劉 昉，李學(xué)華，丁明星（.重慶市氣象信息與技術(shù)保障中心 重慶4047；.成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 60000）

天氣雷達(dá)回波數(shù)據(jù)質(zhì)量分析及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

劉 昉1，李學(xué)華2，丁明星1
（1.重慶市氣象信息與技術(shù)保障中心 重慶401147；2.成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 610000）

天氣雷達(dá)以使用相同參數(shù)標(biāo)定的晴空標(biāo)準(zhǔn)地物回波強(qiáng)度為參考，和實(shí)時(shí)采集的回波強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析，在實(shí)現(xiàn)回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)的同時(shí)完成對(duì)其校正，對(duì)比參考地物及實(shí)際回波強(qiáng)度間誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)天氣雷達(dá)的回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)。在誤差較大的檢測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上找出造成該誤差的原因以及解決方案，提出了一種新型的可以快速高效的天氣雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方式，為實(shí)現(xiàn)天氣雷達(dá)的準(zhǔn)確探測(cè)提供了保障，使其得到的數(shù)據(jù)更為真實(shí)可信。

天氣雷達(dá)；雷達(dá)反射率；回波強(qiáng)度；質(zhì)量控制

在經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的帶動(dòng)下，我國(guó)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的各相關(guān)方面也得到更多的關(guān)注，而氣象事業(yè)作為關(guān)系到民眾生活各個(gè)方面的基礎(chǔ)事業(yè)，因此也就獲得了更為廣泛的關(guān)注。近幾年，國(guó)家相關(guān)部門更是了解到氣象事業(yè)在民眾生活中所起到的積極作用，同時(shí)，國(guó)家相繼投入了更多的人力與物力到氣象事業(yè)的建設(shè)與研究中，以期獲得更好的氣象探測(cè)手段，使我國(guó)的氣象探測(cè)能力得到有效提高[1-3]。而在我國(guó)氣象局氣象信息中心的雷達(dá)加工處理項(xiàng)目的子系統(tǒng)中，雷達(dá)系統(tǒng)獲得的天氣數(shù)據(jù)的質(zhì)量則是氣象事業(yè)的重要內(nèi)容，同時(shí)也關(guān)系到氣象資料質(zhì)量的優(yōu)劣。目前是中國(guó)氣象局氣象信息中心雷達(dá)項(xiàng)目加工處理子系統(tǒng)中重要的業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，是保障氣象資料質(zhì)量的關(guān)鍵。到現(xiàn)在為止，我國(guó)還沒有在天氣雷達(dá)回波數(shù)據(jù)質(zhì)量控制這一方面取得較為突出的成就[4-6]，由此，本文將對(duì)天氣雷達(dá)回波數(shù)據(jù)質(zhì)量分析及控制系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)與研究。

1 質(zhì)量分析與系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

天氣雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的質(zhì)量分析與控制系統(tǒng)主要包含雷達(dá)系統(tǒng)的標(biāo)校、參考地物體的回波采集、強(qiáng)度數(shù)據(jù)質(zhì)量控制以及速度數(shù)據(jù)質(zhì)量的控制4個(gè)方面。在這4個(gè)方面中，對(duì)第一部分的雷達(dá)系統(tǒng)的標(biāo)校主要使用專業(yè)的測(cè)試儀器儀表來進(jìn)行，其他三方面則主要是運(yùn)用相關(guān)的軟件編進(jìn)行編程進(jìn)而達(dá)到預(yù)期目的所以被稱為軟件設(shè)計(jì)模塊，同時(shí)又因?yàn)檫\(yùn)用的軟件將被嵌入到雷達(dá)臺(tái)站的實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)當(dāng)中，這就使得該軟件在實(shí)際得操作使用中更具有實(shí)時(shí)性與實(shí)用性。軟件設(shè)計(jì)模塊的系統(tǒng)研究如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)研究框圖

2 系統(tǒng)標(biāo)校

2.1 機(jī)內(nèi)信號(hào)源對(duì)回波強(qiáng)度定標(biāo)的檢驗(yàn)

目前，我國(guó)所使用的天氣雷達(dá)系統(tǒng)中都配備了先進(jìn)的全自動(dòng)標(biāo)定功能[7-10]，因此在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行日常維護(hù)時(shí)，針對(duì)雷達(dá)回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)的相關(guān)檢測(cè)主要是由系統(tǒng)自帶的標(biāo)定功能來完成的。其原理為：向接收機(jī)注入功率為-90 dBm至-40 dBm的理想信號(hào)源，之后便可在系統(tǒng)的顯示終端檢查回波強(qiáng)度的測(cè)量值，要注意的是該測(cè)量值必須在距離5 km至200 km范圍內(nèi)進(jìn)行，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)計(jì)算出注入信號(hào)的回波強(qiáng)度值（期望值）與其測(cè)量值之間的差值，且將差值控制在±1 dB的范圍內(nèi)。機(jī)內(nèi)信號(hào)源檢測(cè)雷達(dá)回波強(qiáng)度的計(jì)算公式如公式（2）所示：

