CN110018448B - 基于任意取向微波链路的双偏振雷达衰减订正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于任意取向微波链路的双偏振天气雷达强度衰减订正方法，由微波链路实测的路径衰减计算平均衰减系数；设定衰减系数与比差分相位之比的初始值α，根据天气雷达观测量计算链路路径平均衰减系数；不断调整衰减系数与比差分相位之比α，以雷达计算的链路路径平均衰减系数与微波链路计算的路径平均衰减系数绝对差异为目标函数，当目标函数最小时，α值为最优；采用此最优α值对雷达强度进行衰减订正。本发明能够有效实现双偏振天气雷达强度的衰减订正，增强了丰富的已建微波链路资源的可用性，本发明的适用性和鲁棒性较强。

Description

基于任意取向微波链路的双偏振雷达衰减订正方法
技术领域
本发明属于大气探测技术，具体为基于任意取向微波链路的双偏振雷达衰减订正方法。
背景技术
天气雷达以其较高的时空分辨率和准确性而成为当前降水监测的常用手段。较短波长(如X波段)天气雷达因具备天线尺寸小、发射功率低、时空分辨率高、机动性好等优势，成为区域降水监测的重要途径。常规天气雷达主要依靠反射率因子与雨强的关系定量估测降水。然而，较短波长雷达受降水衰减影响较大，导致反射率因子降低，所以在使用较短波长雷达反射率因子进行定量降水估测时，必须首先对反射率因子实施衰减订正，以提高降水估测的准确性。
对常规天气雷达来说，常用的衰减订正方法有解析法、迭代法、逐库法及其近似方法等，但由于真实衰减未知以及衰减系数与反射率因子关系的不确定，常会导致订正不稳定问题。针对双偏振雷达的衰减订正，基于典型雷达频率范围内差分传播相位与衰减总量基本呈线性比例关系这一特点，研究者们提出了降水廓线(ZPHI)算法和自一致(SC)方法，此类方法对该线性比例和雷达自身观测误差非常敏感。
利用微波链路能够得到链路雨致衰减的特性，出现了使用微波链路的路径衰减作为参考，实现雷达基数据衰减订正的方法。这些方法主要存在以下问题：一是大多要求所使用的微波链路沿雷达径向，而由于已建设微波链路相对于雷达是任意取向的，故该要求导致大量已建实际微波链路无法应用。二是使用沿雷达径向链路辅助雷达衰减订正，仅能订正链路所处径向的雷达数据，方法的效率不高。三是仅利用了常规雷达参量，没有充分发挥双偏振雷达能够得到偏振参量的优势。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种基于任意取向微波链路的双偏振雷达衰减订正方法。
实现本发明的技术解决方案为：一种基于任意取向微波链路的双偏振雷达衰减订正方法，具体步骤为：
步骤1、根据微波链路路径总衰减观测值，计算雷达路径平均衰减系数；
步骤2、设定衰减系数与比差分相位之比α的初始值，根据雷达观测量计算链路路径平均衰减系数；
步骤3、计算目标函数，所述目标函数为雷达路径平均衰减系数和链路路径平均衰减系数的绝对差异；
步骤4、调整衰减系数与比差分相位之比α的值，重复执行步骤2～3，将目标函数最小时的衰减系数与比差分相位之比α作为最优参数值；
步骤5、根据最优α值以及衰减系数计算公式确定链路横跨方位范围内的每个雷达距离库的最优衰减系数AH(r；αopt)，实现雷达反射率因子的衰减订正。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明将任意取向链路测值引入雷达衰减订正中，能够有效减小衰减对雷达强度带来的误差；本发明订正区域明显增大，由单条径向拓展到链路跨越的方位范围；突破了现有方法中对链路沿雷达径向的限制，使得广泛建设的实际微波链路的可用性大为增加；有效发挥了双偏振雷达得到偏振参量的优势，且本发明适用性增强，便于推广应用。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是本发明中系数α的优化过程示意图。
图3为本发明效果示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于任意取向微波链路的双偏振雷达衰减订正方法，结合雷达和微波链路观测值，采用一个迭代过程对天气雷达衰减系数与比差分相位之比α进行最优估计，并使用最优α值进行衰减订正。在实际工程中，如果链路信号频率与雷达电磁波频率不同，将链路频率下的衰减转换为雷达频率下的衰减后，再采用本发明进行雷达衰减订正，具体步骤如下：
步骤1、链路计算雷达路径平均衰减系数：通过比较接收电平和基准电平得到微波链路路径总衰减观测值AttenuML，进而由计算路径平均衰减系数AML(dB/km)，如下式：
Figure BDA0002013050860000031
式中，LML(km)为链路长度，AML为雷达路径平均衰减系数。
在判断微波链路基准电平时，干(晴)湿(雨)时段可以通过分析链路接收信号的功率谱来判断，本方法中，天气雷达和处于微波链路路径上的雨量计也可以作为干/湿时刻判断的指示器。如果谱分析方法的结果、或沿链路路径至少一个雷达距离库、或雨量计显示某时刻有降水，即认定该时刻为降水时刻，则基准电平为最后“干”时刻的接收电平，链路路径衰减即可通过比较接收电平和基准电平得到。
步骤2、雷达计算链路路径平均衰减系数：设定衰减系数与比差分相位之比α的初始值，由雷达观测量计算链路路径平均衰减系数
Figure BDA0002013050860000032
Figure BDA0002013050860000033
式中，NML为沿链路路径的雷达距离库数，AHi为链路路径每个格点的衰减系数，
Figure BDA0002013050860000034
为链路路径平均衰减系数；其中，链路路径每个格点的衰减系数具体计算公式为：
Figure BDA0002013050860000035
/>
其中：
Figure BDA0002013050860000036
Figure BDA0002013050860000037
上式中，r0为第一个有降水的距离库，r1为有降水的最远距离库，r0＜r＜r1，Z'H(r)为实测的雷达反射率因子，b为雷达距离r处的衰减系数AH(r)[单位：dB/km]和实测的雷达反射率因子Z'H(r)[单位：mm6/m3]之间的关系AH(r)＝a[ZH(r)]b中的指数系数，α为衰减系数与比差分相位之比，
Figure BDA0002013050860000038
为距离r1和r2处差分相位的差异。其中，比差分相位是水平和垂直偏振电磁波的传播常数之间的差值，在均匀介质中，可通过两个距离位置的差分相移计算得到。
步骤3、计算目标函数：目标函数δA定义为雷达路径平均衰减系数和链路路径平均衰减系数的绝对差异：
Figure BDA0002013050860000041
步骤4、迭代确定最优值：如图2所示，根据已有研究结论确定α的取值范围内，设定一个微小步长，不断递增调整α值，重复上述步骤2、3，使δA最小的α值即为最优α；
步骤5、雷达反射率因子衰减订正：根据最优α值和式(3)和(4)，计算得到链路横跨方位范围内的每个雷达距离库的最优衰减系数AH(r；αopt)，使用下式实现雷达反射率因子的衰减订正：
Figure BDA0002013050860000042
其中，ZH和Z'H分别为真实(未经衰减)和实测(经衰减)的雷达反射率因子[单位：mm6/m3]。
图3显示了衰减订正前、后X波段双偏振雷达的强度回波以及对应位置处S波段天气雷达的强度分布。其中虚线为衰减订正前的X波段双偏振雷达某径向的强度分布廓线，实线为衰减订正后的径向强度廓线，“+”号线为附近S波段天气雷达在对应位置处的强度廓线。可以看到，订正前，因降水衰减影响，X波段天气雷达反射率因子显著低于长波长S波段雷达反射率因子，远距离处更加明显。而订正后，X波段雷达反射率因子大幅增强，订正量随距离增加而增加。特别是远距离处的降水回波，在订正前强度很弱，而在订正后得以恢复。可见，该订正方法在较大程度上缓解了衰减效应导致的反射率因子误差。
本发明将任意取向微波链路的路径衰减值用于天气雷达被链路横跨区域数据的衰减订正，能够有效实现双偏振天气雷达强度的衰减订正，增强了丰富的已建微波链路资源的可用性，本发明的适用性和鲁棒性较强。

