一种基于模糊逻辑的双偏振多普勒天气雷达地物杂波抑制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于遥感技术领域，是一种基于模糊逻辑的双偏振多普勒天气雷达地物杂 波抑制方法。
【背景技术】
[0002] 天气雷达体扫过程中低仰角上常出现强地物杂波，使雷达反射率基数据难以准确 地指导定量降水预报和预测危险天气。双偏振多普勒天气雷达相比常规多普勒天气雷达， 能探测到粒子的偏振、相态、形状等信息，因此得到了广泛应用。双偏振多普勒天气雷达探 测的差分反射率因子、差分传播相移、相关系数等信息也能充分反映出探测到的地物信息。 刘黎平等[刘黎平，吴林林，杨引明.基于模糊逻辑的分步式超折射地物回波识别方法的建 立和效果分析[J].气象学报，2007，（2): 252-260.]应用常规天气雷达的强度、速度、谱宽信 息，采用分步式的模糊逻辑方法进行地物杂波抑制。但其分步式方法加大了算法的复杂性 和运算量。若采用单步式方法，则在特定阈值条件下会出现未抑制或过抑制现象。因此需要 寻找一种去杂效果好、算法简单的地物杂波抑制方法。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种基于模糊逻辑的双偏振多普勒天气雷达地物杂波抑 制方法，以双偏振多普勒天气雷达探测数据为基础实现数据中地物杂波的抑制。
[0004] 本发明的技术方案是:一种基于模糊逻辑的双偏振多普勒天气雷达地物杂波抑制 方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
[0005] 步骤1、将双偏振多普勒天气雷达提扫数据处理成360个间隔为1°的径向线，每条 径向线上的数据包括强度、平均多普勒速度、谱宽、差分反射率因子、差分传播相移和相关 系数7个回波特征物理量数据；
[0006] 步骤2、设置7个分别包含强度、平均多普勒速度、谱宽、差分反射率因子、差分传播 相移、相关系数的物理量，即回波强度径向变化、回波强度方位向变化、平均多普勒速度区 域方差、谱宽区域平均值、差分反射率因子区域平均值、差分传播相移区域平均值、相关系 数径向变化，并为该设置的7个物理量构建相应的隶属函数，将该7个物理量模糊处理为0-1 之间的模糊值；
[0007] 步骤3、将7个模糊结果赋予相应权值(每个权值取值在0-1之间，权值之和为1)并 累加得到某回波点的地物杂波判据；当某回波点的判据大于阈值，则该点的强度回波为地 物杂波；
[0008] 步骤4、由各个回波点的地物杂波判据对双偏振多普勒天气雷达地物杂波进行抑 制，再采用体扫数据中上一层对应点的回波强度值补偿当前层杂波抑制后的空洞。
[0009] 步骤1中所使用的处理方法为线性插值，其公式为：
[0011] 其中：（凡久妙表示球坐标系中的某一点，R为斜距，Θ为方位角，供为仰角，θκ，θ,， Qi+i表示相邻方位角，足艮供)_表示7个物理量中的某个物理量在点_(Β,.伏的上的值。
[0012] 步骤2中所设置的7个物理量与雷达探测数据的关系为 [0013]回波强度径向变化
[0029] 以上各式中，Z，V，SW，ZDR，KDP，PHV分别表示回波强度、平均多普勒速度、谱宽、差 分反射率因子、差分传播相移和相关系数。对于与强度、差分反射率因子、相关系数相关的 物理量，取Na= 3，Nr = 3;对于与多普勒径向速度、谱宽、差分传播相移相关的物理量，取Na= 3，Nr = 9〇
[0030] 隶属函数将回波特征物理量模糊处理成[0，1]范围的值，简称模糊化，并赋予权值 得到地物杂波判据;判据的值越大表示杂波的可能性越高。根据杂波和气象回波特征量的 概率分布特点，采用T型函数作为隶属函数的基本形式，以最能区分出杂波和降水回波为原 贝1J，设计出隶属函数。
[0031 ]以上7个物理量对应的隶属函数分别为：
[0046] 步骤3中将所求的各物理量的模糊结果加权求和得到某个回波点的地物杂波判据 T，其计算公式为：
[0047]
[0048] 其中，^^^分别为相应模糊结果的 权值，其取值因不同雷达型号、站点而异;7个权值均设定为0.05的倍数，根据雷达站的回波 图和确定的杂波、降水回波真值资料，运用BP神经网络进行相应调整。
[0049]引入两个判断标准：
[0050]准确率=准确识别的地物数/真值资料数 [0051 ]误判率=误判为降水的地物数/真值资料数 [0052]定义:临界成功指数CSI =准确率X (1-误判率）。
[0053]在此基础上，运用BP神经网络调整权值，得到CSI最接近1的一组权值作为该站点 的权值。通过公式（15)求出各回波点的判据T，由判据对各点回波强度数据进行判别，若判 据大于0.5则认为是地物杂波，否则认为是降水回波。
[0054] 步骤4中采用上一层对应点的回波强度值补偿当前层杂波被删除后的空洞。其采 取方法为：
[0055] 比较当前层与上一层对应点的回波强度值，若当前层的原始回波强度数据与上一 层的原始回波强度数据差值在5dBz之内（包括5dBz)，且当前层的该点回波被确定为地物杂 波而删除，则用上一层对应点的回波强度数据代替当前层该杂波点的回波强度值。否则直 接将当前层该点的回波强度值置零。具体流程如附图（1)所示。
[0056]本发明有益效果，本方法首先对雷达体扫数据进行预处理，将雷达数据处理成间 隔为1°的360个径向的常规雷达强度、平均多普勒速度、谱宽数据，以及360个径向的差分反 射率因子、差分传播相移和相关系数数据。最后将得到的模糊值赋予相应权值并累加，得到 每个点的杂波判据，通过此判据识别并抑制杂波。本发明充分利用双偏振多普勒天气雷达 的偏振信息，能有效解决仅使用常规雷达数字信息带来的降水回波被过抑制的问题。针对 双偏振多普勒天气雷达，提供了一种基于模糊逻辑的地物杂波抑制方法，本发明较好地实 现了地物杂波的抑制，避免了未抑制或过抑制。
【附图说明】
[0057]图1是本发明的地物杂波抑制方法的操作流图。
[0058]图2是地物杂波抑制的效果个例，其中图2中a是去杂、b是原始地物杂波。
[0059] 图3是包含地物杂波的第一层原始回波。
[0060] 图4是本方法改善过抑制效果的比较个例，图4中a本发明结果、b是原始单步法。
【具体实施方式】
[0061] 本发明提供了一种基于模糊逻辑的双偏振多普勒天气雷达地物杂波抑制方法，结 合附图1，本发明的方法具体为：
[0062] 1、数据与处理
[0063]使用线性插值方法，将不规则的雷达体扫数据插值成规则360根径向线的Z，V，SW， ZDR，KDP，PHV数据，符号分别表示回波强度、平均多普勒速度、谱宽、差分反射率因子、差分 传播相移和相关系数。
[0064] 2、模糊处理
[0065] 按照公式（1)~（7)设置7个物理量，即回波强度径向变化、回波强度方位向变化、 平均多普勒速度区域方差、谱宽区域平均值、差分反射率因子区域平均值、差分传播区域平 均值、相关系数径向变化。将所求取的7个物理量分别按照公式(8)~（14)的隶属函数模糊 处理到[0-1]之间。对于双偏振多普勒天气雷达体扫数据中每一个点均按该方法设置。每个 点的模糊结