經(jīng)驗(yàn)介紹:CINRAD/SC新一代天氣雷達(dá)回波地物檢測(cè)與校正方法探討
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作者：鄭曉蒙
新一代天氣雷達(dá)是氣象部門目前探測(cè)強(qiáng)對(duì)流天氣的主要手段，對(duì)氣象防災(zāi)減災(zāi)及氣象預(yù)報(bào)服務(wù)起著很重要的作用。天氣雷達(dá)回波強(qiáng)度的測(cè)量誤差會(huì)極大地影響短時(shí)災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)水平，尤其是對(duì)降水定量估測(cè)和降水性質(zhì)判斷(潘新民等，2010a)。提高天氣雷達(dá)的性能可以從增強(qiáng)探測(cè)能力和提高測(cè)量精度方面考慮，探測(cè)能力局限于雷達(dá)所處環(huán)境、位置的影響，在現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試后一般很難做出調(diào)整改變，所以提高測(cè)量精度是更加值得去研究和探討的方面。
天氣雷達(dá)在運(yùn)行過程中受系統(tǒng)穩(wěn)定性、器件性能等因素的影響，一些主要工作參數(shù)需要定期進(jìn)行檢測(cè)，以便及時(shí)對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行糾正，確保天氣雷達(dá)的探測(cè)精度。目前大部分雷達(dá)站常用的檢測(cè)方法，主要是將機(jī)內(nèi)信號(hào)源直接注入雷達(dá)接收端，并在雷達(dá)終端測(cè)得數(shù)據(jù)與計(jì)算的理論值的誤差比較來進(jìn)行檢測(cè)與校正。由于機(jī)內(nèi)信號(hào)源是無干擾的理想信號(hào)源，且直接注入接收端，只能起到對(duì)雷達(dá)接收端性能的檢測(cè)，而無法實(shí)現(xiàn)雷達(dá)發(fā)射端的實(shí)際探測(cè)能力的
檢測(cè)，更無法對(duì)雷達(dá)運(yùn)行中出現(xiàn)的由于雷達(dá)參數(shù)變化引起的回波強(qiáng)度測(cè)量誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。有關(guān)研究對(duì)天氣雷達(dá)強(qiáng)度及速度定標(biāo)原理和方法從不同方面進(jìn)行了論述（柴秀梅等，2007; 2011;王立軒等，2001;葛潤生等，2000;張沛源等，2001;李喆等，2015；劉曉陽等，1996）。
本文在天氣雷達(dá)實(shí)時(shí)處理程序中嵌入回波質(zhì)量控制程序模塊，通過比較標(biāo)準(zhǔn)地物回波強(qiáng)度與實(shí)際回波強(qiáng)度的誤差，以及比較理論速度和實(shí)測(cè)速度誤差的檢驗(yàn)方法，對(duì)天氣雷達(dá)的回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，并針對(duì)誤差過大的檢測(cè)結(jié)果分析出可能導(dǎo)致該誤差的因素和解決方案，提出了一種快速有效的天氣雷達(dá)實(shí)際探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)與控制方法。并用常用的機(jī)內(nèi)信號(hào)源檢測(cè)方法與該方法檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比檢驗(yàn)，證明了該方法的可行性。
1 回波質(zhì)量控制
1.1 強(qiáng)度質(zhì)量控制
在天氣雷達(dá)觀測(cè)的過程中，觀測(cè)目標(biāo)分為兩類，一類是雷達(dá)觀測(cè)的目標(biāo)對(duì)象即氣象目標(biāo)，另一類是由于周圍其他目標(biāo)存在而形成的非氣象目標(biāo)。這兩類目標(biāo)都能在顯示器上顯示出來。非氣象目標(biāo)回波的形成是測(cè)站周圍地物環(huán)境、空中飛行物等非氣象目標(biāo)對(duì)雷達(dá)電磁波的反射以及由于雷達(dá)自身原因造成的虛假回波形成的，地物回波就屬于非氣象目標(biāo)回波的一種。通常來講，地物回波的特點(diǎn)是邊緣特別清晰，位置固定不變，每次出現(xiàn)的強(qiáng)度變化不大，而且在PPI上觀測(cè)到的地物回波和周圍地物的物理位置是一致的。
