專利名稱：雙極化雷達(dá)確定降水概率的方法及采用該方法的氣象雷達(dá)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用脈沖雷達(dá)確定降水概率與水汽凝結(jié)體的反射因子的方法以及一種使用該方法的雙極化氣象雷達(dá)，其中，脈沖雷達(dá)的工作波長(zhǎng)是被水汽凝結(jié)體衰減的波長(zhǎng)。
在氣象領(lǐng)域，特別是為了短期氣象預(yù)報(bào)，需要觀測(cè)降雨量和其它水汽凝結(jié)體。為此目的，許多年來(lái)人們一直在考慮用雷達(dá)來(lái)定量地確定降水概率，因?yàn)榻邓怕适沁@些現(xiàn)象的特征參量。通常采用的方法是基于用雷達(dá)射束來(lái)測(cè)量雨?；蛩Y(jié)體的反射率。然而，對(duì)大多數(shù)方法來(lái)說(shuō)，水汽凝結(jié)體產(chǎn)生的散射會(huì)造成測(cè)量偏差，因此需要以衰減盡可能小的波長(zhǎng)工作，即以相對(duì)長(zhǎng)一些的波長(zhǎng)工作。這增加了工作難度并增大了設(shè)備成本。
還提出另一個(gè)更具吸引力的方法雙波長(zhǎng)衰減和單極化。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不受雷達(dá)校準(zhǔn)(calibration)的限制。不過(guò)，這種方法要獲得需要的精度有一定的技術(shù)難度。這是因?yàn)樵谑箖蓚€(gè)波長(zhǎng)的射束一致和使測(cè)量同步中會(huì)迂到一些問(wèn)題。
現(xiàn)已進(jìn)行的所有研究結(jié)果表明，用較短波長(zhǎng)的雷達(dá)比較好，它使得可能選擇體積更為緊湊、價(jià)格更加便宜的設(shè)備。不過(guò)，這會(huì)帶來(lái)校準(zhǔn)衰減問(wèn)題，這些問(wèn)題是非常棘手的，特別是當(dāng)降雨量很大時(shí)，這些問(wèn)題很難解決。
本發(fā)明涉及能夠克服這些問(wèn)題的方法，盡管采用會(huì)對(duì)穿過(guò)由水汽凝結(jié)體(雨、冰雹、云)構(gòu)成的吸收介質(zhì)的反射路徑的電磁波產(chǎn)生相對(duì)較大衰減的短波長(zhǎng)。
本發(fā)明基于利用雙極化雷達(dá)測(cè)量?jī)蓚€(gè)極化分量H和V的反射率同時(shí)對(duì)衰減給采用的不同測(cè)量方法所測(cè)得的值造成的影響進(jìn)行校準(zhǔn)。
因此本發(fā)明提供一種用脈沖雷達(dá)來(lái)確定降水概率和水汽凝結(jié)體的反射因子的方法，其中，脈沖雷達(dá)的工作波長(zhǎng)為被所述水汽凝結(jié)體衰減的波長(zhǎng)，所述雷達(dá)是雙極化雷達(dá)，它傳送兩串與各個(gè)極化通道相應(yīng)的各種測(cè)距門(mén)的衰減反射因子[ZHa(r)、ZVa(r)]的測(cè)量值，所述方法的特征在于它包括下列步驟A)在雷達(dá)的每個(gè)測(cè)距門(mén)內(nèi)，在測(cè)得的單極化反射因子的基礎(chǔ)上用反射因子與降水概率的關(guān)系式和單極化衰減系數(shù)與降水概率的關(guān)系式來(lái)確定降水概率(Rs)的第一估計(jì)值；B)在所述降水概率的第一估計(jì)值的基礎(chǔ)上求得未衰減差分反射因子(ZDRs)的估計(jì)值；C)從所述未衰減差分反射因子(ZDRs)的估計(jì)值和衰減后的差分反射因子的雷達(dá)測(cè)量值(ZDRa)推導(dǎo)出差分極化衰減估計(jì)值(ADP)；和D)通過(guò)反復(fù)調(diào)節(jié)反射因子與降水概率關(guān)系式中的一個(gè)參數(shù)(α，β)來(lái)設(shè)法使步驟A中估計(jì)出的單極化雷達(dá)的降水概率的積分[I1(r，R)]與由所述差分極化衰減的估計(jì)值(ADP)推導(dǎo)出的降水概率的積分[I2(r，R)]相等，以便能求出衰減反射因子的校準(zhǔn)值[ZHs(r)]和降水概率[Rs(r)]。
