DRSP和RVP8天氣雷達信號處理效果定量分析

何 毅，范 藝，朱克云，張 杰，3，張 偉，羅 輝

(1.成都信息工程學院大氣科學學院高原大氣與環境四川省重點實驗室，四川成都610225;2.中國人民解放軍96211部隊，四川成都610225;3.成都軍區空軍氣象中心，四川成都610041;4.成都錦江電子系統工程有限公司，四川成都610051)

0 引言

多普勒天氣雷達是以云、雨、霧、雪等為觀測目標的遙感設備，其探測性能好壞對于天氣預報準確率有重要現實意義[1－3]。信號處理器作為天氣雷達系統的核心部件，任務是對干擾進行有效抑制，保證天氣雷達能對氣象目標進行準確探測，通過采樣、保持和分層，將模擬信號轉換成數字信號，對天氣雷達系統的數據采集、處理有著直接影響[4]。

文中與成都錦江電子系統工程有限公司國營第784廠開發研制的DRSP信號處理器進行對比試驗的進口RVP8信號處理器，目前在中國應用廣泛，它是由Vaisala公司生產的一款數字中頻接收機和信號處理器，能提供全面的數字接收和信號處理功能。近年來，國內對于雷達信號處理的研究和工程設計水平已經有了很大提高[5－15]，對國產新型雷達信號處理器進行全面認知，性能測試是一個必不可少的環節，如何高效地評估處理效果也就成了一個重要課題。利用兩型信號處理器多次實測數據，分反射率因子、徑向速度和譜寬3方面進行圖像形態結構比對和定量分析。結果顯示，DRSP對于雷達回波的處理效果與RVP8基本相近，說明國產新型天氣雷達信號處理器已具備了相當的數字接收和信號處理能力，對進一步鞏固國家安全和推進實現尖端設備國產化有著重要意義。

1 資料和方法介紹

資料選自2014年3～7月在某型多普勒天氣雷達上通過國產DRSP和進口RVP8采集的同時或分時臨近的反射率因子、徑向速度和譜寬數據，分別進行圖像形態比對和定量分析。

定量分析采用提取雷達基數據，計算各區段點數與對應雷達基數據總點數比值，按色標(由負到正、由小到大)進行分段比較的方法，引入段百分比Xi、段偏差di、段偏差百分比Si、段平均差p以及均方根誤差σ進行描述。(下列統計分析均以RVP8數據作為標準值，DRSP數據作為測量值;下標i表示按對應區段，n為劃分區段總數，形如a～b實為(a，b])

(1)段百分比Xi:反映各區段數據的比重，為信號處理器處理所得雷達基數據各段對應點數mi與總點數M的比值

(2)段偏差di:反映兩型信號處理器在對應區段上處理效果的差異，即段百分比Xi之差

(3)段偏差百分比Si:反映兩型信號處理器的各段偏差di占總差異的比重

(4)段平均差p:反映兩型信號處理器對應各區段的平均差異，為總差異除以劃分區段的總數n

(5)為了說明兩型信號處理器數據樣本的離散程度，測量數據的整體誤差，還引入了均方根誤差σ

2 信號處理定量分析

為準確考查兩型信號處理器的性能比對情況，在確認參與試驗的某型多普勒天氣雷達性能符合出廠指標，且一直穩定工作情況下，采用同機其他部件不動，只切換信號處理器的方法，選定相對穩定的天氣背景，分別就天氣雷達的3個基本產品回波強度、速度和譜寬進行了定量分析。

2.1 強度分析

2.1.1 PPI圖

圖1 PRF(1000 Hz)的回波強度PPI圖

圖2 DPRF(1000/800 Hz)的回波強度PPI圖

圖1～2分別是重復頻率PRF(1000 Hz)和雙重復頻率DPRF(1000/800 Hz)的回波強度PPI圖，經對比整體上可以看出:經DRSP和RVP8處理的回波強、弱區域位置對應較好，輪廓和面積也都基本保持一致，但是經DRSP處理的＞30 dBZ的強回波區域出現部分衰減。

表1 單重頻回波強度PPI圖定量分析表

圖3 單重頻回波強度PPI圖定量對比圖

表2 雙重頻回波強度PPI圖定量分析表

由圖3可以看出二者處理效果除在0～15 dBZ存在明顯差異外，整體趨勢基本保持一致。結合表可見，DRSP處理的＞25 dBZ數據均較RVP8出現微小衰減，－10～0 dBZ區間數據僅存有微小差異，可視為處理效果基本一致;0～15 dBZ作為差異集中區間占57.71%。

