一种基于S波段双偏振天气雷达的海浪回波识别方法与流程

本发明属于雷达回波信号处理，特别是涉及一种基于s波段双偏振天气雷达的海浪回波识别方法。

背景技术：

1、新一代多普勒天气雷达探测降水粒子信息的同时也会探测到很多非气象回波信息，例如：地物回波、超折射回波、海浪回波、同波干扰回波、飞机、群鸟等，这些非气象回波都会对采集到的降水回波造成污染，从而影响其降水估测及相关反演产品的准确性。因此需要对非气象回波进行实时地剔除。在国内方面，基数据中地物回波及超折射回波的识别，前人已经做了很多研究，也已经形成了非常成熟算法。

2、在沿海地区，经济相对比较发达，人口众多，受自然灾害的影响较大(如：台风)。因此，现阶段我国在沿海地区布设了多部雷达，其中基本都是s波段雷达，对沿海天气过程进行全面实时监控。在这些雷达观测降水过程中，除了受到内陆雷达中常见非气象回波影响之外，还经常会受到海浪回波的影响，这些回波都会造成其降水估计及相关产品的误判。

3、对于海浪回波的识别算法，在国外这方面，虽然做了一定的研究，但相应的研究工作还是较少；一些专家提出了自动处理雷达基数据的方法，如早期的海浪回波识别主要依靠回波的垂直变化利用区域非断裂廓线的出现频率剔除超折射海浪回波，steiner等(2002)利用决策树方法研究一系列反射率参数，认为雷达回波的垂直伸展、反射率因子场的水平变化和反射率的垂直梯度最有用。kessinger等(2002，2003)在steiner的技术基础上，提出了采用模糊逻辑算法的雷达分类技术。综合使用回波强度、径向速度和速度谱宽识别地物、海浪回波模糊逻辑方法已应用于wsr-88d天气雷达orpg(open radar productgenerator)系统中。zhang等(2004)提出在计算反射率垂直梯度时，将steiner算法中的仰角改为高度，实际高度的使用显著减小了波速随距离的展宽影响。berenguer等(2005，2006)通过分析受超折射回波影响区域，将其作为参数加入模糊逻辑算法中识别海浪回波。lakshmanan等(2003)研究提出了基于神经网络(neural network)的雷达质量控制技术。随着双线偏振雷达不断发展，在模糊逻辑方法中加入双线偏振参量，能较好地识别地物、超折射等非气象回波。一些专家综合利用卫星和雷达资料进行地物、海浪和晴空回波的识别和剔除。在国内方面，对于海浪回波的识别和剔除还处于起步阶段，几乎还没有前者对基数据中海浪回波的识别算法进行相关的研究，大多集中多普勒天气雷达参量条件下进行识别处理，存在一定的误判率和漏判率，该算法难以满足当前精细化天气监测识别的业务需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于s波段双偏振天气雷达的海浪回波识别方法。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于s波段双偏振天气雷达的海浪回波识别方法，包括：

3、获取天气雷达数据；

4、解析天气雷达数据，得到雷达参量数据和极坐标参量数据；

5、基于极坐标参量数据，利用数字地形高程模型提取海面区域标识数据；

6、将雷达参量数据与海面区域标识数据进行匹配；

7、识别出海面区域标识数据中的降水回波块，并将海面区域标识数据中除降水回波块以外的其余回波块确定为待识别回波块；

8、提取待识别回波块中每个格点的海浪回波识别特征参量，海浪回波识别特征参量包括回波强度纹理、沿径向库间变化程度、平均径向速度、平均速度谱宽、差分反射率纹理、差分传播相移纹理和相关系数；

9、分别将每个海浪回波识别特征参量作为输入参量输入不对称梯形隶属函数，得到每个海浪回波识别特征参量对应的判据，将每个格点对应的判据按照预设的权重进行加权求和，得到该格点的判别值；