本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)在于它不受雷達(dá)校準(zhǔn)的限制和不受由可能未探測(cè)到的云造成的衰減的限制，因?yàn)樗且圆罘譁y(cè)量為基礎(chǔ)的。
本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了一種以被水汽凝結(jié)體衰減的波長(zhǎng)工作的雙極化氣象雷達(dá)，它用于確定降水概率和反射因子，所述雷達(dá)包括-雙極化天線(1)，它與提取與兩個(gè)垂直的極化通道H和V相對(duì)應(yīng)的模式的裝置相關(guān)；-用于向所述天線的兩個(gè)通道發(fā)送脈沖的發(fā)射器；-至少一個(gè)用于對(duì)兩個(gè)垂直的極化通道的輸出信號(hào)進(jìn)行處理的接收通道；所述雷達(dá)的特征在于它具有用來(lái)實(shí)現(xiàn)上述方法的數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備。
借助于下列說(shuō)明和附圖可以更清楚地理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中

圖1是按照本發(fā)明的氣象雷達(dá)的示意圖；和圖2是用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備的方框圖。
圖1示出了雙極化氣象雷達(dá)的示意圖。該雷達(dá)具有一對(duì)包括照明反射器(未示出)雙極化初始源1的雙極化天線。該雙極化源與具有兩個(gè)極化通道H和V的模式(正交模式)提取器2相關(guān)。脈沖發(fā)射器(b)向雙極化源提供重復(fù)頻率與所要求的范圍相匹配的(例如，對(duì)150km范圍來(lái)說(shuō)，F(xiàn)r=1KHz)脈沖。發(fā)射功率通過(guò)混合接頭分布到天線的兩個(gè)通道以便獲得定向得與水平面成45°的極化，或者通過(guò)3dB耦合器5分布到天線的兩個(gè)通道中以便獲得圓極化。為了發(fā)射和接收兩個(gè)相互垂直的極化的信號(hào)并根據(jù)它們的幅值對(duì)它們進(jìn)行處理，可以事先將這兩種發(fā)射模式設(shè)定為等效模式。圓極化波的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是天線反射波與發(fā)射器的發(fā)射波之間的比值是固定的。
提供了兩個(gè)相同的接收通道，它們對(duì)由兩個(gè)功率循環(huán)器3和4所抽取的信號(hào)進(jìn)行處理。在傳統(tǒng)的方法中，每個(gè)通道包括限制器7與8、放大器9與10、混合器11與12、中頻放大器15與16、對(duì)數(shù)放大器17與18和模／數(shù)編碼器19與20，其中混合器11、12用于使頻率改變成中頻，對(duì)數(shù)放大器17、18用于獲得大的動(dòng)態(tài)范圍。經(jīng)編碼的信號(hào)被傳送到根據(jù)本發(fā)明的數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備21(該設(shè)備將在后面詳細(xì)說(shuō)明)，然后數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備輸出校準(zhǔn)后的反射因子Z和降水概率R信號(hào)作為其輸出?；旌掀?1和12還接收來(lái)自本地振蕩器13的信號(hào)，本地振蕩器13受自動(dòng)頻率控制電路14的控制。
在某些要求獲得有關(guān)水汽凝結(jié)體性質(zhì)的補(bǔ)充信息的氣象應(yīng)用場(chǎng)合，用另外的多普勒接收通道來(lái)測(cè)量被接收信號(hào)的相位更加有用。這些通道包括矢量解調(diào)電路22和25，一方面矢量解調(diào)電路的后面接有兩個(gè)模／數(shù)編碼器23、24，另一方面矢量解調(diào)電路25的后面接有兩個(gè)模／數(shù)編碼器26、27，用于輸出正交編碼的信號(hào)IH、QH(通道H)和Iv、Qv(通道V)。