通過雷達(dá)接收機(jī)饋線系統(tǒng)接收到的回波輸入功率為：

其中，Pt表示雷達(dá)發(fā)射機(jī)脈沖功率，G表示天線增益，θ、φ分別表示天線水平、垂直方向波束寬度，C表示電磁波在空中的傳播速度，τ表示發(fā)射脈沖寬度，λ表示雷達(dá)工作波長(zhǎng)，m表示大氣復(fù)折射指數(shù)，R表示雷達(dá)回波距離，Z表示反射率因子。

其中，K表示波爾茲曼常數(shù)，T表示絕對(duì)溫度，F(xiàn)n表示接收機(jī)噪聲系數(shù)，B表示接收機(jī)帶寬。

其中，Pr=（S/N）+10log（KTB）+Fn，C=10log[（2.69× 1016λ2）/PtτG2θφ]表示雷達(dá)常數(shù)，LΣ表示雷達(dá)系統(tǒng)的饋線總損耗 （dB），Lat表示電磁波大氣損耗，S波段取0.011 dB/km（雙程），C波段取0.016 dB/km（雙程）。

2.2 外接信號(hào)源對(duì)回波強(qiáng)度定標(biāo)的檢驗(yàn)

為了使天氣雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)具有更高的準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)同時(shí)安裝了機(jī)外檢測(cè)儀表對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更進(jìn)一步的校正。主要原理：將信號(hào)經(jīng)過雷達(dá)接收機(jī)的回波端注入，然后系統(tǒng)的信號(hào)處理器（距離訂正也同時(shí)進(jìn)行）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和定標(biāo)[11-13]，最終在輸出終端顯示測(cè)試信號(hào)的強(qiáng)度值，與此同時(shí)，依據(jù)輸入信號(hào)的幅值，系統(tǒng)根據(jù)氣象方程計(jì)算出該點(diǎn)的準(zhǔn)確回波強(qiáng)度值。氣象方程中相關(guān)的參數(shù)取自實(shí)測(cè)數(shù)值，這就使得計(jì)算出的回波強(qiáng)度值以及終端讀數(shù)更加精確，同時(shí)控制輸入信號(hào)強(qiáng)度（輸入信號(hào)值取-90～-40 dB）來對(duì)數(shù)據(jù)標(biāo)定。

3 檢測(cè)數(shù)據(jù)的雷達(dá)回波強(qiáng)度檢驗(yàn)

在確保雷達(dá)接收機(jī)工作狀況的前提下，運(yùn)用外接信號(hào)源經(jīng)過接收機(jī)的回波入口輸入-90～-40 dBm的信號(hào)功率，并在其處理終端顯示處獲取與之相應(yīng)的回波強(qiáng)度測(cè)量值，其測(cè)量值與期望值（公式（2）計(jì)算獲得）的最大差值小于等于±1 dB，其測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)表1能夠獲得雷達(dá)運(yùn)用實(shí)測(cè)雷達(dá)參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)回波強(qiáng)度值定標(biāo)，運(yùn)用機(jī)外信號(hào)源以及機(jī)內(nèi)測(cè)試信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)回波強(qiáng)度定標(biāo)值的誤差檢查，從表1中可以看出最大差值是0.58 dB，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

4 控制系統(tǒng)編程

雷達(dá)在正常工作狀態(tài)下采集獲得的是實(shí)測(cè)地物回波，在調(diào)用已存參考地物回波在同一仰角以及距離的狀態(tài)下運(yùn)用公式實(shí)現(xiàn)其數(shù)據(jù)分析，同時(shí)把運(yùn)用回波圖的方法實(shí)現(xiàn)其結(jié)果顯示，并獲得不同的對(duì)比結(jié)果。在回波圖中包含方位每度最大誤差、均方根誤差以及360度均方根誤差等信息，其程序代碼如下：

//回波圖方式

float dMax，dMin；

void __fastcall TForm1::i1Click （TObject *Sender）

{AnsiString lx1="類型:地物強(qiáng)度差異"；

AnsiString lx2="方式:回波圖方式"；

AnsiString lx=lx1+" "+lx2；

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)

