【CN110018479A】C波段双偏振天气雷达反射率地形遮挡衰减订正方法【专利】
C波段双偏振天气雷达降雨和部分地形遮挡衰减订正研究
C波段双偏振天气雷达降雨和部分地形遮挡衰减订正研究C波段双偏振天气雷达降雨和部分地形遮挡衰减订正研究摘要：天气雷达是一种关键的天气监测和预测工具。
然而，雷达回波受到各种因素的影响，其中地形遮挡是影响雷达测量降雨的重要因素之一。
本文针对C波段双偏振天气雷达的降雨测量以及部分地形遮挡引起的衰减现象进行了研究。
通过分析地形对雷达回波的影响，开展了相应的订正方法研究，并通过实验验证了该方法的有效性。
1.引言天气是人类生活中重要的自然要素之一，而天气雷达则是监测和研究天气变化的重要工具之一。
C波段双偏振天气雷达由于较低的工作波长，在降雨测量方面具有较好的性能。
然而，地形的存在会对雷达回波产生遮挡，从而影响降雨的测量结果。
2.地形遮挡的衰减效应地形的存在会导致雷达波束发射和接收信号的部分被山体所遮挡，从而降低雷达的探测能力。
这种遮挡效应不仅影响雷达回波的强度，还会改变回波的极化特性，进而影响对降雨的定量测量。
3.C波段双偏振雷达测雨原理C波段双偏振雷达通过测量雷达回波的强度和极化特性来对降雨进行测量。
强度反映了雨滴的体积和浓度，而极化特性则反映了雨滴的形状和组织结构。
在测量中考虑地形遮挡衰减后，可以更准确地反映实际的降雨情况。
4.地形遮挡对C波段双偏振雷达测雨的影响通过实地观测和数值模拟分析，可以发现地形的存在对C波段双偏振雷达测雨造成了明显的影响。
在遮挡区域，雷达回波的强度较弱，同时极化特性也发生了变化。
这种影响会导致对降雨的测量产生误差。
5.地形遮挡衰减订正方法研究针对地形遮挡引起的衰减现象，可以通过采取一系列的订正方法来改进雷达测量。
例如，可以利用数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)来对地形进行准确建模，并引入雷达回波的修正因子来消除地形遮挡引起的影响。
6.实验验证通过在真实的地理环境中设置观测场景，利用C波段双偏振雷达进行实地观测，对比未进行地形遮挡衰减订正前后的测量结果，可以验证订正方法的有效性。
C波段双线偏振天气雷达零度层亮带识别和订正
C波段双线偏振天气雷达零度层亮带识别和订正曹杨;陈洪滨;苏德斌【摘要】利用2013年8月北京C波段双偏振多普勒天气雷达体扫数据、探空资料和地面雨量站资料,获得反射率因子垂直廓线(vertical profile of reflectivity,VPR)识别零度层亮带,比较平均反射率因子垂直廓线(mean VPR, MVPR)、显著反射率因子垂直廓线(apparent VPR,AVPR)和显著相关系数垂直廓线(apparent vertical profile of correlation coefficient,AVPCC)3种零度层亮带订正方法的效果,并利用地面雨量站资料进行定量降水估计(quantity precipitation estimation,QPE)验证订正效果.结果表明:采用MVPR和0℃层高度能有效识别零度层亮带,零度层亮带厚度为0.8～1.5 km;经3种方法订正后,零度层亮带影响区得到了不同程度的抑制,其中MVPR法订正效果最差,基本未能减弱零度层亮带的影响,AVPR法和AVPCC法的订正效果较好,明显减弱了零度层亮带影响区的回波强度,订正后回波更均匀.利用地面雨量站数据进行QPE验证表明:经零度层亮带订正后雷达估测的降水与地面雨量站实测降水更接近,也表明AVPR法和AVPCC法效果更好.%The bright band is a layer of enhanced reflectivity due to melting of aggregated snow and ice crystals.The occurrence of a bright band causes significant overestimation in radar-based quantitative precipitation estimation (QPE).The bright band signature can be normally identified from vertical profiles of reflectivity (VPRs) of stratiform precipitation echoes and the