CN117368878B - 一种基于邻域扩展的多普勒天气雷达径向速度退模糊方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于邻域扩展的多普勒天气雷达径向速度退模糊方法，属于气象雷达探测技术领域，包括：步骤一、将径向速度二维扫描数据划分为多个连通区域，并确定径向速度最大连通区域内退模糊起始点；步骤二、在最大连通区域内逐数据点邻域迭代扩展遍历进行退模糊处理，直到最大连通区域内的所有数据点被处理完；步骤三、孤立回波区域退模糊处理。本发明克服了传统多普勒天气雷达径向速度退模糊方法中初始径向确定难、参考速度选取不确定、速度模糊连续性检测不稳定以及孤立回波退模糊效果不理想等问题，能够改善多普勒天气雷达径向速度资料的质量问题并提高其应用价值。

Description

一种基于邻域扩展的多普勒天气雷达径向速度退模糊方法

技术领域

本发明涉及气象雷达探测技术领域，尤其涉及一种基于邻域扩展的多普勒天气雷达径向速度退模糊方法。

背景技术

天气雷达观测的径向速度具有广泛的应用场景，如对流性大风天气监测预警、风场反演、临近预报以及模式资料同化等；径向速度是多普勒天气雷达通过测量相继返回的脉冲对之间的位相差得到的，而多普勒天气雷达能够测量的径向速度范围是有限的，即存在一个最大不模糊速度V_N，其值与雷达波长λ和脉冲重复频率PRF有关，当真实的径向速度超过雷达的最大不模糊速度时，便会产生速度模糊现象。径向速度退模糊方法是提高雷达数据质量的关键技术环节，同样也是为强对流天气的探测分析、诊断研究和短时临近预报提供可靠服务的基础数据支撑。

径向速度模糊是天气雷达一直存在的棘手问题，极大的限制了径向速度资料的实际应用，也阻碍了风场反演和资料同化方法的研究。针对径向速度模糊问题，目前已经发展了硬件方式避免出现速度模糊现象和软件方法实现速度模糊修正。硬件方式主要是采用双或多脉冲重复频率，以此来扩展雷达的最大可探测速度，避免出现速度模糊现象，但会使得雷达观测数据的质量大大下降。同时，对于像龙卷、台风之类的强风暴天气过程而言，速度模糊问题仍然无法解决。软件方法则是利用速度模糊在雷达观测径向速度场上所表现出的速度突变特征，基于雷达观测在时间和空间上的连续性原则进行速度模糊修正。目前已经发展的退速度模糊方法主要分为采用沿径向和方位向进行一维退模糊、二维退模糊、同时考虑时间以及三维体扫的四维退模糊以及借助多源资料（探空、数值模式风场和雷达反演风场）作为外部参考的退模糊方法。

但是，上述方法在实际应用中主要存在以下方面的缺陷：1、径向速度退模糊的初始径向确定难：对于将雷达观测的零速度线作为初始径向而言，大多情况下的零速度线形状特征变化复杂，对其进行识别难度较大且难以找到较为完整的零速度线。2、径向速度退模糊的参考速度选取不确定：对于将雷达反演风场作为参考速度而言，受风场反演算法本身假设条件的限制以及有效径向速度资料覆盖率的影响，使得将其作为参考速度会引来一些不确定性风险，将雷达资料以外的其他资料作为参考速度而言，其他资料的获取以及数据的覆盖范围和可靠性使得该方法存在极大限制。3、径向速度退模糊的连续性检测不稳定：从单个或多个参考径向开始依据连续性原则沿着径向（方位）方向对相邻距离库（方位库）进行速度模糊判定及修正，该方法对于强切变区域容易产生问题。同时，将径向和方位向结合起来进行速度模糊检测时，径向和方位方向遍历的执行顺序也会对结果产生较大影响。4、孤立回波区域退模糊效果不理想：对于远离雷达的孤立回波区域以及受距离折叠隔离的回波区域出现速度模糊时，其周围没有可供参考的相邻库，依据连续性对其进行模糊判断修正后的效果并不理想。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种基于邻域扩展的多普勒天气雷达径向速度退模糊方法，解决了现有方法存在的不足。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于邻域扩展的多普勒天气雷达径向速度退模糊方法，所述退模糊方法包括：

