双极化雷达确定降水概率的方法及采用该方法的气象雷达

本发明涉及一种用脉冲雷达确定降水概率与水汽凝结体的反射因子的方法以及一种使用该方法的双极化气象雷达，其中，脉冲雷达的工作波长是被水汽凝结体衰减的波长。

在气象领域，特别是为了短期气象预报，需要观测降雨量和其它水汽凝结体。为此目的，许多年来人们一直在考虑用雷达来定量地确定降水概率，因为降水概率是这些现象的特征参量。通常采用的方法是基于用雷达射束来测量雨粒或水汽凝结体的反射率。然而，对大多数方法来说，水汽凝结体产生的散射会造成测量偏差，因此需要以衰减尽可能小的波长工作，即以相对长一些的波长工作。这增加了工作难度并增大了设备成本。

还提出另一个更具吸引力的方法：双波长衰减和单极化。这种方法的优点是不受雷达校准(calibration)的限制。不过，这种方法要获得需要的精度有一定的技术难度。这是因为在使两个波长的射束一致和使测量同步中会迂到一些问题。

现已进行的所有研究结果表明，用较短波长的雷达比较好，它使得可能选择体积更为紧凑、价格更加便宜的设备。不过，这会带来校准衰减问题，这些问题是非常棘手的，特别是当降雨量很大时，这些问题很难解决。

本发明涉及能够克服这些问题的方法，尽管采用会对穿过由水汽凝结体(雨、冰雹、云)构成的吸收介质的反射路径的电磁波产生相对较大衰减的短波长。

本发明基于利用双极化雷达测量两个极化分量H和V的反射率同时对衰减给采用的不同测量方法所测得的值造成的影响进行校准。

因此本发明提供一种用脉冲雷达来确定降水概率和水汽凝结体的反射因子的方法，其中，脉冲雷达的工作波长为被所述水汽凝结体衰减的波长，所述雷达是双极化雷达，它传送两串与各个极化通道相应的各种测距门的衰减反射因子[Z_Ha(r)、Z_Va(r)]的测量值，所述方法的特征在于它包括下列步骤：

A)在雷达的每个测距门内，在测得的单极化反射因子的基础上用反射因子与降水概率的关系式和单极化衰减系数与降水概率的关系式来确定降水概率(Rs)的第一估计值；

B)在所述降水概率的第一估计值的基础上求得未衰减差分反射因子(Z_DRs)的估计值；

C)从所述未衰减差分反射因子(Z_DRs)的估计值和衰减后的差分反射因子的雷达测量值(Z_DRa)推导出差分极化衰减估计值(A_DP)；和

D)通过反复调节反射因子与降水概率关系式中的一个参数(α，β)来设法使步骤A中估计出的单极化雷达的降水概率的积分[I₁(r，R)]与由所述差分极化衰减的估计值(A_DP)推导出的降水概率的积分[I₂(r，R)]相等，以便能求出衰减反射因子的校准值[Z_Hs(r)]和降水概率[Rs(r)]。

本发明的显著优点在于它不受雷达校准的限制和不受由可能未探测到的云造成的衰减的限制，因为它是以差分测量为基础的。

本发明的另一个方面提供了一种以被水汽凝结体衰减的波长工作的双极化气象雷达，它用于确定降水概率和反射因子，所述雷达包括：

-双极化天线(1)，它与提取与两个垂直的极化通道H和V相对应的模式的装置相关；

-用于向所述天线的两个通道发送脉冲的发射器；

-至少一个用于对两个垂直的极化通道的输出信号进行处理的接收通道；

所述雷达的特征在于它具有用来实现上述方法的数字信号处理设备。

借助于下列说明和附图可以更清楚地理解本发明的特征和优点，在附图中：

图1是按照本发明的气象雷达的示意图；和

图2是用于实现本发明方法的数字信号处理设备的方框图。

图1示出了双极化气象雷达的示意图。该雷达具有一对包括照明反射器(未示出)双极化初始源1的双极化天线。该双极化源与具有两个极化通道H和V的模式(正交模式)提取器2相关。脉冲发射器(b)向双极化源提供重复频率与所要求的范围相匹配的(例如，对150km范围来说，Fr=1KHz)脉冲。发射功率通过混合接头分布到天线的两个通道以便获得定向得与水平面成45°的极化，或者通过3dB耦合器5分布到天线的两个通道中以便获得圆极化。为了发射和接收两个相互垂直的极化的信号并根据它们的幅值对它们进行处理，可以事先将这两种发射模式设定为等效模式。圆极化波的第二个优点是天线反射波与发射器的发射波之间的比值是固定的。

