1、南大仙林x波段雷达强回波区相关系数变低的问题南大仙林X波段雷达在雷暴强回波区相关系数变低的问题2021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觉周围有雷暴，但发觉雷暴中强回波区域的相关系数不正常，只有。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，咱们当即对那个雷暴进行了RHI扫描，如下：注意：上图的速度范围为-16+16m/s，而不是-8+
2、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，咱们发觉的奇怪现象有：雷暴中心区的相关系数专门低，只有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）差分反射率的起伏也比较大，而且夹杂着负的值速度图和KDP的图大体正常发觉这种奇怪现象以后，咱们在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和别的雷达的对照8月19日，用在溧水的S波段双偏振雷达（重复频率为1000Hz）对南京地域的雷暴进行了观测，发觉雷暴的相关系数的值都是红色（在以上），是正常的。（能不能弄到那时溧水雷达的回波图？）在此之
3、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依照目前咱们看到的文献，国外别的波段的雷达，对雷暴的探测，没有发觉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，但作者以为是闪电造成的：（赵坤电脑上的PPT中有一张图）（在赵坤给的2021年的讲义中有一张闪电引发相关系数下降的图）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）但咱们没有发觉，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，咱们同时将IQ数据也记录下来了。下面分析8月10
4、日的IQ数据的结果。那时，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能够看出，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。第一，对搜集记录的IQ数据（文件为“500us_EL=，采纳HDF5格式），用Matlab从头进行了信号处置（Matlab编的信号处置算法和在雷达上实时运行的信号处置软件的算法是一模一样的），并绘制出图像如下（仰角为度）：图表 4 Matlab绘制的依照IQ数据计算出的强度图图表 5 Matlab绘制的依照IQ数据计算出的速度图图表 6 Matlab绘制的依照IQ数据计算出的ZDR
5、 图表 7 Matlab绘制的依照IQ数据计算出的相关系数对照Matlab计算出的结果图和雷达实时终端软件上显示的结果，能够发觉二者是一致的，在雷暴的强回波区，都有一样的奇怪现象。然后，咱们对回波进行FFT分析。第一，先看相关系数正确的回波区域的频谱分析结果，结果如下：（每一个距离点表示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相关系数随距离的转变曲线图表 10 SNR随距离的转变曲线 从上图能够看出，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
6、地址的IQ结果，结果如下：（每一个距离点表示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相关系数随距离的转变曲线图表 13 SNR随距离的转变曲线 从上图能够看出，重点看540560的频谱，发觉频谱既宽，而且有很强的点。画出550距离点（该距离处的相关系数=）的频谱的一维曲线，如下：图表 14 相关系数=的距离点的频谱曲线画出580距离点（该距离处的相关系数=）的频谱的一维曲线，如下：图表 15 相关系数=的距离点的频谱曲线对照这两张频谱曲线，咱们发觉在强回波，相关系数降低的地址，其频谱既宽，而且完全不符合高斯型，有专门强的点。5咱们疑心的几种可能缘故
7、5.1关于X波段雷达，大雨滴处于瑞利散射和米散射的交壤区当电磁波传播碰到空气分子和云、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，那么x=2*pi*r/波长=，正益处于瑞利散射和米散射的交壤区。因此，咱们疑心是由于那个缘故，造成了咱们所观看到的奇怪现象。另外，依照XX百科，对瑞利散射和米散射说明如下：瑞利散射（Rayleigh scattering）是由比光波波长还要小的气体分子质点引发的。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
8、射显得更为突出，天空一片湛蓝。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；使抵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，瑞利散射能够忽略不计。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。现在必需考虑散射粒子体内电荷的三维散布。此散射情形下，散射粒子应考虑为由许多聚集在一路的复杂分子组成，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，就组成散射波。又因为粒子尺度可与波长相较拟，因此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刻上的相位差。在子
9、波组合产生散射波的地址，将显现相位差造成的干与。这些干与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，造成散射强度转变的干与也增大。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。那个关系第一由德国科学家G.米得出，故称这种散射为米散射。它具有如下特点：散射强度比瑞利散射大得多，散射强度随波长的转变不如瑞利散射那样猛烈。随着尺度参数增大，散射的总能量专门快增加，并最后以振动的形式趋于必然值。散射光强随角度转变显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
