天气雷达回波数据质量分析及控制系统设计研究

刘 昉，李学华，丁明星（.重庆市气象信息与技术保障中心 重庆4047；.成都信息工程大学 电子工程学院，四川 成都 60000）

天气雷达回波数据质量分析及控制系统设计研究

刘 昉1，李学华2，丁明星1
（1.重庆市气象信息与技术保障中心 重庆401147；2.成都信息工程大学 电子工程学院，四川 成都 610000）

天气雷达以使用相同参数标定的晴空标准地物回波强度为参考，和实时采集的回波强度进行对比分析，在实现回波强度数据质量检测的同时完成对其校正，对比参考地物及实际回波强度间误差，实现对天气雷达的回波强度数据质量检测。在误差较大的检测结果的基础上找出造成该误差的原因以及解决方案，提出了一种新型的可以快速高效的天气雷达探测数据质量控制方式，为实现天气雷达的准确探测提供了保障，使其得到的数据更为真实可信。

天气雷达；雷达反射率；回波强度；质量控制

在经济迅速发展的带动下，我国基础产业的各相关方面也得到更多的关注，而气象事业作为关系到民众生活各个方面的基础事业，因此也就获得了更为广泛的关注。近几年，国家相关部门更是了解到气象事业在民众生活中所起到的积极作用，同时，国家相继投入了更多的人力与物力到气象事业的建设与研究中，以期获得更好的气象探测手段，使我国的气象探测能力得到有效提高[1-3]。而在我国气象局气象信息中心的雷达加工处理项目的子系统中，雷达系统获得的天气数据的质量则是气象事业的重要内容，同时也关系到气象资料质量的优劣。目前是中国气象局气象信息中心雷达项目加工处理子系统中重要的业务环节，是保障气象资料质量的关键。到现在为止，我国还没有在天气雷达回波数据质量控制这一方面取得较为突出的成就[4-6]，由此，本文将对天气雷达回波数据质量分析及控制系统进行相关的设计与研究。

1 质量分析与系统总体设计

天气雷达回波数据的质量分析与控制系统主要包含雷达系统的标校、参考地物体的回波采集、强度数据质量控制以及速度数据质量的控制4个方面。在这4个方面中，对第一部分的雷达系统的标校主要使用专业的测试仪器仪表来进行，其他三方面则主要是运用相关的软件编进行编程进而达到预期目的所以被称为软件设计模块，同时又因为运用的软件将被嵌入到雷达台站的实时处理系统当中，这就使得该软件在实际得操作使用中更具有实时性与实用性。软件设计模块的系统研究如图1所示。

图1 系统研究框图

2 系统标校

2.1 机内信号源对回波强度定标的检验

目前，我国所使用的天气雷达系统中都配备了先进的全自动标定功能[7-10]，因此在对系统进行日常维护时，针对雷达回波强度数据的相关检测主要是由系统自带的标定功能来完成的。其原理为：向接收机注入功率为-90 dBm至-40 dBm的理想信号源，之后便可在系统的显示终端检查回波强度的测量值，要注意的是该测量值必须在距离5 km至200 km范围内进行，此时系统会计算出注入信号的回波强度值（期望值）与其测量值之间的差值，且将差值控制在±1 dB的范围内。机内信号源检测雷达回波强度的计算公式如公式（2）所示：

通过雷达接收机馈线系统接收到的回波输入功率为：

其中，Pt表示雷达发射机脉冲功率，G表示天线增益，θ、φ分别表示天线水平、垂直方向波束宽度，C表示电磁波在空中的传播速度，τ表示发射脉冲宽度，λ表示雷达工作波长，m表示大气复折射指数，R表示雷达回波距离，Z表示反射率因子。

其中，K表示波尔兹曼常数，T表示绝对温度，Fn表示接收机噪声系数，B表示接收机带宽。

其中，Pr=（S/N）+10log（KTB）+Fn，C=10log[（2.69× 1016λ2）/PtτG2θφ]表示雷达常数，LΣ表示雷达系统的馈线总损耗 （dB），Lat表示电磁波大气损耗，S波段取0.011 dB/km（双程），C波段取0.016 dB/km（双程）。

