DRSP和RVP8天氣雷達(dá)信號(hào)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(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610225;2.中國(guó)人民解放軍96211部隊(duì)，四川成都610225;3.成都軍區(qū)空軍氣象中心，四川成都610041;4.成都錦江電子系統(tǒng)工程有限公司，四川成都610051)

0 引言

多普勒天氣雷達(dá)是以云、雨、霧、雪等為觀測(cè)目標(biāo)的遙感設(shè)備，其探測(cè)性能好壞對(duì)于天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有重要現(xiàn)實(shí)意義[1－3]。信號(hào)處理器作為天氣雷達(dá)系統(tǒng)的核心部件，任務(wù)是對(duì)干擾進(jìn)行有效抑制，保證天氣雷達(dá)能對(duì)氣象目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)，通過(guò)采樣、保持和分層，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，對(duì)天氣雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理有著直接影響[4]。

文中與成都錦江電子系統(tǒng)工程有限公司國(guó)營(yíng)第784廠開(kāi)發(fā)研制的DRSP信號(hào)處理器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)的進(jìn)口RVP8信號(hào)處理器，目前在中國(guó)應(yīng)用廣泛，它是由Vaisala公司生產(chǎn)的一款數(shù)字中頻接收機(jī)和信號(hào)處理器，能提供全面的數(shù)字接收和信號(hào)處理功能。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)于雷達(dá)信號(hào)處理的研究和工程設(shè)計(jì)水平已經(jīng)有了很大提高[5－15]，對(duì)國(guó)產(chǎn)新型雷達(dá)信號(hào)處理器進(jìn)行全面認(rèn)知，性能測(cè)試是一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)，如何高效地評(píng)估處理效果也就成了一個(gè)重要課題。利用兩型信號(hào)處理器多次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分反射率因子、徑向速度和譜寬3方面進(jìn)行圖像形態(tài)結(jié)構(gòu)比對(duì)和定量分析。結(jié)果顯示，DRSP對(duì)于雷達(dá)回波的處理效果與RVP8基本相近，說(shuō)明國(guó)產(chǎn)新型天氣雷達(dá)信號(hào)處理器已具備了相當(dāng)?shù)臄?shù)字接收和信號(hào)處理能力，對(duì)進(jìn)一步鞏固國(guó)家安全和推進(jìn)實(shí)現(xiàn)尖端設(shè)備國(guó)產(chǎn)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(dá)上通過(guò)國(guó)產(chǎn)DRSP和進(jìn)口RVP8采集的同時(shí)或分時(shí)臨近的反射率因子、徑向速度和譜寬數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行圖像形態(tài)比對(duì)和定量分析。

定量分析采用提取雷達(dá)基數(shù)據(jù)，計(jì)算各區(qū)段點(diǎn)數(shù)與對(duì)應(yīng)雷達(dá)基數(shù)據(jù)總點(diǎn)數(shù)比值，按色標(biāo)(由負(fù)到正、由小到大)進(jìn)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(jìn)行描述。(下列統(tǒng)計(jì)分析均以RVP8數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)值，DRSP數(shù)據(jù)作為測(cè)量值;下標(biāo)i表示按對(duì)應(yīng)區(qū)段，n為劃分區(qū)段總數(shù)，形如a～b實(shí)為(a，b])

(1)段百分比Xi:反映各區(qū)段數(shù)據(jù)的比重，為信號(hào)處理器處理所得雷達(dá)基數(shù)據(jù)各段對(duì)應(yīng)點(diǎn)數(shù)mi與總點(diǎn)數(shù)M的比值

(2)段偏差di:反映兩型信號(hào)處理器在對(duì)應(yīng)區(qū)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(hào)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(hào)處理器對(duì)應(yīng)各區(qū)段的平均差異，為總差異除以劃分區(qū)段的總數(shù)n

(5)為了說(shuō)明兩型信號(hào)處理器數(shù)據(jù)樣本的離散程度，測(cè)量數(shù)據(jù)的整體誤差，還引入了均方根誤差σ

2 信號(hào)處理定量分析

為準(zhǔn)確考查兩型信號(hào)處理器的性能比對(duì)情況，在確認(rèn)參與試驗(yàn)的某型多普勒天氣雷達(dá)性能符合出廠指標(biāo)，且一直穩(wěn)定工作情況下，采用同機(jī)其他部件不動(dòng)，只切換信號(hào)處理器的方法，選定相對(duì)穩(wěn)定的天氣背景，分別就天氣雷達(dá)的3個(gè)基本產(chǎn)品回波強(qiáng)度、速度和譜寬進(jìn)行了定量分析。

2.1 強(qiáng)度分析

2.1.1 PPI圖

圖1 PRF(1000 Hz)的回波強(qiáng)度PPI圖

圖2 DPRF(1000/800 Hz)的回波強(qiáng)度PPI圖

圖1～2分別是重復(fù)頻率PRF(1000 Hz)和雙重復(fù)頻率DPRF(1000/800 Hz)的回波強(qiáng)度PPI圖，經(jīng)對(duì)比整體上可以看出:經(jīng)DRSP和RVP8處理的回波強(qiáng)、弱區(qū)域位置對(duì)應(yīng)較好，輪廓和面積也都基本保持一致，但是經(jīng)DRSP處理的＞30 dBZ的強(qiáng)回波區(qū)域出現(xiàn)部分衰減。

