南大仙林X波段雷达_强回波区_相关系数变低的问题_2013年8月21日.doc

南大仙林X波段雷达在雷暴强回波区相关系数变低的问题2013年8月21日1 现象8月9日，南京大学仙林校区的雷达观测发现四周有雷暴，但发现雷暴中强回波区域的相关系数不正常，只有0.7。这部雷达的工作模式：X波段，重复频率2000Hz（即重复周期为500s），不参差，天线转速为3转/分，相关脉冲数为128。天线仰角为4.3度时的回波图（正北为雷暴）如下：注意：上图的速度范围为-16+16m/s，而不是-8+8m/s!图表 1 8月9日，雷达观测到的雷暴回波图（PPI）然后，我们立即对这个雷暴进行了RHI扫描，如下：注意：上图的速度范围为-16+16m/s，而不是-8+8m/s!图表 2 8月9日，雷达观测到的雷暴回波图（RHI）从上面的回波图中，我们发现的奇怪现象有：l 雷暴中心区的相关系数特别低，只有0.7l 雷暴中心区强度的起伏也比较大，仅仅相邻几个像素，回波强度起伏就有20dB（从绿色到红色）l 差分反射率的起伏也比较大，而且夹杂着负的值l 速度图和KDP的图基本正常发现这种奇怪现象之后，我们在8月10日、8月19日、8月20日都用这部雷达进行了雷暴的观测，都有上述现象。2 和别的雷达的对比8月19日，用在溧水的S波段双偏振雷达（重复频率为1000Hz）对南京地区的雷暴进行了观测，发现雷暴的相关系数的值都是红色（在0.95以上），是正常的。（能不能弄到当时溧水雷达的回波图？）在此之前，溧水的雷达有问题，没有进行观测。3 国外X波段雷达对雷暴的探测结果根据目前我们看到的文献，国外别的波段的雷达，对雷暴的探测，没有发现过相关系数下降的现象。找到了一张，反映的是雷暴中相关系数下降的现象，但作者认为是闪电造成的：（赵坤电脑上的PPT中有一张图）（在赵坤给的2012年的讲义中有一张闪电引起相关系数下降的图）另外，国外有专家分析过，不同波长的雷达，对不同直径的降水粒子观测时，对dBZ、ZDR需进行修正的曲线，如下：（赵坤电脑上的PPT中有几张图）但我们没有发现，对相关系数要不要进行修正的文献。4 对IQ数据的初步分析结果在进行探测的时候，我们同时将IQ数据也记录下来了。下面分析8月10日的IQ数据的结果。当时，在终端软件上的显示画面如下：起伏大相关系数低图表 3 8月10日，雷达终端软件上显示的雷暴回波图从上图可以看出，在方位=60度，距离=50km处，有雷暴。但在雷暴区，强度起伏大、相关系数低。首先，对采集记录的IQ数据（文件为“500us_EL=4.3deg_161000.h5”，采用HDF5格式），用Matlab重新进行了信号处理（Matlab编的信号处理算法和在雷达上实时运行的信号处理软件的算法是一模一样的），并绘制出图像如下（仰角为4.3度）：图表 4 Matlab绘制的根据IQ数据计算出的强度图图表 5 Matlab绘制的根据IQ数据计算出的速度图图表 6 Matlab绘制的根据IQ数据计算出的ZDR 图表 7 Matlab绘制的根据IQ数据计算出的相关系数对比Matlab计算出的结果图和雷达实时终端软件上显示的结果，可以发现两者是一致的，在雷暴的强回波区，都有同样的奇怪现象。然后，我们对回波进行FFT分析。首先，先看相关系数正确的回波区域的频谱分析结果，结果如下：（每个距离点表示96m）图表 8 某个相关脉冲组128个触发脉冲的幅度图和局部放大的频谱图图表 9相关系数随距离的变化曲线图表 10 SNR随距离的变化曲线 从上图可以看出，距离单元从600625的相关系数是正确的（距离点604610由于进行了SNR的订正，造成相关系数略大于1），频谱也是合理的。下面就开始分析相关系数比较低的地方的IQ结果，结果如下：（每个距离点表示96m）图表 11 某个相关脉冲组128个触发脉冲的幅度图和局部放大的频谱图图表 12相关系数随距离的变化曲线图表 13 SNR随距离的变化曲线 从上图可以看出，重点看540560的频谱，发现频谱既宽，而且有很强的点。