多普勒天气雷达的数据模糊与退模糊方法

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇多普勒天气雷达的数据模糊与退模糊方法范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：现如今，多普勒天气雷达在民航气象行业中的应用是越来越广泛。特别是在夏季梅雨和雷雨多发的季节，天气雷达的探测给预报员们提供了准确及时的气象信息，大大提高了预报的准确率。

早期的雷达只具备探测目标强度的能力。随着科技的发展，新一代的多普勒天气雷达具备了探测气象目标移动速度和方向的能力，这无疑让预报员在判断气象目标发生发展趋势的时候有了更好的依据。但是多普勒天气雷达在探测目标的时候，会发生距离模糊和速度模糊的现象，本文主要讨论距离模糊和速度模糊产生的原因及解决办法。

关键词：天气雷达；多普勒测速；距离模糊；速度模糊

1 引言

在如今科技和经济飞速发展的时代下，“安全第一”始终是民航空管系统的第一宗旨，飞行安全也是民航事业的灵魂和纽带。而在保障飞行安全的过程中，气象在其中起到的重要作用已经受到人们的广泛重视。

早期的天气雷达只具备探测目标回波强度的能力，没有多普勒测速的功能，因此，其应用范围受到一定的限制。而随着多普勒效应被人们所熟知和应用，新一代的多普勒天气雷达诞生了，它除了能探测目标的强度之外，还具备了探测目标的移动速度和方向的能力，从而为雷达的用户提供了更加全面的信息。特别是在梅雨和雷雨季节，雷达通过接收大气中的气象目标对电磁波的后向散射回波来获取它们的信息，测定其空间位置和强弱分布，并进一步让预报员了解强对流天气系统的生消过程和变化趋势，为保障航班的准时起降起到了重要的作用。

多普勒天气雷达在对大气风场环境和强对流天气系统的探测方面也发挥着巨大的作用，民航气象从业人员能够通过对速度图像的分析，判断大气中气流的运动趋势，在例如微下击暴流和低空风切变等这些恶劣天气产生影响之前给出一定的预判信息，保证民航飞行有效的避免这些安全隐患。

2 多普勒天气雷达的工作原理

2.1 雷达探测的基本原理

雷达发射机产生的是高频电磁波能量，这些能量由天线集中之后向大气空间中定向辐射出去。雷达探测的基本原理是：雷达以一定的工作参数发射电磁波，当电磁波在大气中遇到气象目标后，便会产生后向散射的回波，计算电磁波从发出到被接收到的时间，便可测得气象目标的距离。由于：

V=2R/T

其中，在大气中电磁波的传播速度V=C，即光速（3×10F）；R为气象目标距离雷达的距离；T为电磁波从发射到被接收到之间的时间。由此可得：

R=（V×T）/2

2.2 多普勒效应及多普勒测速原理

多普勒效应[1]的主要概念为：物体的频率由于波源和观测者之间的相对运动而产生变化。当观测者靠近波源运动时，波被压缩，波长变短，频率变高；当观测者远离波源运动时，会产生相反的效应，波长变长，频率变低。观测者和波源之间的相对速度越高，所产生的效应越大。根据频率的变化量，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。

多普勒天气雷达便是利用了多普勒效应的原理，从气象回波的频率变化中计算出气象目标的移动速度和方向。这种相对运动造成的频率变化称为多普勒频移。

假设多普勒雷达与目标之间距离为r，则电磁波从发射到被目标散射回天线所经过的路程为2r，即2r/λ个波长，变化的相位为4πr/λ。则回到天线的相位是：

φ= φ0+ 4πr/λ

若目标物在移动，则相邻两个电磁波来回所经过的距离会相差Δr，相应的相位变化：

Δφ =4πΔr/λ

将Δφ对时间t求导，可得角速度：

ω= 4πvr/λ= Δφ×PRF

其中，PRF为脉冲重复频率。因此，当雷达获得相邻两个回波的相位差之后，根据当时所使用的脉冲重复频率（PRF）就可以获得气象目标的移动速度vr。

由于ω=2 πfD，fD就是由于目标物的径向运动而引起的频率变化，就是多普勒频率。

fD=2 vr/λ

2.3 实际工作中存在的问题

在实际工作中，我们会发现以下两种情况：

一、在雷达扫描的强度图像中发现某一区域有回波，但是实际在这一区域中并不存在任何的探测目标。

二、在雷达扫描的速度图像中，正速度（或者负速度）极大值的附近，会突然跳变为负速度（或者正速度）的极大值。

当上述两种情况发生时，我们需要进行判断，雷达图像上所给出的信息是否真实。在雷达的使用中，第一种情况我们称之为距离模糊；第二种情况我们称之为速度模糊。下文中我们将会讨论这两种情况的产生原因和解决方法。

