雷亞會(huì)，史　朝,2

(1. 成都信息工程學(xué)院 電子工程學(xué)院,　成都 610225) (2. 中國氣象局 大氣探測(cè)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，　成都 610225)

?

·信號(hào)處理·

提高天氣雷達(dá)探測(cè)能力的互相關(guān)方法和中值濾波技術(shù)

雷亞會(huì)1，史朝1,2

(1. 成都信息工程學(xué)院 電子工程學(xué)院,成都 610225) (2. 中國氣象局 大氣探測(cè)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，成都 610225)

摘要：應(yīng)用雙偏振天氣雷達(dá)探測(cè)天氣信號(hào)的方法備受國內(nèi)外氣象科技領(lǐng)域人員的關(guān)注。目前，雙偏振天氣雷達(dá)的雙通道同時(shí)收發(fā)體制是由功分器將發(fā)射通道的能量等分為水平和垂直兩路發(fā)射通道，其結(jié)果會(huì)使每個(gè)通道發(fā)射能量減半，又由于接收機(jī)產(chǎn)生的噪音能量是不變的，必然引起回波信噪比減弱，減弱值約為3 dB。為了避免3 dB損失帶來的不利影響，需改進(jìn)雙偏振雷達(dá)的探測(cè)性能。將雙偏振雷達(dá)回波信號(hào)中的雙通道信號(hào)間的互相關(guān)信息、單通道信號(hào)自身的信相關(guān)信息及每個(gè)信號(hào)自身的能量信息求和，再將結(jié)果與預(yù)先設(shè)置好的閾值進(jìn)行比較。如果結(jié)果大于這個(gè)閾值，就認(rèn)為這個(gè)信號(hào)是有效信號(hào)，否則就認(rèn)為它是噪聲并被濾除。文中利用X波段雙偏振天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)，對(duì)比了引入互相關(guān)算法前后的探測(cè)效果，證明利用雙通道信號(hào)互相關(guān)、單通道自相關(guān)及信號(hào)能量自身求和判斷信號(hào)是否存在的效果較好；介紹了中值濾波技術(shù)，并利用中值濾波技術(shù)去除了天氣回波中的點(diǎn)雜波，提高了雙偏振天氣雷達(dá)的探測(cè)性能。

關(guān)鍵詞：雙偏振天氣雷達(dá)；互相關(guān)方法；中值濾波；點(diǎn)雜波；氣象探測(cè)；信號(hào)與信息處理

0引言

天氣雷達(dá)是探測(cè)短臨天氣過程，進(jìn)行氣象防災(zāi)減災(zāi)的有力設(shè)備[1]。通常在實(shí)際應(yīng)用中天氣雷達(dá)在生成顯示產(chǎn)品之前要對(duì)回波進(jìn)行一系列信號(hào)與信息處理，例如：非氣象目標(biāo)產(chǎn)生的回波識(shí)別與抑制、孤立點(diǎn)雜波抑制、以及對(duì)弱回波區(qū)參量估計(jì)的誤差修正等，這些處理過程是必要的，可以幫助預(yù)測(cè)人員更好地做出預(yù)測(cè)并將天氣特征自動(dòng)識(shí)別錯(cuò)誤率降到最低[2]。

