DRSP和RVP8天气雷达信号处理效果定量分析

何 毅，范 艺，朱克云，张 杰，3，张 伟，罗 辉

(1.成都信息工程学院大气科学学院高原大气与环境四川省重点实验室，四川成都610225;2.中国人民解放军96211部队，四川成都610225;3.成都军区空军气象中心，四川成都610041;4.成都锦江电子系统工程有限公司，四川成都610051)

0 引言

多普勒天气雷达是以云、雨、雾、雪等为观测目标的遥感设备，其探测性能好坏对于天气预报准确率有重要现实意义[1－3]。信号处理器作为天气雷达系统的核心部件，任务是对干扰进行有效抑制，保证天气雷达能对气象目标进行准确探测，通过采样、保持和分层，将模拟信号转换成数字信号，对天气雷达系统的数据采集、处理有着直接影响[4]。

文中与成都锦江电子系统工程有限公司国营第784厂开发研制的DRSP信号处理器进行对比试验的进口RVP8信号处理器，目前在中国应用广泛，它是由Vaisala公司生产的一款数字中频接收机和信号处理器，能提供全面的数字接收和信号处理功能。近年来，国内对于雷达信号处理的研究和工程设计水平已经有了很大提高[5－15]，对国产新型雷达信号处理器进行全面认知，性能测试是一个必不可少的环节，如何高效地评估处理效果也就成了一个重要课题。利用两型信号处理器多次实测数据，分反射率因子、径向速度和谱宽3方面进行图像形态结构比对和定量分析。结果显示，DRSP对于雷达回波的处理效果与RVP8基本相近，说明国产新型天气雷达信号处理器已具备了相当的数字接收和信号处理能力，对进一步巩固国家安全和推进实现尖端设备国产化有着重要意义。

1 资料和方法介绍

资料选自2014年3～7月在某型多普勒天气雷达上通过国产DRSP和进口RVP8采集的同时或分时临近的反射率因子、径向速度和谱宽数据，分别进行图像形态比对和定量分析。

定量分析采用提取雷达基数据，计算各区段点数与对应雷达基数据总点数比值，按色标(由负到正、由小到大)进行分段比较的方法，引入段百分比Xi、段偏差di、段偏差百分比Si、段平均差p以及均方根误差σ进行描述。(下列统计分析均以RVP8数据作为标准值，DRSP数据作为测量值;下标i表示按对应区段，n为划分区段总数，形如a～b实为(a，b])

(1)段百分比Xi:反映各区段数据的比重，为信号处理器处理所得雷达基数据各段对应点数mi与总点数M的比值

(2)段偏差di:反映两型信号处理器在对应区段上处理效果的差异，即段百分比Xi之差

(3)段偏差百分比Si:反映两型信号处理器的各段偏差di占总差异的比重

(4)段平均差p:反映两型信号处理器对应各区段的平均差异，为总差异除以划分区段的总数n

(5)为了说明两型信号处理器数据样本的离散程度，测量数据的整体误差，还引入了均方根误差σ

2 信号处理定量分析

为准确考查两型信号处理器的性能比对情况，在确认参与试验的某型多普勒天气雷达性能符合出厂指标，且一直稳定工作情况下，采用同机其他部件不动，只切换信号处理器的方法，选定相对稳定的天气背景，分别就天气雷达的3个基本产品回波强度、速度和谱宽进行了定量分析。

2.1 强度分析

2.1.1 PPI图

图1 PRF(1000 Hz)的回波强度PPI图

图2 DPRF(1000/800 Hz)的回波强度PPI图

图1～2分别是重复频率PRF(1000 Hz)和双重复频率DPRF(1000/800 Hz)的回波强度PPI图，经对比整体上可以看出:经DRSP和RVP8处理的回波强、弱区域位置对应较好，轮廓和面积也都基本保持一致，但是经DRSP处理的＞30 dBZ的强回波区域出现部分衰减。

表1 单重频回波强度PPI图定量分析表

图3 单重频回波强度PPI图定量对比图

表2 双重频回波强度PPI图定量分析表

由图3可以看出二者处理效果除在0～15 dBZ存在明显差异外，整体趋势基本保持一致。结合表可见，DRSP处理的＞25 dBZ数据均较RVP8出现微小衰减，－10～0 dBZ区间数据仅存有微小差异，可视为处理效果基本一致;0～15 dBZ作为差异集中区间占57.71%。

图4 双重频回波强度PPI图定量对比

由图4可见各段百分比Xi在＞20 dBZ趋势基本一致，而在－5～20 dBZ存在明显差异。结合表2可以看出，DRSP对于＞20 dBZ数据的处理均较RVP8出现一定衰减，除30～40 dBZ偏差略大外，可视作处理效果基本一致;＜20 dBZ区间的差异则略大，－5～20 dBZ偏差占总差异的77.30%。

