S波段雷达实测海杂波混沌分形特性分析

S波段海杂波信号表现了非线性和频谱时变性,传统的谱分析方法,无法反映该信号在时间上的演化规律。该文首先引入分形布朗运动模型,基于S波段雷达实测海杂波数据,计算了该分形模型的海杂波Hurst指数,进而求得了其分形维数。然后利用经典的Rosenstein方法,计算了S波段实测海杂波的最大Lyapunov指数,从而证实了S波段雷达海洋回波信号具有混沌分形特性。最后进行了计算机实验,验证了本文的结论。该文的工作为S波段海洋雷达的目标探测提供了一种新的途径。

船载S波段雷达多普勒谱模型

根据海表面的散射机理和船舶在海中的运动规律,建立了3次谐波船舶运动模型,提出了船载S波段雷达回波多普勒谱的中心频率和谱宽的理论模型。本文采用仿真多普勒谱的方法,分析了船载S波段雷达多普勒谱的中心频率和谱宽大小与船速的关系,并讨论了船舶各种运动导致多普勒谱的变化情况,最后采用一段实测船载三坐标速度并仿真其多普勒谱,结果表明其中心频率的变化明显,谱展宽明显。文章的结论为船载S波段雷达海浪参数提取提供先验信息和理论模型,具有重要的价值。

S波段雷达探测中的高精度电波折射误差修正方法

为提高S波段雷达探测精度,首先分析了对流层和电离层等电波环境对S波段雷达探测精度的影响,得出电波环境对信号产生的折射误差是影响雷达探测精度的主要误差源;然后利用射线描迹法,给出了对流层和电离层折射参数实时高精度遥感和探测方法,以实现S波段雷达全方位、多目标折射误差修正;最后对利用该方法研制的某型电波折射修正设备进行了验证.外场试验结果表明,该设备可实现对流层、电离层一体化实时高精度感知,可有效消除电波环境引起的距离和仰角折射误差,提高雷达探测精度.

GPM DPR雷达联合地面S波段雷达反演雨滴谱

针对GPM-CO DPR观测数据反演雨滴谱算法中存在的双值问题,提出通过匹配地面S波段天气雷达与GPM-CO DPR观测数据,为双值问题提供判断依据的方法。在建立反演查算方法的基础上,利用雷达仿真程序Quickbeam进行算法的理论验证,并使用观测数据进行实例验证。理论验证的结果表明,反演结果数据和输入数据的相关系数达到0.99以上;实例验证的结果显示,利用此反演算法得到的雨滴谱可以反映降水过程中雨滴粒径的分布情况,在一定程度上解决双值问题。

S波段与X波段天气雷达探测参量差异及组网融合处理研究

随着X波段双偏振雷达探测网的增多,与S波段双偏振雷达开展组网观测愈发具有必要性。利用北京地区2021年7月27日的一次强对流天气过程的观测资料,对X波段双偏振雷达组网观测值和S波段双偏振雷达观测值进行一致性定量分析,结果表明:两者观测的反射率因子(Z)一致性好,差分反射率(Z_(DR))差异集中在0 dB值附近,Z≥30 dBz时,差分相移率(K_(DP))差异显著。根据观测值差异特征,比较了探测参量直接融合和距离指数权重融合两种数据融合方式,通过分析偏振参量垂直剖面图发现,融合后可以相互弥补探测盲区,K_(DP)通过距离指数权重融合的方式过渡更加自然。本文融合效果可供不同波段雷达融合组网提供参考。