本發(fā)明方法的基本原理如下在單極化的基礎(chǔ)上，例如H通道，距離為r處的雨粒(或其它水汽凝結(jié)體)的衰減反射因子ZHa(r)與衰減系數(shù)之間的關(guān)系式可用下式表示ZHa(r)=ZO(r)-2ΔrΣi=1n-1ai------(1)]]>此處Zo(r)為未衰減的反射因子，Δr為測(cè)距門(mén)的寬度，ai為第i個(gè)測(cè)距門(mén)的衰減系數(shù)，它以每單位長(zhǎng)度dB為單位，Zha(r)和Zo(r)以dBZ為單位，也就是說(shuō)等于10logZ(mm6m-3)，其中r=nΔr。
衰減系數(shù)與降水概率R的關(guān)系用已知等式表示α=kHRγH(2)此處KH和γH是極化通道H的參數(shù)，它們與溫度和降水粒子分布(DSD)的關(guān)系不大，對(duì)應(yīng)每個(gè)波長(zhǎng)都可計(jì)算KH和γH。
組合等式(1)和(2)可得出ZO(r)=ZHa(r)+2ΔrkHI1(r,R)------(3)]]>及I1(r,R)=Σi=1n-1RiγH------(4)]]>I1表示所選擇的H極化通道的雷達(dá)射束方向上的降水概率的積分，也就是說(shuō)，I1表示測(cè)距門(mén)n之前的n-1個(gè)測(cè)距門(mén)的累計(jì)衰減。
現(xiàn)在，已知雨粒反射因子Z與降水概率R之間的關(guān)系為
Z=αRβ……………(5)此處α和β是參數(shù)。因此等式(4)可以用另一種等效形式表示I1(r,R)=α-γ/βΣi=1n-1Ziγ/β------(4′)]]>參數(shù)α和β主要取決于DSD。在用迭帶法測(cè)得的n個(gè)Za(r)值的基礎(chǔ)上利用等式(3)和(5)中的四個(gè)參數(shù)K、γ、α和β的近似值可以計(jì)算出校準(zhǔn)的估計(jì)值Z’(r)，其中，迭帶法是P．H．Hildebrand于1978年在“Iterative correction for attenuation of 5 cm radar in rain”J．Appl．Meteor，17，第508-514頁(yè)中提出的。正如該文章中所述的那樣，DSD和溫度的假定誤差能大大減小這些衰減估計(jì)值，但這些減小量與由雷達(dá)校準(zhǔn)誤差所造成的減小量相比卻很小。由于受雷達(dá)校準(zhǔn)誤差影響的參數(shù)是與Z和R有關(guān)的等式中的參數(shù)，因此I1(r，R)的主要不確定因素是由參數(shù)α和β的不確定因素所造成的。
為了判定這些不確定因素，利用使用該雷達(dá)的兩個(gè)極化通道測(cè)得的差分測(cè)量結(jié)果。該差分反射因子ZDR由下式定義ZDR=ZH-Zv……………(6)此處Z以dBZ為單位，下標(biāo)H和V對(duì)應(yīng)于雷達(dá)的兩個(gè)極化通道，如水平通道和垂直通道。
為了求得衰減波長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)于H和V極化通道利用等式(1)，然后從H項(xiàng)中減去V項(xiàng)得到ZDRa(r)=ZDRs(r)-ZADP(r)……………(7)此處ZDRa是衰減極化雷達(dá)測(cè)量值，ZDRs=ZOH-ZOV是僅由水滴形狀造成的未衰減差分反射因子，ADP是電磁波路徑上的差分極化衰減系數(shù)，即ADP(r)=ΔrΣi=1n-1(aiH-aiV)------(8)]]>對(duì)于假定的DSD，由水滴形狀造成的差分反射因子ZDRs可以作為降水概率的函數(shù)計(jì)算ZDRs=f(R)(9)等式(8)中的衰減系數(shù)aiH和aiv可根據(jù)等式(2)對(duì)于H和V極化通道求出。假定DSD后，可以求出參數(shù)KH、KV、γH和γV。計(jì)算結(jié)果表明，差值aH-aV并不主要取決于DSD。對(duì)一給定的波長(zhǎng)，KH與KV存在很大差異，但γH≈γV≈γ。