國外廣泛使用的天氣雷達(dá)WSR-88D，在投入運(yùn)行起初20年間，采用單發(fā)單收機(jī)制，只發(fā)射與接收水平偏振波，對(duì)氣象回波邊緣的處理只考慮利用信噪比與一個(gè)預(yù)先設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，若小于這個(gè)閾值，則認(rèn)為是噪聲信號(hào)并去除[3]。對(duì)于回波反射率因子產(chǎn)品，閾值設(shè)為2 dB。然而，近年來WSR-88D天氣雷達(dá)的硬件系統(tǒng)正在升級(jí)，升級(jí)后的系統(tǒng)增加了雙偏振探測(cè)能力。雙偏振探測(cè)可使預(yù)測(cè)人員更好地識(shí)別回波散射體類型，更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)降雨類型和提高降雨預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率[4]。WSR-88D雷達(dá)升級(jí)后不再采用單發(fā)單收機(jī)制，而是使用一個(gè)發(fā)射機(jī)、兩個(gè)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)同時(shí)發(fā)射和接收水平和垂直偏振波。與原來的收發(fā)機(jī)制相比，發(fā)射能量相同，但要將能量平均分給兩個(gè)發(fā)射通道，導(dǎo)致每個(gè)接收機(jī)的回波能量減半。而接收機(jī)產(chǎn)生的噪聲是不變的，這就導(dǎo)致回波信噪比降低，在WSR-88D升級(jí)后的硬件網(wǎng)絡(luò)中，信噪比降低3 dB[5]。這3 dB信噪比的降低會(huì)帶來兩個(gè)影響。第一，這將導(dǎo)致只考慮信噪比與2 dB閾值比較來判斷信號(hào)是否有效已不適用，升級(jí)前一些高于閾值的有效信號(hào)將會(huì)變?yōu)樵肼曅盘?hào)被去除。第二，對(duì)其他參量的估計(jì)錯(cuò)誤率會(huì)增加。如Scharfenberg[6]研究發(fā)現(xiàn)，如果WSR-88D升級(jí)后的系統(tǒng)仍然沿用只考慮信噪比信息估計(jì)閾值的方法來處理信號(hào)，將導(dǎo)致5.5%的天氣特征探測(cè)不到，在晴空情況下，這一現(xiàn)象更為嚴(yán)重，會(huì)有8.4%的天氣特征探測(cè)不到。這些探測(cè)不到的天氣特征大多出現(xiàn)在反射率因子強(qiáng)度較弱的區(qū)域，如一個(gè)天氣系統(tǒng)的頂部和邊緣，即探測(cè)到的天氣特征比實(shí)際的發(fā)生萎縮，給預(yù)測(cè)人員產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。使用低噪聲的接收機(jī)來增加信噪比，或者提高系統(tǒng)性能來補(bǔ)償信噪比損失，都不能完全恢復(fù)系統(tǒng)升級(jí)導(dǎo)致的信噪比降低[7]。因此，需要找到一種新的方法，來提高雙偏振雷達(dá)的探測(cè)性能，保證天氣雷達(dá)對(duì)氣象回波邊緣的弱回波的探測(cè)準(zhǔn)確性。

對(duì)于天氣雷達(dá)探測(cè)的孤立點(diǎn)雜波去除，因?yàn)樘鞖庑盘?hào)是連續(xù)的，雷達(dá)探測(cè)信號(hào)形成的回波大都存在孤立的點(diǎn)，這些點(diǎn)回波并非是氣象回波，而是一些孤立的非氣象要素產(chǎn)生的回波，如：飛機(jī)、鳥類等。它們會(huì)影響預(yù)測(cè)人員對(duì)雷達(dá)回波的分析和對(duì)天氣的預(yù)報(bào)，所以要對(duì)這些非氣象要素的點(diǎn)雜波進(jìn)行處理，濾除無效的點(diǎn)狀回波[8]。雷達(dá)探測(cè)產(chǎn)品都是以偽彩色的方式來顯示的，這里去除雷達(dá)探測(cè)信號(hào)的點(diǎn)雜波可以理解為是對(duì)雷達(dá)回波圖像上的椒鹽噪聲進(jìn)行處理，而處理圖像的濾波技術(shù)有多種，多數(shù)都屬于線性濾波，但線性濾波是低通濾波，在除去椒鹽噪聲的同時(shí)也使圖像的邊緣信息變得模糊，丟失了原本有用的信息，而降噪技術(shù)中有一種中值濾波技術(shù)是非線性濾波，它可以很好地除去圖像中的椒鹽噪點(diǎn)，又能保護(hù)圖像的邊緣信息[9]。

綜合前文的分析，對(duì)雙偏振天氣雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的處理，首先找到一種新的方法實(shí)現(xiàn)天氣雷達(dá)的探測(cè)能力，保證對(duì)天氣特征邊緣的準(zhǔn)確探測(cè)，這個(gè)方法就是下面將提到的將原來信噪比的值加上單通道時(shí)間序列信號(hào)的自相關(guān)信息和雙通道信號(hào)之間的互相關(guān)信息，求和與設(shè)定閾值比較確定回波信號(hào)的有效性。進(jìn)而，對(duì)得到的回波信號(hào)進(jìn)行中值濾波處理，去除點(diǎn)雜波。從而，改善雙偏振雷達(dá)對(duì)天氣信號(hào)的探測(cè)能力。