根據(jù)地物回波這一特性，可得知，在雷達(dá)參數(shù)一定并且天氣晴朗沒有氣象目標(biāo)回波時(shí)，雷達(dá)在同一角度下探測(cè)到的同一位置的地物回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)應(yīng)該是變化不大的。需要注意的是，地物回波主要在雷達(dá)低仰角才能探測(cè)到（鐘常鳴，2008）。根據(jù)以上原理，可采集天氣雷達(dá)在低仰角PPI模式下的標(biāo)準(zhǔn)地物回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)Zs={zs1，zs2，…，zsN）作為模版。在檢測(cè)雷達(dá)數(shù)據(jù)時(shí)，實(shí)時(shí)采集天氣雷達(dá)地物回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)Zr={Zr1，Zr2，…，ZrN）。其中，Zs和Zr均為一維數(shù)組，個(gè)數(shù)為N (N=360×998)。將實(shí)時(shí)采集的地物回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)與作為模版的標(biāo)準(zhǔn)地物回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)比較求出誤差E。
以上理論只是假設(shè)在理想的狀態(tài)下才能得出較
好的結(jié)果，但在天氣雷達(dá)實(shí)際探測(cè)到的回波強(qiáng)度數(shù)
據(jù)中，需要考慮一些會(huì)影響到地物回波的因素。
1.1.1 影響地物回波變化的因素
(1)季節(jié)變換對(duì)地物回波的影響
在不同的天氣條件下，由于大氣波導(dǎo)的影響，同樣仰角的地物回波強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化。而季節(jié)和氣候的不同，也會(huì)引起地物面貌發(fā)生一些改變。因此，天氣雷達(dá)所探測(cè)到的地物回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)也會(huì)有一定的差別。
(2)伺服電機(jī)的定位精度問題
天氣雷達(dá)伺服電機(jī)通過自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。在給出同一目標(biāo)值時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的位置并不是完全相同的，而是存在一定的偏差的，這種很小的偏差可能會(huì)引起采集到的回波強(qiáng)度個(gè)別數(shù)據(jù)較大的偏差。
1.1.2強(qiáng)度數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)方案
為了減小季節(jié)變換和伺服精度等因素對(duì)地物回波的影響，提高強(qiáng)度數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)的精度，提出了以下檢測(cè)方案。
首先，將全年劃分為四個(gè)季度，分別采集不同季度的標(biāo)準(zhǔn)地物回波圖模版，以存圖的名稱不同來區(qū)別，如第一季度存為“1_XXXXXXX”，第二季度存為“2_XXXXXXX”，以此類推。在檢測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)檢測(cè)季度選擇當(dāng)季度的標(biāo)準(zhǔn)模版作比較。
其次，可以采集足夠多的標(biāo)準(zhǔn)地物回波數(shù)據(jù)，取其平均值。設(shè)采集了M組標(biāo)準(zhǔn)地物回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)分別為Zs1，Zs2，…，ZsM，則得到標(biāo)準(zhǔn)地物回波數(shù)據(jù)模版：
最后，可求出實(shí)時(shí)天氣雷達(dá)地物回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)地物回波數(shù)據(jù)模版的差值E，即