提供了两个相同的接收通道，它们对由两个功率循环器3和4所抽取的信号进行处理。在传统的方法中，每个通道包括限制器7与8、放大器9与10、混合器11与12、中频放大器15与16、对数放大器17与18和模／数编码器19与20，其中混合器11、12用于使频率改变成中频，对数放大器17、18用于获得大的动态范围。经编码的信号被传送到根据本发明的数字信号处理设备21(该设备将在后面详细说明)，然后数字信号处理设备输出校准后的反射因子Z和降水概率R信号作为其输出。混合器11和12还接收来自本地振荡器13的信号，本地振荡器13受自动频率控制电路14的控制。

在某些要求获得有关水汽凝结体性质的补充信息的气象应用场合，用另外的多普勒接收通道来测量被接收信号的相位更加有用。这些通道包括矢量解调电路22和25，一方面矢量解调电路的后面接有两个模／数编码器23、24，另一方面矢量解调电路25的后面接有两个模／数编码器26、27，用于输出正交编码的信号I_H、Q_H(通道H)和Iv、Qv(通道V)。

本发明方法的基本原理如下：在单极化的基础上，例如H通道，距离为r处的雨粒(或其它水汽凝结体)的衰减反射因子Z_Ha(r)与衰减系数之间的关系式可用下式表示：

$>>>Z>Ha>>>(>r>)>>=>>Z>O>>>(>r>)>>->2>\Delta r>>\Sigma >>i>=>1>>>n>->1>\; >>a>i>>->->->->->->>(>1>)>>>s>$

此处Zo(r)为未衰减的反射因子，Δr为测距门的宽度，ai为第i个测距门的衰减系数，它以每单位长度dB为单位，Z_ha(r)和Zo(r)以dBZ为单位，也就是说等于10logZ(mm⁶m^-3)，其中r=nΔr。

衰减系数与降水概率R的关系用已知等式表示：

α=k_HR^γH    (2)

此处K_H和γ_H是极化通道H的参数，它们与温度和降水粒子分布(DSD)的关系不大，对应每个波长都可计算K_H和γ_H。

组合等式(1)和(2)可得出： $>>>Z>O>>>(>r>)>>=>>Z>Ha>>>(>r>)>>+>2>\Delta r>>k>H>>>I>1>>>(>r>,>R>)>>->->->->->->>(>3>)>>>s>及$ >>>I>1>>>(>r>,>R>)>>=>>\Sigma >>i>=>1>>>n>->1>\; sup>>R>i>\gamma Hsup>>->->->->->->>(>4>)>>>s>$$

I₁表示所选择的H极化通道的雷达射束方向上的降水概率的积分，也就是说，I₁表示测距门n之前的n-1个测距门的累计衰减。

现在，已知雨粒反射因子Z与降水概率R之间的关系为：

Z=αR^β……………(5)

此处α和β是参数。因此等式(4)可以用另一种等效形式表示： $>>>I>1>>>(>r>,>R>)>>=>>\alpha >>->\gamma >/>\beta >\; >>\Sigma >>i>=>1>>>n>->1>\; sup>>Z>i>>\gamma >/>\beta >sup>>->->->->->->>(>4>\prime >)>>>s>$