10、基于所述判别值判断每个格点是否为海浪回波。

11、进一步地，获取天气雷达数据，包括：将s波段双偏振天气雷达设置为常规体扫探测模式vol扫描或单层ppi扫描，得到天气雷达数据。

12、进一步地，雷达参量数据包括反射率因子、径向速度、速度谱宽、差分反射率、差分传播相移和相关系数，极坐标参量数据包括雷达极坐标对应的径向数、库数和库长。

13、进一步地，基于极坐标参量数据，利用数字地形高程模型提取海面区域标识数据，包括：

14、采用数字地形高程模型对雷达观测范围内的海面和陆地区域进行区分，生成基于雷达本站为中心的对应天气雷达径向数、库数、库长的极坐标dem数据；

15、若某个格点对应的极坐标dem数据大于等于0m，则该格点为陆地区域；若某个格点对应的极坐标dem数据小于0m，则该格点为海面区域，得到雷达极坐标形式的海面区域标识数据。

16、进一步地，将雷达参量数据与海面区域标识数据进行匹配，包括：

17、按照极坐标方式排列海面区域标识数据与s波段双偏振天气雷达的雷达参量数据，以使同一回波点的回波强度、径向速度、速度谱宽、差分反射率、差分传播相移、相关系数、海面区域标识数据一一对应。

18、进一步地，识别出海面区域标识数据中的降水回波块，并将海面区域标识数据中除降水回波块以外的其余回波块确定为待识别回波块，包括：

19、基于scit算法，将海面区域标识数据中强度在5dbz的回波中面积大于等于第一阈值的回波块确定为第一回波块，将海面区域标识数据中强度在5dbz的回波中面积小于第一阈值的回波块确定为第二回波块；

20、将第一比例大于等于第二阈值的第一回波块确定为降水回波块；

21、将第二回波块和第一比例小于第二阈值的第一回波块确定为待识别回波块；

22、其中，第一比例为第一回波块中对应相关系数大于第三阈值的格点的数量与该第一回波块中所有格点的数量的比值。

23、进一步地，提取待识别回波块中每个格点的海浪回波识别特征参量，海浪回波识别特征参量包括回波强度纹理、沿径向库间变化程度、平均径向速度、平均速度谱宽、差分反射率纹理、差分传播相移纹理和相关系数，包括：

24、从回波强度中提取回波强度纹理和沿径向库间变化程度；

25、从径向速度中提取平均径向速度；

26、从速度谱宽中提取平均速度谱宽；

27、从差分反射率中提取差分反射率纹理；

28、从差分传播相移中提取差分传播相移纹理；

29、其中，

30、

31、

32、其中，

33、

34、

35、其中，tdbz表示回波强度纹理；na，nr表示各个海浪回波识别特征参量的计算区域范围；zi,j表示回波强度；spin表示沿径向库间变化程度；zthresh表示库间回波强度变化的阈值；tzdr表示差分反射率纹理，zdri,j表示差分反射率；tphdp表示差分传播相移纹理，phdpi,j表示差分传播相移；ρhv表示相关系数。

36、进一步地，

37、其中，x1、x2、x3、x4是不对称梯形隶属函数的系数，x代表输入参量，t表示输入参量对海浪回波的隶属程度。

38、进一步地，基于所述判别值判断每个格点是否为海浪回波，包括：

39、若格点的判别值小于第一判别阈值，则该格点的回波为非海浪回波；

40、若格点的判别值大于第二判别阈值，则该格点的回波为海浪回波；

41、若格点的判别值大于等于第一判别阈值、且小于等于第二判别阈值，则在以待判定的格点为中心、大小为na×nr的范围内计算已判断为海浪回波和非海浪回波的格点加权判据与第三判别阈值的差值，差值大于等于0，则该格点为海浪回波，否则该格点为非海浪回波，第一判别阈值小于第二判别阈值，第二判别阈值小于第三判别阈值；

42、所述差值的计算公式为：

43、

44、其中，δt表示差值，na、nr表示在方位和距离方向定义的计算范围；ti，j为已判断为海浪回波点的判别值，ri，j为已判断为海浪或回波点到待判定的格点的距离，ts表示第三判别阈值。

45、进一步地，所述海浪回波识别方法还包括：

46、对待识别回波块进行预处理：

47、对差分传播相移进行退折叠处理；

48、对径向速度进行中值滤波，并计算径向速度值。

49、本发明的有益效果是：本发明提出了一种基于s波段双偏振天气雷达的海浪回波识别方法，相比单偏振多普勒天气雷达反演算法，本发明的方法综合识别算法更简化，不局限于体积模式下识别；同时本发明采用回波块分类识别技术及模糊逻辑逐点识别技术，有效提高了沿海区域s波段双偏振天气雷达识别海浪回波的准确率。