根據(jù)回波強(qiáng)度測(cè)量誤差范圍應(yīng)在±1dBz內(nèi)的技術(shù)要求（潘新民等，2010b），規(guī)定ei≤1 dBz時(shí)，雷達(dá)回波數(shù)據(jù)為正常的。但實(shí)際探測(cè)的結(jié)果是不可能這么理想，可能會(huì)因各種干擾因素出現(xiàn)幾個(gè)突變點(diǎn)，如果以ei≤1dBz作為判斷依據(jù)的話，可能導(dǎo)致即使在回波數(shù)據(jù)正常時(shí)得出的結(jié)論仍是異常，即比較結(jié)果會(huì)出現(xiàn)很高的異常率。由此可知，單以各個(gè)誤差ei≤1 dBz作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，并不能夠準(zhǔn)確判斷數(shù)據(jù)的質(zhì)量。因此，引入了均方根誤差e，即
規(guī)定當(dāng)ε≤1dBz時(shí)，雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)為正常。均方根誤差能更好地反映誤差數(shù)據(jù)的離散程度，減小突變點(diǎn)的影響，得出較準(zhǔn)確的結(jié)論。
1.2 速度數(shù)據(jù)質(zhì)量控制
常規(guī)天氣雷達(dá)可以提供云和降水回波的空間分布、強(qiáng)度及其隨時(shí)間變化的信息。而多普勒天氣雷達(dá)除具備常規(guī)天氣雷達(dá)的功能外，還以多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)，通過測(cè)定回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)高頻頻率（相位）之間存在的差異，進(jìn)一步得出雷達(dá)電磁波束有效照射體積內(nèi)，降水粒子群相對(duì)于雷達(dá)的平均徑向運(yùn)動(dòng)速度和速度譜寬，從而在一定條件下，反演出大氣風(fēng)場(chǎng)、氣流垂直速度的分布，以及湍流狀況等（梁華，2009）。
新一代天氣雷達(dá)是一種全相干雷達(dá)，通常不是直接測(cè)量多普勒頻移，而是利用相繼返回的兩個(gè)脈沖對(duì)之間的位相變化確定目標(biāo)物的徑向速度，這種測(cè)速技術(shù)叫做“脈沖對(duì)處理”。全相干雷達(dá)的每個(gè)發(fā)射脈沖的頻率是常數(shù)，其位相對(duì)于一個(gè)內(nèi)部參考信號(hào)而言是相同的。當(dāng)脈沖返回時(shí)，與參考信號(hào)做比較以確定位相，任何脈沖到另一個(gè)脈沖的位相變化都可以計(jì)算。目標(biāo)物沿雷達(dá)波速徑向速度計(jì)算方法如下（俞小鼎等，2006）：
式中，F(xiàn)為脈沖重復(fù)頻率，Ts為脈沖重復(fù)周期，Δp為相繼返回的兩個(gè)脈沖之間的位相差。
由式(4)可看出，氣象目標(biāo)物的徑向速度是隨位相的變化而變化的。根據(jù)此原理，可用機(jī)內(nèi)微波移相器對(duì)速度測(cè)量進(jìn)行檢驗(yàn)。探測(cè)信號(hào)經(jīng)移相器后注入接收機(jī)，改變發(fā)射脈沖間隔內(nèi)移相器的變化值，計(jì)算出理論速度值與信號(hào)處理器的速度估算值的誤差，并規(guī)定當(dāng)|誤差|＜1m·S-1時(shí)(潘新民等，2 010b)，雷達(dá)探測(cè)的回波速度數(shù)據(jù)正常。其中，理論速度值由式(4)計(jì)算得出。
2 程序介紹及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.1 程序介紹
多普勒天氣雷達(dá)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)是雷達(dá)和用戶之間的橋梁，用戶通過實(shí)時(shí)系統(tǒng)操控雷達(dá)，雷達(dá)通過實(shí)時(shí)系統(tǒng)為用戶服務(wù)（劉曉陽等，1996）。為了使用方便，本程序在天氣雷達(dá)的實(shí)時(shí)處理程序中添加了一個(gè)名為“回波質(zhì)量控制”的模版，可以直接安裝到各臺(tái)站的實(shí)時(shí)處理程序中，開發(fā)語言為C+-I- Builder。由于四川省目前已安裝的CINRAD/SC新一代天氣雷達(dá)信號(hào)處理器有RVP7和RVP8兩種型號(hào)，所以本程序也分別設(shè)計(jì)了兩種信號(hào)處理器的通訊接口。程序共分為三個(gè)部分：采集地物標(biāo)準(zhǔn)回波數(shù)據(jù)、強(qiáng)度質(zhì)量控制和速度質(zhì)量控制，見圖1。