步骤一、将径向速度二维扫描数据划分为多个连通区域，并确定径向速度最大连通区域内退模糊起始点；

步骤二、在最大连通区域内逐数据点邻域迭代扩展遍历进行退模糊处理，直到最大连通区域内的所有数据点被处理完；

步骤三、利用各个连通区域间的质心坐标距离，逐步选取与所有已处理连通区域距离最近的未处理连通区域，利用选取的两个连通区域间各数据点的距离，取未处理连通区域中与已处理连通区域距离最近的点作为起始点，取已处理连通区域中与起始点距离最近点的径向速度作为参考速度，并重复步骤二的处理过程实现对未处理连通区域内逐数据点的检测处理，直到所有连通区域全部处理完毕。

所述步骤一具体包括以下内容：

将多普勒天气雷达的二维扫描数据中有效观测数据视为对象区域，无效观测数据视为背景区域；

将对象区域的数据点分割为多个连通区域，从多个连通区域中选取包含最多数据点的连通区域，从该连通区域选定一个起始点，并将起始点的径向速度记为。

所述步骤二具体包括以下内容：

以起始点作为参考点，将其周围邻域连通的数据点的径向速度值与参考点的参考速度/>进行比较；

当邻域连通的数据点的径向速度值满足条件/>时，通过公式/>对径向速度值/>进行退模糊处理得到修正后的径向速度值，将不满足条件/>的数据点保留其原始值不变，α表示可调系数，表示最大不模糊速度；

将处理后的邻域连通的数据点依次重新作为参考点，并重复上述步骤直到最大连通区域内的所有数据点全部处理完毕。

所述起始点的选定具体包括以下内容：

对最大连通区域相对应的径向速度观测，取绝对值获得各数据点的绝对速度，并对二维观测进行滑动窗口计算各数据点的标准差/>，V _i 为滑动窗口内第i个距离库对应的有效径向速度值，/>为滑动窗口内有效径向速度的平均值，n为滑动窗口内有效径向速度个数；

对最大连通区域相对应的径向速度观测计算各数据点的对应高度，θ为雷达观测仰角，/>为雷达天线高度，r为雷达径向传播的斜距，/>为等效地球半径；

以函数作为判别基准，将使得函数f达到极小值的数据点作为起始点，也即是同时满足径向速度的绝对值小、标准差小以及数据高度低的数据点。

所述在最大连通区域内逐数据点邻域迭代扩展遍历时，需要判断数据点是否存在速度模糊的参考点的参考速度，具体包括以下内容：

当判断的点为起始点周围邻域连通的数据点时，参考速度取为起始点的径向速度；

当判断的点为起始点以外的邻域连通的数据点时，参考速度，a表示可调权重系数，/>表示对参考点进行退模糊处理时使用的参考速度。

本发明具有以下优点：一种基于邻域扩展的多普勒天气雷达径向速度退模糊方法，克服了传统多普勒天气雷达径向速度退模糊方法中初始径向确定难、参考速度选取不确定、速度模糊连续性检测不稳定以及孤立回波退模糊效果不理想等问题，能够改善多普勒天气雷达径向速度资料的质量问题并提高其应用价值。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为径向速度最大连通区域内退模糊检测起始点确定示意图；

图3为径向速度二维扫描数据中从任意已处理的邻域连通的数据点中确定的参考点及其周围邻域连通的数据点分布示意图；

图4为多个连通区域的空间距离分布示意图；

图5为多普勒天气雷达径向速度最终退模糊对比结果示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，本发明具体涉及一种基于邻域扩展的多普勒天气雷达径向速度退模糊方法，所述退模糊方法包括：

步骤一、将径向速度二维扫描数据划分为多个连通区域，并确定径向速度最大连通区域内退模糊起始点；

步骤二、在最大连通区域内逐数据点邻域迭代扩展遍历进行退模糊处理，直到最大连通区域内的所有数据点被处理完；

步骤三、孤立回波区域退模糊：利用各个连通区域间的质心坐标距离，逐步选取与所有已处理连通区域距离最近的未处理连通区域，利用选取的两个连通区域间各数据点的距离，取未处理连通区域中与已处理连通区域距离最近的点作为起始点，取已处理连通区域中与起始点距离最近点的径向速度作为参考速度，并重复步骤二的处理过程实现对未处理连通区域内逐数据点的检测处理，按照相同的方法处理其他连通区域，直至所有连通区域都被处理完毕。

