第三章数据模糊的处理分解Word文档格式.docx

1、这式子的意义是Rmax与PRF是反比关系。 Vmax定义： 最大不模糊速度是雷达能够不模糊地测量的最大平均径向速度。回顾一下第二章第3节，Vmax相对应的脉冲对相移是180。这是WSR-88D能够不模糊地测量的最大脉冲对相移。其中，Vmax为最大不模糊速度，为波长（WSR-88D的波长10cm）， PRF为脉冲重复频率。这个方程来源于一个熟悉的关系：速度距离Vmax是速率，相应的脉冲对相移是180式子右侧的是距离项。一个完整的波长，对应于360（大约10cm）。由于雷达脉冲总是出去和回来，所以由WSR-88D分析的180的脉冲对相移实际上对应目标4（90）的水平位移。对于上述方程，/4是一个大

2、约1英寸（大约是2.5cm）的固定距离。最后一步是用时间除距离，又一次用到PRT，在方程中用1PRF表示。方程的意义是：Vmax直接依赖于PRF。要点：1）在关于Vmax和Rmax的两个方程中，PRF是右侧唯一的变量；2）当PRF增加，Rmax减小；PRF减小，Rmax增加；3）当PRF增加，Vmax增加；PRF减小，Vmax减小。“多普勒两难（Doppler Dilemma）”：由于没有唯一的PRF能使得Vmax和Rmax都能达到最大，所以要使用变化的PRF。每台WSR-88D使用不同的PRF，从一组8个PRF中选择。典型例子如下：图3-1 WSR-88D使用的一组PRF样本。图3-2 每个

3、VCP中分别用于CS和CD模的PRFs表。注意在VCP11、21和32中CD模的PRFs可以手工选择。每个WSR-88D雷达站使用一套8个不同的PRFs。 具体使用哪一个取决于VCP、仰角和波型（见第二章第1节）。对于VCP11和21中的CS（contiguous surveillance）模，使用脉冲重复频率（PRF）1、2和3（图3-2）。请注意用PRF1、2和3所得Rmax是相当好的，但Vmax值对大多数气象条件而言会产生很大的速度混淆（aliasing）。因此，为了得到准确的速度估计，在VCP11和21相应的CD（contiguous Doppler）模中，使用PRF4、5、6、7和8

4、。请注意这些PRFs与较高的Vmax值相联系，但对应的Rmax是较短的。对于究竟使用CD模5个 PRFs中的哪一个，往往采取折衷的方法，在所要求的最大Vmax和减少距离折叠回波的最好Rmax之间搞折衷（见去距离折叠算法）。注意到这5个CD模的PRFs是可以手动改变的。对于VCP31，PRF1用于警戒（CS）模，PRF2用于多普勒（CD）模（见图3-2）。因此，距离信息是准确的，但VCP31中速度模糊（velocity aliasing也可译为速度混淆）的严重程度大大地高于其它VCPs。3.2 地面杂波（ground clutter）去除本节将给出天气多普勒雷达受地面杂波污染（contamina

5、tion）的例子。介绍减轻和消除该污染的算法。在RDA中所完成的处理中，地面杂波仰制（ground clutter suppression）是在数字化数据一离开信号处理器时就做了，接下来的是点杂波仰制（point clutter suppression）。再接下来做的是去距离折叠算法（range unfolding algorithm），然后反射率因子、速度和谱宽基本数据通过宽带通讯线路被送到RPG。退速度模糊（velocity dealiasing）是在RPG执行的第一个任务。3.2.1地物杂波污染 当返回信号是静止的或接近静止的，非气象目标被处理进了基本数据时，就发生了地物杂波污染。地物杂

6、波污染对基本数据的准确性影响很大。由于全部产品和算法是建立在基本数据上的，所以地物杂波污染即影响基本产品，也影响导出产品。特别敏感的例子是降水估计。3.2.1.1总的特点1）与以前的常规雷达类似，地物杂波污染主要影响最低仰角扫描的产品；2）与以前的常规雷达类似，地物杂波污染发生在距雷达较近的地方；3）对于任一特定的仰角，典型的地物杂波污染从一个体扫描到下一个体扫描很少有变化，并且大多数时间都会出现。3.2.1.2地物杂波在反射率产品上的形态离雷达近的地面目标一般都有较高的反射率。如果地物杂波不完全被抑制，WSR-88D会赋给高反射率值。这些高反射率值往往呈无规则的分布，从一个距离门到下一个距离