組合等式(2)和(8)可得到ADP(r)=Δr(kH-kV)I2(r，R)(10)及I2(r,R)=Σi=1n-1Riγ------(11)]]>可注意到等式(11)可以寫(xiě)成類似于等式(4’)的形式，也就是說(shuō)，作為Z的函數(shù)的形式。
I2(r，R)表示假定已正確地知道KH-KV時(shí)從差分衰減系數(shù)ADP推導(dǎo)出的降水概率的積分。由于ADP是從差分測(cè)量值推出的，因此ADP與雷達(dá)的校準(zhǔn)無(wú)關(guān)。
由于存在雨滴DSD的自然變化和校準(zhǔn)誤差，因此在估計(jì)I1和I2時(shí)只有參數(shù)α和β是有效的。
按照本發(fā)明的方法中，建議將β保持為與氣候平均值相等的恒定值并用差分衰減系數(shù)ADP來(lái)調(diào)整參數(shù)α。其中氣候平均值與波長(zhǎng)及降雨量的類型相對(duì)應(yīng)。
有關(guān)文獻(xiàn)中的許多測(cè)量結(jié)果證明對(duì)β的這種假定是有效的。
因此基本原理是根據(jù)單個(gè)極化通道測(cè)得的一系列測(cè)量值確定I1，同時(shí)選擇α的任一中間值；根據(jù)差分雷達(dá)測(cè)量值及利用I1估計(jì)未衰減的差分反射因子的計(jì)算值來(lái)確定I2；并將I1與I2加以比較以便近似時(shí)將調(diào)整α到使I1≈I2的值，這樣就能求出未衰減反射因子的校準(zhǔn)估計(jì)值Zi(r)和降水概率Ri(r)。
圖2表示采用本方法的數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備。圖的左邊部分涉及單個(gè)極化通道(H通道)的處理過(guò)程，而右邊部分涉及差分處理過(guò)程。
來(lái)自H通道的編碼器19的對(duì)數(shù)信號(hào)在步驟30中被重新轉(zhuǎn)換成線性信號(hào)ZHa(r)。這些信號(hào)在雷達(dá)的N個(gè)脈沖上進(jìn)行平均(步驟31)，然后按照等式(5)基于參數(shù)α和β計(jì)算出降水概率估計(jì)值Ra(步驟32)，其中參數(shù)α和β是預(yù)定的，但α可任意選取。對(duì)每個(gè)測(cè)距門(mén)I來(lái)說(shuō)都要進(jìn)行上述計(jì)算。
步驟33包括根據(jù)等式(2)計(jì)算衰減系數(shù)ai。
然后根據(jù)等式(2)和(4)推導(dǎo)出值I1(r，R)的估計(jì)值(步驟34)。
此外，在步驟36和37中根據(jù)單個(gè)極化通道H的一系列測(cè)量結(jié)果計(jì)算出衰減反射因子ZHa(r)，在步驟35中估計(jì)出等式(3)中的衰減系數(shù)AH。在步驟38中應(yīng)用等式(3)求和得到了H極化通道的衰減反射因子的估計(jì)值ZHs(r)，然后在步驟47中，利用等式(5)和選定的參數(shù)α與β求出校準(zhǔn)的降水概率RS(r)。
在這個(gè)估計(jì)值的基礎(chǔ)上，可以在步驟48中用等式(9)計(jì)算出未衰減差分反射因子的估計(jì)值ZDRs(r)。
此外，根據(jù)步驟30和40傳來(lái)的H通道和V通道的編碼的信號(hào)可以得到比率Zha(r)／ZVa(r)(步驟41)，給出將在步驟42中對(duì)N個(gè)脈沖作平均的衰減極化雷達(dá)測(cè)量值ZDRa(r)。該平均值與從步驟48傳來(lái)的未衰減差分反射因子的估計(jì)值之間的差值構(gòu)成了差分極化衰減系數(shù)的估計(jì)值A(chǔ)DP(r)。在Δr和KH-KV值的基礎(chǔ)上，步驟44輸出由等式(10)得到的I2(r，R)的估計(jì)值。然后在步驟45中對(duì)I1和I2加以比較。
