X波段双偏振雷达反射率的衰减订正

雷亚会

(成都信息工程学院电子工程学院，四川成都610225)

0 引言

气象雷达在探测天气目标时，雷达发射出去的能量会有一部分被天气目标吸收，使回波强度在探测过程中被衰减[1]。在各种气象雷达中，波长较短的雷达相比波长较长的雷达，在探测信号时接收到的回波衰减更加严重[2]。波长较短的X波段雷达接收到的回波的衰减率(AH)是波长较长的C、S波段雷达的7～8倍[3]。同时，X波段雷达的发射频段是10GHz左右，气象信号回波强度的强弱会导致回波的衰减不同，因此，X波段雷达在探测气象信号回波时的精度受到雷达信号回波衰减的严重影响[4]。但是X波段双偏振雷达的价格低、体积小、易运输、分辨率高，在探测天气信号方面有优势[5]。所以，有必要订正X波段雷达反射率强度以优化其探测效果。

对X波段雷达反射率的衰减订正算法研究中，Bringi使用的订正算法是“自适应约束”法，并将该算法订正后的数据，与C波段的实测数据对比分析，二者接近。由于C波段雷达的回波信号衰减较小，所以说明自适应约束算法较好[6]。何宇翔等在利用KDP对数据进行衰减订正的基础上，加入了卡尔曼滤波技术，订正层状云回波的衰减，并指出引入卡尔曼滤波后适用于处理稳定的降水云[7]。胡志群等比较了几种衰减订正的方法、最后提出ZHKDP综合衰减订正法，该方法在KDP值较大和较小时都较有效[8]。对比以上的数据订正法，采用ZH-KDP法对X波段雷达反射率数据进行处理，并分析其处理后的结果。

1 X波段衰减订正方法

首先，对反射率数据进行衰减订正的基本公式

其中ZHe为订正后的反射率值，ZHa为订正前的反射率值，r为雷达探测目标与雷达中心之间的距离，AH则代表衰减率。实际上，衰减订正关键就是准确的确定衰减率[9]。

利用KDP值对回波数据进行订正处理，那么要先求得KDP与AH的关系。根据Bringi等的研究，可先令二者的关系公式为

这样就只需确定a的值，Bringi等[10]模拟雷达信号回波为gamma分布，进行试验，求得a为0.21～0.247。Matrosov等[11]在此基础上，对式(2)进行外场实验，测得a的值为0.22。根据这些研究，文中设定a的值为0.22dB/deg。以上分析是单独考虑KDP值对回波反射率设计订正算法。但当KDP的值较小时，会受到外界其他因素地干扰，对订正结果造成严重误差[12]。所以胡志群等[13]提出ZH-KDP综合法，即设定两个阈值σ1和σ2，当σ1＜KDP＜σ2时，利用上面所述KDP方法订正。当KDP＜σ1或KDP＞σ2时，衰减率的计算公式为

其中Zh=10Zh/10(mm6/m3)，根据 Park 等[14]的研究，a=1.37 ×10－4，b=0.779。设定阈值 σ1=0.1 deg/km，σ2=3deg/km。在实际算法设计时，是将式(1)～(2)合并，得:

即利用式(3)处理σ1＜KDP＜σ2时的数据[15]。式中，nr代表雷达一个径向距离库数目，Bw代表雷达一个距离库长度。

2 软件实现

开发工具选用Visual C++6.0。VC++6.0是C语言和C++语言的编程平台，其运行效率高，内存占用小。辅助工具软件是ReadBaseData1.0和Matlab7.1。ReadBaseData1.0将雷达体扫数据数据转换为图像的方式予以显示。Matlab7.1用于绘制径向数据曲线图。

软件设计的流程主要分为3步:(1)是从文件里读取KDP和ZH数据，并将其值的单位转化成dBz。(2)是程序的算法核心部分，利用ZH-KDP综合订正法实现对反射率数据的衰减订正。当0.1deg/km≤KDP≤3deg/km时，程序利用KDP值订正，否则，程序利用ZH值订正。(3)是转化数据，把订正后的ZH值以雷达数据显示软件的格式保存。

图1 软件流程图

3 实例对比分析

3.1 资料来源

采用的雷达资料来自成都信息工程学院X波段双偏振天气雷达，观测地点成都信息工程学院。雷达数据距离库长度是125米，方位精度是1度。后面的图形每个距离圈表示80千米。

3.2 反射率数据处理前后效果及分析

2013年4月10日，成都经历的一次大范围降雨过程中。观测资料显示，北京时间19:42～19:46时段的雨区回波面积大，故选取该时段的数据进行处理。图2为利用ZH-KDP综合订正法订正前反射率数据的体扫模式第一层的PPI图像。图3为处理前雷达回波差传播相移图像。

图2显示，方位角10°～45°，和235°～270°区域，有较强的降雨回波，其值较大。强度在20～35dBz，沿着这些径向方向，回波反射率强度随距离减弱。

图4为订正后的雷达回波反射率值的PPI图，由图4可看出，ZH-KDP综合法对反射率数据订正后，其强度普遍增加，在方位角10°～45°，以及235°～270°附近，ZH值大都订正到25～40dBz，与其前方的回波较强区域的反射率强度相接近。并且，还有其他几个区域上的回波强度明显增强。

图2 未经处理的雷达回波反射率值(单位:dBz)

图3 未经处理的雷达回波差传播相移(单位:deg/km)

图5为雷达回波反射率经过ZH-KDP综合订正法处理后，反射率补偿值的PPI图，从图5可以看出，雷达回波反射率的订正值一般在2～10dBz，在方位角235°～270°附近，某些区域ZH订正值超10dB。

图4 经处理后的雷达回波反射率值(单位:dBz)

图5 经处理后雷达回波反射率的补偿值(单位:dB)

3.3 在一个径向上的反射率值对比分析

图6为2013年4月10日雷达的回波径向数据图，图中的径向方位角为50°，显示了ZH-KDP算法处理前后雷达回波反射率沿径向变化曲线。点画线为订正前的雷达回波反射率值，直线为订正后的雷达回波反射率值，虚线为订正了的值。

从图6可以看出，在20～45km，因回波反射率强度小，因而雷达反射率衰减小，反射率订正前后的值相差不多;45～80km，回波反射率强度较大，基本超过20dBz，衰减订正之后的反射率值比订正之前的值高2～5dBz。这表明雷达回波沿一个径向上的反射率，距雷达中心距离越远，反射率的衰减越大。相同距离，天气目标的回波反射率强度越强，衰减越严重。

图6 雷达回波反射率订正前后沿径变化曲线(径向方位角50°)

3.4 利用S波段雷达数据验证其订正效果

图7为同时刻S波段雷达的回波反射率图。从图7可以看出，在方位角10°～45°，以及235°～270°附近，ZH值基本在30～40dBz。对比图7与图4，可看出，S波段雷达的回波反射率值和订正后的X波段雷达反射率值相差不多，所以证明对X波段雷达反射率数据的订正达到了预期效果。

图7 S波段雷达回波反射率值(单位:dBz)

4 结束语

首先提出对X波段雷达的回波反射率数据进行衰减订正的必要性，进而介绍了一种对数据衰减进行订正的算法，并以此算法为基础，进行软件设计，经过结果分析，实现了对成都信息工程学院X波段双偏振雷达的反射率衰减订正。

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