基于变化趋势约束的毫米波云雷达衰减订正-张鹏.pdf

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1、第39卷第12期2017年12月现代雷达Modern RadarV0139 No12Dec2017数据处理-DOI：1016592jcnki1004785920171201 1基于变化趋势约束的毫米波云雷达衰减订正张 鹏12，陈允杰3，周则明2，胡明宝2(1陆军T-程大学教研保障中心， 南京210007；2国防科技大学气象海洋学院， 南京211101)(3南京信息工程大学江苏省气象探测与信息处理重点实验室， 南京210044)摘要：为减小衰减引起的毫米波云雷达强度数据误差，提出了基于变化趋势约束的衰减订正算法，以小波方法得到的x波段天气雷达反射率因子变化趋势为约束，调整毫米波云雷达反射率因子变

2、化廓线，实现衰减订正：基于实际探测资料的分析和实验表明，较强回波存在时，衰减是造成毫米波云雷达与x波段天气雷达反射率因子差异的主要原因；订正后的反射率因子与x波段天气雷达反射率因子差异减小，相关性增强。基于变化趋势约束的衰减订正方法能够避免常规逐库订正方法因缺乏约束而导致的不稳定问题，减小衰减引起的误差，提升雷达强度数据质量。关键词：毫米波云雷达；衰减订正；双雷达中图分类号：P4122 文献标志码：A 文章编号：10047859(2017)12-0052-04Attenuation Correction for Millimeterwave Cloud Radarwith Variation

3、Trend ConstraintZHANG Peng”-CHEN Yunjie3，ZHOU Zemin92，HU Mingba02(1Support Center of Teaching and Research-Army Engineering University of PLA， Nanjing 2 1 0007，China)(2Institute of Atmosphere and Ocean，National University of Defense Technology， Nanjing 21 1 101。China)(3Jiangsu Key Laboratory of Mete

4、orolgoical Observation and Information Processing，Nanjing University of Information Science and Technology。 Nanjing 2 1 0044，China)Abstract：To correct the attenuated data of the millimeterwave radar，an attenuation correction algorithm with variation trend constraint is presentedThe attenuation corre

5、ction algorithm is implemented by adjusting the reflectivity factors of the millimeterwave radar using the variation trend of the reflectivity factors of the Xband radar which can be extracted by wavelet methodExperiments onreal radar data show that the attenuation is the main reason that causes the

6、 difference between the reflectivity factors of the two radarswhen relatively intense echoes existThe differences between the corrected reflectivity factors of millimeterwave radar and the reflectivitv factors of the Xband radar are reduced and the correlations are enhancedThe algorithm can address

7、the instability problemwhich is inherent in the binbybin algorithm and the quality of the base data of millimeter wave radar is improved after correctionKey words：millimeterwave cloud radar；attenuation correction；dualradar0 引 言云在地气辐射传输和平衡中具有重要作用，是气候变化的主要影响因子，也是开展天气预报和人工影响天气业务的关键依据，对云宏观、微观参数的探测和分析具有重

8、要意义。毫米波雷达是云探测的有效手段，具有适应于云滴、冰晶探测的较高灵敏度和较大动态范围，并具有天线尺寸小、发射功率低、时空分辨率高等探测优势。川。国内外在毫米波传输特性以及毫米波云雷达反演云宏微观参数方面开展了大量应用研究和实践旧。由于毫米波云雷达所处波段通常为基金项目：国家自然科学基金项目(61473310，61672291)；江苏省气象探测与信息处理重点实验室(南京信息工程大学)开放基金资助项目(KDXSl306)通信作者：张鹏 Email：radarpeng126com收稿日期：2017-0816 修订日期：2017-10一15Ka波段(86 mm)和W波段(32 mm)，其探测受衰减