参数α和β主要取决于DSD。在用迭带法测得的n个Za(r)值的基础上利用等式(3)和(5)中的四个参数K、γ、α和β的近似值可以计算出校准的估计值Z’(r)，其中，迭带法是P．H．Hildebrand于1978年在“Iterative correction for attenuation of 5 cm radar in rain”J．Appl．Meteor，17，第508-514页中提出的。正如该文章中所述的那样，DSD和温度的假定误差能大大减小这些衰减估计值，但这些减小量与由雷达校准误差所造成的减小量相比却很小。由于受雷达校准误差影响的参数是与Z和R有关的等式中的参数，因此I₁(r，R)的主要不确定因素是由参数α和β的不确定因素所造成的。

为了判定这些不确定因素，利用使用该雷达的两个极化通道测得的差分测量结果。该差分反射因子Z_DR由下式定义：

Z_DR=Z_H-Z_v……………(6)

此处Z以dBZ为单位，下标H和V对应于雷达的两个极化通道，如水平通道和垂直通道。

为了求得衰减波长，对应于H和V极化通道利用等式(1)，然后从H项中减去V项得到：

Z_DRa(r)=Z_DRs(r)-ZA_DP(r)……………(7)

此处Z_DRa是衰减极化雷达测量值，Z_DRs=Z_OH-Z_OV是仅由水滴形状造成的未衰减差分反射因子，A_DP是电磁波路径上的差分极化衰减系数，即：

$>>>A>DP>>>(>r>)>>=>\Delta r>>\Sigma >>i>=>1>>>n>->1>\; >>(>>a>iH>>->>a>iV>>)>>->->->->->->>(>8>)>>>s>$

对于假定的DSD，由水滴形状造成的差分反射因子Z_DRs可以作为降水概率的函数计算：

Z_DRs=f(R)    (9)

等式(8)中的衰减系数a_iH和a_iv可根据等式(2)对于H和V极化通道求出。假定DSD后，可以求出参数K_H、K_V、γ_H和γ_V。计算结果表明，差值a_H-a_V并不主要取决于DSD。对一给定的波长，K_H与K_V存在很大差异，但γ_H≈γ_V≈γ。

组合等式(2)和(8)可得到：

A_DP(r)=Δr(k_H-k_V)I₂(r，R)    (10)

及

$>>>I>2>>>(>r>,>R>)>>=>>\Sigma >>i>=>1>>>n>->1>\; sup>>R>i>\gamma sup>>->->->->->->>(>11>)>>>s>$

可注意到等式(11)可以写成类似于等式(4’)的形式，也就是说，作为Z的函数的形式。

I₂(r，R)表示假定已正确地知道K_H-K_V时从差分衰减系数A_DP推导出的降水概率的积分。由于A_DP是从差分测量值推出的，因此A_DP与雷达的校准无关。

由于存在雨滴DSD的自然变化和校准误差，因此在估计I₁和I₂时只有参数α和β是有效的。

按照本发明的方法中，建议将β保持为与气候平均值相等的恒定值并用差分衰减系数A_DP来调整参数α。其中气候平均值与波长及降雨量的类型相对应。

有关文献中的许多测量结果证明对β的这种假定是有效的。

因此基本原理是：根据单个极化通道测得的一系列测量值确定I₁，同时选择α的任一中间值；根据差分雷达测量值及利用I₁估计未衰减的差分反射因子的计算值来确定I₂；并将I₁与I₂加以比较以便近似时将调整α到使I₁≈I₂的值，这样就能求出未衰减反射因子的校准估计值Zi(r)和降水概率Ri(r)。

图2表示采用本方法的数字信号处理设备。图的左边部分涉及单个极化通道(H通道)的处理过程，而右边部分涉及差分处理过程。

来自H通道的编码器19的对数信号在步骤30中被重新转换成线性信号Z_Ha(r)。这些信号在雷达的N个脉冲上进行平均(步骤31)，然后按照等式(5)基于参数α和β计算出降水概率估计值R_a(步骤32)，其中参数α和β是预定的，但α可任意选取。对每个测距门I来说都要进行上述计算。