表1 單重頻回波強(qiáng)度PPI圖定量分析表

圖3 單重頻回波強(qiáng)度PPI圖定量對(duì)比圖

表2 雙重頻回波強(qiáng)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(shì)基本保持一致。結(jié)合表可見(jiàn)，DRSP處理的＞25 dBZ數(shù)據(jù)均較RVP8出現(xiàn)微小衰減，－10～0 dBZ區(qū)間數(shù)據(jù)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(qū)間占57.71%。

圖4 雙重頻回波強(qiáng)度PPI圖定量對(duì)比

由圖4可見(jiàn)各段百分比Xi在＞20 dBZ趨勢(shì)基本一致，而在－5～20 dBZ存在明顯差異。結(jié)合表2可以看出，DRSP對(duì)于＞20 dBZ數(shù)據(jù)的處理均較RVP8出現(xiàn)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(qū)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(qiáng)度RHI圖

圖6 DPRF(600/400 Hz)的回波強(qiáng)度RHI圖

圖5～6分別為 PRF(1000 Hz)和 DPRF(600/400 Hz)的回波強(qiáng)度RHI圖，經(jīng)對(duì)比整體上可以看出:經(jīng)DRSP和RVP8處理的回波強(qiáng)、弱區(qū)域?qū)?yīng)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(tài)下，經(jīng)DRSP處理的強(qiáng)回波(＞30 dBZ)以及輪廓邊緣弱回波(＜15 dBZ)均較RVP8出現(xiàn)一定衰減;在單重頻條件下二者則無(wú)明顯差異。

表3 單重頻回波強(qiáng)度RHI圖定量分析表

圖7 單重頻回波強(qiáng)度RHI圖定量對(duì)比

表4 雙重頻回波強(qiáng)度RHI圖定量分析表

由圖7可見(jiàn)各段百分比Xi走勢(shì)基本一致，無(wú)明顯差異存在。結(jié)合表3可以看出，經(jīng)DRSP處理的弱回波數(shù)據(jù)(＜15 dBZ)普遍較RVP8出現(xiàn)微小衰減，而對(duì)于＞15 dBZ的數(shù)據(jù)除在30～35 dBZ出現(xiàn)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(jiàn)二者處理效果基本吻合。

圖8 雙重頻回波強(qiáng)度RHI圖定量對(duì)比

由圖8可見(jiàn)低頻條件的雙重頻狀態(tài)下二者處理差異明顯增大。結(jié)合表4可以看出，經(jīng)DRSP處理的強(qiáng)回波數(shù)據(jù)(＞30 dBZ)均較RVP8出現(xiàn)衰減。差異集中出現(xiàn)在 5～15 dBZ和 25～45 dBZ，占總差異的76.75%。

通過(guò)對(duì)單、雙重頻狀態(tài)下經(jīng)DRSP和RVP8處理的回波強(qiáng)度PPI圖和RHI圖進(jìn)行定量分析可得:二者處理差異普遍集中出現(xiàn)在5～15 dBZ的弱回波區(qū)間上，平均占30.68%。DRSP對(duì)于＞30 dBZ強(qiáng)回波數(shù)據(jù)的處理普遍出現(xiàn)衰減，其中30～35 dBZ平均差異占－11.83%。由總的強(qiáng)度段平均差為1.160%，可見(jiàn)兩型信號(hào)處理器對(duì)于回波強(qiáng)度的處理效果基本相當(dāng)。

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(jīng)對(duì)比整體上可以看出，DRSP和RVP8處理的正、負(fù)速度區(qū)域?qū)?yīng)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(duì)比

由圖11可見(jiàn)各段百分比Xi整體趨勢(shì)基本一致，無(wú)明顯差異。結(jié)合表5可以看出，經(jīng)DRSP處理的速度回波數(shù)據(jù)除在－1.66～6.64 m/s較RVP8出現(xiàn)微小衰減外，其余區(qū)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(fù)速度(－4.98～－0.30m/s)的低值區(qū)間，占總差異的63.77%，由p僅為0.333%、σ為0.435%，可見(jiàn)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(duì)比

由圖12可見(jiàn)各段百分比Xi整體趨勢(shì)較為一致，但個(gè)別區(qū)間存在一定的差異。結(jié)合表6可以看出，經(jīng)DRSP處理的數(shù)據(jù)在9.94～26.51 m/s均出現(xiàn)衰減;而對(duì)應(yīng)的負(fù)速度區(qū)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(fù)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(jīng)DRSP和RVP8處理后的回波正、負(fù)速度區(qū)域位置對(duì)應(yīng)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(tài)下，經(jīng)DRSP處理的頂部正速度大值回波較RVP8出現(xiàn)明顯衰減;而單重頻條件下二者則無(wú)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(duì)比