freezing level height which is derived from radiosonde data.The VPRs correction is desirable to mitigate the bright band contamination and reduce the overestimation of the radar-basedQPE.However,a well-defined bright band bottom,which is critical for thecorrection of bright band,is sometimes not found inVPRs.Fortunately,polarimetric variables,especially the correlation coefficient,can provide a much better depiction of vertical bright band structure than reflectivity.The volume scanning data of a C-band dual polarization radar from Beijing Meteorological Bureau,radiosonde data and measured rainfall data from ground rain gauge stations are used to test the methodology of the bright band identification and correction.Three bright band correction schemes including mean vertical profile of reflectivity (MVPR),apparent vertical profile of reflectivity (AVPR) and apparent vertical profile of correlation coefficient (AVPCC),which are derived from stratiform precipitation echoes,are applied to the reflectivity field in the given tilt,and radar-based QPEs are derived from the corrected reflectivity field based on traditional Z-R relations.Results indicate that the bright band top,peak and bottom can be easily identified from the volume scanning MVPR and the freezing level height,and most of bright band depths are between 0.8 km and 1.5 km.The AVPR and AVPCC schemes are shown to be more effective in mitigating the bright band contamination and reducing the overestimation of radar-derived QPE associated with the bright band than the MVPR correction.Corrected reflectivity fields are physically continuous in distribution,and the corrected radar-derived QPEs are close to the measured value of ground rain gauge stations.【期刊名称】《应用气象学报》【年(卷),期】2018(029)001【总页数】13页(P84-96)【关键词】双偏振天气雷达;零度层亮带识别;零度层亮带订正【作者】曹杨;陈洪滨;苏德斌【作者单位】中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室,北京100029;中国科学院大学,北京100049;中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室,北京100029;南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心,南京210044;成都信息工程大学电子工程学院,成都610225【正文语种】中文引言零度层亮带是指在雷达平面位置显示(plain position indicator，PPI)反射率因子显著增大的带区。