2.1.2 RHI图

图5 PRF(1000 Hz)的回波强度RHI图

图6 DPRF(600/400 Hz)的回波强度RHI图

图5～6分别为 PRF(1000 Hz)和 DPRF(600/400 Hz)的回波强度RHI图，经对比整体上可以看出:经DRSP和RVP8处理的回波强、弱区域对应较好，轮廓和面积也都基本一致。但在低频条件的双重频状态下，经DRSP处理的强回波(＞30 dBZ)以及轮廓边缘弱回波(＜15 dBZ)均较RVP8出现一定衰减;在单重频条件下二者则无明显差异。

表3 单重频回波强度RHI图定量分析表

图7 单重频回波强度RHI图定量对比

表4 双重频回波强度RHI图定量分析表

由图7可见各段百分比Xi走势基本一致，无明显差异存在。结合表3可以看出，经DRSP处理的弱回波数据(＜15 dBZ)普遍较RVP8出现微小衰减，而对于＞15 dBZ的数据除在30～35 dBZ出现一定衰减外，其余均占比例略大，由 p仅为 0.473%、σ仅为0.632%，可见二者处理效果基本吻合。

图8 双重频回波强度RHI图定量对比

由图8可见低频条件的双重频状态下二者处理差异明显增大。结合表4可以看出，经DRSP处理的强回波数据(＞30 dBZ)均较RVP8出现衰减。差异集中出现在 5～15 dBZ和 25～45 dBZ，占总差异的76.75%。

通过对单、双重频状态下经DRSP和RVP8处理的回波强度PPI图和RHI图进行定量分析可得:二者处理差异普遍集中出现在5～15 dBZ的弱回波区间上，平均占30.68%。DRSP对于＞30 dBZ强回波数据的处理普遍出现衰减，其中30～35 dBZ平均差异占－11.83%。由总的强度段平均差为1.160%，可见两型信号处理器对于回波强度的处理效果基本相当。

2.2 速度分析

2.2.1 PPI图

图9 PRF(1000 Hz)的速度回波PPI图

图10 DPRF(1000/667 Hz)的速度回波PPI图

图9和10分别是PRF(1000 Hz)和DPRF(1000/667 Hz)的速度回波PPI图，经对比整体上可以看出，DRSP和RVP8处理的正、负速度区域对应较好，回波轮廓、面积也都基本保持一致。

表5 单重频速度回波PPI图定量分析表

图11 单重频速度回波PPI图定量对比

由图11可见各段百分比Xi整体趋势基本一致，无明显差异。结合表5可以看出，经DRSP处理的速度回波数据除在－1.66～6.64 m/s较RVP8出现微小衰减外，其余区间均占比重更大。二者差异集中在正速度(0.30～4.98 m/s)和负速度(－4.98～－0.30m/s)的低值区间，占总差异的63.77%，由p仅为0.333%、σ为0.435%，可见二者处理效果基本吻合。

表6 双重频速度回波PPI图定量分析表

图12 双重频速度回波PPI图定量对比

由图12可见各段百分比Xi整体趋势较为一致，但个别区间存在一定的差异。结合表6可以看出，经DRSP处理的数据在9.94～26.51 m/s均出现衰减;而对应的负速度区间则明显所占比重更高。二者处理差异较为平均地分布于正速度(0.30～16.57 m/s)和负速度(－16.57～－0.30 m/s)，占总差异的82.43%。

2.2.2 RHI图

图13 PRF(1000 Hz)的速度回波RHI图

图14 DPRF(600/400 Hz)的速度回波RHI图

图13和14分别是PRF(1000 Hz)和DPRF(600/400 Hz)的速度回波 RHI图，整体上可以看出，经DRSP和RVP8处理后的回波正、负速度区域位置对应较好，回波轮廓、面积、层次也都基本保持一致。但在低频条件的双重频状态下，经DRSP处理的顶部正速度大值回波较RVP8出现明显衰减;而单重频条件下二者则无明显差异。

表7 单重频速度回波RHI图定量分析表

图15 单重频速度回波RHI图定量对比

由图15可见各段百分比Xi整体趋势基本一致。结合表7可以看出，二者的处理差异主要集中于－6.64～－0.30 m/s和0.30～1.66 m/s，占总差异的79.84%，由p为0.427%、σ为0.679%，可知两信号处理器处理效果基本吻合。

表8 双重频速度回波RHI图定量分析表

由图16可见二者处理效果在正、负速度区间上均有明显偏差。结合表8可以看出，经DRSP处理的正、负速度的大值区间(＞7.92 m/s)回波均出现不同程度衰减，二者差异集中在－9.89～－0.30 m/s，占总差异的50.58%。

