双偏振雷达产品和应用介绍.ppt

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1、双偏振雷达产品和应用介绍北京敏视达雷达有限公司2015年3月1Beijing Metstar Radar Company目 录o双偏振原理 o双偏振二次产品o升级双偏振的优势o业务兼容性设计2Beijing Metstar Radar CompanyBeijing Metstar Radar Company31 双偏振原理为什么要双偏振？o雷达方程以球形粒子为假设条件，但实际上粒子并非总是球形。Beijing Metstar Radar Company4双偏振基本原理Beijing Metstar Radar Company5Beijing Metstar Radar Company6双偏振的

2、原理敏视达双偏振雷达采用成熟的、业务上应用广泛的双发双收双发双收模式，发射机输出信号功分两路分别以水平和垂直极化方式同时发射，双通道接收机和数字中频对数据进行并行处理。水平通道的信号用于生成单偏振数据，而双通道信号之间的差异是双偏振雷达的关键：o双通道幅度差系统要求双通道幅度差0.2dBo双通道相位差系统要求双通道相位差2度Beijing Metstar Radar Company7粒子双偏振差异表现在o后向散射特征不同ZDR-反射率在不同极化方向上的差别LDR-反射率在不同极化方向上的交叉转化HV-两种极化方式信号的相关系数（幅度和相位）o传播路径效应不同DP-不同极化方向上的传播路径相位差

3、 KDP 单位距离的DP 衰减效应-不同极化方向上的衰减不同双偏振雷达探测量o单偏振雷达量ndBT,dBZ,V,W o双偏振探测量nZDR(差分反射率)nHV/CC(协相关系数)nDP(差分相移)nKDP(差分相移率)nLDR(退偏振比)水平发射/双通道接收模式Beijing Metstar Radar Company8差分反射率(ZDR)o表达一个探测空间体（距离库）的平均的粒子形状9Beijing Metstar Radar CompanyZDR与雨滴大小oZDR值与雨滴大小密切相关10Beijing Metstar Radar CompanyZDR与冰雹odBZ大，但ZDR小是冰雹存在一

4、个显著的特征11Beijing Metstar Radar CompanyZDR产品Beijing Metstar Radar Company12C波段雷达波段雷达ZDR产产品样例，品样例，ZDR大的大的区域对应降水强的区域对应降水强的区域区域协相关系数(HV/CC)o描述水平和垂直极化的回波信号变化的相似度o 高CC 低CC13Beijing Metstar Radar Company协相关系数的应用o气象目标CC高，非气象目标CC低o融化层识别（CC较低且噪声大）o大冰雹识别（CC0.85)14Beijing Metstar Radar CompanyCC产品Beijing Metstar

5、 Radar Company15C波段雷达波段雷达CC产品产品样例，样例，7.5度仰角度仰角CC产品清晰显示融产品清晰显示融化层的分布化层的分布CC产品显示融化层Beijing Metstar Radar Company16C波段雷达波段雷达CC产品产品样例，样例，7.5度仰角度仰角CC产品清晰显示融产品清晰显示融化层的分布化层的分布差分传播相移DPo水平和垂直通道相位差n电磁波在雨中传播速度变慢n水平极化的电磁波传播相比垂直慢一些17Beijing Metstar Radar CompanyDP解释o与粒子形状相关o与粒子密度有关o冰雹的DP趋近于零 18Beijing Metstar Ra

6、dar CompanyDP产品Beijing Metstar Radar Company19C波段雷达波段雷达PhiDP产品样例产品样例相位显著增大的区相位显著增大的区域为强降水区域域为强降水区域差分传播相移率KDPoDP 是累积效应，随距离累积，不方便直接使用。因此需要引入KDP20Beijing Metstar Radar CompanyKDP的特点和应用oKDP与降水率成比例，可用来估测降水o与反射率估算降水相比，KDP算降水不受冰雹影响oKDP是双通道相位的差值，不需要标定21Beijing Metstar Radar CompanyKDP产品Beijing Metstar Radar

7、 Company22C波段雷达波段雷达KDP产产品样例品样例KDP大的区域对在大的区域对在强降水区域强降水区域退偏振比LDRoLDR需要在单通道发射，双通道接收的模式下生成oLDR展示粒子的退偏振特性o因工作模式限制，LDR的应用比较少Beijing Metstar Radar Company23LDR产品Beijing Metstar Radar Company24水平发射，双通道水平发射，双通道接收模式获得的接收模式获得的LDR产品。产品。仰角：仰角：30度度零度层特征清晰零度层特征清晰双偏振雷达的优势o双偏振数据能够更好地描述粒子的尺寸/形状/降水类型及天气o能够区分气象/非气象回波o能

