新一代多普勒天气雷达数据处理中频域滤波技术的研究

庄 庭，吕江津

(天津市滨海新区气象局 天津300457)

新一代多普勒天气雷达数据处理中频域滤波技术的研究

庄 庭，吕江津

(天津市滨海新区气象局 天津300457)

多普勒天气雷达的基数据主要由气象回波和地物杂波组成，地物杂波过多就会严重损害雷达基数据的精确性，因而多普勒气象雷达想获得质量高的数据产品就必须抑制地物杂波。探讨了如何使用频域滤波技术提高多普勒天气雷达数据质量的问题。

频域滤波 时域滤波 地物杂波 自适应高斯滤波器

反射率产品是目前多普勒天气雷达应用最普遍的产品之一，超折射回波、地物杂波和大面积距离重合是雷达反射率产品的主要影响因素。对于多普勒天气雷达来说，地物回波一般是指雷达 0.5,°仰角运转时探测到的山脉和建筑物等非气象固定目标。超折射现象一般发生于一些特殊的气象条件，如：大气层存在逆温并且湿度随高度递减、湿度随高度锐减等情况，大气折射把雷达波束的传播弯曲到地面，这时就会在雷达反射率产品中产生超折射回波。当出现超折射现象时，在雷达反射率产品中表现出来的是地物杂波存在区域大了许多，同时雷达回波的反射率强度也大大增强。因此，当某个地区的地物杂波和气象回波混杂在一起的时候，将使雷达反射率产品在该地区显示的反射率强度大大增强，严重影响天气预报的准确性。

1 超折射回波的成因及抑制

大气的温、压、湿等气象因素随着高度的增加会出现不同程度的改变。这些因子都是影响电磁波在大气中传播状态的主要因素，会导致折射指数因高度变化而出现变化，使雷达脉冲波向上发射时行进过程出现弯曲。其情况可大致分成标准折射、临界折射、超折射、负折射和零折射(见图 1)。在雷达业务运行过程中，超折射现象是比较普遍的。

3种气象条件容易形成超折射现象，并依据其进行分类：①辐射超折射；②平流超折射；③雷暴超折射。

静止不动的地物目标是影响雷达产品质量的非气象目标杂波能量的主要来源。由于地物目标一般都是不会动的，径向速度为零，但在尼奎斯特速度区间范围内，真实气象目标的径向速度值随处都可能出现。WSR-88D雷达正是利用这一特性，将地物杂波从距离库中滤去或将其降到最低。

图1 折射分类图Fig.1 Classification of refractions

2 地物杂波的成因及抑制

和早期的天气雷达一样，地物杂波对于多普勒天气雷达产品的污染主要表现为以下3个方面：①地物杂波主要影响 0.5,°仰角的产品；②离雷达站不远处最容易发生地物杂波污染；③一般多普勒天气雷达的体扫为6,min一次，如果在某一个仰角的雷达产品中发现地物杂波污染，则该污染在下一个6,min的体扫中依然会出现，并且会一直存在。

使用频域滤波方式进行地物杂波抑制，在提高雷达基数据质量方面具有明显的优势，可以在不损坏原有真实气象回波的基础上抑制住地物杂波。而时域滤波方式由于从时间信号方面处理地物杂波，所以当真实气象回波信号里混有地物杂波时，进行滤波操作难免会损坏真实的气象回波信号。

3 多普勒天气雷达地物杂波时域抑制研究

早期一般都是通过时域数字滤波器来进行时域滤波处理。数字滤波器有两种：有限脉冲响应(FIR)滤波器和无限脉冲响应(IIR)滤波器。这两种滤波器的滤波过程都必须叠加处理信号信息。

本文使用的实际雷达回波数据均是天津市滨海新区气象局的多普勒天气雷达业务运行数据，该雷达是S波段的多普勒天气雷达，波长 λ= 10cm 。由于主要是为了分析地物杂波的抑制情况，最好选择低仰角的雷达数据产品，以便于观察。本文选择仰角 0.5,°，多普勒天气雷达 PRF= 1013Hz 。

图2 晴天无滤波情况下雷达反射率图Fig.2 Radar reflectivity in a sunny day without filtering

图4 降水天气无滤波情况下雷达反射率图Fig.4 Radar reflectivity under precipitation conditions without filtering

由于地物回波的位置不随天气和时间变化，所以比较图2和图4可知，图2中3个椭圆圈里的回波均为超折射回波。从图 4中可以看到椭圆形的圆圈里是没有雷达回波的，并且这 3个圈所在地方不变，只是时间不同，所以图2中3个椭圆圈里的回波均为超折射回波。同理可得，两个方块圈里的回波均为地物杂波。