7、门有很大变化（图3-3）。3.2.1.3地物杂波在平均径向速度产品上的形态由于地面目标是静止的，其径向速度接近零。但也有例外。非零速度的地物回波往往来自树叶摇摆、大洋上的波涛、汽车等等。较大的建筑物，如楼房和水塔，也能造成非零的速度值，这个值的大小与该建筑物相对于距离库的大小有关，与建筑物周围的气流速度有关。地物杂波污染在平均径向速度产品上的特征是一个接近零速度值的大片区域镶嵌着孤立的非零速度值（图3-4）。 l-29图3-3基本反射率产品上的地面杂波污染的例子（彩图见光盘）。注意最大反射率值和它们不规则的分布。 l-30图3-4 对应于图3-3的基本速度产品被地面杂波污染的例子（彩图见光盘）

8、。注意接近零的速度值区和被嵌在其中的较高速度值。当目标尺度大于距离库尺度时，WSR-88D只对建筑物本身采样，一般得到低到零的速度。这种情况最容易发生在离雷达很近的地方。当目标尺度小于距离库尺度时，WSR-88D对建筑物和它周围的大气采样。建筑物周围的任何涡旋和气流都会被探测到，一般得到非零速度。3.2.1.4地物杂波在谱宽产品上的形态由于地面目标是静止的，速度值相当低，谱宽值就接近零。由于与平均径向速度有关，也就有例外。非零谱宽值可以由摇摆的树叶、洋上的波浪和汽车造成。较大的建筑物能造成变化的谱宽值，这与建筑物的尺度相对于样本体积的大小有关，也与建筑物周围气流的速率有关。地物杂波污染在谱宽产

9、品上表现为一些孤立的非零值被嵌在接近零的谱宽场中间。 当目标尺度大于距离库尺度时，这时WSR-88D对建筑物本身采样，一般得到接近零的谱宽值。这种情况最可能发生在近距离处。建筑物周围的任何涡旋和气流都能探测到，所以可能得到非零谱宽。 l-31图3-5 与图3-3对应的，谱宽基本产品被地面杂波污染的例子（彩图见光盘）。3.2.2异常传播 （anomalous propagation） 我们这里将地物杂波和异常传播区别开来是因为大家通常这样做。然而，异常传播这个词只与雷达波束怎样通过非标准大气传播有关，与波束照射的目标没有关系。从异常传播返回的回波是地面回波，可以认为是地面杂波。由于异常传播取决于

10、大气条件，所以显示在WSR-88D产品上的相应的地面回波类型每天、每小时，甚至每一个体积扫描都在变化。3.2.2.1一般特征1）与以前的常规雷达类似，异常传播回波在最低仰角产品上是非常普遍的；2）异常传播回波发生在距雷达不同的距离上；3）超折射一般发生在温度随高度升高而增加和（或）湿度随高度增加而减少的大气层次内。3.2.2.2异常传播在反射率产品上的形态与以前的常规雷达类似，异常传播往往造成反射率数据出现杂斑点（mottled appearance），斑点值的变化范围很宽，并可以扩展到很大的范围。 WSR-88D的反射率数据比以前的常规雷达系统提供了大量更详细的信息。异常传播造成的地面回波的

11、不均匀性相当明显。通常反射率值相当高，并且会发生突然地从低到高值的变化。其反射率梯度不如气象回波的反射率梯度光滑（图3-6）。 l-32图3-6 基本反射率产品上异常传播的例子。注意杂斑点的外形和雷达西南部的高回波值，与雷达东北部的气象回波形成鲜明对比。 l-33图3-7 与图3-6相应的显示在基本速度产品上的异常传播的例子（彩图见光盘）。注意到：在雷达西南方接近零的速度区内嵌有孤立的高值，与雷达东北方的气象回波不同。3.2.2.3异常传播在平均径向速度产品上的形态与地物杂波污染类似，在超折射条件下的回波是来自地面目标，一般是静止不动的。因此，典型的速度值是零，但也有例外。非零回波来源于树叶的