上海青浦CINRAD/SAD雷达和南汇WSR-88D雷达数据对比分析

上海青浦CINRAD/SAD雷达和南汇WSR-88D雷达型号不同,并且采用不同的双偏振技术升级方案,实际业务运行中2部雷达存在一定的数据偏差。为了对雷达的探测性能进行定量评估,在共同探测区域遴选2022年7—9月及2023年6月共30个过程3933个时次数据,以稳定性降水与对流性降水分类并按强度分级进行对比,评估了反射率因子Z_(H),差分反射率Z_(DR),相关系数C_(C)和差分传播相移Φ_(DP)的水平分布特征及随方位变化趋势,雷达灵敏度随仰角变化趋势以及Z_(H)和Z_(DR)偏差的定量统计。结果表明:2部雷达Z_(H)的观测结果接近,青浦CINRAD/SAD雷达的Z_(H),C_(C)和Φ_(DP)受地物及避雷针影响较大,随方位变化不稳定,青浦CINRAD/SAD雷达在低层的非气象回波滤除效果较南汇WSR-88D雷达差。2部雷达Z_(H)和Z_(DR)的偏差在Z_(H)大于40 dBz的区域较大,Z_(H)平均偏差为0.9 dB,Z_(DR)为-0.14 dB。本文基于台风、冰雹、短时强降水和梅雨降水数据,定量化评估了上海2部S波段双偏振天气雷达数据之间的差异,为后续算法改进以及数据订正提供参考。

深圳X波段双偏振相控阵雷达降水估测算法效果评估

为验证X波段双偏振相控阵雷达的降水估测能力,利用2020年深圳市X波段双偏振相控阵雷达探测资料和广州市S波段双偏振雷达探测资料,建立基于双偏振雷达参量强弱(即ZH、ZDR和KDP)的本地化混合降水反演方法,对不同降水使用最优的雷达参量进行定量降水估测,统计广东龙门县2016年雨滴谱观测资料,得到降水估测公式中的系数,分析不同时间、空间和降水强度下降水个例,利用本地化降水反演方法产生的定量降水估计结果与雨量计观测资料对比。结果表明,高时空分辨率的X波段相控阵雷达可以提高降水估测精度。X波段相控阵雷达在高时间分辨率下,其估测降水强度变化趋势和自动站观测的降水强度变化趋势一致,并且对降水强度小于40 mm/h的降水估测较为准确。在最大观测范围内,X波段相控阵雷达能观测到低层的气象信息,其降水估测的评估结果优于S波段雷达。X波段相控阵雷达对暴雨以下的降水估测更加准确,对暴雨以上的降水估测结果误差较大,可信度不高。

山东省S波段与C波段天气雷达回波强度的对比分析

山东省济南市的S波段天气雷达与泰山山顶处的C波段雷达相距67 km。为了定量分析两部雷达扫描观测的回波强度在不同个例中的差异程度,从2007—2010年两部雷达观测中选出10次有明显回波的个例,对3个高度的CAPPI及相同观测区域的格点化回波强度资料进行对比分析。结果表明:10次个例的整体对比中,两部雷达在3个高度(2、3、4 km)的CAPPI回波强度资料的概率密度有较好的相似性;两部雷达回波强度均值随着选取高度增加而增大,每个高度上S波段均值较C波段大2 dBz左右。其中,6次降雨个例3 km的CAPPI资料对比中,一次平均强度小于30 dBz的降水过程,且强回波所占比例较小,C波段雷达衰减小,两部雷达测量回波强度一致性最好;其余5次过程中,S波段雷达测量的平均回波强度值均在30 dBz以上,且强回波所占比例较多,C波段由于衰减等原因,两部雷达的测量存在不同程度的差异。

S波段-X波段雷达联合观测在厦门局地短时强降水过程中的应用分析

利用S波段双偏振雷达(SPOL)、X波段相控阵雷达(XPAR)两种新一代天气雷达观测数据,采用多普勒雷达风场反演技术,对2021年5月18日厦门市局地短时强降水过程进行分析。结果表明:(1)此次过程发生在低空西南急流和冷空气交汇影响区域内,低层风速的脉动及列车效应是局地短时强降水发生发展的重要因素。(2)雷达对比分析显示,SPOL显示更杂乱,垂直结构分辨率低,存在低层盲区,但能较好地捕捉到强降水的云微物理特征,还清楚地显示了两个较强降水阶段的特征差异;XPAR则可以清晰显示回波单体生成发展的演变过程。利用XPAR雷达组网,可以有效地提高SPOL低层盲区观测能力。XPAR也同时出现了回波偏强、强回波后的衰减、速度图中大风区的表现欠佳及强回波高度较低、垂直结构中双偏振特征与回波特征对应度较差等问题。两个雷达对回波悬垂、弱回波区的ZDR柱及强回波中心低层ZDR跃增均有体现。(3)多雷达风场反演结果显示,强回波上游形成的明显辐合导致不断有新生单体形成并向下游移动,促进列车效应的加强。同时进一步证实,在较强的西南暖湿气流环境下,列车效应中沿回波传播方向的垂直运动会呈现出上升-下沉运动交替出现的传播性波动特征。

