淺談地物對氣象雷達(dá)探測的影響及處理方法

摘 要：氣象雷達(dá)站預(yù)期探測范圍內(nèi)的地面物體對探測的影響主要有兩個(gè)方面：一方面是有一定高度的建筑物或山地對雷達(dá)波束的阻擋作用;另一方面是當(dāng)雷達(dá)波束的主波瓣或旁瓣照射到地面物體時(shí)產(chǎn)生的回波引起對氣象目標(biāo)探測的干擾。從氣象探測角度，這種回波稱為地物雜波。本文分別敘述了它們的影響及處理方法，重點(diǎn)介紹了地物雜波的影響及處理方法。

關(guān)鍵詞：地物;氣象雷達(dá);探測;影響及處理

氣象雷達(dá)站預(yù)期探測范圍內(nèi)的地面物體對探測的影響主要有兩個(gè)方面：一方面是有一定高度的建筑物或山地對雷達(dá)波束的阻擋作用;另一方面是當(dāng)雷達(dá)波束的主波瓣或旁瓣照射到地面物體時(shí)產(chǎn)生的回波引起對氣象目標(biāo)探測的干擾。從氣象探測角度，這種回波稱為地物雜波。

一、地物阻擋的影響及處理方法

當(dāng)雷達(dá)周圍存在一定高度的山地或高大建筑物時(shí)，波束將受到阻擋，既會出現(xiàn)地物雜波又會影響阻擋方向的有效探測。為此，雷達(dá)站陣地選址、天線架設(shè)時(shí)需要充分考慮到凈空條件，特別是危險(xiǎn)天氣來向的凈空條件十分重要。即使這樣，限于復(fù)雜的客觀條件，往往只能滿足部分要求。因此，建站以后，必須對雷達(dá)的有效探測范圍內(nèi)可能阻擋雷達(dá)波束的各種地面物體進(jìn)行勘測，繪制成地物阻擋圖和等射束高度圖，作為分析雷達(dá)探測資料的參考依據(jù)。

二、地物雜波的影響及處理方法

（一）利用地物回波圖像處理

當(dāng)雷達(dá)波束主瓣或旁瓣的能量射向地面物體時(shí)，就會有反射能量被雷達(dá)接收而作為回波顯示在相應(yīng)的位置上，形成地物雜波。如果雷達(dá)的分辨力比較低，則在PPI顯示的中心附近雜波表現(xiàn)為一大片亮區(qū)。如果雷達(dá)具有很高的距離分辨力，則有可能清楚地顯示出地物的結(jié)構(gòu)。地物雜波與氣象目標(biāo)回波同時(shí)顯示的結(jié)果，必然干擾對氣象目標(biāo)的辨認(rèn)。需要對氣象目標(biāo)如降水等進(jìn)行定量測量時(shí)，摻雜了地物雜波將會嚴(yán)重影響測量的精度。盡管氣象目標(biāo)回波本身對于探測飛機(jī)、火箭等目標(biāo)的軍用雷達(dá)是一種雜波，但是氣象雷達(dá)的使用者從一開始就面臨著排除非氣象的雜波問題。

抑制地物雜波影響的一個(gè)簡單方法是雷達(dá)建站以后，在晴空無云的天氣條件下探測并存儲各個(gè)不同仰角情況下的地物回波圖像，作為區(qū)分氣象目標(biāo)和地物雜波的依據(jù)。實(shí)際探測時(shí)，在地物雜波比較多的方向辨認(rèn)氣象目標(biāo)比較困難時(shí)，還可以抬高天線仰角到這個(gè)方向的地物阻擋角以上，這時(shí)顯示的就完全是氣象目標(biāo)回波了。當(dāng)然，應(yīng)用這種方法排除地物雜波的影響，精度并不是很高。因?yàn)榇髿庹凵渲笖?shù)的分布式經(jīng)常在變的，波束射向地面的程度也因時(shí)而異，地物回波的范圍、強(qiáng)度也就發(fā)生相應(yīng)變化。建站時(shí)探測的地物回波圖像只能作為大致的參考。很顯然，出現(xiàn)超折射時(shí)，地物回波大大增加，原有地物回波圖像的可參考性就更小了。