9、影响较大，导致回波强度降低、云区面积减小等，甚至探测不到雨区后方的云分布信息，对毫米波云雷达所受衰减进行分析并实施订正十分必要，是进一步提高毫米波云雷达资料定量化应用能力的基础。针对毫米波云雷达的衰减问题，王振会等4 o应用米散射公式进行理论计算，建立了w波段与Ka波段毫米波云雷达探测球形云和降水粒子的衰减系数与雷达反射率因子的关系(k-z关系)，并开展了机载w波段测云雷达回波强度衰减订正仿真研究-5j。吴举秀等。6。研究了非球形冰晶的衰减系数与毫米波雷达等效反射率因子的关系等。毫米波云雷达衰减订正方法主要借鉴了厘米波天气雷达的相应方法。黄兴友口等采用分级逐库法对地基Ka波段毫米波测云雷达回波

10、强度进行了订正。Shinta Seto等。8。针对美日联合发射的全球降雨测量(GPM)核心观测台上的双频降雨万方数据数据处理 张鹏，等：基于变化趋势约束的毫米波云雷达衰减订正雷达(DPR)，提出了基于解析法、并使用双频反射率比和表面参考技术调整k-z关系系数的订正方法等。这些方法均取得了一定效果，但因缺乏必要约束，订正不足或过量、订正不稳定，以及k-z关系系数难以科学确定等问题依然存在。而在天气雷达衰减订正中，合理的约束条件被引入到订正算法中，用以解决上述问题。其中，研究较多的是引入路径累积衰减(PIA)作为约束条件，而PIA可以通过比差分相位与衰减系数的关系一j、联合微波链路叫等方法进行估计

11、得到。为提升衰减订正效果，并引入合理的外部约束以避免订正不稳定问题，考虑到我国已实现多普勒天气雷达业务化组网运行，业务使用或实验研究使用的多种不同波段雷达同步、重叠探测的情况大量存在，本文提出并实现了基于变化趋势约束的双雷达订正方法(简称VTC方法)。使用小波分析方法提取同步观测的较长波段天气雷达的强度变化趋势，作为毫米波云雷达衰减订正的约束。基于实际雷达数据的验证和分析表明，VTC方法能够有效减小衰减引起的毫米波雷达反射率因子误差，提升基数据质量。1 衰减对毫米波云雷达反射率因子的影响为分析衰减对毫米波云雷达反射率的影响程度，以优化和验证衰减订正算法，本节进行了毫米波云雷达和同步探测的x波段

12、天气雷达的反射率因子值的对比分析。所使用的实测数据为2010年7月在广东阳江进行的国际探空系统比对试验中Ka波段地基毫米波测云雷达(SCRMP-03型，以下简称毫米波雷达)和x波段天气雷达(SCRXD-02MP型，以下简称X波段雷达)体扫探测数据。两部雷达主要参数见表l。表1 毫米波雷达和X波段天气雷达主要参数毫米波雷达和x波段雷达基本处在同一位置(相距不足20 m)，试验前均经过定标，系统误差小于1 dB。为减少奇异点和随机误差的影响，并尽量减小由于雷达有效照射体积不同带来的误差，在进行分析和订正处理前，对毫米波雷达和x波段雷达强度资料进行了中值滤波处理。以毫米波雷达和x波段雷达两部雷达探测

13、时间差异3 min、探测仰角差异O1 o为匹配标准，在2010年7月25日至7月30日间有58次探测资料匹配。统计分析可见，毫米波雷达反射率因子数据明显低于x波段雷达，两部雷达均探测到回波处的反射率因子平均差值达1358 dB，平均相关系数为046(见表2)。表2 毫米波雷达和x波段雷达反射率因子差异统计结果图1为2010年7月28日9时18分仰角60的毫米波雷达与x波段雷达强度回波对比图。可见，毫米波雷达与x波段雷达探测的较强回波的位置一致性较好；相比于x波段雷达，毫米波雷达能够探测到更弱的回波，近距离处回波范围大于X波段雷达，能够探测到X波段雷达探测不到的云和弱降水区，这也是其测云优势所在