12、摇摆、大洋上的波浪和汽车等等。较大的建筑物，如大楼或水塔能产生变化的速度值，这取决于建筑物相对于距离库尺度的大小和建筑物周围气流的速率。异常传播在平均径向速度产品上的特征是一个接近零的速度场中孤立地镶嵌着非零值（图3-7）。当目标尺度大于距离库尺度时，这时WSR-88D对建筑物本身采样。我们可以期望得到接近零的速度。与地面杂波污染相比异常传播距离较长，上述情况是少见的。建筑物周围的任何涡旋和气流都会被探测到，将会得到非零速度。3.2.2.4异常传播在谱宽产品上的形态就像一般的地物杂波污染一样，在超折射情况下的地面目标回波一般是静止的。因此，速度偏差非常低，谱宽值接近零。与平均径向速度产品一样，

13、也有些例外。与异常传播相应的非零速度谱宽也会出现，这一般是由树叶摇摆、大洋波浪和汽车造成的。较大的建筑物造成谱宽的变化，与建筑物相对于距离库的大小有关，与建筑物周围的气流速率有关。异常传播在谱宽产品上的特点是在接近零值的区域内镶嵌着孤立的非零值（图3-8）。当目标尺度大于距离库尺度时， 这时WSR-88D只对建筑物本身采样，可期望得到接近零的谱宽。当目标尺度小于距离库尺度时，WSR-88D的采样包括建筑物本身和它周围的气流。建筑物周围的任何涡旋和气流会被探测到，有可能得到非零谱宽。 l-34图3-8 与图3-6对应的显示在基本谱宽产品上异常传播的例子。3.2.3地面杂波抑制（ground cl

14、utter suppression）3.2.3.1杂波信号与气象信号的对比 多普勒功率谱（Doppler power spectrum）描述了基本数据分析过程。对于特定的距离库，其系列脉冲回波的功率和速度有所不同。一个正态分布（钟型）曲线可以拟合这些数据，揭示出平均功率、平均径向速度和速度谱宽的特点。通过检验回波的多普勒功率谱，我们可以区别气象信号和杂波信号。一个杂波信号的特征是具有较高的回波功率，径向速度以零为中心分布，谱宽很窄。一个气象信号具有变化的（varying）回波功率，径向速度很少以零为中心分布（图3-9）。图3-9 描述了一个距离库内一个杂波信号和一个气象的多普勒功率谱的高斯曲线

15、。3.2.3.2去除杂波保留气象回波通过区分这两种不同的信号，WSR-88D的信号处理器可以从被地面杂波污染了的距离库中提取气象信息。杂波消除滤波器（clutter suppression filters）被设计用来减小其速度值在零附近的回波信号的功率。因此，剩下来的来自那个距离库的气象目标的回波信号被保留下来。要得到基本数据，还需对其进行进一步的处理（模数转换、去距离折叠）。图3-10 对杂波信号的去除过程。杂波信号最窄的位置有最大的信号衰减。3.2.3.3槽口宽度（notch width）槽口宽度是一个以零为中心的速度间隔，它确定了哪些回波信号将被过滤（filtered）。例如，如果将槽口

16、宽度设定为3.4 节，那么将对所有径向速度在-1.7到+1.7节范围内的信号实施抑制（图3-10）。3.2.3.4 残留杂波一旦信号被过滤，残余信号或许可由两种方式产生：1. 杂波滤波器只可以去除有限数量的信号功率。例如，近距离的高山会产生非常强的回波，以至其回波信号功率不能被全部去除。2. 与一个杂波目标相联系的速度值（例如，建筑物周围的湍流）也许落在槽口宽度之外，因此杂波信号被保留。图3-11 进行抑制后的距离库的多普勒功率谱。注意残留的杂波信号。3.2.4 地面杂波抑制的实施3.2.4.1 RDASOT（RDA System Operablity Test：RDA 系统可操作性测试）RD

17、ASOT（雷达系统可操作性测试RDA system operability test） 是一个为多种不同目的而设计的很多诊断技术程序，其中之一就是产生用来抑制正常地物杂波的旁路图（bypass map）。关于旁路图，程序在雷达安装后立即运行一次，同时每个季节重新运行一次。为了达到最好的效果，当在大气状况接近每个季节的正常条件时，RDASOT将建立旁路图（bypass map）。3.2.4.2正常和瞬变杂波的过滤杂波抑制对两种不同类型的杂波实施。由RDASOT产生的旁路图被设计用来抑制正常地物杂波（山、建筑物等）。主要由雷达波束的异常传播造成的瞬变杂波的过滤是通过定义一个杂波抑制区来实施的。对该

