昆明長(zhǎng)水機(jī)場(chǎng)CFL—03邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)算法應(yīng)用分析

和勁波

【摘 要】風(fēng)廓線雷達(dá)作為一種以大氣湍流為主要探測(cè)對(duì)象的測(cè)風(fēng)雷達(dá)，隨著風(fēng)廓線雷達(dá)資料用途的拓展，對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)回波信號(hào)功率譜數(shù)據(jù)處理提出了更高的要求。本文針對(duì)昆明長(zhǎng)水機(jī)場(chǎng)CFL-03邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)回波信號(hào)功率譜數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行了應(yīng)用分析。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)廓線雷達(dá)；數(shù)據(jù)算法；應(yīng)用分析

0 引言

昆明長(zhǎng)水機(jī)場(chǎng)CFL-03邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)是一種具有低損耗接收、高效率低副瓣平板相控陣天線、模塊化全固態(tài)發(fā)射機(jī)、高低工作模式以及先進(jìn)實(shí)用的信號(hào)處理技術(shù)等特點(diǎn)的脈沖多普勒晴空探測(cè)雷達(dá)。測(cè)風(fēng)最小探測(cè)高度小于60米，最大探測(cè)高度為3000米至5000米，具有很強(qiáng)的空間和時(shí)間分辨率。能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)探測(cè)各高度層大氣的水平風(fēng)、垂直風(fēng)以及大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等氣象要素隨高度以及時(shí)間變化的分布，為預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性提供了可靠的必要輔助。

本文對(duì)昆明長(zhǎng)水機(jī)場(chǎng)CFL-03邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)接收機(jī)處理后的回波信號(hào)功率譜數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行了應(yīng)用分析。

1 風(fēng)廓線雷達(dá)原理

風(fēng)廓線雷達(dá)主要以晴空大氣作為探測(cè)對(duì)象，所以也稱(chēng)風(fēng)廓線雷達(dá)為晴空雷達(dá)，它利用大氣湍流對(duì)電磁波的散射作用進(jìn)行大氣風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速、風(fēng)向以及大氣折射結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2等要素的探測(cè)。風(fēng)廓線雷達(dá)發(fā)射的電磁波在大氣傳播過(guò)程中，由于大氣湍流造成的折射率不均勻分布而產(chǎn)生散射，其中后向散射能量被風(fēng)廓線雷達(dá)所接收。這個(gè)后向散射信號(hào)，通常存在于大氣湍流之中具有尺度為雷達(dá)波長(zhǎng)的1/2左右的波數(shù)成分。湍流隨風(fēng)漂移，通過(guò)觀測(cè)回波信號(hào)的多普勒信息，可以測(cè)定風(fēng)矢量。在風(fēng)矢量的探測(cè)中，雷達(dá)波束朝向垂直（天頂）方向，以及偏離垂直波數(shù)15°左右的東、西、南、北側(cè)，如圖1所示。

如圖1所示，風(fēng)廓線雷達(dá)在各方向的探測(cè)中，雷達(dá)連續(xù)發(fā)射N(xiāo)個(gè)重復(fù)周期的探測(cè)脈沖，接收以空間分辨率刻度顯示的各高度層湍流產(chǎn)生的后向散射信號(hào)。接收到的回波信號(hào)經(jīng)接收機(jī)處理后得到相應(yīng)波束上各個(gè)不同距離高度上的回波信號(hào)的功率譜，如圖2。該功率譜經(jīng)數(shù)據(jù)處理算法處理后，最后得出各對(duì)應(yīng)高度層上大氣風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速、風(fēng)向以及大氣折射結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2等氣象要素。

2 功率譜數(shù)據(jù)處理算法應(yīng)用分析

CFL-03邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)系統(tǒng)回波信號(hào)功率譜數(shù)據(jù)處理算法主要步驟為：①對(duì)功率譜數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲電平計(jì)算、譜濾波、地雜波抑制和識(shí)別、風(fēng)譜信號(hào)識(shí)別和提取、矩估計(jì)，求出回波功率、徑向速度、譜寬和SNR等參數(shù)；②進(jìn)行質(zhì)量控制，剔除野值和異點(diǎn)；③合成水平風(fēng)速、風(fēng)向和垂直氣流，生成數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

2.1 求取噪聲電平

噪聲電平的準(zhǔn)確性影響到風(fēng)廓線雷達(dá)回波信號(hào)功率、SNR、Cn2等參數(shù)的計(jì)算和結(jié)果。該雷達(dá)系統(tǒng)采用基于高斯白噪聲譜的統(tǒng)計(jì)特性（譜序列的方差是其期望的平方）的“噪聲電平客觀確定法”來(lái)求取噪聲電平，通過(guò)迭代逐步去除包含大氣回波信號(hào)的譜線，使得參數(shù)R1、 R2逐漸逼近于1。

2.2 譜濾波/平滑

由于雷達(dá)回波信號(hào)一般都很微弱和散亂，同時(shí)部分窄而強(qiáng)的干擾信號(hào)會(huì)被誤認(rèn)為大氣回波信號(hào)。采用譜濾波/平滑后，可以有效改善譜的形狀，消除干擾信號(hào)影響，利于風(fēng)譜的識(shí)別并提高譜峰的識(shí)別能力。

