CN107942305A - 双偏振雷达系统初始差分相位的在线标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了双偏振雷达系统初始差分相位的在线标定方法，其特征在于：选取雷达某一径向上最靠近雷达的n个降水回波点，所述降水回波点的相关系数ρhv大于0.95，将所述降水回波点的ΦDP进行最小二乘法线性拟合，若拟合斜率大于0，则将拟合的直线在第一个有效点位置的值设为该径向对应的若拟合斜率小于等于0，则将回波的中值作为该径向对应的最后将各径向上对应的的中值设定为整个体扫初始差分相位。该方法可以提升对双偏振雷达系统初始差分相位标定精度。

Description

双偏振雷达系统初始差分相位的在线标定方法
技术领域
本发明涉及雷达系统初始差分相位的标定方法，特别涉及双偏振雷达系统初始差分相位的在线标定方法，属于雷达气象领域。
背景技术
双偏振天气雷达除了可以测量常规雷达能够测量的反射率因子ZH相比，还可测量包括差分反射率因子ZDR，相关系数ρhv，差分相位ΦDP在内的多种双偏振参量，提供更多降水相关的信息。其中差分相位ΦDP不受降水对电磁波能量衰减的影响，同时其衍生产品比差分相位 KDP和降水相关性好，因此ΦDP常被用到衰减订正和降水反演中去。但雷达观测的差分相位中包含了雷达系统初始差分相位、传播差分相位、后向散射相位δhv和随机起伏等。其中初始差分相位是由于雷达硬件层面造成的，通常为一个非零数值。在实际应用中，初始差分相位会影响到后续的相位处理，包括相位去折叠、衰减订正等，同时会影响到KDP的估计。尤其是在衰减订正过程中，系统的初始差分相位则会造成ZH和ZDR的系统偏差。因此使用在线标定技术确定双偏振雷达系统初始差分相位能够帮助提高双偏振雷达探测的准确度。通常而言，雷达系统初始差分相位可以利用天线垂直指向扫描确定。但国内一般的业务S波段雷达由于机械的限制不存在垂直指向扫描；同时脉冲压缩方式的雷达，长脉冲的初始差分相位不能利用垂直指向扫描确定。因此，利用平面体扫(PPI)确定雷达系统初始差分相位可以使得差分相位观测在业务双偏振雷达上得到更好的定量使用。
由于ΦDP易受到地物干扰而存在大幅度波动，因此杜牧云等(2011)提出利用从雷达径向 3公里以外连续1公里相关系数均大于0.9的回波的ΦDP均值作为初始差分相位。该方法可以获得粗略的初始差分相位，但是在地物干扰严重或者雷达附近受到昆虫、鸟类等非气象散射体的干扰时不容易确定初始差分相位。
差分相位ΦDP的定义为因此初始差分相位可以利用雷达近距离降水回波的差分相位观测统计得，距离雷达较近时，如果后向散射相位δhv很小(近似瑞利散射)，且回波的雨强较小(KDP接近于0°/km，且2∫KDPdr 接近0°)，则雷达系统初始差分相位近似等于观测的ΦDP。但通常雷达附近的回波更容易受到例如地物、昆虫、鸟类等非气象散射体的非零后向散射相位干扰，同时二次回波的差分相位也不等于雷达系统初始差分相位，它们的存在会影响到雷达系统的初始差分相位估计。同时，回波对应的雨强存在变化(KDP＞0°/km)，此时2∫KDPdr不为0°且其值随着不同的降雨会发生漂移，会使得系统初始差分相位估计值存在偏差。由于双偏振参量反应了散射物的特性，因此本发明提出利用双偏振观测去除近距离杂波，减少其对初始差分相位估计的影响，同时利用线性拟合方法减少降水本身对初始差分相位估计的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中双偏振雷达系统初始差分相位标定受干扰影响大的不足，提出一种双偏振雷达系统初始差分相位的在线标定方法。
为了解决上述技术问题，本发明的双偏振雷达系统初始差分相位的在线标定方法，选取雷达某一径向上最靠近雷达的n个降水回波点，所述降水回波点的相关系数ρhv大于0.95，将所述降水回波点的ΦDP进行最小二乘法线性拟合，若拟合斜率大于0，则将拟合的直线在第一个有效点位置的值设为该径向对应的若拟合斜率小于等于0，则将回波的中值作为该径向对应的最后将各径向上对应的的中值设定为整个体扫初始差分相位。
上述技术方案中，所述降水回波点在零度层以下且不包含如下任一特征，ZH小于35dBZ 且ZDR大于2.8dB，信噪比SNR小于10dB，谱宽大于7m/s，相邻两个距离库的ΦDP相差35度以上。
上述技术方案中，所述降水回波点连续距离大于1公里。
上述技术方案中，所述降水回波点的仰角高度在3度至60度之间。
上述技术方案中，n≥21。
本发明的双偏振雷达系统初始差分相位的在线标定方法，提出了利用双偏振观测去除近距离杂波，减少其对初始差分相位估计的影响；同时利用线性拟合方法减少降水本身对初始差分相位估计的影响；大大的提高了初始差分相位标定精度。
附图说明
图1为本发明标定方法确定一个径向扫描的系统初始差分相位的示例1，其中雷达的径向分辨率为250米，划线表示线性拟合；
图2为本发明标定方法确定一个径向扫描的系统初始差分相位的示例2，其中雷达的径向分辨率为250米，划线表示线性拟合。
具体实施方式
实施例1，针对降雨回波的雨强很小，即毛毛雨状态，且不存在杂波干扰时，采用如下方法：选取一个雷达站附近都是毛毛雨的观测扫描，回波的ZH小于30dBZ，相关系数接近于 1；同时为减少二次回波、半波束遮挡的影响，仅保留仰角高度在3度和60度之间的雷达回波数据。对于每一个雷达径向，在零度层以下，取最靠近雷达的21至41个相关系数大于0.95，SNR大于等于10dB的回波点作为有效的降水回波，将这些径向上这些回波的ΦDP的中值作为这些径向的进而将各径向对应的有效的的中值作为整个体扫的
毛毛雨状态为相对理想状态，大部分情况下雷达回波会受到地物、昆虫、鸟类等干扰，通常这些非气象回波的后向散射相位不为零；同时二次回波也会干扰到系统初始差分相位的确定。虽然在剔除非气象回波干扰后，可采用21至41回波的ΦDP的中值作为各径向的然而由于硬件和外部环境问题，雷达系统初始差分相位随时间会存在一定的变化。而自然界降水而言，雷达周围存在大范围毛毛雨的扫描不是很容易发现，因此纯粹毛毛雨对系统初始差分相位标定的时间分辨率不高。然而一般降雨雷达回波对应的雨强存在空间变化 (KDP＞0°/km)，使用中值方法获取的系统差分相位则一般偏大，改善方法见实施例2.
实施例2，针对有杂波干扰和存在非弱降水的情况，采用如下方法：
在零度层以下，剔除如下特征的降水回波点：ZH小于35dBZ且ZDR大于2.8dB的回波，该类波识别为生物回波；信噪比SNR小于10dB，相关系数小于0.95，谱宽大于7m/s，这些回波点被认为是潜在的不可靠回波、非气象回波或二次回波；同时如果一个距离库的ΦDP和前一个或者后一个库相差35度以上，则他们被认为是受到后向散射相位的干扰。
鉴于降水回波的连续性，如果一个径向上的有效回波连续点数小于1公里，也被去除。为减少二次回波、半波束遮挡的影响，同样仅保留仰角高度在3度和60度之间的雷达回波数据。经过这些标准的去除，剩下来的基本上为有效的降水回波。
经过上述筛选后，如果某一径向上的有效降水回波点个数大于等于41，则利用最靠近雷达的41个点的ΦDP进行最小二乘法线性拟合；如果拟合斜率大于0，则取拟合的直线在第一个有效点位置的值为该径向对应的见图1；如果拟合斜率小于等于0，则取这41个点的中值为该径向对应的见图2；如果该径向上的有效降水回波点个数小于41且大于等于21个，则取这些点的中值进行线性拟合获取如果该径向上的有效降水回波点个数小于21个，则该径向不能获取有效的
图1和2为采用上述方法标定的实例，图1中当靠近雷达的41个有效点的ΦDP的线性拟合斜率为正值，取拟合线在雷达位置的值为径向系统初始差分相位；黑色方块为这些有效点的中值对应的位置，如果用中值作为该径向扫描的系统初始差分相位则明显偏大。图2中当靠近雷达的41个有效点的ΦDP的线性拟合斜率为负值，则用中值点作为该径向扫描的系统初始差分相位较为准确，黑色方块为这些有效点的中值对应的位置。