18、区域选择的抑制程度将均匀地作用于该区域内所有径向速度在零附近的目标。这会对产品产生较大的影响。3.2.4.3杂波过滤旁路图（clutter filter bypass map）通过辨认杂波信号，RDASOT确认地物杂波目标并产生旁路图以决定在什么位置实施抑制。两种图被产生。第一个图用于最低的两个仰角，第二张图用于其余的仰角。两张图都是极坐标格点，每个库的尺度为1.4x 0.54nm（海里）。旁路图标明在哪些库实施抑制。旁路图只指定实施抑制的地点。抑制量的大小将由操作员指定。 l-38图3-12 杂波过滤器旁路图。注意极坐标网格中标出了那些需要实施抑制的库。3.2.4.4操作员定义的杂波抑制区杂

19、波抑制区是打算用来根据具体的需要实施杂波抑制。最有效的杂波抑制常常是正常杂波过滤和瞬变杂波过滤的结合的结果。有四个文件可用来定义杂波抑制区。这些文件分别被称为11、21、31和32 。这些文件与VCPs没有关系，尽管他们的名字相同。例如，一旦文件11被激活，它将保持这种状态而不论那一个VCP在运行。通过键盘键入AD，password，CL，C，VCP，可从可调数据菜单（adaptation data menu）中找到杂波抑制区子菜单。注意VCP将是上述四个文件的名字之一。（l-39）图3-13 在雷达控制台（UCP）的杂波抑制区屏幕。开始/结束方位角：开始/结束方位角定义该区域的开始和结束的方

20、位角。可接受的值从0到360度并且应按照顺时针方向输入。仰角段数（Elevation Segment Number）：仰角段数定义包括在该区域内的仰角扫描锥面（elevation slices）数。一个“1”表示所有等于或小于2.0度的仰角扫描锥面。一个“2”表示2.0度以上的所有扫描锥面。操作员选择码（Operator Select Code）：操作员选择码定义将使用的杂波过滤（抑制）的类型。1）当操作员选择码的值为0时，则在杂波抑制区内关闭所有的杂波过滤（即不进行任何杂波抑制）；2）当操作员选择码的值为1时，对每一个由旁路图（bypass map）指定的地点将激活选择的抑制水平（槽口宽度）

21、；3）当操作员选择码的值为2时，则按选择的抑制水平对区域内的每一个距离库实施抑制。槽口宽度（通道宽度）：有三种可能的槽口宽度，每个对应相应的抑制水平。槽口宽度（抑制）分别对监测（surveillance）和多普勒（Doppler）通道（channels）实施。1）槽口宽度选择1对应3.4节（1.7节）的槽口宽度，可取得约30 dBZ的抑制水平；2）槽口宽度选择2对应4.8节（2.4节）的槽口宽度，可取得约40 dBZ的抑制水平；3）槽口宽度选择3对应6.8节（3.4节）的槽口宽度，可取得约50 dBZ的抑制水平。对于每一个抑制级别，实际被抑制的功率数量以及槽口宽度，只是一个近似。其精确值随天线

22、转速变化，而天线转速又随VCP（体扫模式）和天线仰角变化。注意事项：1）当定义杂波抑制区时，不要穿过（cross over）0度方位角；2）千万不要下载（download）一个只包含0的杂波抑制文件；3）起始距离和终止距离值必须是偶数。上述中的任何一个错误的发生都将在系统状态记录（System Status log）记下如下信息：“RDA Alarm：Notch Map Generation Error”。当这个误差发生时，RDA将不使用你的区域定义去抑制杂波。 l-40图3-14 当图3-13中的文件被下载时形成的滤波型。注意对图3-15至图3-18中数据的影响。每个给定的杂波抑制区文件内可

23、以定义15个杂波抑制区。定义一个杂波抑制区需要给定的参数如下：起始/结束距离（start/stop range）：起始/结束距离定义区域的开始（beginning）和结束（ending）的距离，单位为公里。可接受的值从2公里到510公里。3.2.4.6 经过和没有经过适当的杂波过滤的数据的例子图3-15至图3-18的WSR-88D的例子说明了杂波抑制的有效使用。应用于这个杂波问题的过滤型与图3-13中的杂波抑制区文件类似。3.2.4.7 杂波过滤控制图（clutter filter control（CFC）map）在PUP有一个产品是可以用来显示目前RDA正在使用的杂波过滤的形态（clutte