圖4 雙重頻回波強度PPI圖定量對比

由圖4可見各段百分比Xi在＞20 dBZ趨勢基本一致，而在－5～20 dBZ存在明顯差異。結合表2可以看出，DRSP對于＞20 dBZ數據的處理均較RVP8出現一定衰減，除30～40 dBZ偏差略大外，可視作處理效果基本一致;＜20 dBZ區間的差異則略大，－5～20 dBZ偏差占總差異的77.30%。

2.1.2 RHI圖

圖5 PRF(1000 Hz)的回波強度RHI圖

圖6 DPRF(600/400 Hz)的回波強度RHI圖

圖5～6分別為 PRF(1000 Hz)和 DPRF(600/400 Hz)的回波強度RHI圖，經對比整體上可以看出:經DRSP和RVP8處理的回波強、弱區域對應較好，輪廓和面積也都基本一致。但在低頻條件的雙重頻狀態下，經DRSP處理的強回波(＞30 dBZ)以及輪廓邊緣弱回波(＜15 dBZ)均較RVP8出現一定衰減;在單重頻條件下二者則無明顯差異。

表3 單重頻回波強度RHI圖定量分析表

圖7 單重頻回波強度RHI圖定量對比

表4 雙重頻回波強度RHI圖定量分析表

由圖7可見各段百分比Xi走勢基本一致，無明顯差異存在。結合表3可以看出，經DRSP處理的弱回波數據(＜15 dBZ)普遍較RVP8出現微小衰減，而對于＞15 dBZ的數據除在30～35 dBZ出現一定衰減外，其余均占比例略大，由 p僅為 0.473%、σ僅為0.632%，可見二者處理效果基本吻合。

圖8 雙重頻回波強度RHI圖定量對比

由圖8可見低頻條件的雙重頻狀態下二者處理差異明顯增大。結合表4可以看出，經DRSP處理的強回波數據(＞30 dBZ)均較RVP8出現衰減。差異集中出現在 5～15 dBZ和 25～45 dBZ，占總差異的76.75%。

通過對單、雙重頻狀態下經DRSP和RVP8處理的回波強度PPI圖和RHI圖進行定量分析可得:二者處理差異普遍集中出現在5～15 dBZ的弱回波區間上，平均占30.68%。DRSP對于＞30 dBZ強回波數據的處理普遍出現衰減，其中30～35 dBZ平均差異占－11.83%。由總的強度段平均差為1.160%，可見兩型信號處理器對于回波強度的處理效果基本相當。

2.2 速度分析

2.2.1 PPI圖

圖9 PRF(1000 Hz)的速度回波PPI圖

圖10 DPRF(1000/667 Hz)的速度回波PPI圖

圖9和10分別是PRF(1000 Hz)和DPRF(1000/667 Hz)的速度回波PPI圖，經對比整體上可以看出，DRSP和RVP8處理的正、負速度區域對應較好，回波輪廓、面積也都基本保持一致。

表5 單重頻速度回波PPI圖定量分析表

圖11 單重頻速度回波PPI圖定量對比

由圖11可見各段百分比Xi整體趨勢基本一致，無明顯差異。結合表5可以看出，經DRSP處理的速度回波數據除在－1.66～6.64 m/s較RVP8出現微小衰減外，其余區間均占比重更大。二者差異集中在正速度(0.30～4.98 m/s)和負速度(－4.98～－0.30m/s)的低值區間，占總差異的63.77%，由p僅為0.333%、σ為0.435%，可見二者處理效果基本吻合。

表6 雙重頻速度回波PPI圖定量分析表

圖12 雙重頻速度回波PPI圖定量對比

由圖12可見各段百分比Xi整體趨勢較為一致，但個別區間存在一定的差異。結合表6可以看出，經DRSP處理的數據在9.94～26.51 m/s均出現衰減;而對應的負速度區間則明顯所占比重更高。二者處理差異較為平均地分布于正速度(0.30～16.57 m/s)和負速度(－16.57～－0.30 m/s)，占總差異的82.43%。