画出550距离点（该距离处的相关系数=0.779）的频谱的一维曲线，如下：图表 14 相关系数=0.779的距离点的频谱曲线画出580距离点（该距离处的相关系数=0.956）的频谱的一维曲线，如下：图表 15 相关系数=0.956的距离点的频谱曲线对比这两张频谱曲线，我们发现在强回波，相关系数降低的地方，其频谱既宽，而且完全不符合高斯型，有特别强的点。5 我们怀疑的几种可能原因5.1 对于X波段雷达，大雨滴处于瑞利散射和米散射的交界区当电磁波传播遇到空气分子和云、雨质点时，入射的电磁波会从这些介质或粒子上向四面八方传播相同频率电磁波，称散射。假定大雨滴的半径为3mm，X波段的波长为3cm，则x=2*pi*r/波长=0.6，正好处于瑞利散射和米散射的交界区。因此，我们怀疑是由于这个原因，造成了我们所观察到的奇怪现象。另外，根据百度百科，对瑞利散射和米散射解释如下：瑞利散射（Rayleigh scattering）是由比光波波长还要小的气体分子质点引起的。散射能力与光波波长的四次方成反比，波长愈短的电磁波，散射愈强烈；如雨过天晴或秋高气爽时，就因空中较粗微粒比较少，青蓝色光散射显得更为突出，天空一片蔚蓝。瑞利散射的结果，减弱了太阳投射到地表的能量，使地面的紫外线极弱而不能作为遥感可用波段；使到达地表可见光的辐射波长峰值向波长较长的一侧移动，当电磁波波长大于1微米时，瑞利散射可以忽略不计。米散射（Mie scattering）：当球形粒子的尺度与波长可比拟时，发生的散射为米散射。此时必须考虑散射粒子体内电荷的三维分布。此散射情况下，散射粒子应考虑为由许多聚集在一起的复杂分子构成，它们在入射电磁场的作用下,形成振荡的多极子,多极子辐射的电磁波相叠加，就构成散射波。又因为粒子尺度可与波长相比拟，所以入射波的相位在粒子上是不均匀的，造成了各子波在空间和时间上的相位差。在子波组合产生散射波的地方，将出现相位差造成的干涉。这些干涉取决于入射光的波长、粒子的大小、折射率及散射角。当粒子增大时，造成散射强度变化的干涉也增大。因此，散射光强与这些参数的关系,不象瑞利散射那样简单,而用复杂的级数表达，该级数的收敛相当缓慢。这个关系首先由德国科学家G.米得出，故称这类散射为米散射。它具有如下特点：散射强度比瑞利散射大得多，散射强度随波长的变化不如瑞利散射那样剧烈。随着尺度参数增大，散射的总能量很快增加，并最后以振动的形式趋于一定值。散射光强随角度变化出现许多极大值和极小值，当尺度参数增大时，极值的个数也增加。当尺度参数增大时，前向散射与后向散射之比增大，使粒子前半球散射增大。当尺度参数很小时，米散射结果可以简化为瑞利散射；当尺度参数很大时，它的结果又与几何光学结果一致；而在尺度参数比较适中的范围内，只有用米散射才能得到唯一正确的结果。所以米散射计算模式能广泛地描述任何尺度参数均匀球状粒子的散射特点。5.2 排除掉的几种原因5.2.1 闪电引起的当时，雷暴引起的闪电并不特别频繁，大概每分钟有一次闪电和雷声。所以，可能性不大。5.2.2 接收机电路饱和造成的分析了雷暴的回波的SNR，发现在40dB左右，而这种大小的幅度，根本就不会引起接收机或AD转换器的饱和（雷达接收机系统的动态在80dB以上）。5.2.3 抗同频干扰（反异步）造成的在进行相关系数计算之前，先进行了所谓的“抗同频干扰”的处理。该算法的原理是：判断当前周期和前一个周期相同距离单元上的回波的幅度值，如果相差的幅度超过一个门限，则认为是其它雷达的同频干扰，将其抑制掉。在前面的图表 11 可以看到，雷暴的回波在相邻两个重复周期内，幅度的起伏是比较大的，那么会不会由于进行了抗同频干扰算法，从而将一些距离单元上的回波数据错误的置为零，从而引起了相关系数的计算错误呢？在该雷达的信号处理程序中，门限设定为：如果幅度相差超过0.5倍（这个0.5倍的门限，也是RVP9的推荐值），并且超过接收机噪声的3倍，就认为是同频干扰信号，将其滤除。