1技術(shù)原理描述

1.1相關(guān)方法探測(cè)原理

雙偏振雷達(dá)在兩個(gè)通道中探測(cè)到的天氣信號(hào)是高度相關(guān)的。Sachidananda和Zrnic[10]在1985年研究指出，天氣雷達(dá)測(cè)得的降雨回波信號(hào)在雙通道之間的相關(guān)性高于0.99。Doviak和Zrnic[11]在1993年的研究指出，冰雹和雪的相關(guān)性在0.96～0.99之間。對(duì)于高相關(guān)性的信號(hào)，當(dāng)僅采用信噪比估計(jì)閾值的方法時(shí)，閾值估計(jì)的概率密度函數(shù)分散，又由于閾值的平均值是固定的，這就會(huì)導(dǎo)致大量的有效信號(hào)低于閾值，造成有效信號(hào)的探測(cè)率降低。然而，加入相關(guān)性信息改進(jìn)算法后，可以使大部分原本有效卻低于閾值的信號(hào)，再次高于閾值，恢復(fù)了雙偏振升級(jí)帶來的不利影響。這就補(bǔ)充了系統(tǒng)雙偏振升級(jí)帶來的不足，既利用了目標(biāo)在不同偏振方向上存在的差異提取更多的目標(biāo)信息，又減輕了高相關(guān)性信號(hào)概率密度函數(shù)分散所帶來的不利影響[7]。

相關(guān)方法是指兩個(gè)不同的時(shí)間序列之間或一個(gè)相同的時(shí)間序列在兩個(gè)任意不相同時(shí)刻的取值之間的相關(guān)性[12]。本文的主要思路是利用單通道采樣數(shù)據(jù)的自相關(guān)關(guān)系和雙通道采樣數(shù)據(jù)之間的互相關(guān)關(guān)系來提高探測(cè)能力。首先，我們有一個(gè)函數(shù)f[Vh(0，Ts)，…，Vh(M-1，Ts)，Vv(0，Ts)，…，Vv(M-1，Ts)]，輸入變量Vh(m,Ts)和Vv(m,Ts)分別為水平和垂直通道在距離庫Ts處的采樣信號(hào)。對(duì)于本文利用相關(guān)性的改進(jìn)探測(cè)方法，函數(shù)f的組成有三部分：第一，由于水平和垂直通道有效信號(hào)和噪聲的能量是線性疊加的，所以存在有效信號(hào)的位置會(huì)高出噪聲平均水平很多，要考慮探測(cè)位置處的回波能量信息；第二，由于噪聲與噪聲之間的相關(guān)性為零，如果探測(cè)位置處存在有效信號(hào)，相關(guān)性不會(huì)為零，所以要考慮各自通道采樣時(shí)間序列的自相關(guān)信息；第三，若探測(cè)位置處存在有效信號(hào)，那么水平和垂直通道對(duì)該位置處的兩個(gè)回波值之間會(huì)高度相關(guān)，所以還要考慮雙通道的互相關(guān)信息。將這三部分組合得到函數(shù)f后，與設(shè)定的閾值比較來決定位于距離庫Ts處的回波是否為有效信號(hào)。上述各部分函數(shù)可由式(1)表示如下

(1)

式中：Ph和Pv分別表示水平和垂直通道的零階自相關(guān)；Rh(T)和Rv(T)分別表示水平和垂直通道的一階自相關(guān)；Rhv(0)表示雙通道的零階互相關(guān)。若函數(shù)f大于設(shè)定閾值則可判斷為有效信號(hào)。

1.2中值濾波技術(shù)原理

中值濾波常常用于除去圖像或者其他信號(hào)中存在的噪聲。它的思想就是檢測(cè)輸入信號(hào)的采樣信息，進(jìn)而判斷它是否屬于信號(hào)，通常使用奇數(shù)個(gè)的采樣信息組成檢測(cè)窗實(shí)現(xiàn)這一思想[13]。將檢測(cè)窗口中的數(shù)據(jù)排序，位于檢測(cè)窗中的中值點(diǎn)數(shù)據(jù)作為輸出。當(dāng)某點(diǎn)與它周圍的像素灰度值相差很大時(shí)，將該點(diǎn)的值改為與周圍像素值接近的值，從而將孤立的噪聲點(diǎn)除去。因此，中值濾波技術(shù)對(duì)圖像的斑點(diǎn)噪聲和椒鹽噪聲的消除非常有效[14]。中值濾波技術(shù)既去除了點(diǎn)噪聲又能保護(hù)原來信號(hào)的邊緣信息。所以，該技術(shù)可以應(yīng)用于對(duì)氣象資料的處理，適合本文的研究。