步骤33包括根据等式(2)计算衰减系数a_i。

然后根据等式(2)和(4)推导出值I₁(r，R)的估计值(步骤34)。

此外，在步骤36和37中根据单个极化通道H的一系列测量结果计算出衰减反射因子Z_Ha(r)，在步骤35中估计出等式(3)中的衰减系数A_H。在步骤38中应用等式(3)求和得到了H极化通道的衰减反射因子的估计值Z_Hs(r)，然后在步骤47中，利用等式(5)和选定的参数α与β求出校准的降水概率R_S(r)。

在这个估计值的基础上，可以在步骤48中用等式(9)计算出未衰减差分反射因子的估计值Z_DRs(r)。

此外，根据步骤30和40传来的H通道和V通道的编码的信号可以得到比率Z_ha(r)／Z_Va(r)(步骤41)，给出将在步骤42中对N个脉冲作平均的衰减极化雷达测量值Z_DRa(r)。该平均值与从步骤48传来的未衰减差分反射因子的估计值之间的差值构成了差分极化衰减系数的估计值A_DP(r)。在Δr和K_H-K_V值的基础上，步骤44输出由等式(10)得到的I₂(r，R)的估计值。然后在步骤45中对I₁和I₂加以比较。

如果I₁≠I₂，那么就在步骤46中使参数α在适当方向上改变Δα值并将新的α’值用到步骤32和47中重新进行计算。这些工作将重复进行直到I₁=I₂为止，这时对应于给出α的正确值。然后就能求出未衰减反射因子的校准值Zi(r)=Z_Hs(r)和降水概率的校准值Ri(r)=Rs(r)(步骤49)。

在对本发明方法的基本原理加以说明的过程中，假定等式(9)中的Z_DRs以及等式(10)中的K_H、K_V是为单个假定的DSD而计算的。这种假定是可以接受的，因为对给定的气候条件来说，平均的DSD是稳定的参数。因此，可以根据气候条件来选择特定的DSD。

此外，最好将测距门选择在反射因子较小的距离r处，因为这样会使Z_DRs比较小，对由等式(9)得到的估计值造成的偏差也比较小。由于在不使I₁、I₂和α产生较大变化的情况下可以用另一个近似于r的且具有不同反射因子的测距门来代替在距离r处的测距门，因此可以更加方便、合理地选择特定的测距门。

可以在两个或三个相邻的测距门的基础上计算α，并且可以求出它们的平均值以便减小DSD分散的影响。

还要注意，所观测的辐射方向可以被分成几个部分，本发明方法可以同时应用于这几个部分。

上述方法对影响一个极化通道雷达所测得的反射因子或影响差分值的随机采样误差很不敏感。

现已说明了本发明方法的一个主要优点：这就是该方法与雷达的校准无关，与由未检测的云造成的衰减无关。

另外，另一种可能的用法是定性检测冰雹。现在对此加以说明：当雨粒中夹杂着冰雹时，由于冰雹大体上呈球形，它们对两个极化通道都会产生较高的反射因子并且Z_H≈Z_V，从而使差分反射因子基本上等于零。另一方面，会产生很大的与极化通道无关的衰减，因而使差分衰减系数A_DP几乎为零。这样，冰雹的出现就改变了I₁，但不会相应地改变I₂，这与均匀雨粒的情况相反。因而能探测到α有相当大的变化，这可以用来作为冰雹的指示。

还应当注意，尽管上述说明是从利用差分极化衰减系数A_DP的角度叙述的，但本发明方法还可以用来处理差分相位移K_DP=K_H-K_V，K_DP以传播角度Km为单位。

显然，所述例子不会对本发明产生限制。特别是，所述的气象雷达可以采用单个接收通道而不是所述的两个通道，两个极化通道的输入信号是采用切换方式输入的以便分时使用通道，输出信号则是用“不切换”方式输出的，只不过需要选择切换速率以便在切换期间极化通道H和V接收到的信号相互关联。

此外应注意可以用多普勒通道输出信号I和Q来计算每个通道H和V的信号幅这个幅值可以用来代替编码器19和20的输出信号以便不使用通道17、19与18、20。不过，这种做法存在这样的缺点：它不会象对数放大器那样提供动态范围。

最后，在图2所示的按照本发明的处理设备中，可以继续采用对数信号而不是将对数信号转换成线性信号。