8、够更好地去除异常传播、地物及海杂波等非气象回波o更准确地估计降水和降雪(双偏振QPE对冰雹、亮带不敏感，且能够过滤非气象回波的影响)o探测和预警冰雹区域Beijing Metstar Radar Company25Beijing Metstar Radar Company262 双偏振二次产品双偏振主要二次产品Beijing Metstar Radar Company27采用美国NEXRAD升级双偏振后的算法，开发了二次产品应用包。双偏振主要二次产品Beijing Metstar Radar Company28序号产品代码产品名称说明1ML融化层高度融化层识别和高度2HCL粒子相态识别粒子相态

9、识别和分类3QPE双偏振定量降水估计双偏振定量估计降水率融化层产品MLBeijing Metstar Radar Company29双偏振探测量（主要是CC和Zdr）更能够体现融化层的变化。融化层产品Beijing Metstar Radar Company30左：反射率左：反射率 中：中：ZDR 右：右：CC融化层产品Beijing Metstar Radar Company31左上：相关系数左上：相关系数CC产品产品右下：融化层右下：融化层ML产品产品融化层产品Beijing Metstar Radar Company32产品应用：（1）每个仰角更新，提供实时不同方位的融化层高度信息；（2

10、）融化层高度信息有助于分析雷达数据，尤其是区分固态和液态粒子；粒子相态分类产品HCLBeijing Metstar Radar Company33o算法输入：双偏振基数据：Z、ZDR、V、CC、PDP、KDP等6种数据。o算法输出：地物杂波（GC，Ground Clutter）生物杂波（BI，Biological Scatters）干雪（DS，Dry Aggregated Snow）冰水混合物（WS，Wet Snow）冰晶（IC，Ice Crystals）霰（GR，Graupel）大雨滴（BD，Big Drops）小雨滴（RA，Light and Moderate Rain）强降雨（HR，He

11、avy Rain）冰雹（RH，Mixture of Rain and Hail）粒子相态分类产品HCLBeijing Metstar Radar Company34TypedBZCCZDRKDPL/M Rain5500.971.010.06.00.01.0Heavy Rain40600.951.000.58.01.05.0Big Drops10500.921.012.57.00.02.0Hail and Rain45800.751.0-0.34.5-2.010Graupel30550.921.01-0.32.2-2.02.0Dry Snow25500.880.9850.53.0-1.00.5I

12、ce Crystals0250.951.01-1.05.0-1.00.5模糊逻辑算法的基本依据 粒子相态分类产品HCLBeijing Metstar Radar Company35左上：反射率产品左上：反射率产品右下：粒子相态分类产品右下：粒子相态分类产品粒子相态分类产品HCLBeijing Metstar Radar Company36左上：未滤波的反射率左上：未滤波的反射率右下：粒子相态分类产品右下：粒子相态分类产品粒子相态分类产品HCLBeijing Metstar Radar Company37产品应用：（1）相态识别有助于雷达数据分析；（2）相态识别产品有助于快速定位和预警区域灾害性

13、天气；（3）相态识别是双偏振降水QPE的输入。双偏振QPEo单偏振o双偏振混合扫描反射率R(Z)相态分类融化层信息R(Z)R(Z,ZDR)R(KDP)38Beijing Metstar Radar CompanyR(Z,ZDR)AlgorithmoR(Z)传统的降水估测关系，受固态降水、亮带及标定的影响较大oR(Z,ZDR)ZDR相对于dBZ受标定影响小ZDR与粒子相态有关，计算固态降水更准确oR(KDP)KDP不受标定和衰减的影响计算降水，不受混合冰雹的影响对于弱降水，KDP值噪声大计算KDP经过平滑，距离分辨率和精度之间有取舍39Beijing Metstar Radar CompanyB

14、eijing Metstar Radar Company40降水率算法选择双偏振QPE产品Beijing Metstar Radar Company41双偏振双偏振QPE的降水的降水率产品，可用于降率产品，可用于降水累积水累积单/双偏振QPE对比Beijing Metstar Radar Company42左上：单偏振左上：单偏振3小时雨量累积小时雨量累积右下：雨量计右下：雨量计3小时雨量小时雨量单/双偏振QPE对比Beijing Metstar Radar Company43左上：双偏振左上：双偏振QPE3小时小时右下：雨量计右下：雨量计3小时雨量小时雨量双偏振QPE产品Beijing Me