14、；毫米波雷达较强回波区域中的回波强度和面积均小于x波段雷达对应位置回波，在远距离处更加突出，当探测电磁波经过较强雨区后，甚至探测不到强雨区后方的云雨目标，如图1中方位20030。、距离24 km30 km处的回波。州高一km1 1_乏肘一利、i产计比由图2可见，在近距离处或探测路径上未经较大衰减时，两部雷达反射率因子比较一致，随着距离及雷达电磁波经过云雨区时衰减的增加，两部雷达反射率因子一53万方数据现代雷达差异逐步增大，图2中二者差值最大可超过40 dB。可见，在近距离、探测路径上回波强度较小时，毫米波测云雷达与x波段天气雷达回波强度一致性很好。而当较远距离、探测路径上有较强回波时，毫米波雷

15、达反射率因子与x波段雷达存在差异，其原因为衰减、有效照射体积差异和非瑞利散射效应等因素导致，其中衰减为主要因素。2 基于变化趋势约束的衰减订正方法(VTC)由于毫米波雷达的探测距离通常较近(30km左右)，加之云雨粒子滴谱变化具有空间连续性，可以认为，如无衰减影响，毫米波雷达反射率因子的空间变化应与同位置处x波段雷达反射率因子变化趋势基本一致。因此，可以根据x波段雷达反射率因子的变化趋势调整毫米波雷达反射率因子的总体变化趋势，达到衰减订正效果。为增强方法的适用性，实现利用异地站点的雷达资料辅助毫米波雷达进行衰减订正，将雷达资料坐标系由以雷达为中心的极坐标系转换到绝对地理坐标中，使用等高位置平面

16、(CAPPI)资料而不是雷达平显资料，引入小波分析方法实现基于平均变化趋势约束的衰减订正方法，方法步骤如下：(1)由毫米波雷达和x波段雷达体扫数据生成CAPPI数据，按照毫米波雷达强度数据分辨率进行格点化处理，并进行地理坐标匹配。(2)针对二者重叠探测区域中的每一条等纬度线或等经度线，采用小波分析方法对毫米波雷达和x波段雷达反射率因子廓线进行多级分解，得到毫米波反射率因子廓线的低频分量A。和高频分量D。、x波段雷达反射率因子廓线的低频分量A。(3)采用加权求和方法，以小波分解提取出的X波段雷达反射率因子廓线低频分量调整毫米波雷达反射率因子廓线的低频分量，大原则，求取第i点的调整权重rWmi 2

17、毒羲 (4)C畎z 2赢 5)则在第i点，式(1)为A“=WmiA。+Wxi X Ax。(4)订正后的毫米波雷达反射率因子廓线由调整后的毫米波雷达反射率因子廓线低频分量A。和原有高频分量D。进行重构得到。3 实验结果分析应用VTC方法对由2010年7月25日一7月30日的实际体扫资料产生的海拔3 km CAPPI数据进行了衰减订正。实验中，采用Daubechies小波函数“db4”进行分解和重构，为获得x波段雷达反射率因子变化趋势并尽量保留毫米波雷达反射率因子变化细节，进行了4级小波分解，低频分量的调整权重采用基于能量最大原则的自适应选择方法。实验结果与实施分级逐库订正71后生成的海拔3 km

18、 CAPPI数据进行了比较。对应图1时次资料的订正结果如图3所示。c) VTC订正后毫米波雷达CAPPI强度图垂黠Oi)、-I，20【二：鞋垂堕墨f 1 n+毯登幽幽A，。：砜A。+职Ax (1) 图3 VTc方法订正前后毫米波雷达和x波段雷达强度对比图式中：A 7。为调整后的毫米波雷达反射率因子廓线低频分量；W。和形。分别为毫米波雷达和X波段雷达反射率因子低频分量调整权重。为最大程度地保留回波变化细节，形。和畎的确定采用基于能量最大原则的自适应权重选择法。即首先在低频分量A。和A、中的5点滑动窗口中计算小波系数平方和+2c。i=；A毛 (2)Jl一i+2C。=；A (3)一一式中：A。，、A

