一种风廓线雷达信号处理方法技术

本发明专利技术公开了一种风廓线雷达信号处理方法，其包括如下步骤：S1：采集风廓线雷达的原始功率谱数据；S2：对步骤S1中采集的原始功率谱数据进行基本处理；S3：对步骤S2中进行基本处理后的功率谱数据分别进行波峰位置的识别及是否具有气象意义的判别，并记录具有气象意义的信号谱的波峰位置和强度；S4：对步骤S3中的具有气象意义的信号谱中进行湍流信号的识别。本发明专利技术的风廓线雷达信号处理方法,不仅解决的现有算法中降水期间数据缺失的问题，同时也验证了该方法反演水平风场的可靠性。证了该方法反演水平风场的可靠性。证了该方法反演水平风场的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
的情况。
[0012]对于垂直波束，因雨滴实际下落速度是雨滴下落末速度(垂直气流速度为0时的雨滴下落速度)与垂直气流速度的矢量和，因而降水谱总是伴随湍流谱。若定义垂直速度向下为正，降水谱峰总位于湍流谱峰的右侧。对于倾斜波束，降水天气下的回波信号包含风速、垂直气流速度、雨滴下落末速度三者在倾斜波束方向的投影。由于各波峰代表的气象信息不能根据相对位置确定，湍流信息识别不准确会导致径向速度值出现一定程度的偏差，径向速度又决定着风的大小和方向，因而降水天气下，风场的反演常会受到严重影响。图2(a)、(b)、(c)分别为“单峰谱”、“双峰谱”、“三峰谱”的功率谱密度实测图，横坐标为速度，纵坐标为功率谱密度相对值，fft序列数与速度值一一对应。
[0013]目前，国内外在风廓线雷达功率谱受降水干扰方面的研究较少，且具有一定的局限性，有些技术人员利用降水和晴空时风廓线雷达具有的不同谱矩特征通过径向速度、谱宽等判断数据是否受降水污染，但对受降水污染的数据并没有进行有效的质量控制；有些技术人员依据风廓线雷达功率谱再分析方法和探测原理，进行了降水天气下数据填补和再处理，但是不能解决预报预警业务中对风廓线雷达数据的需求；还有技术人员利用返回信号功率谱中降水谱和湍流谱两峰值连接的最低点对二者进行分割，但此种分离方法时常误差较大；有些技术人员根据谱平均次数足够多时原始功率谱中湍流谱和降水谱均趋于高斯型的统计学原理，从混合叠加的功率谱中识别并分离出湍流谱并用于风场反演，使风场反演质量得到提高，但是该方法忽略了“多峰谱”(功率谱中出现多个谱峰)的情况。为此，亟需对风廓线雷达信号处理方法进行研究。