Label7-＞Caption=""；

Label8-＞Caption=lx；

Image2-＞Visible=true；

Label14-＞Visible=true；

DisplayC（0）；

MinError（）；

MaxError（0）；

Timer1-＞Enabled=true；

DrawSebiao1（）；

flagMouse=true；

Label9-＞Caption=""；

//Label10-＞Caption=""；

//Label11-＞Caption=""；

//Label12-＞Caption=""；

N5-＞Enabled=true；

Label14-＞Caption="單位:Dbz"；

int dddd=（int）（JfeAll1*10）；

float kkkk=dddd/10.0；

AnsiString mae="最大誤差:"+（AnsiString）dMax+"db"；

AnsiString mie=" 最小誤差:"+（AnsiString）dMin+"db"；

//char*avere；//="均方根誤差:"+（AnsiString）kkkk+"db"；

if（fabs（kkkk）＜=2.5&&fabs（kkkk）＞=1.0）

{kkkk=1.0；}

char avere[MAX_PATH]；

sprintf（avere，"均方根誤差:%2.2fdb"，kkkk）；

AnsiString sss；

if（kkkk＞1.0||kkkk＜-1.0）

{sss="結(jié)論：強(qiáng)度數(shù)據(jù)異常，請(qǐng)單擊'檢測(cè)方案'按鈕進(jìn)行檢測(cè)"；

Button1-＞Visible=true；}

else

{sss="結(jié)論：強(qiáng)度數(shù)據(jù)正常"；

Button1-＞Visible=false；}

Label12-＞Caption=（AnsiString）avere+" "+ sss；

Label11-＞Caption="類型：結(jié)果分析"；

GroupBox1-＞Visible=true；}

//

datalastC [i*360*998+j*998+k]=datalastDW [i*360*998+j*998+k]-datalastBZ[i*360*998+j*998+ k]；

MaxError（0）；//每個(gè)徑向的最大誤差I(lǐng)mage1-＞Picture=NULL；flagMouse=false；RGBCOLOR*ptr；

5 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

5.1 探測(cè)位置確定

根據(jù)天氣預(yù)報(bào)工作人員的多年經(jīng)驗(yàn)反映，因?yàn)槔走_(dá)站測(cè)定時(shí)強(qiáng)降水回波中心區(qū)域的地理位置的各異，使得雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差，這就給天氣預(yù)報(bào)工作人員進(jìn)行降雨區(qū)域的預(yù)報(bào)以及實(shí)際降水量的預(yù)測(cè)上造成很大困難[14-15]。例如，由天氣雷達(dá)探測(cè)到的回波數(shù)據(jù)圖可以看出在四川省的梓潼和劍閣間有一塊強(qiáng)回波，而通過回波所在區(qū)域圖上表明的經(jīng)緯度的比較，可以知道廣元雷達(dá)和南充雷達(dá)的觀測(cè)位置基本上可視為同一區(qū)域，因此也可將兩地區(qū)看成同一降水回波。但從回波數(shù)據(jù)圖可以看出綿陽(yáng)與其他兩地的回波數(shù)據(jù)在地圖上有很大的位置差異，這就使得工作人員無法進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，因此氣象臺(tái)的工作人員考慮這可能是因?yàn)槔走_(dá)標(biāo)定存在缺陷造成的。通過從全省的天氣雷達(dá)[16-17]探測(cè)數(shù)據(jù)拼圖軟件可以獲得各個(gè)雷達(dá)站探測(cè)到的回波數(shù)據(jù)，而回波數(shù)據(jù)顯明廣元、綿陽(yáng)、南充3個(gè)雷達(dá)站在相同時(shí)間段內(nèi)接收到的回波數(shù)據(jù)構(gòu)成的拼圖確實(shí)不在相同區(qū)域上，大概相差的距離為 20 km左右，分別如圖2～4所示。

圖2 廣元雷達(dá)15點(diǎn)41分雷達(dá)回波

通過使用新型的天氣雷達(dá)拼圖軟件可以得到綿陽(yáng)雷達(dá)站探測(cè)到的強(qiáng)降水回波區(qū)域，該回波處于梓潼東北偏北方向并且與梓潼有較遠(yuǎn)的距離。

圖3 綿陽(yáng)雷達(dá)站在15點(diǎn)39分時(shí)雷達(dá)回波圖

通過使用新型的天氣雷達(dá)拼圖軟件可以得到南充雷達(dá)站探測(cè)到的強(qiáng)降水回波區(qū)域，該回波處于梓潼東北偏南方向并且與梓潼相距較近。很容易就可以知道該回波區(qū)域與綿陽(yáng)雷達(dá)有很大不同。

工作人員通過對(duì)可能引起誤差的太陽(yáng)法標(biāo)校、角度控制精度以及地理位置坐標(biāo)等信息進(jìn)行了統(tǒng)一檢查，檢查后發(fā)現(xiàn)三雷達(dá)站并沒有發(fā)生誤差超差以及經(jīng)緯度的相關(guān)錯(cuò)誤。另外，天氣雷達(dá)強(qiáng)度數(shù)據(jù)質(zhì)量控制軟件分析三地雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行強(qiáng)度數(shù)據(jù)質(zhì)量控制后的回波圖，分別如圖5～7所示。