比较图2和图3可知，经过IIR椭圆滤波器的滤波处理后，图 3中椭圆圈里的雷达回波大小、强度与图2差不多，说明IIR椭圆滤波器对超折射回波没起到抑制作用。这是由于一旦气象回波的速度为零，该气象回波受IIR技术算法影响很大，为了使真实的气象回波不受IIR滤波算法的破坏，国内每个雷达站点的雷达系统都有一套和该雷达站附近地物环境相匹配的杂波滤波图。IIR椭圆滤波器的滤波算法参照滤波图，只针对参照图里标有地物杂波的地方，如果有雷达回波就对该回波进行杂波抑制。由于在任何地方都可能出现超折射回波，所以无法在雷达系统的滤波图中添加超折射回波的位置信息，导致IIR椭圆滤波器对超折射回波起不到太大作用。图 3中方块圈里的雷达回波大小和强度明显弱于图 2，这说明 IIR椭圆滤波器对于普通地物杂波还是起到了一定的抑制作用。

4 使用频域滤波技术提高多普勒天气雷达数据质量

目前，在新一代天气雷达反射率数据质量上存在的最主要问题是超折射回波。由于超折射回波的位置、区域和强度大小都不确定，现有的滤波技术无法对其进行有效抑制，加上气象预报人员较难识别，对气象预报人员充分应用雷达反射率资料和人工影响天气的作业效果造成了较大的影响。

为了减小超折射回波对气象预报人员的影响，提高我国天气雷达在信号处理方面的技术水平，北京敏视达雷达公司开发出基于频域信号处理算法的新型滤波技术，该滤波技术可有效抑制超折射回波，对气象回波的影响很小，同时对地物的抑制能力优于WSR-88D(Weather Service Radar，美国新一代天气雷达，以下简称88D)算法。

表 1给出了图 5、图 6、图 7和图 8中降水和晴空条件下使用自适应高斯频域滤波技术过滤不同类型雷达回波后的效果。

表1 对于不同种类回波使用自适应高斯频域滤波技术的滤波效果Tab.1 Filtering effect of different echoes when applying the self-adaption Gaussian frequency-domain filtering technique

图5 晴空情况下无滤波多普勒雷达反射率图Fig.5 Doppler radar reflectivity in a sunny day without filtering

图6 晴空情况下频域滤波后多普勒雷达反射率图Fig.6 Doppler radar reflectivity in a sunny day with frequency domain filtering

图7 降水情况下无滤波多普勒雷达反射率图Fig.7 Doppler radar reflectivity under precipitation conditions without filtering

图8 降水情况下频域滤波后多普勒雷达反射率图Fig.8 Doppler radar reflectivity under precipitation conditions with frequency domain filtering

从表中可以得出下面结论：①自适应高斯频域滤波技术抑制地物杂波的同时对真实气象回波几乎无影响。②当真实天气回波被地物杂波污染后，自适应高斯频域滤波可以有效削弱地物杂波，同时不损坏真实天气回波信号。③当出现超折射现象时，自适应高斯频域滤波对其滤波效果能达到 67,dBz。④无论气象条件如何多变，自适应高斯频域滤波对地物杂波的滤波效果始终不变。

5 结 语

自适应高斯频域滤波器对地物杂波的滤波效果非常好，且不损坏真实天气回波信号。在超折射回波的抑制方面，IIR椭圆滤波器对超折射回波无能为力，而自适应高斯频域滤波器对于超折射回波的抑制能力能达到 67,dBz。因此从滤波器的滤波性能方面，自适应高斯频域滤波器大大优于 IIR椭圆滤波器的滤波效果。

使用地物杂波图是能否有效完成 IIR椭圆滤波器滤波的关键，而使用自适应高斯频域滤波器进行滤波时，完全无需地物杂波图，可以更好地滤除地物杂波，同时不损坏真实天气回波信号。

［1］ 北京敏视达雷达有限公司. 中国新一代多普勒天气雷达用户手册(上、中、下)[Z].

［2］ 刁秀广，朱君鉴，杨传凤，等. CINRAD/SA雷达超折射回波抑制技术分析与应用[J]. 气象科技，2006，34(5)：620-623.

［3］ 何建新，王旭，刘艳. 自适应高斯频域滤波器在天气雷达中的应用[J]. 气象，2010，36(6)：117-121.

［4］ 刘艳. 多普勒天气雷达地物杂波时域和频域抑制研究[D]. 成都：成都信息工程学院，2007：15-16，38-44.

Technical Research on Frequency Domain Filter of a New Generation Doppler Weather Radar

ZHUANG Ting，LV Jiangjin
(Metrological Bureau of Tianjin Binhai New Area，Tianjin 300457，China)

Doppler weather radar-based data is mainly composed of meteorological echoes and ground clutters，while excessive ground clutters pose serious pollution to the base data. Therefore，ground clutters have to be restrained to acquire high-quality base data. This paper discussed how to use the frequency-domain filtering technique to improve the quality of Doppler weather radar data.

frequency-domain filtering；time-domain filtering；ground clutter；adaptive Gaussian frequencydomain filter

P415.2

A

1006-8945(2014)06-0068-03

2014-05-09