2.3 地物雜波抑制

地物雜波的抑制和識(shí)別是數(shù)據(jù)處理中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，由于風(fēng)廓線雷達(dá)的回波信號(hào)非常微弱，地物雜波其強(qiáng)度往往都大于風(fēng)譜信號(hào)，若回波信號(hào)識(shí)別在地物雜波上，將會(huì)造成嚴(yán)重的錯(cuò)誤。該雷達(dá)數(shù)據(jù)處理算法通過(guò)識(shí)別指定高度以下直流對(duì)稱(chēng)的譜峰并抑制，合理的去除地物雜波對(duì)雷達(dá)回波功率譜影響。

2.4 多峰處理

由于噪聲、干擾及地雜波等的影響使得在某些高度層上的譜序列中呈現(xiàn)出多個(gè)譜峰，其幅度有時(shí)要強(qiáng)于大氣回波信號(hào)。所謂的多峰處理就是對(duì)譜序列進(jìn)行譜峰搜尋和識(shí)別，選取出大氣回波譜峰進(jìn)行徑向速度、譜寬和SNR的計(jì)算。該雷達(dá)數(shù)據(jù)處理算法采用的多峰處理方法，可分為以下四個(gè)步驟：①對(duì)于某個(gè)距離門(mén)選取三個(gè)功率值在噪聲電平之上的連續(xù)區(qū)域（連續(xù)區(qū)域最寬者、連續(xù)區(qū)域峰值最大者、連續(xù)區(qū)域SNR最大者）；②對(duì)每個(gè)區(qū)域利用函數(shù)求極值，確定其中包含的一個(gè)或數(shù)個(gè)譜峰，為了避免將其中應(yīng)有的起伏視為一個(gè)新的譜峰，在處理時(shí)乘以平滑函數(shù)，或根據(jù)區(qū)域的最大值設(shè)定劃分門(mén)限，得到一個(gè)或數(shù)個(gè)譜峰；③對(duì)選出的譜峰，計(jì)算其徑速、譜寬和SNR等；④根據(jù)連續(xù)性原則和權(quán)重函數(shù)，在所有距離門(mén)上選取適當(dāng)?shù)淖V包作為大氣回波信號(hào)。

2.5 譜矩及SNR的計(jì)算

2.6 一致性平均

昆明長(zhǎng)水機(jī)場(chǎng)CFL-03風(fēng)廓線雷達(dá)采用經(jīng)典的一致性平均處理方法，通過(guò)四個(gè)參數(shù)（一致性窗口范圍、一致性窗口門(mén)限、平均時(shí)間和每個(gè)高度層兩個(gè)數(shù)據(jù)間允許最大誤差之內(nèi)的合理數(shù)目）的選擇和設(shè)置，挑選合理數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到最終結(jié)果。

2.7 降雨判別

降水能導(dǎo)致嚴(yán)重的測(cè)風(fēng)錯(cuò)誤，尤其是當(dāng)雷達(dá)有效體積內(nèi)的湍流達(dá)不到均勻性要求。但是由于降水回波具有著垂直波束的回波表現(xiàn)為信號(hào)強(qiáng)，信噪比高等特點(diǎn)。因此可以利用回波信號(hào)在強(qiáng)度和速度上的差別進(jìn)行降水發(fā)生與否的判別。

判定方法為：將待判斷的數(shù)據(jù)點(diǎn)的速度與信噪比帶入上式，L>0則判定此點(diǎn)有降水“污染”；L<0則判定此點(diǎn)無(wú)降水“污染”。此處判定的前提是：風(fēng)廓線雷達(dá)測(cè)得朝向雷達(dá)運(yùn)動(dòng)的速度為正，遠(yuǎn)離雷達(dá)運(yùn)動(dòng)的速度為負(fù)。

2.8 連續(xù)性方法

一致性平均并不能完全去除數(shù)值中存在的不合理值，為了保障探測(cè)數(shù)據(jù)的有效性和排除探測(cè)過(guò)程中受到諸多的影響因素，必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的質(zhì)量控制。該雷達(dá)數(shù)據(jù)處理算法采用連續(xù)性方法，依據(jù)實(shí)際風(fēng)數(shù)據(jù)在時(shí)間和高度上的連續(xù)性和一致性對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。主要分為以下幾個(gè)部分：

第一，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去模糊處理。

第二，對(duì)一定時(shí)間間隔內(nèi)的每個(gè)波束上的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間和高度上的連續(xù)性進(jìn)行檢驗(yàn)。

第三，對(duì)缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間和空間上的插值。對(duì)于缺失的數(shù)據(jù)，利用同一時(shí)間周?chē)鷶?shù)據(jù)的插值將其代替。如果高度間隔超過(guò)了500m，不對(duì)這個(gè)缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。

2.9 水平風(fēng)合成

3 結(jié)論

本文分析了昆明長(zhǎng)水機(jī)場(chǎng)CFL-03邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)回波信號(hào)功率譜的噪聲電平計(jì)算方法、數(shù)據(jù)平滑、多峰處理、一致性平均、時(shí)間相關(guān)性分析和空間相關(guān)性分析等算法，進(jìn)行風(fēng)譜信號(hào)的提取和識(shí)別以及風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的反演和質(zhì)量控制，這些算法在實(shí)際的運(yùn)用中，算法有效、輸出結(jié)果清晰明確、數(shù)據(jù)產(chǎn)品可用、可信。

【參考文獻(xiàn)】

[1]胡明寶.風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)與應(yīng)用[M].氣象出版社，2015.

[2]朱斌，高仲輝.風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)中的譜數(shù)據(jù)處理[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2003，25（11）.

[3]胡明寶，賀宏兵，等.風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)模式分析與設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2012，34（11）：26-30.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]