我們以上一節(jié)得到的檢測(cè)信號(hào)為基礎(chǔ)，將信號(hào)的每一個(gè)徑向數(shù)據(jù)作為一個(gè)行，這樣就會(huì)得到一個(gè)二維數(shù)組。這里采用3×3的窗口尺寸進(jìn)行中值濾波。如圖1所示，以中間的灰色為中心點(diǎn)，檢測(cè)其周圍8個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將這9個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)排序，排序后的中間值即作為該灰色點(diǎn)的數(shù)據(jù)值，并依此移動(dòng)灰色點(diǎn)，對(duì)全部探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行中值處理。處理后有些較大的值會(huì)變得低于一定的閾值，那么就可以合理地認(rèn)為該點(diǎn)的數(shù)據(jù)為噪聲數(shù)據(jù)，即該點(diǎn)為非氣象的點(diǎn)目標(biāo)或噪聲信號(hào)。

圖1　中值濾波處理表示圖

2實(shí)例對(duì)比分析

2.1資料來源

本文采用的雷達(dá)資料來自成都信息工程大學(xué)X波段雙偏振天氣雷達(dá)，觀測(cè)地點(diǎn)為成都信息工程大學(xué)，時(shí)間2011年8月22日16點(diǎn)12分。該雷達(dá)數(shù)據(jù)方位精度是0.5°，起始方位角48°，仰角1.8°，sweep數(shù)14 640，距離庫數(shù)2 400，庫長125 m。后面的圖形每個(gè)距離圈表示25 km。

2.2數(shù)據(jù)處理前后分析

首先，我們要知道在原來單偏振系統(tǒng)中雷達(dá)對(duì)有效信號(hào)的探測(cè)情況，并作為參考，來對(duì)比分析應(yīng)用上述改進(jìn)的算法探測(cè)天氣回波的結(jié)果，這里考慮用水平垂直兩個(gè)通道的的回波功率和來模擬單通道的回波功率。圖2表示單偏振系統(tǒng)僅考慮信噪比估計(jì)閾值的方法探測(cè)到的回波信號(hào)反射率強(qiáng)度。圖3表示雙通道系統(tǒng)3 dB損失后的回波反射率強(qiáng)度。對(duì)比圖2和圖3，可以發(fā)現(xiàn)圖3中的反射率強(qiáng)度明顯降低，尤其在回波的邊緣位置發(fā)生萎縮，造成一些弱回波信息丟失。圖4為根據(jù)前文中的式(1)算法探測(cè)雙偏振雷達(dá)得到的信號(hào)反射率強(qiáng)度。由圖4可看出，引入互相關(guān)算法后，升級(jí)雙通道所帶來的回波邊緣損失得到了很大程度上的恢復(fù)。對(duì)比圖3和圖4，我們看到使用互相關(guān)算法后，回波強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，當(dāng)方位角為0°～45°時(shí)，距離在30 km～50 km區(qū)域的一塊強(qiáng)回波單體，該單體周圍的弱回波區(qū)在引入互相關(guān)算法前，其值為-64dBm～-59 dBm，引入互相關(guān)算法后，相同位置的反射率值為-54 dBm～-49 dBm，明顯對(duì)能量的損失有了恢復(fù)。同時(shí)也將萎縮變小了的回波部分恢復(fù)回來，起到了恢復(fù)雷達(dá)信噪比損失的作用。圖5是雙通道互相關(guān)算法探測(cè)到回波后，應(yīng)用中值濾波技術(shù)處理后的雷達(dá)探測(cè)信號(hào)圖。我們可以看出回波中去除了大量的噪點(diǎn)，即濾掉了非氣象回波的孤立點(diǎn)回波，方便了對(duì)數(shù)據(jù)的分析，提高了天氣雷達(dá)對(duì)天氣信號(hào)的探測(cè)能力。

圖2　單極化信噪比估計(jì)閾值方法雷達(dá)探測(cè)信號(hào)圖

圖3　雙極化信噪比估計(jì)閾值方法雷達(dá)探測(cè)信號(hào)圖

圖4　雙通道互相關(guān)方法雷達(dá)探測(cè)信號(hào)圖

圖5　中值濾波處理后的雷達(dá)探測(cè)信號(hào)圖

2.3兩種技術(shù)處理前后數(shù)據(jù)沿徑向變化的定量分析

圖6為互相關(guān)算法處理前后回波數(shù)據(jù)沿一個(gè)徑向(方位角348°)的變化對(duì)比，其中，回波反射率值較弱的一條曲線為處理前回波數(shù)據(jù)，回波反射率值較強(qiáng)的一條曲線為處理后的回波數(shù)據(jù)。從圖6可以看出互相關(guān)算法處理后回波數(shù)據(jù)能量的損失得到了明顯的恢復(fù)。圖7顯示了數(shù)據(jù)恢復(fù)的程度，從圖中可看到數(shù)據(jù)的恢復(fù)量基本在4 dB～5 dB。這個(gè)值基本滿足了雷達(dá)雙通道升級(jí)后，回波能量損失的恢復(fù)要求。

