一种修正多普勒天气雷达回波衰减的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及对不同天气环境中的雷达回波进行修正的技术，尤其涉及一种修正多 普勒天气雷达回波衰减的方法。
【背景技术】
[0002] 多普勒天气雷达（以下简称为雷达）所发射出的电磁波，在遇到空气分子、气溶 胶、云滴、雨滴和冰晶等悬浮粒子时会发生散射和折射，从而使电磁波减弱。随着电磁波沿 传播路径距离的增加，这种减弱效应会越来越明显，进而造成雷达检测到的回波发生失真， 最终影响到基于雷达探测数据的各种应用，例如，会影响临近天气预报的准确性。但由于电 磁波在传播路径上的衰减过程受大气中多种因素的综合影响，且当前缺乏可大规模业务化 应用的大气成分探测设备，因此，对于这种衰减的精确修正非常困难。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服上述现有技术之缺陷，提供一种对多普勒天气雷达回波衰 减进行精确修正的方法，该方法具体步骤如下：
[0004] (1)设雷达A为需进行回波衰减修正的多普勒天气雷达，选取与雷达A地理位置相 邻且型号相同的雷达B，并随机选取这两部雷达在有强对流天气（强对流天气指：由于在没 有强对流天气过程，特别是晴空时，大气中没有足够的水汽、冰晶等反射粒子，此时雷达接 收到的回波很弱，甚至没有回波。因而也不存在明显的回波衰减。）过程时同一时刻的雷达 基数据文件；
[0005] (2)对雷达A基数据文件中回波强度数据（也称为基本反射率数据）通过公式（2) 和公式（3)由极坐标系转换为平面直角坐标系形式，其中，公式（3)表示极坐标系下任一点 (Θ，Γ)与平面直角坐标系下（x，y)之间的坐标对应关系，（公式（2)中左边第一个等号表 示ρ' drt的坐标位置等价，第二个等号表示（x，y)点的值是由（θ，r)点及其位 置相邻的若干点的基数据回波强度值计算得出）；再将由公式（2)计算得到的回波强度值 按公式（1)进行修正，公式（1)中两个可变参数h和a分别按各自的步长递增取值，得到多 组随h和a参数值变化而变化的修正回波强度值;
[0006] 其中各公式如下：
[0007] 回波强度值修正公式为
[0008]平面直角坐标系下任一点的回波强度值计算公式为
[0009] (2)，
[0010] 极坐标系与平面直角坐标系转换关系为
[0011] 式中，点（Θ，r)为上述雷达A基数据文件中的某一仰角下的任意一点，Θ表示 该点的方位角，r为该点与雷达A中心点之间的距离，方位角Θe[0, 360]且以正北方向 为0度，（在雷达基数据中r即为径向上该点反射率的距离库数，因此r小于或等于雷达 探测的最大有效半径。）点（X，y)为点（Θ，r)对应在平面直角坐标系中的坐标；PayjP ?(^)表示该点修正后的回波强度值，前者是平面直角坐标系，后者是极坐标系；P' fcy)和 P' 表示采用公式（2)计算出的该点处的回波强度值，前者是平面直角坐标系，后者是 极坐标系，（其中（x，y)与（Θ，Γ)的对应关系由公式（3)转换得到）；h和a为可变参数， he[1X10 7, 1X10 6]，步长为1X107;ae[0. 5, 1. 5]，步长为0. 1 ; 表示当前仰角下点 以炉为方位角，距离雷达i处的点的回波强度值，该值也由雷达A的基数据文件中得到，（在 公式⑵中，逆取值为θ-1、θ、Θ+1，i取值为r-l、r和r+1) ;Pu表示当前仰角下与点 (Θ，Γ)同一径向上距离雷达j处的回波强度值，（该值由雷达A的基数据文件中得到），j 作为计算中的变量，在公式（1)中j取值为[l，r];在X。，Y。是平面直角坐标系下雷达A中 心点坐标；
[0012] 按上述方法，对雷达A的基数据文件中9个仰角分别进行修正，再随机选取一个等 高面，采用通用的插值算法（如双线性插值，或反距离权重插值），利用上述求得的9个仰角 的所有结果，计算出雷达A在该等高面上的修正后的回波强度PA，如图3所示，左侧纵坐标 表示距离雷达中心点上方的高度，单位为km，右侧纵坐标表示雷达探测的仰角，横坐标表示 水平方向上与雷达中心点的距离，单位为km，最粗的黑线表示所求的等高面（3km高度），该 面上各点的回波强度值是由同一横坐标上各个仰角的回波强度插值计算得出；
[0013] (3)对雷达B基数据进行相同的处理，得到雷达B与步骤（2)中相同等高面的修正 后的回波强度PB;
[0014] (4)划定上述两部雷达扫描重叠区域，划定的方式为：根据两部雷达的地理位置 计算两者的经炜度坐标差，由该差值计算对应到平面直角坐标系中的ΛX和Λy，将ΛX和 Ay分别定义为m和η，（如图2所示，图中两个圆分别表示雷达Α和雷达Β的有效扫描区 域，两个圆心表示两部雷达所在的位置，）由m和η所构成的区域即为一个矩形；通过公式 (4)，计算由上述步骤（2)和步骤（3)分别得到的修正后的雷达Α等高面回波强度与雷达Β 等高面回波强度在此重叠矩形区域内的相关系数；
[0015] 相关系数计算公式为 (4)
[0016]
