實的氣象回波不受IIR濾波算法的破壞，國內每個雷達站點的雷達系統都有一套和該雷達站附近地物環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，只針對參照圖里標有地物雜波的地方，如果有雷達回波就對該回波進行雜波抑制。由于在任何地方都可能出現超折射回波，所以無法在雷達系統的濾波圖中添加超折射回波的位置信息，導致IIR橢圓濾波器對超折射回波起不到太大作用。圖 3中方塊圈里的雷達回波大小和強度明顯弱于圖 2，這說明 IIR橢圓濾波器對于普通地物雜波還是起到了一定的抑制作用。

4 使用頻域濾波技術提高多普勒天氣雷達數據質量

目前，在新一代天氣雷達反射率數據質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、區域和強度大小都不確定，現有的濾波技術無法對其進行有效抑制，加上氣象預報人員較難識別，對氣象預報人員充分應用雷達反射率資料和人工影響天氣的作業效果造成了較大的影響。

為了減小超折射回波對氣象預報人員的影響，提高我國天氣雷達在信號處理方面的技術水平，北京敏視達雷達公司開發出基于頻域信號處理算法的新型濾波技術，該濾波技術可有效抑制超折射回波，對氣象回波的影響很小，同時對地物的抑制能力優于WSR-88D(Weather Service Radar，美國新一代天氣雷達，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高斯頻域濾波技術過濾不同類型雷達回波后的效果。

表1 對于不同種類回波使用自適應高斯頻域濾波技術的濾波效果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反射率圖Fig.5 Doppler radar reflectivity in a sunny day without filtering

圖6 晴空情況下頻域濾波后多普勒雷達反射率圖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反射率圖Fig.7 Doppler radar reflectivity under precipitation conditions without filtering

圖8 降水情況下頻域濾波后多普勒雷達反射率圖Fig.8 Doppler radar reflectivity under precipitation conditions with frequency domain filtering

從表中可以得出下面結論：①自適應高斯頻域濾波技術抑制地物雜波的同時對真實氣象回波幾乎無影響。②當真實天氣回波被地物雜波污染后，自適應高斯頻域濾波可以有效削弱地物雜波，同時不損壞真實天氣回波信號。③當出現超折射現象時，自適應高斯頻域濾波對其濾波效果能達到 67,dBz。④無論氣象條件如何多變，自適應高斯頻域濾波對地物雜波的濾波效果始終不變。

5 結 語

自適應高斯頻域濾波器對地物雜波的濾波效果非常好，且不損壞真實天氣回波信號。在超折射回波的抑制方面，IIR橢圓濾波器對超折射回波無能為力，而自適應高斯頻域濾波器對于超折射回波的抑制能力能達到 67,dBz。因此從濾波器的濾波性能方面，自適應高斯頻域濾波器大大優于 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鍵，而使用自適應高斯頻域濾波器進行濾波時，完全無需地物雜波圖，可以更好地濾除地物雜波，同時不損壞真實天氣回波信號。

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

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

［3］ 何建新，王旭，劉艷. 自適應高斯頻域濾波器在天氣雷達中的應用[J]. 氣象，2010，36(6)：117-121.

［4］ 劉艷. 多普勒天氣雷達地物雜波時域和頻域抑制研究[D]. 成都：成都信息工程學院，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