10、大。当尺度参数很小时，米散射结果能够简化为瑞利散射；当尺度参数专门大时，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，只有效米散射才能取得唯一正确的结果。因此米散射计算模式能普遍地描述任何尺度参数均匀球状粒子的散射特点。5.2排除掉的几种缘故5.2.1闪电引发的那时，雷暴引发的闪电并非专门频繁，可能每分钟有一次闪电和雷声。因此，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，发此刻40dB左右，而这种大小的幅度，全然就可不能引发接收机或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
11、谓的“抗同频干扰”的处置。该算法的原理是：判定当前周期和前一个周期相同距离单元上的回波的幅度值，若是相差的幅度超过一个门限，那么以为是其它雷达的同频干扰，将其抑制掉。在前面的图表 11 能够看到，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，那么会可不能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，从而引发了相关系数的计算错误呢？在该雷达的信号处置程序中，门限设定为：若是幅度相差超过倍（那个倍的门限，也是RVP9的推荐值），而且超过接收机噪声的3倍，就以为是同频干扰信号，将其滤除。下面确实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=的
12、抑制结果上图中，深蓝色的点，确实是被以为是同频干扰，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=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，结果如以下图：图表 18不进行抗同频干扰处置的相关系数计算结果从上图能够得出，进行和不进行同频干扰处置，相关系数的计算结果有一点不同，但不同不大，都有在强回波区相关系数下降的问题。下面，咱们故意将门限设定为幅度相差超过倍，就以为是同频干扰。进行抗同频干扰计算，结果如以下图：图表 19抗同频干扰门限=的抑制结果上图中，深蓝色的点（被以为是同频干扰，从而进行抑制的点）就多了很多了。然后进行相关系数的计
13、算，结果如下：图表 20抗同频干扰门限=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，若是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，从而会严峻阻碍后续的参数估量。可是，这部雷达的抗同频干扰所采纳的倍的门限，仍是合理的，并无对相关系数的下降造成阻碍。5.2.4谱展宽前面对雷暴数据的IQ分析中，发觉雷暴的多普勒频谱比较宽，那么会可不能由于谱太宽了，造成IQ数据的相位折叠，从而造成相关计算中显现错误呢？于是，8月20日，咱们用4000Hz的重复频率对雷暴进行了探测，发觉相关系数仍然会显现比较低、强度起伏比较大的问题（但比2000Hz时好
14、一点，但应该是由于相关点数增加了1倍的缘故）。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 。可是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，那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疑心发射两个通道的相位一致性没有做好，造成了那个问题。但发觉这无法说明强度和ZDR的起伏专门大的现象。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，而且通过该移相器，将两个波导的电气长度调成一致了（原先并非一致，有约50度的相位差）。另外，咱们又调
15、出了8月1日的回波图（现在，发射的两个支路有50度的相位差），也有一样现象，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咱们下一时期预备用波导移相器，不断改变相位值，看一下发射两个通道的相位误差对回波到底有何种阻碍，从而能够明白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，是不是有一样的现象？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散布情形6.4用波导移相器测试发射相位误差对回波的阻碍6.5用Multi-lag算法来进行相关系数的估算7附录1：7月份
16、层状云降水的回波图，说明雷达状态大体正常在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（没通过SNR订正）图表 27 7月5日层状云降水的相关系数图（通过了依照SNR所做的订正）图表 28 7月5日层状云降水的SNR 注意：SNR的计算进程中，雷达接收机噪声的估算是利用当天线处于
17、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取得的，因此SNR的计算是超级精准的。在SNR的图中，在距离为10km处，显现一个明显的跳跃。这是由于该雷达采纳了长短脉冲频率分集的方式进行盲区补偿的缘故造成的，近距离的回波是采纳短脉冲，因此SNR自然就会低。然后，咱们将其中一个相关脉冲组的相关系数绘制成一维曲线，如下：图表 29 相关系数的一维波形图（每一个点距离上表示48m）对该相关脉冲组（共128个触发脉冲）的IQ数据进行FFT分析如下：图表 30 相关脉冲组128个触发脉冲的幅度图和频谱图从上图能够看出，相关系数大体仍是正确的，回波的谱也是正常的。同时，依照SNR来修正相关系数的成效仍是超级明显的。总之，这部X波段的雷达的本身状态是大体正常的。