如果I1≠I(mǎi)2，那么就在步驟46中使參數(shù)α在適當(dāng)方向上改變?chǔ)う林挡⑿碌摩痢涤玫讲襟E32和47中重新進(jìn)行計(jì)算。這些工作將重復(fù)進(jìn)行直到I1=I2為止，這時(shí)對(duì)應(yīng)于給出α的正確值。然后就能求出未衰減反射因子的校準(zhǔn)值Zi(r)=ZHs(r)和降水概率的校準(zhǔn)值Ri(r)=Rs(r)(步驟49)。
在對(duì)本發(fā)明方法的基本原理加以說(shuō)明的過(guò)程中，假定等式(9)中的ZDRs以及等式(10)中的KH、KV是為單個(gè)假定的DSD而計(jì)算的。這種假定是可以接受的，因?yàn)閷?duì)給定的氣候條件來(lái)說(shuō)，平均的DSD是穩(wěn)定的參數(shù)。因此，可以根據(jù)氣候條件來(lái)選擇特定的DSD。
此外，最好將測(cè)距門(mén)選擇在反射因子較小的距離r處，因?yàn)檫@樣會(huì)使ZDRs比較小，對(duì)由等式(9)得到的估計(jì)值造成的偏差也比較小。由于在不使I1、I2和α產(chǎn)生較大變化的情況下可以用另一個(gè)近似于r的且具有不同反射因子的測(cè)距門(mén)來(lái)代替在距離r處的測(cè)距門(mén)，因此可以更加方便、合理地選擇特定的測(cè)距門(mén)。
可以在兩個(gè)或三個(gè)相鄰的測(cè)距門(mén)的基礎(chǔ)上計(jì)算α，并且可以求出它們的平均值以便減小DSD分散的影響。
還要注意，所觀測(cè)的輻射方向可以被分成幾個(gè)部分，本發(fā)明方法可以同時(shí)應(yīng)用于這幾個(gè)部分。
上述方法對(duì)影響一個(gè)極化通道雷達(dá)所測(cè)得的反射因子或影響差分值的隨機(jī)采樣誤差很不敏感。
現(xiàn)已說(shuō)明了本發(fā)明方法的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)這就是該方法與雷達(dá)的校準(zhǔn)無(wú)關(guān)，與由未檢測(cè)的云造成的衰減無(wú)關(guān)。
另外，另一種可能的用法是定性檢測(cè)冰雹。現(xiàn)在對(duì)此加以說(shuō)明當(dāng)雨粒中夾雜著冰雹時(shí)，由于冰雹大體上呈球形，它們對(duì)兩個(gè)極化通道都會(huì)產(chǎn)生較高的反射因子并且ZH≈ZV，從而使差分反射因子基本上等于零。另一方面，會(huì)產(chǎn)生很大的與極化通道無(wú)關(guān)的衰減，因而使差分衰減系數(shù)ADP幾乎為零。這樣，冰雹的出現(xiàn)就改變了I1，但不會(huì)相應(yīng)地改變I2，這與均勻雨粒的情況相反。因而能探測(cè)到α有相當(dāng)大的變化，這可以用來(lái)作為冰雹的指示。
還應(yīng)當(dāng)注意，盡管上述說(shuō)明是從利用差分極化衰減系數(shù)ADP的角度敘述的，但本發(fā)明方法還可以用來(lái)處理差分相位移KDP=KH-KV，KDP以傳播角度Km為單位。
顯然，所述例子不會(huì)對(duì)本發(fā)明產(chǎn)生限制。特別是，所述的氣象雷達(dá)可以采用單個(gè)接收通道而不是所述的兩個(gè)通道，兩個(gè)極化通道的輸入信號(hào)是采用切換方式輸入的以便分時(shí)使用通道，輸出信號(hào)則是用“不切換”方式輸出的，只不過(guò)需要選擇切換速率以便在切換期間極化通道H和V接收到的信號(hào)相互關(guān)聯(lián)。
此外應(yīng)注意可以用多普勒通道輸出信號(hào)I和Q來(lái)計(jì)算每個(gè)通道H和V的信號(hào)幅
這個(gè)幅值可以用來(lái)代替編碼器19和20的輸出信號(hào)以便不使用通道17、19與18、20。不過(guò)，這種做法存在這樣的缺點(diǎn)它不會(huì)象對(duì)數(shù)放大器那樣提供動(dòng)態(tài)范圍。