2.2.2 RHI圖

圖13 PRF(1000 Hz)的速度回波RHI圖

圖14 DPRF(600/400 Hz)的速度回波RHI圖

圖13和14分別是PRF(1000 Hz)和DPRF(600/400 Hz)的速度回波 RHI圖，整體上可以看出，經DRSP和RVP8處理后的回波正、負速度區域位置對應較好，回波輪廓、面積、層次也都基本保持一致。但在低頻條件的雙重頻狀態下，經DRSP處理的頂部正速度大值回波較RVP8出現明顯衰減;而單重頻條件下二者則無明顯差異。

表7 單重頻速度回波RHI圖定量分析表

圖15 單重頻速度回波RHI圖定量對比

由圖15可見各段百分比Xi整體趨勢基本一致。結合表7可以看出，二者的處理差異主要集中于－6.64～－0.30 m/s和0.30～1.66 m/s，占總差異的79.84%，由p為0.427%、σ為0.679%，可知兩信號處理器處理效果基本吻合。

表8 雙重頻速度回波RHI圖定量分析表

由圖16可見二者處理效果在正、負速度區間上均有明顯偏差。結合表8可以看出，經DRSP處理的正、負速度的大值區間(＞7.92 m/s)回波均出現不同程度衰減，二者差異集中在－9.89～－0.30 m/s，占總差異的50.58%。

圖16 雙重頻速度回波RHI圖定量對比

通過對單、雙重頻狀態下經DRSP和RVP8處理的速度回波PPI圖和RHI圖進行定量分析可得:DRSP和RVP8對于正、負速度的過渡區間－0.30～0.30 m/s的處理效果是極為一致的，平均僅占到總差異的1.86%;差異普遍集中出現在正速度(區段號:10～11)、負速度(區段號:5～8)的較低值區間內，平均占總差異的62.82%;而對于高值區間的處理普遍比較相近。由總的速度段平均差為0.917%，可見二者處理效果是基本相當。

2.3 譜寬分析

2.3.1 PPI圖

圖17 PRF(1000 Hz)的譜寬PPI圖

圖18 DPRF(1000/800 Hz)的譜寬PPI圖

圖17和18分別是PRF(1000 Hz)和DPRF(1000/800 Hz)的譜寬PPI圖，經對比整體上可以看出，經DRSP和RVP8所處理的譜寬高、低值區域位置對應較好，回波輪廓、面積也都基本保持一致;但在雙重頻狀態下，譜寬值的大小存在明顯差異。

表9 單重頻譜寬PPI圖定量分析表

圖19 單重頻譜寬PPI圖定量對比

由圖19可見兩型信號處理器處理效果除0.5～2.0 m/s存在一定差異外，其余區間均差異不大。結合表9可以看出，對應 0.5～2.0 m/s占總差異的74.88%。

表10 雙重頻譜寬PPI圖定量分析表

圖20 雙重頻譜寬PPI圖定量對比

由圖20可見各段百分比Xi均存在明顯差異。結合表10可以看出，在雙重頻狀態下，經DRSP和RVP8對于譜寬PPI圖的處理效果存在顯著差異。

2.3.2 RHI圖

圖21 PRF(1000 Hz)的譜寬RHI圖

圖22 DPRF(600/400 Hz)的譜寬RHI圖

圖21和22分別是PRF(1000 Hz)和DPRF(600/400 Hz)的譜寬RHI圖，經對比兩圖整體上可以看出，DRSP和RVP8所處理的譜寬高、低值區域位置對應較好，回波輪廓、面積也都基本保持一致。但是在雙重頻狀態下，經RVP8處理的譜寬圖像呈現放射狀，而經DRSP處理的譜寬圖像層次則更為分明，但頂部譜寬圖像出現一定衰減，且回波大部分位置譜寬值均較RVP8略大;單重頻狀態下，經DRSP處理的譜寬高值區域略大，而邊緣區域的譜寬值則明顯更低。

表11 單重頻譜寬RHI圖定量分析表

由圖23可見各段百分比Xi整體趨勢基本一致，僅在譜寬低值區間出現明顯差異。結合表11可以看出，經 DRSP處理的譜寬數據較 RVP8，在 0.5～1.0 m/s出現明顯衰減，而在0.0～0.5 m/s則明顯所占比重更高，占到總差異的70.75%。