c波段双偏振多普勒天气雷达测试大纲
c波段双偏振多普勒天气雷达测试大纲一、测试目的本测试大纲旨在规定C波段双偏振多普勒天气雷达（以下简称“雷达”）的测试范围、测试项目、测试方法及测试标准，以确保雷达的各项性能指标符合设计要求，保证雷达在气象探测领域的准确性和可靠性。
二、测试环境与设备1. 测试环境：选择开阔的室外场地，确保雷达天线周围无遮挡物，测试距离范围内无干扰源。
2. 测试设备：包括雷达主机、天线及伺服系统、发射系统、接收系统、监控系统、信号处理系统、产品生成和显示系统、配电系统等。
三、测试项目与标准1. 系统校准与标定：按照规定的方法和步骤，对雷达系统的各个组成部分进行校准和标定，确保各部分工作正常，满足设计要求。
2. 发射系统测试：测试发射系统的输出功率、频率稳定性、脉冲波形等指标，确保发射信号符合设计要求。
3. 接收系统测试：测试接收系统的灵敏度、动态范围、抗干扰能力等指标，确保接收系统能够正常接收和处理信号。
4. 监控系统测试：测试监控系统的显示功能、控制功能、报警功能等指标，确保监控系统能够实时监测雷达的工作状态，及时发现并处理异常情况。
5. 信号处理系统测试：测试信号处理系统的处理速度、处理精度、稳定性等指标，确保信号处理系统能够正常处理接收到的信号，生成准确的天气产品。
6. 产品生成和显示系统测试：测试产品生成和显示系统的显示效果、生成速度、数据存储等功能，确保产品生成和显示系统能够正常显示天气产品，满足用户需求。
7. 配电系统测试：测试配电系统的电源质量、电源稳定性等指标，确保雷达系统能够稳定运行。
8. 性能指标测试：测试雷达系统的探测距离、速度分辨率、距离分辨率、角度分辨率等指标，确保雷达系统的性能指标符合设计要求。
9. 可靠性与稳定性测试：在规定的时间内进行连续不间断的运行测试，观察雷达系统的可靠性和稳定性表现，确保雷达系统能够长时间稳定运行。
10. 环境适应性测试：在模拟各种极端环境条件下进行测试，观察雷达系统的性能表现，确保雷达系统能够在不同环境下正常运行。
双发双收双偏振天气雷达差分反射率工程标定方法
双发双收双偏振天气雷达差分反射率工程标定方法1. 前言嘿，朋友们，今天咱们来聊聊一个听起来挺高大上的话题：双发双收双偏振天气雷达的差分反射率工程标定方法。
别担心，我会尽量把这个听上去像外星人语言的内容，讲得简单明了，让你能跟着我一起走进这个神奇的世界。
首先，咱们得知道，天气雷达可不是那种我们平时在电视上看到的天气预报图，哎呀，它可是大展身手，能帮我们深入了解天气的变化，尤其是那些复杂多变的气象现象。
2. 天气雷达的基本原理2.1 双发双收的秘密在咱们进入正式的标定方法之前，先来聊聊这个“双发双收”到底是什么。
简单来说，双发就是雷达能够同时发出两种不同的波形，而双收则是它可以同时接收到这两种波形的回波。
听起来很牛吧？这就像是你同时听两首歌，却能把每首歌的旋律和歌词都听得清清楚楚。
这样的设计让雷达在探测天气的时候，能够更好地识别雨滴、雪花这些小家伙，甚至还能区分出它们的形状和大小，真是神奇！2.2 偏振的魔力接着咱们说说偏振，简单地讲，偏振就像是给雷达的波形穿上了“特殊的衣服”。
通过偏振，雷达可以了解天气中的水滴是怎样的，这对咱们判断降水类型、强度都有着至关重要的作用。
比如，偏振可以帮我们分清楚是雨还是雪，是小雨还是大暴雨，这可太重要了！想象一下，如果你出门时能准确知道明天会不会下雨，那绝对是省去了不少麻烦，谁也不想在大雨中淋成落汤鸡，对吧？3. 差分反射率的工程标定方法3.1 标定的必要性好啦，咱们进入正题——差分反射率的标定。
为什么要标定呢？就像一把锋利的刀，要时常磨一磨才能切得更顺利，雷达也得定期校准才能确保数据准确。
想象一下，如果你的雷达像个刚睡醒的熊猫，数据一会儿高一会儿低，那可真是让人哭笑不得。
通过标定，我们可以消除各种系统误差，让雷达工作得更精准，这样我们就能更好地预测天气，及时发布预警。