由圖15可見(jiàn)各段百分比Xi整體趨勢(shì)基本一致。結(jié)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(hào)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(jiàn)二者處理效果在正、負(fù)速度區(qū)間上均有明顯偏差。結(jié)合表8可以看出，經(jīng)DRSP處理的正、負(fù)速度的大值區(qū)間(＞7.92 m/s)回波均出現(xiàn)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(duì)比

通過(guò)對(duì)單、雙重頻狀態(tài)下經(jīng)DRSP和RVP8處理的速度回波PPI圖和RHI圖進(jìn)行定量分析可得:DRSP和RVP8對(duì)于正、負(fù)速度的過(guò)渡區(qū)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(xiàn)在正速度(區(qū)段號(hào):10～11)、負(fù)速度(區(qū)段號(hào):5～8)的較低值區(qū)間內(nèi)，平均占總差異的62.82%;而對(duì)于高值區(qū)間的處理普遍比較相近。由總的速度段平均差為0.917%，可見(jiàn)二者處理效果是基本相當(dāng)。

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(jīng)對(duì)比整體上可以看出，經(jīng)DRSP和RVP8所處理的譜寬高、低值區(qū)域位置對(duì)應(yīng)較好，回波輪廓、面積也都基本保持一致;但在雙重頻狀態(tài)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(duì)比

由圖19可見(jiàn)兩型信號(hào)處理器處理效果除0.5～2.0 m/s存在一定差異外，其余區(qū)間均差異不大。結(jié)合表9可以看出，對(duì)應(yīng) 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(duì)比

由圖20可見(jiàn)各段百分比Xi均存在明顯差異。結(jié)合表10可以看出，在雙重頻狀態(tài)下，經(jīng)DRSP和RVP8對(duì)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(jīng)對(duì)比兩圖整體上可以看出，DRSP和RVP8所處理的譜寬高、低值區(qū)域位置對(duì)應(yīng)較好，回波輪廓、面積也都基本保持一致。但是在雙重頻狀態(tài)下，經(jīng)RVP8處理的譜寬圖像呈現(xiàn)放射狀，而經(jīng)DRSP處理的譜寬圖像層次則更為分明，但頂部譜寬圖像出現(xiàn)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(tài)下，經(jīng)DRSP處理的譜寬高值區(qū)域略大，而邊緣區(qū)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(jiàn)各段百分比Xi整體趨勢(shì)基本一致，僅在譜寬低值區(qū)間出現(xiàn)明顯差異。結(jié)合表11可以看出，經(jīng) DRSP處理的譜寬數(shù)據(jù)較 RVP8，在 0.5～1.0 m/s出現(xiàn)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(duì)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(duì)比

由圖24可見(jiàn)各段百分比Xi均存在一定差異。結(jié)合表12可以看出，經(jīng)DRSP處理的譜寬數(shù)據(jù)較RVP8，除在1.0～2.5 m/s所占比例略多，其余區(qū)間均出現(xiàn)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(guò)對(duì)單、雙重頻狀態(tài)下經(jīng)DRSP和RVP8處理的譜寬PPI圖和RHI圖進(jìn)行定量分析可得:二者差異普遍集中出現(xiàn)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(jīng)DRSP所處理的數(shù)據(jù)均所占比重更大，平均占15.74%。整體上看，在單重頻狀態(tài)下，二者對(duì)于譜寬數(shù)據(jù)的處理效果基本相當(dāng)，在雙重頻狀態(tài)下差異明顯。

3 結(jié)論

通過(guò)上述方法能有效地對(duì)兩型信號(hào)處理器的處理效果進(jìn)行定量說(shuō)明，得出以下結(jié)論:

(1)DRSP對(duì)于＞30 dBZ數(shù)據(jù)的處理普遍出現(xiàn)衰減，二者差異普遍集中出現(xiàn)在5～15 dBZ的弱回波上，平均占總差異的30.43%。

(2)兩型信號(hào)處理器對(duì)于－0.30～0.30 m/s的過(guò)渡區(qū)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(xiàn)在正速度(區(qū)段號(hào):10～11)和負(fù)速度(區(qū)段號(hào):5～8)的較低值區(qū)間內(nèi)，平均占總差異的62.82%;對(duì)于高值區(qū)間的處理普遍比較相近。

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

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

(5)DRSP對(duì)于各區(qū)間數(shù)據(jù)的處理效果按優(yōu)排序分別為速度、強(qiáng)度、譜寬。

(6)整體上看，DRSP和RVP8對(duì)于強(qiáng)度、速度和單重頻的譜寬數(shù)據(jù)的處理效果基本相當(dāng)，為了進(jìn)一步提高國(guó)產(chǎn)器件的處理精度，建議針對(duì)差異集中區(qū)間和雙重頻的譜寬產(chǎn)品，進(jìn)行包括信號(hào)處理器參數(shù)配置等方面的調(diào)整和改進(jìn)。

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