第一部分為“采集標(biāo)準(zhǔn)地物回波數(shù)據(jù)”，此部分主要是將采集的標(biāo)準(zhǔn)晴空地物回波數(shù)據(jù)保存下來，以便作為模版。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為“N_YYMMD-DHHmm. dw”，其中N表示第N季度，全年共劃分為四個(gè)季度，即N=l，2，3，4，存圖的時(shí)候會(huì)先選擇季節(jié)，如圖2。后面依次代表的是年月日時(shí)分，清除記錄該幅回波圖保存的時(shí)間；后綴名dw是為了區(qū)別于其他回波圖而自定義的，其格式與實(shí)時(shí)處理程序中保存的其他回波圖其實(shí)是一樣的。
第二部分為“強(qiáng)度質(zhì)量控制”，此部分主要完成強(qiáng)度數(shù)據(jù)的誤差比較工作，并將得出的誤差結(jié)果以回波圖和折線圖這兩種方式顯示出來，圖左邊給出了不同強(qiáng)度范圍的色條，根據(jù)色條在回波圖中按不同強(qiáng)度顯示不同顏色，更直觀地顯示出結(jié)果。在回波圖方式顯示中，以顏色不同代表誤差大小，還增加了過大誤差閃動(dòng)點(diǎn)，即把超出規(guī)定誤差范圍的數(shù)據(jù)點(diǎn)以閃動(dòng)的方式表現(xiàn)在回波圖上，以方便觀察異常結(jié)果，如圖3。折線圖是將誤差數(shù)據(jù)在坐標(biāo)圖中描
點(diǎn)形成，更直觀地反映誤差的大小，如圖4。在每幅圖的右上方顯示出了該圖的類型、采集時(shí)間、最大探測(cè)距離及仰角。另外，根據(jù)平均誤差判斷出結(jié)論，在數(shù)據(jù)異常時(shí)，還給出了檢測(cè)及校正方案，即如何檢測(cè)及校正雷達(dá)參數(shù)使回波數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。該方案是可編輯的txt文本文檔，技術(shù)保障人員可以根據(jù)實(shí)際操作的經(jīng)驗(yàn)添加和完善檢測(cè)方案，實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)交流共享。
第三部分為“速度質(zhì)量控制”。此部分主要是通過移相自動(dòng)檢測(cè)理論速度和實(shí)測(cè)速度的誤差大小，以此判斷速度數(shù)據(jù)是否正常。在速度質(zhì)量控制框上分別顯示出了移相角度、理論值、實(shí)測(cè)值及誤差，并在結(jié)果顯示欄中給出正常誤差范圍和判斷結(jié)果。增加存圖的功能按鈕以方便保存當(dāng)前結(jié)果，在誤差異常時(shí)，同樣給出了檢測(cè)及校正方案，如圖5。
2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證該方法的可行性，本文提出了兩種方法來對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。首先，采集了2011-2014年大量地物回波數(shù)據(jù)來對(duì)地物回波變化進(jìn)行分析研究。然后，搜集了歷年雷達(dá)站年維護(hù)時(shí)測(cè)量的強(qiáng)度和速度定標(biāo)誤差數(shù)據(jù)來進(jìn)行對(duì)比分析。表1是地物回波誤差檢測(cè)結(jié)果。
2.2.1 地物回波變化分析研究
本文采用的是成都新一代天氣雷達(dá)站o．5。仰角的PPI晴空地物回波數(shù)據(jù)。從2011-2 014年這4年的晴空地物回波數(shù)據(jù)里，每個(gè)季度選擇15 d的晴空地物回波數(shù)據(jù)，按照強(qiáng)度檢測(cè)方案的模版算法訓(xùn)練出每個(gè)季度的模版。然后，每個(gè)季度選擇8d的晴空地物回波數(shù)據(jù)來對(duì)比模版得出均方根誤差值。表1給出了檢測(cè)得出的均方根誤差值以及速度誤差值，圖6a～6c分別為2012、2013和2014年采集的晴空地物回波數(shù)據(jù)對(duì)比模版得出的均方根誤差及速度誤差折線圖。
