浅谈地物对气象雷达探测的影响及处理方法

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　　摘 要：氣象雷达站预期探测范围内的地面物体对探测的影响主要有两个方面：一方面是有一定高度的建筑物或山地对雷达波束的阻挡作用;另一方面是当雷达波束的主波瓣或旁瓣照射到地面物体时产生的回波引起对气象目标探测的干扰。从气象探测角度，这种回波称为地物杂波。本文分别叙述了它们的影响及处理方法，重点介绍了地物杂波的影响及处理方法。
　　关键词：地物;气象雷达;探测;影响及处理
　　气象雷达站预期探测范围内的地面物体对探测的影响主要有两个方面：一方面是有一定高度的建筑物或山地对雷达波束的阻挡作用;另一方面是当雷达波束的主波瓣或旁瓣照射到地面物体时产生的回波引起对气象目标探测的干扰。从气象探测角度，这种回波称为地物杂波。
　　一、地物阻挡的影响及处理方法
　　当雷达周围存在一定高度的山地或高大建筑物时，波束将受到阻挡，既会出现地物杂波又会影响阻挡方向的有效探测。为此，雷达站阵地选址、天线架设时需要充分考虑到净空条件，特别是危险天气来向的净空条件十分重要。即使这样，限于复杂的客观条件，往往只能满足部分要求。因此，建站以后，必须对雷达的有效探测范围内可能阻挡雷达波束的各种地面物体进行勘测，绘制成地物阻挡图和等射束高度图，作为分析雷达探测资料的参考依据。
　　二、地物杂波的影响及处理方法
　　（一）利用地物回波图像处理
　　当雷达波束主瓣或旁瓣的能量射向地面物体时，就会有反射能量被雷达接收而作为回波显示在相应的位置上，形成地物杂波。如果雷达的分辨力比较低，则在PPI显示的中心附近杂波表现为一大片亮区。如果雷达具有很高的距离分辨力，则有可能清楚地显示出地物的结构。地物杂波与气象目标回波同时显示的结果，必然干扰对气象目标的辨认。需要对气象目标如降水等进行定量测量时，掺杂了地物杂波将会严重影响测量的精度。尽管气象目标回波本身对于探测飞机、火箭等目标的军用雷达是一种杂波，但是气象雷达的使用者从一开始就面临着排除非气象的杂波问题。
　　抑制地物杂波影响的一个简单方法是雷达建站以后，在晴空无云的天气条件下探测并存储各个不同仰角情况下的地物回波图像，作为区分气象目标和地物杂波的依据。实际探测时，在地物杂波比较多的方向辨认气象目标比较困难时，还可以抬高天线仰角到这个方向的地物阻挡角以上，这时显示的就完全是气象目标回波了。当然，应用这种方法排除地物杂波的影响，精度并不是很高。因为大气折射指数的分布式经常在变的，波束射向地面的程度也因时而异，地物回波的范围、强度也就发生相应变化。建站时探测的地物回波图像只能作为大致的参考。很显然，出现超折射时，地物回波大大增加，原有地物回波图像的可参考性就更小了。
　　（二）利用高通滤波器处理
　　随着气象雷达普遍多普勒化和信号处理技术的发展，消除地物杂波有了新的进展。由地物杂波的谱分析表明，地物杂波的多普勒谱线集中零频附近。采用一种高通滤波器对雷达接收分系统送到信号处理分系统的线性I、Q信号先进行滤波，滤去其中属于地物杂波的低多普勒频率部分，而使含有气象信息的高多普勒频率部分能够几乎无衰减地通过，然后进行FFT或PPP处理，可以达到消除地物杂波干扰的目的。
　　高通滤波器是多种滤波器中的一种。对用于数字信号处理的数字滤波器来说，滤波的过程实质上是一个计算的过程，它将输入信号的数字序列按照预定的要求转换成输出序列。它的设计过程通常是按照要求，规定一个理想的衰减特性，然后用一个可以实现的有理函数来逼近这个特性，再经过软件或硬件方式来实现这个函数值的实时演算，输出预期的序列。用软件方式实现就是借助于计算机，用机器语言、汇编语言或其他高级语言编写的程序来完成滤波运算过程。用硬件方式实现就是以延迟器、加法器和乘法器等数字组件作为基本部件构成专用的数字滤波器来完成输入数列到输出数列的转换。现行多普勒气象雷达一般采用无限冲击响应（IIR）椭圆数字滤波器。这里“无限”指处理的是无限长的数字序列，“冲击响应”指对很窄的脉冲信号的响应，“椭圆”一词来源于用来逼近衰减特性的是椭圆函数。由于在运算过程中实现的输出序列，不但是现在输入和过去输入的序列的函数，还是过去输出序列的函数，相当于电路中具有反馈支路，因此又称为“递归型数字滤波器”。这种滤波器可以采用时域方法处理数据而无需对信号进行谱分析，便于以流水方式快速实时处理数据，并且同其他形式的滤波器比较，还具有通带纹波小、过渡带陡直等优点。为了使特性曲线过渡带更加陡直、通带和阻带纹波加密，以取得既滤去地物杂波又尽量减少对有用气象目标回波信息的损失，可以选择合适的椭圆滤波器的阶数n。一般而言，随着阶数n的增加，滤波效果越好，但所用的部件越多，运算量也会随之增加。
　　三、结语
　　目前国内多普勒气象雷达采用三阶、四阶或五阶，并且滤波器的凹口宽度和凹口深度往往设计成多档，用户使用时可根据需要进行选择。使用这种设计的主要原因是：尽管地物杂波的多普勒频率（速度）在0值附近，但其谱宽还是随着风速（引起树、草等植被的摇晃）和天线转速的增大而变宽。另外，数据处理过程中产生的误差和雷达系统频率稳定度也对地物杂波的谱宽产生一定的影响。因此，气象雷达用户应该根据探测当时的风速、天线转速等实际情况，选择适当的滤波器凹口宽度和凹口深度，以求尽可能理想地消除地物杂波。实际上，依靠滤波器未必能做到既把所有地物杂波消除掉又使气象目标信息不受损失。因此，熟知本站雷达各种工作状态时的性能，累积各种天气条件下区分地物杂波和气象目标的经验仍是十分重要的。
　　参考文献：
　　[1]李腾伟.X波段天气雷达地杂波滤波技术[D].国防科学技术大学，2016.
　　[2]庄健.机载气象雷达地杂波抑制技术研究[D].南京航空航天大学，2012.
　　作者简介：王宁（1994-），女，汉族，山东济南人，大专，研究方向：气象雷达。
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