进一步地，步骤一具体包括以下内容：

将多普勒天气雷达的二维扫描数据中有效观测数据视为对象区域（标记为1），无效观测数据视为背景区域（标记为0）；

将对象区域的数据点分割为多个连通区域，从多个连通区域中选取包含最多数据点的连通区域，从该连通区域选定一个起始点，并将起始点的径向速度记为。

进一步地，步骤二具体包括以下内容：

以起始点作为参考点，将其周围邻域连通的数据点的径向速度值与参考点的参考速度/>进行比较；

当邻域连通的数据点的径向速度值满足条件/>时，通过公式/>对径向速度值/>进行退模糊处理得到修正后的径向速度值，将不满足条件/>的数据点保留其原始值不变，α表示可调系数，表示最大不模糊速度；

将处理后的邻域连通的数据点依次重新作为参考点，并重复上述步骤直到最大连通区域内的所有数据点全部处理完毕。

进一步地，如图2所示，图2中左图为径向速度观测结果，右图为将绝对值、标准差以及数据高度进行综合判定结果，图中“+”标记为该连通区域内退模糊检测最终确定的起始点；起始点的选定具体包括以下内容：

对最大连通区域相对应的径向速度观测，取绝对值获得各数据点的绝对速度，并对二维观测进行滑动窗口计算各数据点的标准差/>，V _i 为滑动窗口内第i个距离库对应的有效径向速度值，/>为滑动窗口内有效径向速度的平均值，n为滑动窗口内有效径向速度个数；

对最大连通区域相对应的径向速度观测计算各数据点的对应高度，θ为雷达观测仰角，/>为雷达天线高度，r为雷达径向传播的斜距，/>为等效地球半径；

以函数作为判别基准，将使得函数f达到极小值的数据点作为起始点，也即是同时满足径向速度的绝对值小、标准差小以及数据高度低的数据点。

所述在最大连通区域内逐数据点邻域迭代扩展遍历时，需要判断数据点是否存在速度模糊的参考点的参考速度，具体包括以下内容：

当判断的点为起始点周围邻域连通的数据点时，参考速度取为起始点的径向速度；

当判断的点为起始点以外的邻域连通的数据点时，参考速度，a表示可调权重系数，取值范围在（0，1）之间，表示对参考点进行退模糊处理时使用的参考速度。

其中，邻域是指当前数据点对应的上、下、左、右、左上、右上、左下以及右下八个方向或者上、下、左、右四个方向相邻的位置；连通是指当前数据点为有效观测，若其八个邻域/四个邻域方向上的数据点同样也为有效观测，则将其视为与当前数据点同属于一个连通区域，给予相同的标记，否则不进行标记；连通区域是指对任意一个未标记的数据点，对其进行标记，检查该点的邻域位置的数据点是否满足连通要求，对满足要求且尚未被标记的数据点进行标记并将其记录为种子点。从记录的种子点集合中取出一个数据点，重复上述步骤，直到记录的种子点集合中再无可使用的数据点时，则一个连通区域查找完毕。

进一步地，对于最大连通区域内逐数据点的邻域迭代扩展是按照，将起始点作为参考点开始，将其周围邻域连通的数据点的径向速度逐个与参考速度（取为起始点的径向速度）进行比较判断是否产生速度模糊并处理。继续将处理后的邻域连通的数据点重新作为参考点，将参考点的邻域连通中已处理的数据点作为参考点并动态更新其参考速度，依次处理其他未处理的邻域连通的数据点。重复上述步骤，直到最大连通区域内所有数据点都被遍历和退模糊处理。多普勒天气雷达径向速度最大连通区域内从任意已处理邻域连通的数据点中确定的参考点及其周围邻域连通的数据点分布，如图3所示，图3中浅灰色填充标记参考点，深灰色填充标记已处理数据点，虚线填充标记未处理数据点，具体的参考点分布如下表1所示；