下面就是对雷暴区的回波进行抗同频干扰计算的输出结果：图表 16抗同频干扰门限=0.5的抑制结果上图中，深蓝色的点，就是被认为是同频干扰，从而进行抑制的点。然后进行相关系数的计算，结果如下：图表 17抗同频干扰门限=0.5的相关系数计算结果下面，将抗同频干扰功能关闭，然后进行相关系数的计算，结果如下图：图表 18不进行抗同频干扰处理的相关系数计算结果从上图可以得出，进行和不进行同频干扰处理，相关系数的计算结果有一点差异，但差别不大，都有在强回波区相关系数下降的问题。下面，我们故意将门限设定为幅度相差超过0.15倍，就认为是同频干扰。进行抗同频干扰计算，结果如下图：图表 19抗同频干扰门限=0.15的抑制结果上图中，深蓝色的点（被认为是同频干扰，从而进行抑制的点）就多了很多了。然后进行相关系数的计算，结果如下：图表 20抗同频干扰门限=0.15的相关系数计算结果可见，相关系数的结果急剧恶化了。这就说明，如果抗同频干扰的门限设定不合理，的确会把类似雷暴这种脉间起伏比较大的回波 错误的识别为干扰信号，从而会严重影响后续的参数估计。但是，这部雷达的抗同频干扰所采用的0.5倍的门限，还是合理的，并没有对相关系数的下降造成影响。5.2.4 谱展宽前面对雷暴数据的IQ分析中，发现雷暴的多普勒频谱比较宽，那么会不会由于谱太宽了，造成IQ数据的相位折叠，从而造成相关计算中出现错误呢？于是，8月20日，我们用4000Hz的重复频率对雷暴进行了探测，发现相关系数仍然会出现比较低、强度起伏比较大的问题（但比2000Hz时好一点，但应该是由于相关点数增加了1倍的原因）。由于4000Hz下的不模糊速度为32m/s，前面提到的S波段雷达在1000Hz下的不模糊速度为25m/s 。但是S波段雷达探测雷暴时相关系数是正常的，而4000Hz的X波段雷达的相关系数有问题。这就说明，这个奇怪的现象不是由于频谱太宽造成的。5.2.5 发射两个通道的相位一致性刚开始怀疑发射两个通道的相位一致性没有做好，造成了这个问题。但发现这无法解释强度和ZDR的起伏很大的现象。而且，在8月8日，雷达厂家在该雷达的垂直通道的通道中加入了波导移相器，并且通过该移相器，将两个波导的电气长度调成一致了（原来并不一致，有约50度的相位差）。另外，我们又调出了8月1日的回波图（此时，发射的两个支路有50度的相位差），也有同样现象，如下：强回波区相关系数下降图表 21 8月1日（发射存在50度相位差）对雷暴的观测结果但我们下一阶段准备用波导移相器，不断改变相位值，看一下发射两个通道的相位偏差对回波到底有何种影响，从而可以知道对雷达发射两个通道的相位一致性到底提多少指标才合理、科学。6 下一步工作6.1 进一步了解国外的X波段双偏振雷达探测雷暴，是否有同样的现象？6.2 向专家了解雨滴散射理论6.3 用2D雨滴谱仪观测雷暴降水时的雨滴谱分布情况6.4 用波导移相器测试发射相位偏差对回波的影响6.5 用Multi-lag算法来进行相关系数的估算7 附录1：7月份层状云降水的回波图，表明雷达状态基本正常在7月5日，南京经历了层状云降水。用这部雷达观测到的相关系数是正常的。观测结果如下：（仰角为10度，重复频率为2000Hz，不参差，天线转速为3转/分，相关脉冲数为128）图表 22 7月5日层状云降水的强度图图表 23 7月5日层状云降水的速度图图表 24 7月5日层状云降水的谱宽图图表 25 7月5日层状云降水的ZDR图表 26 7月5日层状云降水的相关系数图（没经过SNR订正）图表 27 7月5日层状云降水的相关系数图（经过了根据SNR所做的订正）图表 28 7月5日层状云降水的SNR 注意：l SNR的计算过程中，雷达接收机噪声的估算是利用当天线处于高仰角时，对远距离没有回波区域的IQ数据进行大数据量的统计得到的，因此SNR的计算是非常精确的。l 在SNR的图中，在距离为10km处，出现一个明显的跳跃