15、tstar Radar Company44产品应用：（1）双偏振降水率的计算与粒子相态相关；对冰雹和亮带不敏感，并且非气象回波不影响降水估算；（2）双偏振降水估计对冰雹和亮带不敏感；（3）非气象回波不影响降水估算。Beijing Metstar Radar Company453 升级双偏振的优势双偏振升级带来的优势之一o双偏振探测的优势 1)双偏振数据能够更好地描述粒子的尺寸/形状/降水类型及天气 2)能够区分气象/非气象回波，并能够更好地去除异常传播、地物及海杂波等非气象回波 3)双偏振QPE更准确地估计降水和降雪46Beijing Metstar Radar Company双偏振升级带来的

16、优势之二o升级带来单偏单偏振振数据质量的提高数据质量的提高1）系统设计和标定的精度提高（幅度和相位）2）Burst订正提高改善信号质量，提高地物抑制能力3）相位编码过滤二次回波4）数据分辨率提高（250米距离库）5）天线角码速率45MS11.25MS 这些措施的综合将提高反射率的测量精度和准确性，提高速度和谱宽数据的质量。47Beijing Metstar Radar Company双偏振数字中频模块高度集成化的多通道模块，集成度的提高降低故障率，大大增强和扩展了信号处理能力。高度集成化数字中频/信号处理模块。多通道，16位位A/D，实时处理4K以上距离库数据；I/Q数据通过网线传输网线传输至

17、主机，可实时存档I/Q数据；发射机Burst信号采样和订正 使用发射机末级采样Burst信号订正回波I/Q数据的幅度和相位，显著提高系统相噪和地物抑制能力。动态杂波图右上：反射率（未滤波）右上：反射率（未滤波）左下：动态杂波图区域左下：动态杂波图区域相位编码去二次回波Beijing Metstar Radar Company51左上：反射率产品左上：反射率产品 (含二次回波）含二次回波）右下：去二次回波后右下：去二次回波后 反射率反射率相位编码去二次回波Beijing Metstar Radar Company52左上：速度产品左上：速度产品 (含二次回波）含二次回波）右下：去二次回波后右下：

18、去二次回波后 速度速度相位编码去二次回波Beijing Metstar Radar Company53左上：谱宽产品左上：谱宽产品 (含二次回波）含二次回波）右下：去二次回波后右下：去二次回波后 谱宽谱宽相位编码应用在S波段示例Beijing Metstar Radar Company54如图为美国如图为美国NEXTRAD雷雷达升级后采用相位编码解二达升级后采用相位编码解二次回波的样例。次回波的样例。Beijing Metstar Radar Company55数据分辨率提高湛江海鸥台风反射率对比图湛江海鸥台风反射率对比图左上：左上：1公里公里/1.0度度右下：右下：250米米/0.5度度Be

19、ijing Metstar Radar Company56湛江海鸥台风反射率对比图湛江海鸥台风反射率对比图左上：现有分辨率局部左上：现有分辨率局部4X右下：提高分辨率局部右下：提高分辨率局部4X数据分辨率提高Beijing Metstar Radar Company57湛江海鸥台风反射率对比图湛江海鸥台风反射率对比图左上：现有分辨率局部左上：现有分辨率局部16X右下：提高分辨率局部右下：提高分辨率局部16X数据分辨率提高Beijing Metstar Radar Company584 业务兼容性设计业务兼容性考虑Beijing Metstar Radar Company59o单偏振兼容性 双偏

20、振工作模式能够输出所有的单偏振量，将设计和运行兼容VCP21的双偏振工作体扫模式。o业务兼容性 雷达应用软件将输出2套数据：单偏振的基数据+上传产品（CMA业务规范）双偏振的基数据+应用产品（省内业务应用）总 结Beijing Metstar Radar Company60o双偏振雷达能够兼容单偏振雷达的现有业务功能和气象产品；o双偏振资料能够提供粒子的相态信息，提高非气象回波的识别和过滤能力，提高降水估计的准确性；o双偏振雷达对系统标定、信号处理及软件子系统的升级和改进，提高了系统的标定水平和数据质量，提高了单偏振产品的质量。Beijing Metstar Radar Company61谢谢谢谢