Morse-3型S波段测波雷达比对试验结果分析

为了评价Morse-3型S波段测波雷达试验数据的有效性和实际观测效果,在遮浪岛附近以MKIII型波浪骑士浮标作为比对仪器进行试验。比对结果显示,所有参数的测量结果均略高于比对仪器的测量结果,且两者的相关性较好,平均波高和对应波周期测量结果最好。波高数据相关系数为0.936,误差介于（-0.1～0.1）m和（-0.2～0.2）m的概率分别为58.59%和99.38%;波周期误差介于（-1.5～1.5）s的概率为64.18%,误差标准偏差为0.50 s。

X波段移动雷达与S波段新一代天气雷达产品比对分析

为探究、验证X波段移动雷达系统及其回波数据实用性,利用X移动雷达在台风外围云系降水天气过程(2016.7.9)进行探测作业并收集观测数据,对移动雷达观测范围100 km内的回波信息进行研究分析,同时将其与S波段天气雷达同一时间段内探测到的速度场、强度场及对应测站雨量数据等资料进行数据分析,比对两部雷达观测结果的差异及原因。结果表明:X波段移动雷达与S波段新一代天气雷达相比,X波段雷达对气象目标物有灵敏的探测能力,X波段雷达比S波段雷达能探测到较好的空间分辨率和较低的地杂波。但是X波段雷达因探测降水时衰减严重,因此在60 km的探测范围内,X波段雷达回波强度略强,之后随之减弱。在探测降水的移动过程及强度变化趋势,与S波段雷达的探测结果基本一致。X波段移动雷达在S波段雷达故障或探测不到的地方,具有替代S波段雷达的应急作用,能够作为填补S波段雷达探测盲区的一种方法。

S波段相控阵天气雷达与新一代多普勒天气雷达定量对比方法及其初步应用

受外场试验条件的限制,相控阵天气雷达在测试过程中难以与用于对比的多普勒天气雷达保持相同位置,造成不同雷达之间的观测资料无法直接对比。为了较全面地分析该情况下相控阵天气雷达的探测能力,提出了针对不同地理位置不同分辨率的雷达反射率因子匹配方法和观测资料的定量对比方法。初步使用该方法对2010年5月21日的S波段相控阵天气雷达(SPAR)与相距54 km的南京新一代多普勒天气雷达(CINRAD/SA)观测资料进行了结构的对比及数值的分析。结果表明:(1)S-PAR的回波结构与位置均较为合理,与CINRAD/SA相比反射率因子测量偏差很小,未受地物影响的径向速度较为接近,同时单波束发射4波束同时接收的扫描方式大大节约了扫描时间;(2)S-PAR受宽波束的影响,100 km外的回波出现了明显的平滑现象,难以探测到细微结构;(3)S-PAR的灵敏度比CINRAD/SA差,100 km处的最小可测反射率因子偏高16 dBz,通过相同灵敏度的模拟后发现S-PAR较差的灵敏度是造成回波结构差异的主要原因;(4)提出的经纬度匹配方法较好地将不同位置下的雷达资料对应起来,经纬度匹配后在垂直方向的不同处理方式得到的结果存在细微差异,基于采样体积的平均方法取得的效果最佳。