[0017]式中，P0fcy)和PI(x』分别表示该等高面处雷达A和雷达B在上述矩形范围内某 一点修正后回波强度，即P〇fey)ePA，P1Uy)ePB，元表示雷达A在上述等高面的矩形区域 内所有点的修正后回波强度的平均值；同理，7?表示雷达B在上述等高面的矩形区域内所 有点的修正后回波强度的平均值；k为一个距离调整参数，（用于调整平面直角坐标系与经 炜度坐标系转换时的偏差）取值范围为ke[0, 19]的整数，步长为1 ;
[0018] (5)设定k的范围，对YUh，k)在取不同的k、a和h时，由公式⑷分别计算出得 到一个相关系数y(aAk)，记录下y(aAk)值最大时a和h的值，即为雷达A在当前大气状况 下的最佳参数，将此时a和h值代入公式（1)计算出的1^^或P 即为雷达A衰减修正 最佳的回波强度值。
[0019] 本发明的进一步设计在于：
[0020] 通用的插值算法可以采用双线性插值或反距离权重插值。
[0021] 使用同样的计算方法，可以确定雷达B在当前大气状况下的最佳参数，得到雷达B 衰减修正最佳的回波强度值。
[0022] 本发明具有如下优点：
[0023] 利用雷达回波的特性，并通过分析当前雷达与邻近雷达站在同一时刻等高面位置 的回波重叠区域的回波交叉相关系数，寻求当前天气状况下最优的函数参数，进而得到一 个最优的回波增益函数，由此函数计算出合理增益后的雷达回波强度值，对多普勒天气雷 达回波衰减进行有效修正，其结果更接近大气的实际状况。
【附图说明】
[0024]图1是本发明的修正多普勒天气雷达回波衰减的方法的流程示意图。
[0025] 图2是地理位置相邻的两部雷达回波重叠区域的示意图。
[0026] 图3是雷达等高面位置与雷达仰角的示意图。
【具体实施方式】
[0027] 实施例一：
[0028] 如图1所示的流程图，本实施例采用如下述的步骤进行修正计算：
[0029] 步骤一，构建一个回波增益函数，该函数的自变量应包括电磁波已传播的距离、电 磁波在途经各处产生的衰减。同时，函数还应满足下列关系：对于无云、雨等天气现象的晴 朗天空，在雷达额定的有效探测半径内，因发射的电磁波及其回波强度远大于在传输过程 中的衰减，此时的实际回波强度应近似等于所探测到的回波强度值；函数计算所得的回波 强度值应符合客观规律，不能过大或过小，以S波段雷达为例，一般情况下函数值应在0至 80之间；由于探测设备和条件的限制，无法量化各处衰减值，只能由电磁波途经各处雷达 回波的强度反推电磁波衰减的程度。根据雷达的探测原理及其数据结构的特点，构建的函 数可表示为公式（1)。
[0030] 步骤二，选取一部雷达A，并选取与雷达A地理位置相邻且型号相同的雷达B，并随 机选取这两部雷达在有强对流天气过程时同一时刻的雷达基数据文件，将雷达基数据中的 回波强度数据（也称为基本反射率数据）由极坐标系的数据格式通过公式（2)和公式（3) 转换为平面直角坐标系，其中，公式（3)表示极坐标系下任一点（Θ，Γ)与平面直角坐标系 下（x，y)之间的坐标对应关系，公式（2)表示平面直角坐标系下各点的回波强度值的计算 方法，其中公式（2)中左边第一个等号表示P'fcy)与P' ^^的坐标位置等价，第二个等号 表示（x，y)点的回波强度值是由（Θ，r)点及其位置相邻的若干点的基数据回波强度值计 算得出。再将由公式（2)计算得到的回波强度值按公式（1)进行修正，公式（1)包含两个 可变参数，分别为h和a，这两个参数分别在其取值范围内，按各自的步长递增，由此得到多 组随h和a参数值变化而不同的修正回波强度值Pfcy);
[0031]
[0034]式中，点（Θ，r)为上述雷达A基数据文件中的某一仰角下的任意一点，Θ表示 该点的方位角，r为该点与雷达A中心点之间的距离，方位角Θe[0, 360]且以正北方向 为0度，（在雷达基数据中r即为径向上该点反射率的距离库数，因此r小于或等于雷达 探测的最大有效半径。）点（X，y)为点（Θ，r)对应在平面直角坐标系中的坐标；PayjP ?(^)表示该点修正后的回波强度值，前者是平面直角坐标系，后者是极坐标系；P' fcy)和 P' 表示采用公式（2)计算出的该点处的回波强度值，前者是平面直角坐标系，后者是 极坐标系，（其中（x，y)与（Θ，Γ)的对应关系由公式（3)转换得到）；h和a为可变参数， he[1X10 7, 1X10 6]，步长为1X107;ae[0. 5, 1. 5]，步长为0. 1 ;弋,〇表示当前仰角下 点以梦为方位角，距离雷达i处的点的回波强度值，该值也由雷达A的基数据文件中得到， (在公式⑵中，逆取值为0-1、Θ、0+l，i取值为r-l、r和r+Ι) 表示当前仰角下与 点（θ，r)同一径向上距离雷达j处的回波强度值，（该值由雷达A的基数据文件中得到），j作为计算中的变量，在公式（1)中j取值为[l，r];在XyY。是平面直角坐标系下雷达A中 心点坐标；对应极坐标系中的圆心。
[0035] 步骤三，如按上述方法，对雷达A的基数据文件中9个仰角分别进行修正，再随机 选取一个等高面，采用通用的插值算法（如双线性插值或反距离权重插值），利用上述求得 的9个仰角的所有结果，计算出雷达在该等高面上的修正后的回波强度PA，如图3所示，左 侧纵坐标表示距离雷达中心点上方的高度，单位为km，右侧纵坐标表示雷达探测的仰角，横 坐标表示水平方向上与雷达中心点的距离，单