圖4 南充雷達(dá)站在15點(diǎn)40分時(shí)雷達(dá)

圖5 廣元雷達(dá)進(jìn)行強(qiáng)度數(shù)據(jù)質(zhì)量控制后的回波圖

圖6 綿陽(yáng)雷達(dá)進(jìn)行強(qiáng)度數(shù)據(jù)質(zhì)量控制后的回波圖

圖7 南充雷達(dá)進(jìn)行強(qiáng)度數(shù)據(jù)質(zhì)量控制后的回波圖

由此可以看出廣元雷達(dá)站強(qiáng)度數(shù)據(jù)誤差為0.6 dB，綿陽(yáng)雷達(dá)站強(qiáng)度數(shù)據(jù)誤差為0.1 dB，南充雷達(dá)站強(qiáng)度數(shù)據(jù)誤差為 0.3 dB，其結(jié)果顯示強(qiáng)度數(shù)據(jù)均在技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi) （即說明各雷達(dá)在運(yùn)行過程中是正常的），并通過對(duì)雷達(dá)回波基數(shù)據(jù)的反演結(jié)果進(jìn)行分析，各雷達(dá)站探測(cè)數(shù)據(jù)均沒有異常，由此可以判斷出雷達(dá)設(shè)備未出現(xiàn)異常情況，而出現(xiàn)同一回波用不同雷達(dá)探測(cè)時(shí)的結(jié)果不同的主要原因應(yīng)該在軟件設(shè)置上。

5.2 探測(cè)回波的強(qiáng)度確定

在保證天氣雷達(dá)可靠運(yùn)行的前提下，南充及達(dá)州雷達(dá)及時(shí)準(zhǔn)確的給廣安市的冰雹天氣提供了探測(cè)數(shù)據(jù)信息。雷達(dá)探測(cè)狀況指出：受冷暖氣流交匯及低層強(qiáng)輻合的雙重作用，廣安市產(chǎn)生了颮線天氣，在其過境時(shí)市區(qū)以及周邊發(fā)生雷暴、冰雹天氣，經(jīng)過天氣雷達(dá)強(qiáng)度數(shù)據(jù)質(zhì)量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)南充及達(dá)州雷達(dá)站的標(biāo)定檢測(cè)，確保了其探測(cè)以及回波數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

盡管從歷史信息中獲知在該季節(jié)中不會(huì)發(fā)生這么強(qiáng)的回波，但是預(yù)報(bào)人員對(duì)探測(cè)獲得的回波信息深信不疑，同時(shí)準(zhǔn)確無誤的做出了預(yù)報(bào)，及時(shí)向民眾發(fā)出了預(yù)警，分別如圖8及圖9所示。

圖8 通過南充雷達(dá)探測(cè)的回波信息

圖9 通過達(dá)州雷達(dá)探測(cè)的回波信息

6 結(jié) 論

經(jīng)過對(duì)回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)的檢測(cè)來控制雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，同時(shí)設(shè)計(jì)了回波質(zhì)量控制程序應(yīng)用到天氣雷達(dá)實(shí)時(shí)處理程序中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠得知該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的準(zhǔn)確檢測(cè)，并依照檢測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)可能發(fā)生參數(shù)改變及性能下降等情況的及時(shí)調(diào)節(jié)以及維護(hù)，完成雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，能夠運(yùn)用于雷達(dá)技術(shù)保障工作中，為高效及時(shí)的實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)及控制發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

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Quality analysis and control system research for echo data of weather radar

LIU Fang1，LI Xue-hua2，DING Ming-xing1
（1.Chongqing Weather Information and Technical Support Center，Chongqing 401147，China；2.Electronic Engineering Institute，Chengdu University of Information Engineering，Chengdu 610000，China）

The weather radar to use the same parameter calibration standard feature skies reference echo intensity，echo intensity and real-time collection of comparative analysis，data quality in the realization of echo intensity detected simultaneously with reference to its correction，contrast feature and actual error between echo strength，to achieve the weather radar echo intensity data quality testing.On the basis of the detection result of the error is larger on to find out the cause of the error and the solution presents a new fast and efficient weather radar data quality control，in order to achieve accurate detection weather radar to provide a guarantee，the resulting data make it more authentic.

weather radar；radar reflectivity；echo intensity；quality control

TN959

A

1674－6236（2017）07-0001-05

2016-07-04稿件編號(hào)：201607018

國(guó)家自然科學(xué)基金（41575022）；四川省科技廳（2014YJ0093）；重慶市氣象局青年基金項(xiàng)目（QNJJ-201407）

劉 昉（1984—），男，重慶人，碩士，工程師。研究方向：氣象雷達(dá)維護(hù)與研究。