（二）利用高通濾波器處理

隨著氣象雷達(dá)普遍多普勒化和信號處理技術(shù)的發(fā)展，消除地物雜波有了新的進(jìn)展。由地物雜波的譜分析表明，地物雜波的多普勒譜線集中零頻附近。采用一種高通濾波器對雷達(dá)接收分系統(tǒng)送到信號處理分系統(tǒng)的線性I、Q信號先進(jìn)行濾波，濾去其中屬于地物雜波的低多普勒頻率部分，而使含有氣象信息的高多普勒頻率部分能夠幾乎無衰減地通過，然后進(jìn)行FFT或PPP處理，可以達(dá)到消除地物雜波干擾的目的。

高通濾波器是多種濾波器中的一種。對用于數(shù)字信號處理的數(shù)字濾波器來說，濾波的過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)計(jì)算的過程，它將輸入信號的數(shù)字序列按照預(yù)定的要求轉(zhuǎn)換成輸出序列。它的設(shè)計(jì)過程通常是按照要求，規(guī)定一個(gè)理想的衰減特性，然后用一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)的有理函數(shù)來逼近這個(gè)特性，再經(jīng)過軟件或硬件方式來實(shí)現(xiàn)這個(gè)函數(shù)值的實(shí)時(shí)演算，輸出預(yù)期的序列。用軟件方式實(shí)現(xiàn)就是借助于計(jì)算機(jī)，用機(jī)器語言、匯編語言或其他高級語言編寫的程序來完成濾波運(yùn)算過程。用硬件方式實(shí)現(xiàn)就是以延遲器、加法器和乘法器等數(shù)字組件作為基本部件構(gòu)成專用的數(shù)字濾波器來完成輸入數(shù)列到輸出數(shù)列的轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)行多普勒氣象雷達(dá)一般采用無限沖擊響應(yīng)（IIR）橢圓數(shù)字濾波器。這里“無限”指處理的是無限長的數(shù)字序列，“沖擊響應(yīng)”指對很窄的脈沖信號的響應(yīng)，“橢圓”一詞來源于用來逼近衰減特性的是橢圓函數(shù)。由于在運(yùn)算過程中實(shí)現(xiàn)的輸出序列，不但是現(xiàn)在輸入和過去輸入的序列的函數(shù)，還是過去輸出序列的函數(shù)，相當(dāng)于電路中具有反饋支路，因此又稱為“遞歸型數(shù)字濾波器”。這種濾波器可以采用時(shí)域方法處理數(shù)據(jù)而無需對信號進(jìn)行譜分析，便于以流水方式快速實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，并且同其他形式的濾波器比較，還具有通帶紋波小、過渡帶陡直等優(yōu)點(diǎn)。為了使特性曲線過渡帶更加陡直、通帶和阻帶紋波加密，以取得既濾去地物雜波又盡量減少對有用氣象目標(biāo)回波信息的損失，可以選擇合適的橢圓濾波器的階數(shù)n。一般而言，隨著階數(shù)n的增加，濾波效果越好，但所用的部件越多，運(yùn)算量也會隨之增加。

三、結(jié)語

目前國內(nèi)多普勒氣象雷達(dá)采用三階、四階或五階，并且濾波器的凹口寬度和凹口深度往往設(shè)計(jì)成多檔，用戶使用時(shí)可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。使用這種設(shè)計(jì)的主要原因是：盡管地物雜波的多普勒頻率（速度）在0值附近，但其譜寬還是隨著風(fēng)速（引起樹、草等植被的搖晃）和天線轉(zhuǎn)速的增大而變寬。另外，數(shù)據(jù)處理過程中產(chǎn)生的誤差和雷達(dá)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定度也對地物雜波的譜寬產(chǎn)生一定的影響。因此，氣象雷達(dá)用戶應(yīng)該根據(jù)探測當(dāng)時(shí)的風(fēng)速、天線轉(zhuǎn)速等實(shí)際情況，選擇適當(dāng)?shù)臑V波器凹口寬度和凹口深度，以求盡可能理想地消除地物雜波。實(shí)際上，依靠濾波器未必能做到既把所有地物雜波消除掉又使氣象目標(biāo)信息不受損失。因此，熟知本站雷達(dá)各種工作狀態(tài)時(shí)的性能，累積各種天氣條件下區(qū)分地物雜波和氣象目標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)仍是十分重要的。

參考文獻(xiàn)：

[1]李騰偉.X波段天氣雷達(dá)地雜波濾波技術(shù)[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2016.

[2]莊健.機(jī)載氣象雷達(dá)地雜波抑制技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2012.

作者簡介：王寧（1994-），女，漢族，山東濟(jì)南人，大專，研究方向：氣象雷達(dá)。