技术实现思路

[0014]为此，本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术中，对利用风廓线雷达信号对降水预测时存在的上述不足，进而提供一种风廓线雷达信号处理方法。
[0015]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0016]一种风廓线雷达信号处理方法，其包括如下步骤：
[0017]S1：采集风廓线雷达的原始功率谱数据；
[0018]S2：对步骤S1中采集的原始功率谱数据进行基本处理；
[0019]S3：对步骤S2中进行基本处理后的功率谱数据分别进行波峰位置的识别及是否具有气象意义的判别，并记录具有气象意义的信号谱的波峰位置和强度；
[0020]S4：对步骤S3中的具有气象意义的信号谱中进行湍流信号的识别。
[0021]优选的，所述步骤S2中的基本处理包括去噪声和谱数据平滑处理。
[0022]优选的，所述去噪声处理方式为：在功率谱fft数据中，取前50*(fft数/512)个功率谱数据，找最大值作为噪声值；用功率谱数据减去噪声值去噪，负值设置为0；去噪声后找到非零信号区间，及研究区域的起始位置和终止位置，作为信号区间。
[0023]优选的，所述谱数据平滑处理的方式为：对去噪声后的功率谱曲线进行20次的3点滑动平均，使得曲线光滑，极值点突出。
[0024]优选的，所述步骤S3中寻找波峰个数至少为三个，寻找方式为：对于平滑后的功率谱序列，首先找到序列的最大值点作为第一极大值点，再从两侧分别寻找两个第一极小值点，并暂置两个第一极小值点之间的功率谱为0值；然后找到新序列的最大值点作为第二极
大值点，再从第二极大值点的两侧分别寻找两个第二极小值点；然后再暂置两个第二极小值点之间的功率谱为零，在新序列中寻找第三极大值点；对寻找到的若干个极大值点进行气象学意义波峰的识别。
[0025]优选的，对若干个极大值点进行气象学意义波峰的识别方法为满足如下条件：a.信号谱谱宽大于等于3m/s；b.相应最大极值点处的信号强度大于等于该最大极值点到相邻极小值点强度差的1/3；c.信号谱彼此独立，相邻极大值点间的间距大于信号区间总长度的1/4；记录满足上述三个信号普条件的极大值点数量、位置及强度。
[0026]优选的，对具有气象意义的信号谱中进行湍流信号的识别包括对垂直波束中湍流信号的识别和对倾斜波束中湍流信号的识别。
[0027]优选的，对垂直波束中湍流信号的识别方式为：对垂直波束具有气象意义的波峰为单峰或双峰；若为双峰时满足左侧信号谱为湍流谱；若本高度为双峰，相邻高度为单峰，则由相邻高度单峰谱的波峰位置确定本高度上代表湍流谱的波峰。
[0028]优选的，在倾斜波束中湍流信号的识别，根据其具有气象学意义的波峰数量及波束方向，东西方向波束按如下方式进行：
[0029]A.若东西方向波束均为“单峰谱”，则东西波束均未受降水影响，通过公式
[0030]分别计算出东西方向波束的径向速度，
[0031]其中，M0为信号0阶矩，M1为信号一阶矩，s
i
为第i点功率密度值，v
i
为第i点速度值，k为功率谱FFT点数，再通过公式
[0032][0033]计算出水平风u分量，
[0034]其中，V
re
、V
rw
分别为东西方向的径向速度，θ为倾斜波束与垂直方向夹角，u为水平风的东西方向分量；
[0035]B.若东西方向波束一边为“单峰谱”，另一边为“双峰谱”或“三峰谱”，则采用“单峰谱”的一侧结合垂直波束计算u分量；
[0036]当东波束为“单峰谱”时用公式
[0037][0038]计算出东波束的径向速度，用公式
[0039][0040]计算出水平风u分量；
[0041]西波束为“单峰谱”时采用公式
[0042][0043]计算出西波束的径向速度，用公式
[0044][0045]计算出水平风u分量；
[0046]其中，ω
z
为经过质控后的垂直径向速度；
[0047]C.若东西波束均为“三峰谱”，则通过公式
[0048][0049]分别计算出东西方向波束的径向速度，再通过公式
[0050][0051]计算出水平风u分量；
[0052]D.若东西方向波束均为“双峰谱”，则分如下两种情况：
[0053]a.若东西方向波束有一侧的波谱为负值，则认为负值波谱为湍流谱，可以表示水平波束的湍流信息，利用存在负值波谱的倾斜波束结合垂直波束的湍流谱，按照上述方式B进行计算得到水平风u分量；
[0054]b.若东西方向波束的“双峰谱”均为正值，则认为两侧均具有较强的下沉速度，水平风量级相对较小，这种情况类比垂直波束，认为两波峰左侧为“湍流谱”，右侧为“降水谱”，上述方式A进行计算得到水平风得到u分量；
[0055]E.若东西方向波束一边为双峰谱，另一边为三峰谱，分如下两种情况：
[0056]a.若垂直速度为正值，三峰谱中最左侧的波谱横坐标为负值，根据垂直波束的湍流谱判断垂直速度的正负，若垂直速度为正值，则三峰谱中横坐标为负值的波峰代表水平风场的倾斜分量，以此波峰的横坐标作为倾斜波束的径向速度，按照上述方式B进行计算得到水平风u分量。
[0057]b.在不满足a的条件下，则认为横坐标绝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种风廓线雷达信号处理方法，其特征在于包括如下步骤：S1：采集风廓线雷达的原始功率谱数据；S2：对步骤S1中采集的原始功率谱数据进行基本处理；S3：对步骤S2中进行基本处理后的功率谱数据分别进行波峰位置的识别及是否具有气象意义的判别，并记录具有气象意义的信号谱的波峰位置和强度；S4：对步骤S3中的具有气象意义的信号谱中进行湍流信号的识别。2.根据权利要求1所述的风廓线雷达信号处理方法，其特征在于：所述步骤S2中的基本处理包括去噪声和谱数据平滑处理。3.根据权利要求2所述的风廓线雷达信号处理方法，其特征在于：所述去噪声处理方式为：在功率谱fft数据中，取前50*(fft数/512)个功率谱数据，找最大值作为噪声值；用功率谱数据减去噪声值去噪，负值设置为0；去噪声后找到非零信号区间，及研究区域的起始位置和终止位置，作为信号区间。4.根据权利要求2所述的风廓线雷达信号处理方法，其特征在于：所述谱数据平滑处理的方式为：对去噪声后的功率谱曲线进行20次的3点滑动平均，使得曲线光滑，极值点突出。5.根据权利要求1所述的风廓线雷达信号处理方法，其特征在于：所述步骤S3中寻找波峰个数至少为三个，寻找方式为：对于平滑后的功率谱序列，首先找到序列的最大值点作为第一极大值点，再从两侧分别寻找两个第一极小值点，并暂置两个第一极小值点之间的功率谱为0值；然后找到新序列的最大值点作为第二极大值点，再从第二极大值点的两侧分别寻找两个第二极小值点；然后再暂置两个第二极小值点之间的功率谱为零，在新序列中寻找第三极大值点；对寻找到的若干个极大值点进行气象学意义波峰的识别。6.根据权利要求5所述的风廓线雷达信号处理方法，其特征在于：对若干个极大值点进行气象学意义波峰的识别方法为满足如下条件：a.信号谱谱宽大于等于3m/s；b.相应最大极值点处的信号强度大于等于该最大极值点到相邻极小值点强度差的1/3；c.信号谱彼此独立，相邻极大值点间的间距大于信号区间总长度的1/4；记录满足上述三个信号普条件的极大值点数量、位置及强度。7.根据权利要求6所述的风廓线雷达信号处理方法，其特征在于：对具有气象意义的信号谱中进行湍流信号的识别包括对垂直波束中湍流信号的识别和对倾斜波束中湍流信号的识别。8.根据权利要求7所述的风廓线雷达信号处理方法，其特征在于：对垂直波束中湍流信号的识别方式为：对垂直波束具有气象意义的波峰为单峰或双峰；若为双峰时满足左侧信号谱为湍流谱；若本高度为双峰，相邻高度为单峰，则由相邻高度单峰谱的波峰位置确定本高度上代表湍流谱的波峰。9.根据权利要求7所述的风廓线雷达信号处理方法，其特征在于：在倾斜波束中湍流...

【专利技术属性】
技术研发人员：林晓萌，何平，尉英华，陈宏，
申请(专利权)人：天津市气象台，
类型：发明
国别省市：