最后，在圖2所示的按照本發(fā)明的處理設(shè)備中，可以繼續(xù)采用對(duì)數(shù)信號(hào)而不是將對(duì)數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成線性信號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種用脈沖雷達(dá)確定降水概率和水汽凝結(jié)體的反射因子的方法，其中脈沖雷達(dá)的工作波長(zhǎng)為被所述水汽凝結(jié)體衰減的波長(zhǎng)，所述雷達(dá)是雙極化雷達(dá)，它傳送兩串與每個(gè)極化通道相應(yīng)的各種測(cè)距門(mén)的衰減反射因子[ZHa(r)、ZVa(r)]的測(cè)量值，所述方法的特征在于它包括下列步驟A)在雷達(dá)的每個(gè)測(cè)距門(mén)內(nèi)，在測(cè)得的單極化反射因子的基礎(chǔ)上用反射因子與降水概率的關(guān)系式和單極化衰減系數(shù)與降水概率的關(guān)系式來(lái)確定降水概率(Rs)的第一估計(jì)值；B)在所述降水概率的第一估計(jì)值的基礎(chǔ)上求得未衰減差分反射因子(ZDRs)的估計(jì)值；C)從所述未衰減差分反射因子(ZDRs)的估計(jì)值和衰減后的差分反射因子的雷達(dá)測(cè)量值(ZDRa)推導(dǎo)出差分極化衰減估計(jì)值(ADP)；和D)通過(guò)反復(fù)調(diào)節(jié)反射因子與降水概率關(guān)系式中的一個(gè)參數(shù)(α，β)來(lái)設(shè)法使步驟A中估計(jì)出的單極化雷達(dá)的降水概率的積分[I1(r，R)]與由所述差分極化衰減的估計(jì)值(ADP)推導(dǎo)出的降水概率的積分[I2(r，R)]相等，以便能求出衰減反射因子的校準(zhǔn)值[ZHs(r)]和降水概率[Rs(r)]。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟A)包括下列步驟a)為了得到所述第一串測(cè)量值[ZHa(r)]，根據(jù)任意設(shè)定參數(shù)(α、β)計(jì)算各個(gè)測(cè)距門(mén)(1到n-1)的降水概率的估計(jì)值(Ri)；b)從所述降水概率的估計(jì)值(Ri)推導(dǎo)出代表降雨所造成的衰減的第一估計(jì)值[I1(r，R)]，所述第一估計(jì)值是為單個(gè)極化通道估算的降水概率的積分；c)基于所述第一估計(jì)值[I1(r，R)]和第一串測(cè)量值[ZHa(r)]確定未衰減反射因子的估計(jì)值[ZHs(r)]和校準(zhǔn)降水概率的估計(jì)值(RS)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2之一所述的方法，其特征在于步驟B)包括下列步驟d)基于所述校準(zhǔn)降水概率的估計(jì)值(RS)和給定降水粒子分布(DSD)計(jì)算未衰減差分反射因子的估計(jì)值[ZDRs(r)]。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3的任何一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述步驟C)包括下列步驟e)基于所述兩串衰減反射因子的測(cè)量值[ZHa(r)、ZVa(r)]計(jì)算衰減差分反射因子的測(cè)量值[ZDRa(r)]；f)根據(jù)衰減差分反射因子[的測(cè)量值ZDRa(r)]和在步驟d)中得到的未衰減差分反射因子的估計(jì)值[ZDRs(r)]推導(dǎo)出差分極化衰減的估計(jì)值(ADP)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中的任何一條權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述步驟D)包括下列步驟g)根據(jù)所述差分極化衰減(的估計(jì)值A(chǔ)DP)推導(dǎo)出代表降雨所造成的衰減的第二估計(jì)值[I2(r，R)]，即降水概率的積分；h)將所述第一[I1(r，R)]與表征降水衰減的所述第二[I2(r，R)]估計(jì)值比較；i)如果步驟h)得出的比較結(jié)果表明所述第一估計(jì)值與所述第二估計(jì)值不一樣，那么在步驟a)中改變至少一個(gè)所述參數(shù)(α、β)并重復(fù)步驟a)到h)；j)如果步驟h)得出的比較結(jié)果表明所述第一估計(jì)值與所述第二估計(jì)值相同，那么就求出所述未衰減反射因子的估計(jì)值[ZHs(r)]和所述校準(zhǔn)降水概率的估計(jì)值(RS)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2到5中的任何一條權(quán)利要求所述的方法，其特征在于步驟a)包括a．