淺談地物對氣象雷達探測的影響及處理方法

摘 要：氣象雷達站預期探測范圍內的地面物體對探測的影響主要有兩個方面：一方面是有一定高度的建筑物或山地對雷達波束的阻擋作用;另一方面是當雷達波束的主波瓣或旁瓣照射到地面物體時產生的回波引起對氣象目標探測的干擾。從氣象探測角度，這種回波稱為地物雜波。本文分別敘述了它們的影響及處理方法，重點介紹了地物雜波的影響及處理方法。

關鍵詞：地物;氣象雷達;探測;影響及處理

氣象雷達站預期探測范圍內的地面物體對探測的影響主要有兩個方面：一方面是有一定高度的建筑物或山地對雷達波束的阻擋作用;另一方面是當雷達波束的主波瓣或旁瓣照射到地面物體時產生的回波引起對氣象目標探測的干擾。從氣象探測角度，這種回波稱為地物雜波。

一、地物阻擋的影響及處理方法

當雷達周圍存在一定高度的山地或高大建筑物時，波束將受到阻擋，既會出現地物雜波又會影響阻擋方向的有效探測。為此，雷達站陣地選址、天線架設時需要充分考慮到凈空條件，特別是危險天氣來向的凈空條件十分重要。即使這樣，限于復雜的客觀條件，往往只能滿足部分要求。因此，建站以后，必須對雷達的有效探測范圍內可能阻擋雷達波束的各種地面物體進行勘測，繪制成地物阻擋圖和等射束高度圖，作為分析雷達探測資料的參考依據。

二、地物雜波的影響及處理方法

（一）利用地物回波圖像處理

當雷達波束主瓣或旁瓣的能量射向地面物體時，就會有反射能量被雷達接收而作為回波顯示在相應的位置上，形成地物雜波。如果雷達的分辨力比較低，則在PPI顯示的中心附近雜波表現為一大片亮區。如果雷達具有很高的距離分辨力，則有可能清楚地顯示出地物的結構。地物雜波與氣象目標回波同時顯示的結果，必然干擾對氣象目標的辨認。需要對氣象目標如降水等進行定量測量時，摻雜了地物雜波將會嚴重影響測量的精度。盡管氣象目標回波本身對于探測飛機、火箭等目標的軍用雷達是一種雜波，但是氣象雷達的使用者從一開始就面臨著排除非氣象的雜波問題。

抑制地物雜波影響的一個簡單方法是雷達建站以后，在晴空無云的天氣條件下探測并存儲各個不同仰角情況下的地物回波圖像，作為區分氣象目標和地物雜波的依據。實際探測時，在地物雜波比較多的方向辨認氣象目標比較困難時，還可以抬高天線仰角到這個方向的地物阻擋角以上，這時顯示的就完全是氣象目標回波了。當然，應用這種方法排除地物雜波的影響，精度并不是很高。因為大氣折射指數的分布式經常在變的，波束射向地面的程度也因時而異，地物回波的范圍、強度也就發生相應變化。建站時探測的地物回波圖像只能作為大致的參考。很顯然，出現超折射時，地物回波大大增加，原有地物回波圖像的可參考性就更小了。

（二）利用高通濾波器處理

隨著氣象雷達普遍多普勒化和信號處理技術的發展，消除地物雜波有了新的進展。由地物雜波的譜分析表明，地物雜波的多普勒譜線集中零頻附近。采用一種高通濾波器對雷達接收分系統送到信號處理分系統的線性I、Q信號先進行濾波，濾去其中屬于地物雜波的低多普勒頻率部分，而使含有氣象信息的高多普勒頻率部分能夠幾乎無衰減地通過，然后進行FFT或PPP處理，可以達到消除地物雜波干擾的目的。

高通濾波器是多種濾波器中的一種。對用于數字信號處理的數字濾波器來說，濾波的過程實質上是一個計算的過程，它將輸入信號的數字序列按照預定的要求轉換成輸出序列。它的設計過程通常是按照要求，規定一個理想的衰減特性，然后用一個可以實現的有理函數來逼近這個特性，再經過軟件或硬件方式來實現這個函數值的實時演算，輸出預期的序列。用軟件方式實現就是借助于計算機，用機器語言、匯編語言或其他高級語言編寫的程序來完成濾波運算過程。用硬件方式實現就是以延遲器、加法器和乘法器等數字組件作為基本部件構成專用的數字濾波器來完成輸入數列到輸出數列的轉換。現行多普勒氣象雷達一般采用無限沖擊響應（IIR）橢圓數字濾波器。這里“無限”指處理的是無限長的數字序列，“沖擊響應”指對很窄的脈沖信號的響應，“橢圓”一詞來源于用來逼近衰減特性的是橢圓函數。由于在運算過程中實現的輸出序列，不但是現在輸入和過去輸入的序列的函數，還是過去輸出序列的函數，相當于電路中具有反饋支路，因此又稱為“遞歸型數字濾波器”。這種濾波器可以采用時域方法處理數據而無需對信號進行譜分析，便于以流水方式快速實時處理數據，并且同其他形式的濾波器比較，還具有通帶紋波小、過渡帶陡直等優點。為了使特性曲線過渡帶更加陡直、通帶和阻帶紋波加密，以取得既濾去地物雜波又盡量減少對有用氣象目標回波信息的損失，可以選擇合適的橢圓濾波器的階數n。一般而言，隨著階數n的增加，濾波效果越好，但所用的部件越多，運算量也會隨之增加。

三、結語

目前國內多普勒氣象雷達采用三階、四階或五階，并且濾波器的凹口寬度和凹口深度往往設計成多檔，用戶使用時可根據需要進行選擇。使用這種設計的主要原因是：盡管地物雜波的多普勒頻率（速度）在0值附近，但其譜寬還是隨著風速（引起樹、草等植被的搖晃）和天線轉速的增大而變寬。另外，數據處理過程中產生的誤差和雷達系統頻率穩定度也對地物雜波的譜寬產生一定的影響。因此，氣象雷達用戶應該根據探測當時的風速、天線轉速等實際情況，選擇適當的濾波器凹口寬度和凹口深度，以求盡可能理想地消除地物雜波。實際上，依靠濾波器未必能做到既把所有地物雜波消除掉又使氣象目標信息不受損失。因此，熟知本站雷達各種工作狀態時的性能，累積各種天氣條件下區分地物雜波和氣象目標的經驗仍是十分重要的。

參考文獻：

[1]李騰偉.X波段天氣雷達地雜波濾波技術[D].國防科學技術大學，2016.

[2]莊健.機載氣象雷達地雜波抑制技術研究[D].南京航空航天大學，2012.

作者簡介：王寧（1994-），女，漢族，山東濟南人，大專，研究方向：氣象雷達。