2.2 外接信号源对回波强度定标的检验

为了使天气雷达探测系统具有更高的准确性，本系统同时安装了机外检测仪表对数据进行更进一步的校正。主要原理：将信号经过雷达接收机的回波端注入，然后系统的信号处理器（距离订正也同时进行）对数据进行处理和定标[11-13]，最终在输出终端显示测试信号的强度值，与此同时，依据输入信号的幅值，系统根据气象方程计算出该点的准确回波强度值。气象方程中相关的参数取自实测数值，这就使得计算出的回波强度值以及终端读数更加精确，同时控制输入信号强度（输入信号值取-90～-40 dB）来对数据标定。

3 检测数据的雷达回波强度检验

在确保雷达接收机工作状况的前提下，运用外接信号源经过接收机的回波入口输入-90～-40 dBm的信号功率，并在其处理终端显示处获取与之相应的回波强度测量值，其测量值与期望值（公式（2）计算获得）的最大差值小于等于±1 dB，其测量数据如表1所示。

根据表1能够获得雷达运用实测雷达参数实现对回波强度值定标，运用机外信号源以及机内测试信号实现对回波强度定标值的误差检查，从表1中可以看出最大差值是0.58 dB，满足技术指标要求。

4 控制系统编程

雷达在正常工作状态下采集获得的是实测地物回波，在调用已存参考地物回波在同一仰角以及距离的状态下运用公式实现其数据分析，同时把运用回波图的方法实现其结果显示，并获得不同的对比结果。在回波图中包含方位每度最大误差、均方根误差以及360度均方根误差等信息，其程序代码如下：

//回波图方式

float dMax，dMin；

void __fastcall TForm1::i1Click （TObject *Sender）

{AnsiString lx1="类型:地物强度差异"；

AnsiString lx2="方式:回波图方式"；

AnsiString lx=lx1+" "+lx2；

表1 测量数据

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="单位:Dbz"；

int dddd=（int）（JfeAll1*10）；

float kkkk=dddd/10.0；

AnsiString mae="最大误差:"+（AnsiString）dMax+"db"；

AnsiString mie=" 最小误差:"+（AnsiString）dMin+"db"；

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

if（fabs（kkkk）＜=2.5&&fabs（kkkk）＞=1.0）

{kkkk=1.0；}

char avere[MAX_PATH]；

sprintf（avere，"均方根误差:%2.2fdb"，kkkk）；

AnsiString sss；

if（kkkk＞1.0||kkkk＜-1.0）

{sss="结论：强度数据异常，请单击'检测方案'按钮进行检测"；

Button1-＞Visible=true；}

else

{sss="结论：强度数据正常"；

Button1-＞Visible=false；}

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

Label11-＞Caption="类型：结果分析"；

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）；//每个径向的最大误差Image1-＞Picture=NULL；flagMouse=false；RGBCOLOR*ptr；

5 实测结果分析

5.1 探测位置确定

根据天气预报工作人员的多年经验反映，因为雷达站测定时强降水回波中心区域的地理位置的各异，使得雷达系统的探测数据出现误差，这就给天气预报工作人员进行降雨区域的预报以及实际降水量的预测上造成很大困难[14-15]。例如，由天气雷达探测到的回波数据图可以看出在四川省的梓潼和剑阁间有一块强回波，而通过回波所在区域图上表明的经纬度的比较，可以知道广元雷达和南充雷达的观测位置基本上可视为同一区域，因此也可将两地区看成同一降水回波。但从回波数据图可以看出绵阳与其他两地的回波数据在地图上有很大的位置差异，这就使得工作人员无法进行准确的预测，因此气象台的工作人员考虑这可能是因为雷达标定存在缺陷造成的。通过从全省的天气雷达[16-17]探测数据拼图软件可以获得各个雷达站探测到的回波数据，而回波数据显明广元、绵阳、南充3个雷达站在相同时间段内接收到的回波数据构成的拼图确实不在相同区域上，大概相差的距离为 20 km左右，分别如图2～4所示。

图2 广元雷达15点41分雷达回波

通过使用新型的天气雷达拼图软件可以得到绵阳雷达站探测到的强降水回波区域，该回波处于梓潼东北偏北方向并且与梓潼有较远的距离。

图3 绵阳雷达站在15点39分时雷达回波图

通过使用新型的天气雷达拼图软件可以得到南充雷达站探测到的强降水回波区域，该回波处于梓潼东北偏南方向并且与梓潼相距较近。很容易就可以知道该回波区域与绵阳雷达有很大不同。

工作人员通过对可能引起误差的太阳法标校、角度控制精度以及地理位置坐标等信息进行了统一检查，检查后发现三雷达站并没有发生误差超差以及经纬度的相关错误。另外，天气雷达强度数据质量控制软件分析三地雷达探测数据并进行强度数据质量控制后的回波图，分别如图5～7所示。