24、r filtering configuration）。这种产品叫做杂波过滤控制（CFC）图。当杂波过滤定义变化时，通过PUP一次性请求，可生成这个产品。为确保最新的CFC产品被显示，PUP操作员应不断地做一次性请求。一次性请求可通过PUP应用终端的显示菜单（Display menu）键入D，G，CFC。PUP操作员应在时间域（time field）键入“*”以从RPG请求最新的CFC产品。取决于选择的参数，同样的产品号（Product ID Number）34可有4个不同的版本（version）。这些版本的不同之处在于选择多普勒或监测通道（Doppler or Surveillance Cha

25、nnel ）和仰角段数（Elevation Segment Number）1或2。仰角段数通过Slice域输入，通道数通过Param 1域输入（图3-19）。Slice ：输入1或2 对应不同的仰角段数Param 1：输入S 对应监测通道或D对应多普勒通道。由于杂波控制产品不是日常地显示的，所以在绘图版（Graphic Tablet）上没有相应的选择键（selection box）。为了在请求之后显示该产品，可将绘图屏幕清除为空白或通过在应用终端上键入命令D,G,CFC来实现。 l-41图3-15 这这个反射率因子产品上，降水区与异常传播（AP）造成的杂波混杂在一起。对AP区域没有实施杂波抑制

26、（彩图见光盘）。 l-42图3-16 与图3-15对应的速度产品。对AP区域没有实施杂波抑制。 l-43图3-17 一旦实施了适当的杂波过滤（见图3-13），降水区变得容易辨认了（彩图见光盘）。 l- 44图3-18 与图3.17对应的速度产品（彩图见光盘）。注意杂波过滤后速度估计质量的改善。 l-45图3-19 杂波滤波器控制（CFC）图显示和请求屏幕。 l-46图3-20 杂波过滤器控制产品的例子（彩图见光盘）。 l-47图3-21对整个雷达覆盖区域使用操作员选择代码0时的基本反射率因子。这关闭了所有的杂波抑制。3.2.4.8 WSR-88D数据个例在下列个例中，使用了不同的杂波抑制型，

27、它们对数据的作用效果是非常明显的。选择代码0：在图3-21和图3-22中，在整个雷达覆盖区域没有实施杂波过滤。 选择代码1：在图3-23和图3-24中，杂波过滤器旁路图（clutter bypass map）确定抑制的地点，而抑制的强度由操作员给定。 l-48图3-22对整个雷达覆盖区域使用操作员选择代码0时的基本速度。注意由杂波引起的速度估计偏差导致的大面积的接近0的速度值（彩图见关盘）。 l-49图3.23 对整个雷达覆盖区域使用操作员选择代码1时的基本反射率因子。这将激活旁路图以确定正常杂波抑制的地点。注意从北到南的由AP引起的瞬变杂波造成的高反射率因子值仍被保留下来（彩图见光盘）。 l

28、-50图3-24 对整个雷达覆盖区域使用操作员选择代码1时的基本反射率因子。注意从北到南的由AP引起的杂波造成的速度估计偏差导致的近零速度值。 l-51图3-25使用操作员选择代码1和2时的的基本反射率因子。这个结合是通过旁路图来消除由山脉等固定地物目标造成的正常地物杂波和通过强迫抑制（代码2）消除从北到南的峡谷内由AP引起的瞬变杂波。 l-52图3-26使用操作员选择代码1和2时的基本速度。选择代码1和代码2：在图3-25和图3-26中，在从北到南的峡谷中使用强迫抑制（操作员选择代码2）以消除AP（异常传播）杂波， 而旁路图（bypass map 操作员代码1）对整个区域实施。3.2.4.9 操作员定义杂波抑制的负作用 杂波抑制区是对由于异常传播造成的地物回波进行抑制的强有力工具，因为该地物回波在时间和空间上是高度变化的。不过，采用强迫的杂波抑制（操作员代码2）长期去掉非瞬变的地物回波是不适当的，将对产品