3 多普勒天气雷达的距离模糊和速度模糊

3.1 距离模糊

当雷达以一定的脉冲重复频率（PRF）工作时，雷达的探测存在一个最大不模糊距离，即在一个脉冲重复周期内，电磁波脉冲所经过距离的一半。根据上述定义，我们可以推断出，

Rmax=C/2PRF

其中，Rmax就是一定频率下雷达探测的最大不模糊距离。而产生距离模糊的原因是：当某一个脉冲发射后，雷达仍接收到前一个脉冲对气象目标所产生的后向散射回波，此时，雷达会误认为该回波是后一个脉冲所产生的回波。

我们可以从图像上作出解释。如图1所示，实线箭头为雷达发射的第一个脉冲，虚线箭头为雷达发射的第二个脉冲。

如图2所示，假设在最大不模糊距离Rmax之外的R'处存在一个较强的气象目标。雷达第一个脉冲遇到R'处的气象目标后仍然能够产生足够强的后向散射回波。而此刻，雷达的第二个脉冲也已经发出，之后当第一个脉冲在R'处所造成的回波被雷达接收到时，雷达会误认为这是第二个脉冲所产生的回波，并如图3所示，在距离雷达R0处会显示出虚假的气象目标强度，因此产生距离模糊。距离模糊一般能够在PPI扫描的强度（dBZ）图像中被观察到。

3.2 速度模糊

在实际工作中，我们除了会在强度图像中发现距离模糊之外，还会在速度图像中发现速度模糊。产生速度模糊的原因是由于气象目标实际的运动速度超过了图像色标所能表达的最大值，导致了雷达给出了错误的图像信息。本文将从频率和相位两个角度来论证如何得出最大不模糊速度Vmax。

3.2.1 从频率角度来解释

根据Nyquist取样定理，要准确测量一物体的振动频率f，则对其进行采样的频率至少是2f。换言之，若采样频率为f，则最高只能测量f/2的振动频率。

因此，由Nyquist定理我们可得，某一脉冲重复频率（PRF）为F的电磁波最多只能测量F/2的多普勒频率，即

fDmax=F/2

根据2.3中得出的公式fD=2 vr/λ，可得

Vmax= fDmax×λ/2=λF/4

由于气象目标的运动速度vr可正可负，所以脉冲重复频率为F的电磁波，能够准确测量的多普勒速度范围为

-λF/4≤vr≤λF/4

超出这一速度范围，则会产生速度模糊。

如图4所示为多普勒频谱。从图中我们可以看到，0速度线左边表示正速度，0速度线右边表示负速度。而正负速度的多普勒频率的采样极限为Nyquist采样频率。

其中，

N=噪声功率

N=平均噪声功率

fD=多普勒频率

Pr=信号功率

Wf=谱宽

图4中所示的信号频率的峰值在正速度区，表示该目标的移动速度为正速度。若目标的移动速度足够大，以至于该目标多普勒频率超过Nyquist采样频率，则会发生如图5所示的情况，因此而产生速度模糊。

3.2.2 从相位角度来解释

当雷达采用的信号处理方式为脉冲对处理法（PPP）时，由于气象目标在运动，Δφ表示间隔为脉冲重复周期T的相邻两个回波信号的平均相位差，由于Δφ/T=ω=2πfD，因此，

fD=Δφ/2πT

因为电磁波的一个波长为2π，而PPP中所提取的 Δφ范围在±π之间。换言之，多普勒雷达能准确测量的最大最小相位差为±π。于是，当 Δφ=±π时，可以得到最大平均多普勒频率，即

fDmax=1/2T=F/2

由此，根据2.3中得出的公式fD=2 vr/λ，同样可得

Vmax=λF/4

根据上述两种论证方式所得的公式Vmax=λ×PRF/4，我们可知在一定的波长和脉冲重复频率下，雷达具有探测的最大不模糊速度，即当气象因子的移动速度大于该速度，则雷达显示会给出错误的信息。

3.2.3 实际案例

图6中所示为四创X波段多普勒天气雷达在2012年5月30日做PPI扫描时获得的速度图像。该雷达架设的地点为上海气象中心浦东观测楼的顶楼。

2012年5月30日实际的天气情况为有强烈的正东风，最强时约有30m/s左右的风速。从该速度图像中可以看出，黑色箭头所指的地方为白色零速度线所在的位置。根据图像右下角的色标，零速度线的左侧为正速度，右侧为负速度，最大可显示的速度为±14.4m/s。因此，我们可以清晰的看出，在本场附近的近低空范围内气象目标的移动方向为由东向西，即此时刮东风。但是，我们注意到，在零速度线的左右两侧，当速度不断增大后，正速度的极大值突然跳变为负速度的极大值，而负速度的极大值突然跳变为正速度的极大值，即图中红色圆圈所划出的范围，如果按照图像上给出的信息直接推断，则红色圆圈区域内的风向为正西风，与实际情况正好相反。因此，我们便能初步判断这两块标出的区域可能发生了速度模糊。