Claims (6)

1.双偏振雷达系统初始差分相位的在线标定方法，其特征在于：选取雷达某一径向上最靠近雷达的n个降水回波点，所述降水回波点的相关系数ρhv大于0.95，将所述降水回波点的ΦDP进行最小二乘法线性拟合，若拟合斜率大于0，则将拟合的直线在第一个有效点位置的值设为该径向对应的若拟合斜率小于等于0，则将回波的中值作为该径向对应的最后将各径向上对应的的中值设定为整个体扫初始差分相位。
2.如权利要求1所述的双偏振雷达系统初始差分相位的在线标定方法，其特征在于：所述降水回波点在零度层以下且不包含如下任一特征，ZH小于35dBZ且ZDR大于2.8dB，信噪比SNR小于10dB，谱宽大于7m/s，相邻两个距离库的ΦDP相差35度以上。
3.如权利要求2所述的双偏振雷达系统初始差分相位的在线标定方法，其特征在于：所述降水回波点连续距离大于等于1公里。
4.如权利要求3所述的双偏振雷达系统初始差分相位的在线标定方法，其特征在于：所述降水回波点的仰角高度在3度至60度之间。
5.如权利要求4所述的双偏振雷达系统初始差分相位的在线标定方法，其特征在于：n≥21。
6.如权利要求5所述的双偏振雷达系统初始差分相位的在线标定方法，其特征在于：n＝41。
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