19、。i分别为A。和A。在第，点的小波系数。由于小波能量越大，包含的细节越多，所以按照能量最54对比图3a)、3b)、3e)可以看到，订正后，毫米波雷达强度和较强回波面积明显增大，更加接近x波段雷达，远距离回波因强烈衰减而大幅减弱的问题得到了一定解决，如图3e)中距离20 km、方位25035。处的回波。由等纬度线反射率因子对比图(图3d)可以更清楚地看到，VTC方法使毫米波反射率因子的总体变化趋势接近x波段雷达，同时保留订正前反射率因子的变化细节，起到了衰减订正的效果，且订正幅度明显大于逐库订正方法，图3d)中订正值在10 dB30 dB左右，最大订正值达到了32 dB。处理2010年7月28日

20、9时18分的毫米波雷达和x波段雷达高度3 km的CAPPI资料，得到毫米波万方数据-数据处理 张鹏，等：基于变化趋势约束的毫米波云雷达衰减订正雷达订正前、VTC法订正后、逐库法订正后与x波段雷达反射率因子值的分布如图4所示。坟q、f率fdI图4毫米波雷达订正前后反射率因子值分布图可见，订正前，毫米波雷达较强反射率因子数量明显少于x波段雷达。VTC法订正后，反射率因子值分布更加趋近x波段雷达，较强回波点数量较订正前明显增多，且增加幅度大于逐库订正法。以毫米波雷达和x波段雷达体扫起始探测时间小于3 min为匹配条件，2010年7月25 13至30 13内共有28次体扫资料匹配，使用VTC方法对由其

21、生成的3km高度CAPPI资料进行处理的结果见表3。表3订正前后反射率因子差异统计结果可以看到，使用VTC方法进行衰减订正后，反射率因子均值明显增大，更加接近x波段雷达，与x波段雷达高度3 km CAPPI相关性明显增强，订正效果优于逐库订正方法。本文使用的雷达资料基本为台风外围云系回波以及对流云降水回波，回波强度较大，x波段雷达数据也将受到衰减影响，导致VTC方法出现误差。但考虑到毫米波云雷达的主要探测分析对象为非降水云或弱降水云，在这些场合中该误差将较小。另外，如果使用VTC方法的两部雷达波长差异太大，将导致两部不同波长雷达的电磁波衰减特性差异增大，将会给VTC方法带来较大误差。而如果波长

22、差异过小，将导致两部不同雷达所受衰减基本相同，较长波长雷达反射率的参考作用降低。所以，VTc方法中两部雷达的波长差异既不能过大也不能过小，以相邻的常用波段为宜，如Ka波段和x波段，x波段和c波段，c波段和s波段等。4结束语为减小衰减对毫米波雷达数据的影响，避免常规订正方法的不稳定问题，本文在进行毫米波雷达和x波段雷达反射率因子对比的基础上，提出并验证了双雷达同步探测条件下的基于变化趋势约束的衰减订正方法(VTC)，得到以下结论：(1)与厘米波段雷达相比，毫米波雷达具有弱回波探测优势，但当探测路径上存在较强回波时，毫米波雷达与x波段雷达反射率因子将存在较大差异，衰减是造成此差异的主要原因。(2)

23、VTC方法以x波段天气雷达反射率因子变化趋势为约束，调整毫米波云雷达反射率因子变化廓线，实现衰减订正，能够克服衰减订正中的不稳定问题，有效避免订正过量或不足。(3)VTC方法订正后的反射率因子均值明显增大，订正幅度大于分级逐库订正方法，与x波段雷达反射率因子更加一致，相关性得到增强。(4)VTC方法能够推广到使用较长波长雷达数据辅助较短波长雷达衰减订正的一般情况，在我国s波段多普勒雷达已实现业务组网的条件下，将为其他较短波长雷达衰减订正提供一种新的途径。参考文献1KOLLIAS P，CLOTHIAUX E E，MILLER M A，et a1Millimeterwavelength radar