通過采集4年的晴空地物回波數(shù)據(jù)與模版數(shù)據(jù)的均方根誤差結(jié)果可看出，采集足夠多的地物回波數(shù)據(jù)可以得到較為準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)模版，并通過劃分季度、取均方根誤差等方法來減小天氣條件及季節(jié)變化、伺服精度等因素對(duì)地物回波變化的影響，最終得到的探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果是比較可靠的。
2.2.2 對(duì)比機(jī)內(nèi)信號(hào)源檢測(cè)結(jié)果
機(jī)內(nèi)信號(hào)源強(qiáng)度定標(biāo)方法：用機(jī)內(nèi)信號(hào)源注入功率為-90～-40 dBm的信號(hào)，在距離5～200 km范圍內(nèi)檢驗(yàn)其回波強(qiáng)度的測(cè)量值，回波強(qiáng)度測(cè)量值與注入信號(hào)計(jì)算回波強(qiáng)度值（期望值）的最大差值應(yīng)在±1dBz的范圍內(nèi)。速度定標(biāo)方法：用機(jī)內(nèi)微波移相器對(duì)速度測(cè)量進(jìn)行檢驗(yàn)。由機(jī)內(nèi)測(cè)試信號(hào)經(jīng)移相器后注入接收機(jī)，改變發(fā)射脈沖間隔內(nèi)移相器的變化值，由理論計(jì)算速度值與信號(hào)處理器的速度估算值進(jìn)行比較。
搜集了成都雷達(dá)站歷年年維護(hù)時(shí)機(jī)內(nèi)信號(hào)源檢測(cè)結(jié)果做對(duì)比（表2）。
對(duì)比檢測(cè)結(jié)果可看出，實(shí)測(cè)地物回波誤差與機(jī)內(nèi)信號(hào)源檢測(cè)得出的最大誤差值是比較接近的。鑒于理想的機(jī)內(nèi)信號(hào)源只能起到對(duì)接收端的檢測(cè)，而無法檢測(cè)雷達(dá)發(fā)射端的實(shí)際探測(cè)性能這一局限性，本文提出的使用實(shí)際探測(cè)數(shù)據(jù)來對(duì)天氣雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)與校正的方法是可行的，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比機(jī)內(nèi)信號(hào)源更能準(zhǔn)確地反映雷達(dá)的探測(cè)能力。
3結(jié)論
本文提出了一種通過對(duì)回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)的檢測(cè)來對(duì)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行校正的方法，并編寫成回波質(zhì)量控制程序嵌入天氣雷達(dá)實(shí)時(shí)處理程序中，對(duì)該方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，該方法可對(duì)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行較準(zhǔn)確的檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)雷達(dá)可能出現(xiàn)的參數(shù)改變或性能下降進(jìn)行調(diào)整和維護(hù)，起到快速有效的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)及校正作用，提高雷達(dá)探測(cè)精度。
4提 要：
文章提出了一種基于CINRAD/SC新一代天氣雷達(dá)地物回波強(qiáng)度和速度數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢測(cè)方法。通過采集天氣雷達(dá)按統(tǒng)一的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定后的晴空標(biāo)準(zhǔn)地物回波強(qiáng)度作為模版，與實(shí)時(shí)采集的回波強(qiáng)度進(jìn)行比較和誤差分析，以及通過移相來自動(dòng)檢測(cè)速度數(shù)據(jù)理論值和實(shí)測(cè)值的誤差大小，對(duì)回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)和校正，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)天氣雷達(dá)探
測(cè)精度的提高。
引 言