3.2 标定的方法步骤那么，具体怎么标定呢？首先，我们得找一个标准的参考物，通常会使用一些特定的目标，比如玻璃球或者其他均匀的水滴。
C波段双偏振多普勒天气雷达原理及主要偏振参量应用分析
C波段双偏振多普勒天气雷达原理及主要偏振参量应用分析C波段双偏振多普勒天气雷达原理及主要偏振参数应用分析一、引言雷达技术是现代气象学中非常重要的观测手段之一，可以提供大气中降水、风场以及悬浮颗粒物等信息。
而C波段双偏振多普勒天气雷达作为目前气象雷达中应用较多的类型之一，具备了高分辨率、高灵敏度等优势。
本文将详细介绍C波段双偏振多普勒天气雷达的原理及其主要偏振参数的应用分析。
二、C波段双偏振多普勒天气雷达原理C波段双偏振多普勒天气雷达是基于双偏振技术的，通过观测目标散射的双向偏振特性，来获得降水和颗粒物的物理参数。
其基本工作原理可以分为以下几个步骤：1. 天线发射和接收信号C波段双偏振多普勒天气雷达的天线首先发送一个具有一定频率和极化状态的微波波束，这个波束会与大气中的目标相互作用，然后被目标散射回来。
2. 接收信号的极化分离雷达接收到回波信号后，首先需要进行极化分离，将水平极化和垂直极化信号分离出来，以获得目标的双向极化特性。
3. 目标退偏振比计算在完成极化分离后，可以利用修正的双偏振天线系数，计算目标的退偏振比。
这个参数可以描述目标相对于水平和垂直方向的散射强度差别。
4. 目标的径向速度估计利用多普勒频移原理，可以根据接收到的回波信号的频率偏移，计算出目标在雷达天线方向上的径向速度。
通过多普勒频移，我们可以判断目标是否在向雷达靠近或远离。
5. 目标的径向散射强度估计利用雷达接收到的信号，可以计算出目标的径向散射强度。
这个参数可以反映目标散射微波的能力，从而进一步了解目标的强度和大小。
三、主要偏振参数应用分析C波段双偏振多普勒天气雷达的主要偏振参数包括退偏振比和线性偏振比。
这些参数在气象研究中有着广泛的应用。
1. 退偏振比的应用退偏振比是衡量目标散射极化特性的重要参数。
在气象雷达中，退偏振比常用于识别和区分不同种类的降水。
例如，在雷达图像中，雪花和冰雹的退偏振比可以有较大的差异，利用退偏振比可以准确区分这两种降水类型。
x波段双线偏振雷达反射率不同衰减订正法对比研究
x波段双线偏振雷达反射率不同衰减订正法对比研究摘要:探测精度和实际应用的主要限制是X波段雷达的强衰减。
其主要目的是寻找基于衰减订正方法的最佳校正方法，同时对X实时衰减进行及时地校正。
在2016年5月这一时间段里，中国气象研究院利用在国内辽宁省实地试验获得关于X波段的观测数据，分析并验证了世界上几种现有的校正方法的有效性。
为验证校正是否达到效果，在辽宁省以S波段雷达基站的数据作为基础，为了能够更好地进行参考对比数据，通过在辽宁省拥有的双偏振雷达的数据，为实行坐标转换与插值的地理位置分析，进而获得了雷达数据方向角、间距库等反照率数值，在其中挑选一个径向位置的反射率值开展横向的对照比较，在这过程中，主要采用ZH校正方法、KDP校正方法和“ZPHI”降雨的轮廓线订正算法进行实施整体的分析对比.在具体的实验研究过后，发现KDP和ZPHI的订正校对效果良好.与zh校正方法相比突显出了较强的技术优势。
关键词:衰减订正;对比研究；x波段双线偏振雷达引言:相比于S、C波段的雷达而言，X波段的双线偏振雷达具备更多两者波段没有的优势，其成本低廉且总体积量小，其可移动性及可分辨率较高，且差分相移k DP分别是C波段与S波段的1.5倍率与3.0倍率。
但是就X波段而言，其雷达波长短当中留存有较大的雨区衰减迹象，虽然说依据模拟结果分析，X波段的雷达衰减率相比与S、C波段超出了许多倍数，但就弱降水这一衰减的异常现象不得不重视。
Meneghini通过对其进行剖析与计算更改为迭代法，但结果并不理想。
吕大仁和林海开发了一种新的迭代算法.采用常规迭代校正法，用常规雷达和微波辐射计确定降水空间分布。
限制。
布林吉尔指出,双极化雷达可以实现从Zyzox到K 的阻尼校正。
Testud等人设定了降水剖面校正的方法"zp'hi",方法通过修正各节间的欧姆差来计算。
Bringi经过一定的技术研究给出双偏振雷达并经由KDP来有效实现在ZH、ZDR两项衰减的订正校对，此次研究通过分段的插值来有效实现订正的实时计算，其给出“自顺应拘束”的技术算法，用于调整在观测与计算数值两者之间的不同，基于AH-KDP来确定最佳可行系数，最终的订正效果就显得极为明显。