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26、 Xu，JI Lei，et a1A study ofthe rela-tionship between the trader coefficient and radar reflectivity factor for spherical particles in clouds at intermediate wavelengthsJAeta Paper Siniea，2011，69(6)：1020-10285王振会，纪雷，黄兴友，等机载w波段测云雷达回波强度衰减订正仿真研究J高原气象，2011，30(2)：437-444WANG Zhenhui，JI Lei，HUANG Xingyou，et

27、a1Simulalion study on the attenuation correction to reflectivity factorobserved with an air-borne Wband cloud radarJPlateauMeteorology，2011，30(2)：4374446 WU Juxiu，WEI Ming，ZHOU JieRelationship between theextinction coefficient and radar reflectivity factor of nonspherical ice crystalsJJournal of Rem

28、ote Sensing，2013，17(6)：1377-1395(下转第63页)一55万方数据天馈伺系统 徐勤，等：基于混合介质基板高阻抗表面的螺旋天线设计 2017，39(12)相比，采用新方法的天线在工作频段内维持了较大增益 2的特I生，解决了高端增益快速下降，波束变宽的问题。虱10加载混合介质基板HIS天线的波瓣图 53 结束语本文针对实际使用中重量轻、具有较大增益的平面圆极化天线的需求，采用了平面螺旋天线加载高阻抗表面的方案。在处理天线加载传统高阻抗表面在工作频段的高端增益下降的问题时，设计了一种在两层常用介质基板之间增加一层相对介电常数近1的泡沫塑料的混合介质基板高阻抗表面，并将其加

29、载于平面螺旋天线后侧，具有良好的可加工性。该方案维持74 mm的天线口径，反射面距离天线8 mm，为最大工作波长的53，天线整体剖面高度为14 mm。仿真结果表明：与不加载反射面或吸收背腔的天线相比，采用加载混合介质基板高阻抗表面新方法的天线在2 GHz一6 GHz工作频段内，具有良好的阻抗匹配和圆极化性能，实现了单向辐射波瓣图形状基本一致，增益大幅提高且保持单调增加的特性。本文提出的方法更适用于工作频段更低的平面螺旋天线设计。参考文献1 VOLAKIS J LAntenna engineering handbookM4th edNew York：McGrawHill，2007678H1SAM

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34、平鲁毕毒年乍串串卡串誓早串串号黾母警簪任跨平告毕平亡牛亡卡母仁早(上接第55页)7黄兴友，樊雅文，李峰，等地基35 GHz测云雷达回波强度的衰减订正研究J红外与毫米波学报，2013，32(4)：325330HUANG Xingyou，FAN Yawen，LI Feng，et a1The attenuation correction for a 35 GHz groundbased cloud radarJJournal of Infrared and Millimeter Waves，201 3，32(4)：3253308 SHINTA S，TOSHl0 IIntereomparison of

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36、empiricalbasisJJoumal of Atmospheric and Oceanic Technology，2005，22(1 1)：1621163210TROMEL S，ZIEGERT M，RYZHKOV A V，et a1Usingmicrowave backhanllinks to optimize the performance of a1gorithms for rainfall estimation and attenuation correctionJJournal of Atmospheric and Oceanic Technology，2014，31(8)：17481760张鹏男，1976年生，硕士，副教授。研究方向为雷达气象学。陈允杰 男，1980年生，博士，副教授。研究方向为数值计算与图像分析。周则明 男，1966年生，博士，教授。研究方向为图像处理。学。胡明宝 男，1964年生，博士，教授。研究方向为雷达气象一63万方数据