Claims (3)

1.一种基于任意取向微波链路的双偏振雷达衰减订正方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1、根据微波链路路径总衰减观测值，计算雷达路径平均衰减系数，公式为：
Figure FDA0003976096190000011
式中，AttenuML为微波链路路径总衰减观测值，LML(km)为链路长度；
步骤2、设定衰减系数与比差分相位之比α的初始值，根据雷达观测量计算链路路径平均衰减系数，公式为：
Figure FDA0003976096190000012
式中，NML为沿链路路径的雷达距离库数，AHi为链路路径每个格点的衰减系数，
Figure FDA0003976096190000013
为链路路径平均衰减系数；
步骤3、计算目标函数，所述目标函数为雷达路径平均衰减系数和链路路径平均衰减系数的绝对差异，具体为：
Figure FDA0003976096190000014
式中，AML为雷达路径平均衰减系数，
Figure FDA0003976096190000015
链路路径平均衰减系数；
步骤4、调整衰减系数与比差分相位之比α的值，重复执行步骤2～3，将目标函数最小时的衰减系数与比差分相位之比α作为最优参数值；
步骤5、根据最优α值以及衰减系数计算公式确定链路横跨方位范围内的每个雷达距离库的最优衰减系数AH(r；αopt)，实现雷达反射率因子的衰减订正。
2.根据权利要求1所述的基于任意取向微波链路的双偏振雷达衰减订正方法，其特征在于，链路路径每个格点的衰减系数具体计算公式为：
Figure FDA0003976096190000016
式中，
Figure FDA0003976096190000017
r0为第一个有降水的距离库，r1为有降水的最远距离库，r0＜r＜r1，Z'H(r)为实测的雷达反射率因子，b为指数系数，α为衰减系数与比差分相位之比，/>
Figure FDA0003976096190000021
为距离r1和r2处差分相位的差异。
3.根据权利要求1所述的基于任意取向微波链路的双偏振雷达衰减订正方法，其特征在于，步骤5实现雷达反射率因子的衰减订正的具体公式为：
Figure FDA0003976096190000022
式中，ZH和Z'H分别为真实雷达反射率因子和实测雷达反射率因子。
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