X波段双偏振雷达反射率的衰减订正
X波段双偏振雷达反射率的衰减订正雷亚会【摘要】雷达在探测降雨时,回波都有衰减.波长较短的X波段雷达地衰减更严重,所以有必要对其回波进行衰减订正.X波段雷达回波差分传播相移(KDP)比C、S波段的要高1.5～3倍.因此可以合理地考虑利用KDP对X波段雷达回波信号反射率的衰减进行订正.又由于当KDP的值较小时,对回波反射率订正效果受到其他因素影响.所以当KDP值较小时,使用反射率(ZH)自身进行订正.利用成都信息工程学院X 波段双偏振天气雷达的探测降雨过程的回波数据,在已经提出的算法的基础上,利用ZH-KDP综合算法进行软件设计,并分析回波反射率在算法处理前后的效果.通过订正处理前后的数据绘制曲线图,定量对比分析订正处理前后的反射率值,订正处理后的值比订正处理前的值有增强,又用相同时刻S波段的回波数据对X波段的订正效果进行验证,二者值的大小相差不多,说明ZH-KDP法对回波反射率的衰减有改善.【期刊名称】《成都信息工程学院学报》【年(卷),期】2014(029)006【总页数】4页(P586-589)【关键词】信号与信息处理;气象雷达;双偏振雷达;回波反射率;衰减订正;差分传播相移【作者】雷亚会【作者单位】成都信息工程学院电子工程学院,四川成都610225【正文语种】中文【中图分类】TN955+.20 引言气象雷达在探测天气目标时，雷达发射出去的能量会有一部分被天气目标吸收，使回波强度在探测过程中被衰减[1]。
在各种气象雷达中，波长较短的雷达相比波长较长的雷达，在探测信号时接收到的回波衰减更加严重[2]。
波长较短的X波段雷达接收到的回波的衰减率(AH)是波长较长的C、S波段雷达的7～8倍[3]。
同时，X波段雷达的发射频段是10GHz左右，气象信号回波强度的强弱会导致回波的衰减不同，因此，X波段雷达在探测气象信号回波时的精度受到雷达信号回波衰减的严重影响[4]。
但是X波段双偏振雷达的价格低、体积小、易运输、分辨率高，在探测天气信号方面有优势[5]。
C波段双偏振多普勒天气雷达原理及主要偏振参量应用分析
C波段双偏振多普勒天气雷达原理及主要偏振参量应用分析C波段双偏振多普勒天气雷达的原理主要包括发射系统、接收系统和信号处理系统三部分。
发射系统通过天线向大气中发射一束电磁波，波长通常在2-4厘米之间。
接收系统接收被大气散射回来的电磁波，其中包含了与水滴、冰晶等天气粒子的相互作用信息。
信号处理系统对接收的电磁波进行处理和分析，提取出天气现象的相关信息，如降水率、降水类型、风速、风向等。
C波段双偏振多普勒天气雷达的主要应用之一是降水类型的判别。
偏振参数可以用来区分不同类型的降水，如雨、雪、冰雹等。
一般来说，雨滴的偏振特性与雪花和冰晶有所不同，因此可以通过观测不同偏振参数的变化来区分不同类型的降水。
例如，线偏振比参数可以用来判断降水中的冰晶含量，而差分反射率可以用来反映降水类型的不均匀性。
另外，C波段双偏振多普勒天气雷达还可以用于测量降水的强度和速度。
降水强度可以通过测量反射率来估计，而降水速度可以通过多普勒频移来计算。
多普勒频移是由于降水粒子的运动引起的频率变化，可以通过测量接收到的电磁波的频率来确定。
通过对多普勒频移的分析，可以得到降水中的风速和风向等信息。
此外，C波段双偏振多普勒天气雷达还可以用于探测风暴等大气现象。
风暴具有强烈的垂直运动和雷暴活动，这些现象在雷达观测中通常表现为强反射信号和强多普勒频移信号。
通过分析不同偏振参数的变化，可以获得风暴的空间结构和演变特征，从而提供强对流天气的监测和预警。
总而言之，C波段双偏振多普勒天气雷达通过观测和分析不同的偏振参数，可以用于判别降水类型、测量降水强度和速度，以及检测风暴等大气现象。
这些信息对于天气预报和气象灾害预警具有重要意义。
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(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910347861.X
(22)申请日 2019.04.28
(71)申请人 中国气象局广州热带海洋气象研究
所
地址 510640 广东省广州市天河区东莞庄
路312号
(72)发明人 夏丰 刘显通 郑腾飞 万齐林
肖辉
(74)专利代理机构 广州越华专利代理事务所
(普通合伙) 44523
代理人 杨艳珊
(51)Int.Cl.