4 解决距离模糊和速度模糊的办法

从第3节中我们得知，最大不模糊速度：Vmax=λ×PRF/4；最大不模糊距离：Rmax=C/2PRF。并且两者之间存在一定的关系，即Vmax×Rmax=λ×C/8。下文便来讨论一下如何有效的增大Vmax和Rmax来解距离模糊和速度模糊。

4.1 解决距离模糊

根据公式Rmax=C/2PRF，我们可以看出，由于雷达的脉冲重复频率（PRF）是可以根据需求来选择的。因此，降低PRF可增大最大探测距离Rmax，有助于减轻距离模糊。

目前还有另一种比较流行的方法是对发射脉冲进行相位编码，该方法对每个发射的脉冲进行相位编码，然后对回波信号再进行相位解码，通过解码后的相位与发射时的相位的比较，便能将各回波信号与发射信号一一对应，以便区别不同脉冲的回波信号。

相位编码技术分为两种：随机相位编码和系统相位编码。

随机相位编码[2]：顾名思义，每个脉冲所附加的相位是随机的。当接收到回波之后，只恢复期望相位的回波，非期望相位的回波的功率表现为噪声，故使噪声电平提高，等效信噪比降低，从而影响谱矩估计的准确性。

系统相位编码：该方法为每个脉冲所加的相位是周期变化的，如图7所示。

在对期望的回波进行同步接收时，非期望回波的频谱被均匀的分散在奈奎斯特间隔内，不会影响期望回波速度的估计。目前最常用的系统相位编码为Sachidananda 与 Zrnic 提出 SZ（n/M）编码[3]，编码长度为M，且能被n整除，其中M和n均为整数。经过多次验证，SZ（8/64）码的特性最好。

4.2 解决速度模糊

根据公式Vmax=λ×PRF/4，我们可以看出，通过提高脉冲重复频率PRF有助于减轻速度模糊。 除了通过改变脉冲重复频率之外，我们还可以通过双重频DPRF[4]来退速度模糊。如图6中所示，该雷达当时探测时所采用的信号处理方式为双重频900：600，即以两种脉冲重复频率900Hz和600Hz交替发射脉冲。

在双重复频率模式下，雷达采样脉冲波形的时序如图8所示。

在一个径向内，首先以PRF1收集M个脉冲回波信号，再以PRF2收集M个脉冲回波信号。对该DPRF波形，可以将其分为前后两部分，每一部分均为周期采样。计算速度时：以T1间隔的脉冲对估计，得到估计值θ1，以T2间隔的脉冲对估计，得到估计值θ2。因为θ1和θ2对应于不同的最大不模糊速度，就有可能存在由于速度模糊而造成的差别，利用这个差别来恢复正确的速度值。因此，利用两个不同脉冲重复频率PRF1和PRF2测量得到的各自的相位θ1和θ2之差得到多普勒径向速度，如下式：

vr=λ×（θ2-θ1）/（4π×（T2-T1））

5 总结

在多普勒天气雷达的使用过程中，距离模糊和速度模糊一直是比较受关注的问题。民航气象业务讲究的是信息的准确性与及时性，要达到这一目标，可靠的探测信息是必不可少的。雷达作为提供气象信息的重要手段，在对重要天气和临近天气的预报方面起着不可或缺的作用。因此，更需要我们去有效的方法来提高图像信息的准确率。

本文中所提到的相位编码和双重频两种技术，是目前多普勒天气雷达的解模糊算法中比较成熟的。通过这两种算法，我们可以很大程度上避免产生距离模糊和速度模糊。但是，这并不是绝对的。如图6中我们可以看到，当时已经采用了900：600的双重频信号处理方法，但仍然产生了速度模糊。由此可见，双重频技术只是通过增大最大不模糊速度而在一定程度上缓解速度模糊，并不是完全消除速度模糊。所以，当遇到有强回波的时候，我们还需要依靠平时工作所积累的经验。若怀疑有模糊现象产生，可以先通过改变雷达的探测频率来对怀疑区域的图像进行观察和比较，然后再配合各种解模糊的信号处理技术来进一步判断是否确实产生模糊，提高对雷达图像信息准确性的判断能力。

参考文献

[1]胡明宝编著.天气雷达探测与应用.北京：气象出版社.2007.11.

[2]潘新民，熊毅，柴秀梅，王全周，崔炳俭.新一代天气雷达退数据模糊方法探讨.气象环境科学.2010，33（1）：17-23.

[3]王旭，谢承华.SZ相位编码与批处理退距离折叠的比较分析.计算机应用与软件.2012.29（1）：74-77.

[4]梁华.脉冲多普勒天气雷达数据质量控制之解速度模糊处理.气象水文海洋仪器.2009，26（3）：59-61.