图4 南充雷达站在15点40分时雷达

图5 广元雷达进行强度数据质量控制后的回波图

图6 绵阳雷达进行强度数据质量控制后的回波图

图7 南充雷达进行强度数据质量控制后的回波图

由此可以看出广元雷达站强度数据误差为0.6 dB，绵阳雷达站强度数据误差为0.1 dB，南充雷达站强度数据误差为 0.3 dB，其结果显示强度数据均在技术指标范围内 （即说明各雷达在运行过程中是正常的），并通过对雷达回波基数据的反演结果进行分析，各雷达站探测数据均没有异常，由此可以判断出雷达设备未出现异常情况，而出现同一回波用不同雷达探测时的结果不同的主要原因应该在软件设置上。

5.2 探测回波的强度确定

在保证天气雷达可靠运行的前提下，南充及达州雷达及时准确的给广安市的冰雹天气提供了探测数据信息。雷达探测状况指出：受冷暖气流交汇及低层强辐合的双重作用，广安市产生了飑线天气，在其过境时市区以及周边发生雷暴、冰雹天气，经过天气雷达强度数据质量控制系统实现对南充及达州雷达站的标定检测，确保了其探测以及回波数据的准确性。

尽管从历史信息中获知在该季节中不会发生这么强的回波，但是预报人员对探测获得的回波信息深信不疑，同时准确无误的做出了预报，及时向民众发出了预警，分别如图8及图9所示。

图8 通过南充雷达探测的回波信息

图9 通过达州雷达探测的回波信息

6 结 论

经过对回波强度数据的检测来控制雷达探测数据质量，同时设计了回波质量控制程序应用到天气雷达实时处理程序中，根据实验结果能够得知该方法实现了对雷达探测数据质量的准确检测，并依照检测结果实现对雷达可能发生参数改变及性能下降等情况的及时调节以及维护，完成雷达探测数据的质量控制，能够运用于雷达技术保障工作中，为高效及时的实现对雷达探测数据质量检测及控制发挥至关重要的作用。

[1]何建新.现代天气雷达[M].成都：电子科技大学出版社，2004.

[2]毛紫阳.基于支持向量机的天气雷达反射率基数据质量控制技术研究[D].长沙：国防科学技术大学，2006.

[3]陈媛.天气雷达反射率基数据质量控制的几种算法[J].气象与减灾研究，2007（3）:48-51.

[4]愈小鼎，姚秀萍，熊延南，等.多普勒天气雷达原理与业务应用[M].北京：气象出版社，2007.

[5]中国气象局监测网络司.新一代天气雷达系统功能规格需求书[S].2005.

[6]吴林林.多普勒天气雷达冰雹自动识别方法及其应用的研究[D].南京：南京信息工程大学，2006.

[7]焦中生.气象雷达原理[M].北京：气象出版社，2005.

[8]宗蓉，刘春云.雷达反射率数据质量控制方法初探[J].气象与环境学报，2009（25）:62-67.

[9]王锦贵.雷达气象[M].北京：气象出版社，2000.

[10]孟昭林.新一代多普勒天气雷达提高产品数据质量的途径与方法 [C]//中国气象学会雷达气象学与气象雷达委员会第一届学术年会文集，2005.

[11]高联辉.天气雷达回波强度标定[J].气象水文海洋仪器，2011（1）:79-81.

[12]黄晓，黄兴玉.天气雷达的回波强度自动标校技术[J].现代雷达，2007（10）:4-7.

[13]刘霞.714CDN天气雷达信号处理算法浅议[J].科技信息，2010（25）:478-479.

[14]李柏.新一代天气雷达灾害性天气监测能力分析及未来发展[J].气象，2013（3）:265-280.

[15]潘新民.回波强度测量的误差因素分析及解决方法[J].气象与环境科学，2009（4）:74-79.

[16]郑唯唯，杜涛，安会刚.过程质量控制的BP神经网络诊断方法研究[J].西安工程大学学报，2006，20 （6）：803-805.

[17]陈德生，魏延涛，常越，等.新一代天气雷达系统热设计与技术分析[J].电子科技，2012（7）：121-124.

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稿件编号：201607018

国家自然科学基金（41575022）；四川省科技厅（2014YJ0093）；重庆市气象局青年基金项目（QNJJ-201407）

刘 昉（1984—），男，重庆人，硕士，工程师。研究方向：气象雷达维护与研究。