G01S 13/95(2006.01)
G01S 7/40(2006.01)
(54)发明名称C波段双偏振天气雷达反射率地形遮挡衰减订正方法(57)摘要本发明公开了一种C波段双偏振天气雷达反射率地形遮挡衰减订正方法，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之外，还可测量包括差分相位、比差分相位、差分反射率因子、相关系数在内的多种双偏振参量，与常规多普勒雷达相比可以提供更多降水相关信息，其中差分相位不受降水对电磁波能量衰减的影响，常被用于降雨衰减订正和降水反演，但是易受到地物、昆虫、鸟群干扰而存在剧烈波动，甚至产生大幅跳跃，且初始差分相位在雷达近距离也存在异常值。
本发明的有益效果是，可广泛应用于国内外S、C、X波段双偏振体制的气象雷达反
射率因子地形遮挡衰减订正。
权利要求书2页 说明书4页 附图6页CN 110018479 A 2019.07.16
C N 110018479
A
1.一种C波段双偏振天气雷达反射率地形遮挡衰减订正方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一，首先对雷达基数据进行初步分析，确定数据异常区域，采用ΦDP、ZDR、KDP、CC、dBZ阈值组合筛选进行滤波，去除地物杂波、晴空回波；
步骤二， 对ΦDP、ZDR、KDP、dBZ进行阈值约束检查，识别雨区范围和受地形遮挡区域；
步骤三，对每个径向ΦDP数据进行分析，对受地形影响产生跳跃区域的ΦDP数据进行动态恢复订正，确保ΦDP随距离尽可能逐渐增加，只有准确可靠的ΦDP数据才能用于订正过程；
步骤四，对于受地形遮挡影响的dBZ数据，换算为Zh(mm6/m3)反射率数据，并根据
Hi ts c hf e ld和Bo rd a n（1954）提出的降雨廓线理论，反射率比衰
减可以
记为,
步骤五，结合,
和
，
并记
，经过积分变换，最后可以得到，
步骤六，对上式α值在0.25-1.25之间选择多组离散数据进行遍历筛选，获得一系列积分构建的ΦDP距离廓线值，
并用矩阵记录下来；
步骤七，利用下面的公式统计积分构建的ΦDP距离廓线和观测ΦDP
距离廓线的误差水平步骤八，寻找积分构建的ΦDP距离廓线和观测ΦDP距离廓线误差最小时的α值，并通过下
式的积分过程获得真实的雷达反射率
步骤九，将上述计算得到的实际雷达反射率与不受地物遮挡影响的雷达反射率数据做对比分析和统计检验，计算反演得到的实际雷达发射率是否正确，如果正确，则订正效果有效；如果不正确则返回步骤三重新选取α系数和修正ΦDP数据进行订正，重复上述步骤直到订正效果有效为止。
2.根据权利要求1所述的一种名称，其特征在于，所述步骤一中通过信号滤波和平滑处理的方法去除地物杂波和晴空回波。
权 利 要 求 书1/2页
2
CN 110018479 A。