風廓線雷達探測降水反演雨滴譜中的反卷積算法

阮征 葛潤生 杜宇坤

【摘要】 大氣垂直運動的不均勻性展寬了降水返回信號譜，影響了雷達探測反演的雨滴譜分布。為了消除大氣運動不均勻性對雨滴譜反演精度的影響，需要對雷達接收到的降水譜進行反卷積處理。研究文章提出一種改進的迭代反卷積方法，方法通過對雷達接收信號設置閾值約束條件，迭代中采用逐次逼近的方法，減小了雷達噪聲擾動對反卷積的干擾。

【關鍵詞】 風廓線雷達 信號處理 反卷積

一、引言

通過分析風廓線雷達的多普勒速度譜對分析降水具有重要意義；然而，對于觀測降水信號譜，首先要剔除大氣運動譜的影響。降水譜中大氣運動信號譜與降水信號譜符合卷積關系[1]。

對降水譜反卷積大氣運動譜的研究比較經典的方法有Rajopadhyaya等（1993）提出的傅里葉變換（FT）方案及 Schafer等（2002）提出的迭代方案。本文首先論述了一種通過多項式的長除法的閾值迭代反卷積來實現反卷積。

1.方法原理

2.1噪聲實驗

根據降水譜特性，模擬出相應的降水譜，大氣譜，降水實測譜。對降水實測譜添加不同大小的隨機噪聲，通過傳統及改進方法對降水實測譜進行反卷積。不同信噪比情況下，輸出誤差ex（k），信噪比snr以及均方根誤差erms的取值，如表1所示：

由以上數據可以得出對于一定輸出信號的信噪比SNR，改進反卷積算法產生的誤差小于傳統算法產生的誤差；輸出信號的信噪比SNR越大，誤差越小；當輸出信號的信噪比SNR >10dB，運用改進的方法能夠較好的得到反卷積結果，而傳統方法必須在輸出信號SNR超過130dB以后才可以。

三、結論

在數值計算和原始譜反卷積中，本文的反卷積算法能有效地克服由前端信號分量幅值趨零導致的病態問題，而且對積累噪聲能夠有效的抑制，從而能夠獲得穩定的反卷積結果。

參 考 文 獻

[1]Wakasugi， K.， A. Mizutani， M. Matsuo， S. Fukao， and S. Kato. A direct method for deriving drop-size distribution and vertical air velocities from VHF Doppler radar spectra. J.Atmos. Oceanic Technol.，1986：3， 623–629