图16 双重频速度回波RHI图定量对比

通过对单、双重频状态下经DRSP和RVP8处理的速度回波PPI图和RHI图进行定量分析可得:DRSP和RVP8对于正、负速度的过渡区间－0.30～0.30 m/s的处理效果是极为一致的，平均仅占到总差异的1.86%;差异普遍集中出现在正速度(区段号:10～11)、负速度(区段号:5～8)的较低值区间内，平均占总差异的62.82%;而对于高值区间的处理普遍比较相近。由总的速度段平均差为0.917%，可见二者处理效果是基本相当。

2.3 谱宽分析

2.3.1 PPI图

图17 PRF(1000 Hz)的谱宽PPI图

图18 DPRF(1000/800 Hz)的谱宽PPI图

图17和18分别是PRF(1000 Hz)和DPRF(1000/800 Hz)的谱宽PPI图，经对比整体上可以看出，经DRSP和RVP8所处理的谱宽高、低值区域位置对应较好，回波轮廓、面积也都基本保持一致;但在双重频状态下，谱宽值的大小存在明显差异。

表9 单重频谱宽PPI图定量分析表

图19 单重频谱宽PPI图定量对比

由图19可见两型信号处理器处理效果除0.5～2.0 m/s存在一定差异外，其余区间均差异不大。结合表9可以看出，对应 0.5～2.0 m/s占总差异的74.88%。

表10 双重频谱宽PPI图定量分析表

图20 双重频谱宽PPI图定量对比

由图20可见各段百分比Xi均存在明显差异。结合表10可以看出，在双重频状态下，经DRSP和RVP8对于谱宽PPI图的处理效果存在显著差异。

2.3.2 RHI图

图21 PRF(1000 Hz)的谱宽RHI图

图22 DPRF(600/400 Hz)的谱宽RHI图

图21和22分别是PRF(1000 Hz)和DPRF(600/400 Hz)的谱宽RHI图，经对比两图整体上可以看出，DRSP和RVP8所处理的谱宽高、低值区域位置对应较好，回波轮廓、面积也都基本保持一致。但是在双重频状态下，经RVP8处理的谱宽图像呈现放射状，而经DRSP处理的谱宽图像层次则更为分明，但顶部谱宽图像出现一定衰减，且回波大部分位置谱宽值均较RVP8略大;单重频状态下，经DRSP处理的谱宽高值区域略大，而边缘区域的谱宽值则明显更低。

表11 单重频谱宽RHI图定量分析表

由图23可见各段百分比Xi整体趋势基本一致，仅在谱宽低值区间出现明显差异。结合表11可以看出，经 DRSP处理的谱宽数据较 RVP8，在 0.5～1.0 m/s出现明显衰减，而在0.0～0.5 m/s则明显所占比重更高，占到总差异的70.75%。

图23 单重频谱宽RHI图定量对比

表12 双重频谱宽RHI图定量分析表

图24 双重频谱宽RHI图定量对比

由图24可见各段百分比Xi均存在一定差异。结合表12可以看出，经DRSP处理的谱宽数据较RVP8，除在1.0～2.5 m/s所占比例略多，其余区间均出现不同程度的衰减。差异主要集中在0.0～2.0 m/s，占到总差异的82.37%。

通过对单、双重频状态下经DRSP和RVP8处理的谱宽PPI图和RHI图进行定量分析可得:二者差异普遍集中出现在谱宽值＜2.0 m/s，平均占总差异的76.01%，其中在1.0～1.5 m/s经DRSP所处理的数据均所占比重更大，平均占15.74%。整体上看，在单重频状态下，二者对于谱宽数据的处理效果基本相当，在双重频状态下差异明显。

3 结论

通过上述方法能有效地对两型信号处理器的处理效果进行定量说明，得出以下结论:

(1)DRSP对于＞30 dBZ数据的处理普遍出现衰减，二者差异普遍集中出现在5～15 dBZ的弱回波上，平均占总差异的30.43%。

(2)两型信号处理器对于－0.30～0.30 m/s的过渡区间处理效果是极为一致，平均仅占总差异的1.86%;差异普遍集中出现在正速度(区段号:10～11)和负速度(区段号:5～8)的较低值区间内，平均占总差异的62.82%;对于高值区间的处理普遍比较相近。

(3)两型信号处理器处理的谱宽差异普遍集中出现在＜2.0 m/s，平均占总差异的76.01%;在双重频状态下差异明显。

(4)DRSP对于PPI图和RHI图的处理效果上互有优劣;但在单重频条件下的处理效果要明显优于双重频条件。

(5)DRSP对于各区间数据的处理效果按优排序分别为速度、强度、谱宽。

(6)整体上看，DRSP和RVP8对于强度、速度和单重频的谱宽数据的处理效果基本相当，为了进一步提高国产器件的处理精度，建议针对差异集中区间和双重频的谱宽产品，进行包括信号处理器参数配置等方面的调整和改进。

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