地物对气象雷达探测造成的影响与解决办法
​孔亮
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​孔亮,. 地物对气象雷达探测造成的影响与解决办法[J]. 气候变化研究,2021.9. DOI:10.12721/ccn.2021.157086.
摘要:
特定范围内的地物对气象雷达站探测过程会造成一定程度的影响,一方面,地物会阻挡雷达波束,另一方面是当雷达波束到达地面物体后会产生地物杂波,回波会干扰气象雷达对气象目标的探测。本文探讨并介绍了地物杂波的影响及处理方法。
关键词: 地物;气象雷达探测;影响;解决办法
DOI:10.12721/ccn.2021.157086
基金资助:

气象雷达所发出的雷达波束接触到探测范围内的地物后,会产生回波,这种回避会对正常目标的探测产生干扰,这种回波通常为成为地物杂波。另外,具有一定高度的地物还会阻挡雷达波束正常的传播,阻碍其接触到目标物体。

1地物阻挡对气象雷达探测的影响及处理

如果在雷达周围,存在具有一定高度的地物或者建筑物,不仅会阻挡波束的正常传播,还会产生杂波,阻碍正常方向的探测。所以,不管是在对雷达站阵地进行选址的时候,还是在架设天线的时候,都要充分考虑净空条件。完成雷达站的建设后,需要对特定范围内可能会阻碍雷达波束正常传播的地物进行勘测,根据勘测结果绘制地物阻挡图,作为后续雷达探测的参考资料。

2地物杂波对气象雷达探测的影响

雷达波束主要有两部分构成:主瓣和旁瓣,这两部分能量到达地物后,能量就会发生反射,雷达接收反射的这部分能量后,就会得出地物的位置、规格等信息,反射回来的能量被称为地物杂波。如果雷达分辨能力有限,那么现实探测结果的时候,杂波表现出来的是一片亮区;如果雷达分辨能力较高,那么就可以将地物的具体位置或者结构等信息反馈出来。如果雷达同时接收到了气象目标的反射回波和地物杂波,必然会对气象目标的正常辨认产生一定程度的干扰。如果气象目标的测量精度要求考高,那么地物杂波的出现会大大降低气象目标的测量精度。

3地物杂波的处理方法

3.1利用地物回波图像处理

对地物杂物产生的影响进行处理,最简单的方法就是,完成雷达站建设后,在无干扰的天气条件下,对不同仰角下的地物回波图像进行探测和存储,为后续分辨气象目标和地物杂波提供科学的依据。在实际探测工作中,如果地物杂波数量较多,分辨气象目标具有一定的困难,可以适当的增大天线仰角,这样一来,就可以接收到清晰的气象目标回波,这种方法虽然可以有效降低地物杂波所产生的影响,但是探测精度较低。这时因为,大气折射指数分布处于变化当中,导致波束射向地面的程度也有所不同,地物回波的强度和范围也会发生变化。在建设雷达站的时候,根据勘探结果所绘制的地物回波图像通常智能作为一般的参考,一旦出现超折射的问题,地物杂波也会有所增加,提前绘制的回波图像不值得参考和借鉴,波束测高如图1所示。

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图1    波束测高示意图

3.2利用高通滤波器处理

随着科学技术的不断发展,消除和降低地物杂波的影响的方法也越来越多。通过分析地物杂波的谱得知,地物杂波的多普勒谱线集中性的接近于零频,通过应用高通滤波器对滤去杂波的低频部分,可以使包含气象信息的高多普勒频率部分顺利的通过,通过的过程几乎不会发生任何衰减,再经过FFT或PPP的处理,基本可以达到彻底消除地物杂波的影响和干扰的目的。从实质来看,滤波的过程其实是一个计算的过程,滤波器接收到信号后,会转换为数字,然后将数字按照一定的序列要求输出具有特定要求的数字,再将数字转换为信号。在设计滤波器的时候,根据相应的要求,在理想的衰减特定下,应用一个函数对数据进行计算和筛选,促进所有的数据都可以接近这个特定。目前的多普勒气象雷达所采用的滤波器为无限冲击响应(IIR)椭圆数字滤波器,这种滤波器可以处理任意长度的数字序列,另外还可以处理宽度较窄的数字序列。另外,递归型数字滤波器也是一种生活中常见的滤波器,这种滤波器可以应用时域方法对数据进行处理,在处理的过程中不需要额外的对信号进行谱分析,可以快速的完成数据处理,和其他滤波器相比,这种滤波器具有过渡带陡直、通带纹波小等一系列优点。为了使得通带和阻带文更加密集,同时也是为了特定曲线的过渡带更加陡直,降低地物杂波对气象目标回波信息的影响,可以设置合适的椭圆滤波器的阶数n。通常来说,阶数n和滤波效果呈正比关系,但是为了获得更好的滤波效果,需要应用到零部件也会增多,运算量也会有所增加。

4建议

在我国范围内,目前应用到的多普勒气象雷达的滤波器大多为三阶、四阶或五阶,不同阶数的滤波器的凹口深度和凹口宽度也有所不同,实际的滤波效果也有一定的差异,用户在使用的时候需要根据实际应用需求进行选择。探测过程需要应用到这种设计的主要原因是: 上文已经提到,地物杂波的多普勒频率接近于零,但是地物杂波的宽度会随着风速等气象因素的变化而发生变化。另外,在处理数据过程中,难免会发生一定的误差,误差的产生也会影响地物杂波的谱宽。因此,在探测的时候,应该综合考虑当时的天线转速以及风速等因此,选择适宜的滤波器,尽可能彻底的消除地物杂波给探测结果造成的影响。实际上,想要应用滤波器以不损失气象目标气息为基础,将地物杂波彻底消除,基本是不可能的。所以,在实际探测工作中,以了解雷达站的实际工作状态为基础,不断的积累不同天气下,气象目标和地物杂波的分辨经验具有一定的现实意义。

5结语

总之,应用气象雷达对气象信息进行探测的过程中,特定范围内的地物会通过两个方面对气象信息的探测结果产生影响,一来阻挡雷达波束的正常转播,二来反射雷达波束产生地物杂波,干扰气象雷达对气象目标的正常探测。在实际勘测中,可以通过应用适当的滤波器减小或者消除地物杂波造成的影响,同时,在不同天气条件下,不断积累气象目标信号和地物杂波的分辨经验也具有十分重要的意义。

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