广州S波段双偏振雷达数据质量初步分析

广东省已经通过新布设或对CINRAD\SA雷达的升级改造完成5部S波段双偏振雷达的业务运行。受目前双偏振雷达技术水平限制,双偏振雷达偏振量很不稳定,因此偏振雷达资料使用前需要对数据可用性、偏振量的系统偏差等进行初步分析,以保证偏振雷达后续产品的可靠性。使用广州S波段双偏振雷达稳定运行后的2016年7—8月连续观测资料,分析了噪声对零滞后相关系数ρ_(HV)(0)及差分反射率因子Z_(DR)的影响和订正效果。结果表明:当SNR小于20.0 dB时,偏振参量ρ_(HV)(0)和Z_(DR)的稳定性变差,数据不可用;噪声订正后,数据可用的SNR阈值减小为17.0 dB。进一步分析了经过噪声订正后的Z_(DR)和ZH之间的关系,并与雨滴谱反演结果及理论值进行对比。结果表明:广州雷达Z_(DR)较雨滴谱反演值和理论值均偏小,Z_(DR)观测值存在系统偏差。结合广州的气候特征,对偏振量系统误差估计的微雨滴法的指数进行了调整,基于此方法分析了Z_(DR)、初始相位Φ_(DP)(0)的系统误差随方位角的变化。结果表明:Z_(DR)系统误差随方位角在-0.29~0.22 dB之间波动,剔除遮挡后的平均偏差为-0.09 dB,与实测Z_(DR)值和雨滴谱反演值及理论值对比偏小的结论一致,但偏差大小有区别;同时,Φ_(DP)(0)随方位角有4°左右的波动。分析还发现Z_(DR)、Φ_(DP)(0)系统误差有随时间波动的特征。最后挑选个例对Z_(DR)进行噪声和系统误差订正后发现,订正后的Z_(DR)得到改善。这些初步分析和结果对S波段双偏振雷达数据的使用有一定的参考意义。

北京S波段天气雷达夜间晴空回波产生原因

S波段天气雷达在夜间往往能探测到大量晴空回波。根据生物随风迁飞迁徙的定向运动特征,结合L波段无线电探空数据与2018年3—10月北京S波段天气雷达数据,分析晴空回波在不同时段、不同风向下的变化,讨论晴空回波产生原因。通过天气雷达数据发现,晴空回波的反射率因子在6—8月初明显小于5月与9月,呈回波强度低谷,同时在5月与9月晴空回波高度可达2 km以上。通过与100 m,750 m和1.5 km高度的探空风向数据对比,反射率因子平均值未展现生物定向迁飞活动所导致的强度变化特征,反射率因子分布不随风向发生明显的季节性变化。与探空数据对比发现,温度垂直递减率与水平风切变大小的变化趋势与组合反射率因子变化趋势一致,认为北京地区晴空回波主要由大气边界层湍流造成。

S波段天气雷达同频干扰实验与数据分析

借助福建省厦门市两部S波段天气雷达,使用频点和信号类型不同的干扰源开展同频干扰实验,分析连续波信号、脉冲同频同步和脉冲同频异步等3种类型干扰信号的差异;根据干扰源发射端增加窄带滤波器前后信号频谱宽度的变化,分析滤波器对干扰信号的抑制程度。研究结果表明,雷达对3种干扰源的同频干扰抑制能力均超过50 dB,窄带滤波器能够明显减小干扰源的频谱宽度。

S波段双线偏振雷达差分相移率自适应计算研究

业务用S波段双线偏振雷达受地物干扰和非均匀充塞(简称NBF,下同)影响会造成定量估测降水等方面的应用误差。该文设计了一种自适应计算差分相移率的方法,即对差分相位数据退相位折叠处理后,针对是否非NBF径向,分别利用信噪比和相关系数进行气象和非气象回波的识别并订正NBF径向相关系数。再对径向差分相位进行9阶和25阶平滑滤波。最终通过反射率和订正后的相关系数选择9点或25点最小二乘法(LS)计算差分相移率。其结果表明:差分相位折叠是影响差分相位数据质量及后续差分相移率计算的因素之一;本文提出的方法能够有效区分NBF径向中的气象和非气象回波;NBF径向相关系数的订正方法能够改善NBF径向相关系数低估的问题;9阶和25阶滤波窗的选用在差分相位曲线适度平滑的基础上,保留正确的变化趋势;同时9点和25点LS的自适应选取,保证了差分相移率的最终计算结果更符合实际的相位变化情况。