圖23 單重頻譜寬RHI圖定量對比

表12 雙重頻譜寬RHI圖定量分析表

圖24 雙重頻譜寬RHI圖定量對比

由圖24可見各段百分比Xi均存在一定差異。結合表12可以看出，經DRSP處理的譜寬數據較RVP8，除在1.0～2.5 m/s所占比例略多，其余區間均出現不同程度的衰減。差異主要集中在0.0～2.0 m/s，占到總差異的82.37%。

通過對單、雙重頻狀態下經DRSP和RVP8處理的譜寬PPI圖和RHI圖進行定量分析可得:二者差異普遍集中出現在譜寬值＜2.0 m/s，平均占總差異的76.01%，其中在1.0～1.5 m/s經DRSP所處理的數據均所占比重更大，平均占15.74%。整體上看，在單重頻狀態下，二者對于譜寬數據的處理效果基本相當，在雙重頻狀態下差異明顯。

3 結論

通過上述方法能有效地對兩型信號處理器的處理效果進行定量說明，得出以下結論:

(1)DRSP對于＞30 dBZ數據的處理普遍出現衰減，二者差異普遍集中出現在5～15 dBZ的弱回波上，平均占總差異的30.43%。

(2)兩型信號處理器對于－0.30～0.30 m/s的過渡區間處理效果是極為一致，平均僅占總差異的1.86%;差異普遍集中出現在正速度(區段號:10～11)和負速度(區段號:5～8)的較低值區間內，平均占總差異的62.82%;對于高值區間的處理普遍比較相近。

(3)兩型信號處理器處理的譜寬差異普遍集中出現在＜2.0 m/s，平均占總差異的76.01%;在雙重頻狀態下差異明顯。

(4)DRSP對于PPI圖和RHI圖的處理效果上互有優劣;但在單重頻條件下的處理效果要明顯優于雙重頻條件。

(5)DRSP對于各區間數據的處理效果按優排序分別為速度、強度、譜寬。

(6)整體上看，DRSP和RVP8對于強度、速度和單重頻的譜寬數據的處理效果基本相當，為了進一步提高國產器件的處理精度，建議針對差異集中區間和雙重頻的譜寬產品，進行包括信號處理器參數配置等方面的調整和改進。

[1] 張培昌，杜秉玉，戴鐵丕.雷達氣象學(第二版)[M].北京:氣象出版社，2001:272－273.

[2] 沈瑾，甘泉.天氣雷達的現狀及發展趨勢[J].電子設計工程，2011，19(16):82－85.

[3] 李柏，古慶同，李瑞義，等.新一代天氣雷達災害性天氣監測能力分析及未來發展[J].氣象，2013，39(3):265－280.

[4] 朱子平，洪一.天氣雷達信號處理的現狀及發展[C].中國電子學會第七屆學術年會論文集，2001:320－325.

[5] 洪一，孫實澤，吳曉麗，等.脈沖多普勒氣象雷達信號處理的參數討論[J].現代電子，1996(4):17－26.

[6] 石星.高速數字信號處理設計評述[C].中國電子學會第七屆學術年會論文集，2001:368－373.

[7] 許丹，田建生，吳世才.基于DSP的雷達信號采集處理系統[J].武漢大學學報(理學版)，2001:47(5):573－576.

[8] 孫鵬，趙保軍.雷達信號處理器的設計與實現[J].現代雷達，2002(1):54－59.

[9] 王金礎，楊正遠.基于C67的天氣雷達信號處理器設計[J].現代雷達，2003(1):32－35.

[10] 朱子平.天氣雷達信號處理系統應用研究[D].成都:電子科技大學，2007.

[11] 劉霞.714CDN天氣雷達信號處理算法淺議[J].科技信息，2010，(25):478－479.

[12] 張志強.某天氣雷達信號處理板的設計與實現[D].西安:電子科技大學，2010.

[13] 俞驚雷，柳彬，王開志，等.一種基于GPU的高效合成孔徑雷達信號處理器[J].信息與電子工程，2010，8(4):415－419.

[14] 張陽，高仲輝.基于國產DSP“魂芯一號”的天氣雷達信號處理器設計[J].電訊技術，2014，54(1):79－83.

[15] 于希，周輝.脈沖多普勒氣象雷達信號處理系統研究[J].科技傳播，2014，(4):134.