圖6　算法處理前后回波數(shù)據(jù)沿一個(gè)徑向的比較(方位角為34.8°)

圖7　互相關(guān)算法對(duì)回波能量的恢復(fù)值

我們?cè)賮韺?duì)比中值濾波技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的降噪效果。為了能夠便于我們看圖分析，這里只選取該徑向上100～700的數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)來分析。圖8是中值濾波處理前后回波數(shù)據(jù)的值，回波反射率值變化較大的一條曲線表示了中值濾波處理前的數(shù)據(jù)，回波反射率值變化較平緩的一條曲線為處理后的數(shù)據(jù)。我們可明顯看到處理后數(shù)據(jù)沿徑向的變化變得平緩，處理前的數(shù)據(jù)變化大多為2 dB～3 dB，數(shù)據(jù)變化快，不穩(wěn)定。處理后數(shù)據(jù)變化基本在0.5 dB左右，沒有出現(xiàn)突變性很大的點(diǎn)，整條徑向數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)。這說明本文所使用的中值濾波技術(shù)起到了較好的降噪效果。

圖8　中值濾波處理前后徑向回波數(shù)據(jù)

3結(jié)束語

本文首先引入了WSR-88D雷達(dá)雙偏振升級(jí)的優(yōu)勢(shì)，但系統(tǒng)升級(jí)帶來3 dB能量損失。為了恢復(fù)這一損失帶來的不利影響，進(jìn)一步講述了雙偏振天氣雷達(dá)探測(cè)信號(hào)的新方法，提出提高雙偏振天氣雷達(dá)信號(hào)探測(cè)能力的方法，即引入雙通道互相關(guān)信息補(bǔ)償雷達(dá)信號(hào)信噪比的降低，同時(shí)利用二維中值濾波技術(shù)去除非氣象回波的點(diǎn)雜波。以上述內(nèi)容為基礎(chǔ)，對(duì)互相關(guān)技術(shù)和二維中值濾波技術(shù)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)和研究；利用互相關(guān)改善天氣雷達(dá)信號(hào)探測(cè)能力，使天氣雷達(dá)對(duì)天氣信號(hào)的探測(cè)更加精確；利用二維中值濾波技術(shù)降低噪點(diǎn)，去除天氣雷達(dá)探測(cè)到的虛假天氣信號(hào)。

參 考 文 獻(xiàn)

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雷亞會(huì)男，1990年生，碩士研究生。研究方向?yàn)闅庀罄走_(dá)信號(hào)處理與分析。

史朝男，1981年生，博士研究生，副教授。研究方向?yàn)闅庀罄走_(dá)信號(hào)處理。

Cross Correlation Method and Median Filtering Technology for Enhancing Detection Capability in Weather Radar

LEI Yahui1，SHI Zhao1,2

(1. School of Electronic Engineering, Chengdu University of Information Technology,Chengdu 610225, China) (2. Key Laboratory of Atmospheric Sounding, Chengdu 610225, China)

Abstract：The method using dual polarization weather radar to detect the signal has interested meteorological science and technology personnel at home and abroad . Dual channel transceiver system of dual polarization weather radar devides transmission channel into horizontal and vertical way by power divider.So energy of each channel will be cut in half and the echo signal energy will decrease about 3 dB. In order to avoid the negative influence of 3 dB loss, the dual polarization radar detection performance should be improved.The sum of the cross-correlation estimates as well as the power and autocorrelation from each of the dual-polarization returns should be gained.If the sum exceeds a predetermined threshold,the signal will be considered present.Otherwise,the data are considered to be noise and are censored. Based on the X-band dual polarization radar data, the detection effect with and without cross-correlation algorithm is constracted,and the sum of three portion is proved to be the best method for deciding signal present. In addition, median filtering technology is used to censor point clutter,and improve signal detection in dual polarization weather radars.

Key words：dual polarization weather radar; coherence method; median filtering technology; point clutter; meteorological detection; signal and information processing

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.05.009

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41505031)

通信作者：雷亞會(huì)Email：1003654958@qq.com

收稿日期：2015-12-24

修訂日期：2016-02-25

中圖分類號(hào)：TN957.51

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-7859(2016)05-0033-04