不同尺寸冰雹S波段双偏振雷达偏振量特征统计

冰雹大小影响天气灾害的程度,为发展基于双偏振参量识别冰雹大小的算法,筛选了2019年、2020年山东省发生的33例冰雹事件,依据我国冰雹等级划分标准将其划分为小冰雹、大冰雹、特大冰雹,基于湿球0℃及冰雹融化特性确定了7个高度层,探讨了3类冰雹在不同高度层的双偏振参量分布特征,并获得了冰雹的偏振参量阈值。研究表明:在相同高度,冰雹越大雷达水平反射率因子Z_(h)中位数越大、差分反射率因子Z_(dr)中位数越小且基本为正值,但在-10~-20℃层,大冰雹的Z_(dr)中位数易呈现负值;相关系数CC中位数随冰雹增大或高度降低而减小,但特大冰雹在0℃层到H0℃-1 km(0℃层下1 km)之间由于融化比例较小CC反而会稍大;冰雹差分相移率K_(DP)中位数在0℃层以上为0°/km左右,在0℃层以下随高度降低冰雹融化而增加;大冰雹或特大冰雹基本特征是Z_(h)大、CC小、Z_(dr)小,CC可低至0.7以下,所有冰雹的Z_(dr)、K_(DP)可出现负值,小冰雹Z_(dr)大于0 dB的情况较多,特大冰雹Z_(dr)接近0 dB;-20℃层以上的Z_(h)、0~-20℃层的CC和Z_(h)、0℃层以下的CC、Z_(h)、Z_(dr)对冰雹大小比较敏感。

利用卷积神经网络开展偏振雷达定量降水估测研究

利用偏振升级改造后的广州新一代天气雷达(CINRAD/SAD)水平反射率ZH、差分传播相移率KDP、差分反射率因子ZDR和广东佛山219个地面气象自动站雨量数据,形成不同偏振量组合的8个数据集。基于卷积神经网络(CNN),建立雷达定量降水估测网络架构QPEnet,并将该架构用于雷达定量降水估测(QPE),评估结果表明:数据集通道数N的增加可降低QPEnet的定量降雨估测的均方根误差(RMSE),并提高相关系数(CORR);对于由ZH形成的数据集Z、Z_1~3 km和Z_6 min,随着通道数N的增加,数据集Z、Z_1~3 km和Z_6 min的性能逐步得到提高,数据集Z_1~3 km和Z_6 min的均方根误差(RMSE)分别是4.71和3.78,比数值集Z分别降低了1.3%和18.7%;数据集Z_1~3 km和Z_6 min的CORR分别是0.82和0.88,比数据集Z分别提高了2.5%和10.0%;对于ZH、KDP和ZDR偏振量组成的数据集里面,数据集Z_ZDR_KDP的拟合性能最好,RMSE为3.97,比数据集Z的RMSE降低了14.6%,CORR是0.86,比数据集Z提高了7.5%;分别对0.6~5 mm、5~10 mm、10~20 mm、20~30 mm、30~40 mm、40~50 mm和50 mm以上的7个降水量级的均方根误差(RMSE)、平均偏差比(MBR)、平均误差(AE)和相对误差(RE)等的统计结果表明,数据集Z_6 min降雨精度最高。

S波段气象雷达天线馈线设计与测量

馈线是雷达系统的重要组成部分。介绍了S波段8.54m天气雷达天线馈线的基本特性,提出了S波段天气雷达天线波导馈线的设计方案,论述了其设计原则及性能估算方法。最后,描述了波导馈线插入损耗和电压驻波比的测试原理和方法程序,给出了S波段8.54m天气雷达天线馈线插入损耗和电压驻波比的实测结果,测量结果满足理论设计的技术要求。

S波段天气雷达天线信号遮挡影响分析

天线是天气雷达系统的重要组成部分。介绍了S波段天气雷达系统的基本特性,重点提出了避雷针对天气雷达天线信号的影响分析,论述了其遮挡天线性能分析及计算方法。描述了天线测试原理和方法程序,给出了影响天线的实测数据结果。