表1参考点分布表

进一步地，对于孤立回波区域退模糊，利用各个连通区域间的质心坐标距离，逐步选取与未处理连通区域距离最近的已处理连通区域。利用选取的两个连通区域间各数据点的距离，取未处理连通区域中与已处理连通区域距离最近的点作为起始点，取已处理连通区域中与起始点距离最近点的径向速度作为参考点，对未处理的连通区域从起始点开始执行该区域内逐数据点的邻域迭代扩展遍历完成对该连通区域内所有数据点的退速度模糊检测处理。如图4所示，图4中黑色标记已处理的连通区域，灰色标记未处理的连通区域。d₁₃和d₂₃分别表示已处理连通区域1，2的质心坐标、/>与未处理连通区域3的质心坐标/>之间的距离。/>处标记的黑色圆点表示已处理连通区域确定的参考点，处标记的灰色圆点表示未处理连通区域确定的起始点。按照相同的方法处理其他孤立回波的连通区域，直至所有连通区域都被处理完毕。通过以上实施流程处理，便可得到退模糊后的径向速度观测结果，如图5所示，图5中左图为退模糊之前的结果图，右图为退模糊之后的结果图。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和完善，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于邻域扩展的多普勒天气雷达径向速度退模糊方法，其特征在于：所述退模糊方法包括：

步骤一、将径向速度二维扫描数据划分为多个连通区域，并确定径向速度最大连通区域内退模糊起始点；

步骤二、在最大连通区域内逐数据点邻域迭代扩展遍历进行退模糊处理，直到最大连通区域内的所有数据点被处理完；

步骤三、利用各个连通区域间的质心坐标距离，逐步选取与所有已处理连通区域距离最近的未处理连通区域，利用选取的两个连通区域间各数据点的距离，取未处理连通区域中与已处理连通区域距离最近的点作为起始点，取已处理连通区域中与起始点距离最近点的径向速度作为参考速度，并重复步骤二的处理过程实现对未处理连通区域内逐数据点的检测处理，直到所有连通区域全部处理完毕；

所述步骤二具体包括以下内容：

以起始点作为参考点，将其周围邻域连通的数据点的径向速度值与参考点的参考速度/>进行比较；

当邻域连通的数据点的径向速度值满足条件/>时，通过公式对径向速度值/>进行退模糊处理得到修正后的径向速度值，将不满足条件/>的数据点保留其原始值不变，α表示可调系数，表示最大不模糊速度；

将处理后的邻域连通的数据点依次重新作为参考点，并重复上述步骤直到最大连通区域内的所有数据点全部处理完毕；

所述在最大连通区域内逐数据点邻域迭代扩展遍历时，需要判断数据点是否存在速度模糊的参考点的参考速度，具体包括以下内容：

当判断的点为起始点周围邻域连通的数据点时，参考速度取为起始点的径向速度；

当判断的点为起始点以外的邻域连通的数据点时，参考速度，a表示可调权重系数，/>表示对参考点进行退模糊处理时使用的参考速度。

2.根据权利要求1所述的一种基于邻域扩展的多普勒天气雷达径向速度退模糊方法，其特征在于：所述步骤一具体包括以下内容：

将多普勒天气雷达的二维扫描数据中有效观测数据视为对象区域，无效观测数据视为背景区域；

将对象区域的数据点分割为多个连通区域，从多个连通区域中选取包含最多数据点的连通区域，从该连通区域选定一个起始点，并将起始点的径向速度记为。

3.根据权利要求2所述的一种基于邻域扩展的多普勒天气雷达径向速度退模糊方法，其特征在于：所述起始点的选定具体包括以下内容：

对最大连通区域相对应的径向速度观测，取绝对值获得各数据点的绝对速度，并对二维观测进行滑动窗口计算各数据点的标准差/>，V _i 为滑动窗口内第i个距离库对应的有效径向速度值，/>为滑动窗口内有效径向速度的平均值，n为滑动窗口内有效径向速度个数；

对最大连通区域相对应的径向速度观测计算各数据点的对应高度，θ为雷达观测仰角，/>为雷达天线高度，r为雷达径向传播的斜距，/>为等效地球半径；

以函数作为判别基准，将使得函数f达到极小值的数据点作为起始点，也即是同时满足径向速度的绝对值小、标准差小以及数据高度低的数据点。