X波段雙偏振雷達反射率的衰減訂正

雷亞會

(成都信息工程學院電子工程學院，四川成都610225)

0 引言

氣象雷達在探測天氣目標時，雷達發射出去的能量會有一部分被天氣目標吸收，使回波強度在探測過程中被衰減[1]。在各種氣象雷達中，波長較短的雷達相比波長較長的雷達，在探測信號時接收到的回波衰減更加嚴重[2]。波長較短的X波段雷達接收到的回波的衰減率(AH)是波長較長的C、S波段雷達的7～8倍[3]。同時，X波段雷達的發射頻段是10GHz左右，氣象信號回波強度的強弱會導致回波的衰減不同，因此，X波段雷達在探測氣象信號回波時的精度受到雷達信號回波衰減的嚴重影響[4]。但是X波段雙偏振雷達的價格低、體積小、易運輸、分辨率高，在探測天氣信號方面有優勢[5]。所以，有必要訂正X波段雷達反射率強度以優化其探測效果。

對X波段雷達反射率的衰減訂正算法研究中，Bringi使用的訂正算法是“自適應約束”法，并將該算法訂正后的數據，與C波段的實測數據對比分析，二者接近。由于C波段雷達的回波信號衰減較小，所以說明自適應約束算法較好[6]。何宇翔等在利用KDP對數據進行衰減訂正的基礎上，加入了卡爾曼濾波技術，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值較大和較小時都較有效[8]。對比以上的數據訂正法，采用ZH-KDP法對X波段雷達反射率數據進行處理，并分析其處理后的結果。

1 X波段衰減訂正方法

首先，對反射率數據進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為雷達探測目標與雷達中心之間的距離，AH則代表衰減率。實際上，衰減訂正關鍵就是準確的確定衰減率[9]。

利用KDP值對回波數據進行訂正處理，那么要先求得KDP與AH的關系。根據Bringi等的研究，可先令二者的關系公式為

這樣就只需確定a的值，Bringi等[10]模擬雷達信號回波為gamma分布，進行試驗，求得a為0.21～0.247。Matrosov等[11]在此基礎上，對式(2)進行外場實驗，測得a的值為0.22。根據這些研究，文中設定a的值為0.22dB/deg。以上分析是單獨考慮KDP值對回波反射率設計訂正算法。但當KDP的值較小時，會受到外界其他因素地干擾，對訂正結果造成嚴重誤差[12]。所以胡志群等[13]提出ZH-KDP綜合法，即設定兩個閾值σ1和σ2，當σ1＜KDP＜σ2時，利用上面所述KDP方法訂正。當KDP＜σ1或KDP＞σ2時，衰減率的計算公式為

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

即利用式(3)處理σ1＜KDP＜σ2時的數據[15]。式中，nr代表雷達一個徑向距離庫數目，Bw代表雷達一個距離庫長度。

2 軟件實現

開發工具選用Visual C++6.0。VC++6.0是C語言和C++語言的編程平臺，其運行效率高，內存占用小。輔助工具軟件是ReadBaseData1.0和Matlab7.1。ReadBaseData1.0將雷達體掃數據數據轉換為圖像的方式予以顯示。Matlab7.1用于繪制徑向數據曲線圖。

軟件設計的流程主要分為3步:(1)是從文件里讀取KDP和ZH數據，并將其值的單位轉化成dBz。(2)是程序的算法核心部分，利用ZH-KDP綜合訂正法實現對反射率數據的衰減訂正。當0.1deg/km≤KDP≤3deg/km時，程序利用KDP值訂正，否則，程序利用ZH值訂正。(3)是轉化數據，把訂正后的ZH值以雷達數據顯示軟件的格式保存。

圖1 軟件流程圖

3 實例對比分析

3.1 資料來源

采用的雷達資料來自成都信息工程學院X波段雙偏振天氣雷達，觀測地點成都信息工程學院。雷達數據距離庫長度是125米，方位精度是1度。后面的圖形每個距離圈表示80千米。

3.2 反射率數據處理前后效果及分析

2013年4月10日，成都經歷的一次大范圍降雨過程中。觀測資料顯示，北京時間19:42～19:46時段的雨區回波面積大，故選取該時段的數據進行處理。圖2為利用ZH-KDP綜合訂正法訂正前反射率數據的體掃模式第一層的PPI圖像。圖3為處理前雷達回波差傳播相移圖像。

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

圖4為訂正后的雷達回波反射率值的PPI圖，由圖4可看出，ZH-KDP綜合法對反射率數據訂正后，其強度普遍增加，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區域的反射率強度相接近。并且，還有其他幾個區域上的回波強度明顯增強。

圖2 未經處理的雷達回波反射率值(單位:dBz)

圖3 未經處理的雷達回波差傳播相移(單位:deg/km)

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

圖4 經處理后的雷達回波反射率值(單位:dBz)

圖5 經處理后雷達回波反射率的補償值(單位:dB)

3.3 在一個徑向上的反射率值對比分析

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

從圖6可以看出，在20～45km，因回波反射率強度小，因而雷達反射率衰減小，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。這表明雷達回波沿一個徑向上的反射率，距雷達中心距離越遠，反射率的衰減越大。相同距離，天氣目標的回波反射率強度越強，衰減越嚴重。

圖6 雷達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波段雷達數據驗證其訂正效果

圖7為同時刻S波段雷達的回波反射率圖。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。對比圖7與圖4，可看出，S波段雷達的回波反射率值和訂正后的X波段雷達反射率值相差不多，所以證明對X波段雷達反射率數據的訂正達到了預期效果。

圖7 S波段雷達回波反射率值(單位:dBz)

4 結束語

首先提出對X波段雷達的回波反射率數據進行衰減訂正的必要性，進而介紹了一種對數據衰減進行訂正的算法，并以此算法為基礎，進行軟件設計，經過結果分析，實現了對成都信息工程學院X波段雙偏振雷達的反射率衰減訂正。

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