1)在雷達(dá)發(fā)出N個(gè)脈沖的基礎(chǔ)上求取所述第二串測(cè)量值[ZHa(r)]的平均值；a．2)在任意設(shè)定參數(shù)(α、β)的基礎(chǔ)上根據(jù)等式Ri‾=(Z‾Ha(r)α)1/β]]>為每個(gè)測(cè)距門(mén)(i)計(jì)算降水概率的估計(jì)值[Ri]。
7.根據(jù)權(quán)利要求2到6中的任何一條權(quán)利要求所述的方法，其特征在于步驟b)包括b．1)根據(jù)降水概率的估計(jì)值(Ri)，用等式ai／kH=RiγH計(jì)算各個(gè)測(cè)距門(mén)的衰減系數(shù)(ai)，此處，KH和γH是為某個(gè)溫度和某個(gè)降水粒子分布預(yù)先設(shè)定的參數(shù)；和b．2)根據(jù)這些衰減系數(shù)(ai)，用等式I‾1(r,R)=Σi=1n-1a‾i/kH]]>推導(dǎo)出所述第一估計(jì)值(I1(r，R))，此處，n是從雷達(dá)到距離r處的測(cè)距門(mén)的數(shù)量。
8.根據(jù)權(quán)利要求2到7中的任何一條權(quán)利要求所述的方法，其特征在于步驟c)包括c．1)基于所述第一估計(jì)值(I1(r，R))，計(jì)算衰減值，使得A‾=2ΔrkHI1-(r,R)]]>此處，Δr是測(cè)距門(mén)的寬度；c．2)在雷達(dá)的n個(gè)脈沖上求取所述第一串測(cè)量值(ZHz(r))的平均值；c．3)求所述衰減值的總和以及求衰減反射因子的平均值ZHa(r)以便獲得未衰減反射因子的估計(jì)值ZHs(r)；和c．4)根據(jù)等式R‾S=(Z‾Hs(r)α)1/β]]>計(jì)算校準(zhǔn)降水概率的估計(jì)值RS。
9.根據(jù)權(quán)利要求4到8中的任何一條權(quán)利要求所述的方法，其特征在于步驟e)包括e．1)求所述兩串測(cè)量值(ZHa(r)，ZVa(r))的比率以便獲得雷達(dá)的衰減差分反射因子的值(ZDRa(r))；e．2)在雷達(dá)N個(gè)脈沖上求所述衰減差分反射因子的平均值。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于步驟f)包括求取在步驟d)中得到的所述未衰減差分反射因子的估計(jì)值(ZDRs(r))與所述衰減差分反射因子的平均值(ZDRa(r))之間的差值以便獲得雷達(dá)路徑上差分極化衰減的估計(jì)值(ADP(r))。
11.根據(jù)權(quán)利要求5到10中的任何一條權(quán)利要求所述的方法，其特征在于步驟g)包括根據(jù)所述差分極化衰減的估計(jì)值(ADP(r))，用等式I‾2(r,R)=A‾DP(r)Δr(kH-kV)]]>計(jì)算所述第二估計(jì)值I2(r，R)，此處，Kv是以與Kn同樣的方式為第二串測(cè)量值(ZVa(r))預(yù)先設(shè)定的參數(shù)。
12.一種以被水汽凝結(jié)體衰減的波長(zhǎng)工作的雙極化氣象雷達(dá)，它用于測(cè)定降水概率和反射因子，所述雷達(dá)包括-雙極化天線(1)，它與提取兩個(gè)垂直的極化通道H和V的相應(yīng)模式的裝置(2，3，4)相關(guān)；-用于向所述天線的兩個(gè)通道發(fā)送脈沖的發(fā)射器(5，6)；-至少一個(gè)用于對(duì)兩個(gè)垂直的極化通道的輸出信號(hào)進(jìn)行處理的接收通道(7，9，11，13，15，17，19；10，12，13，16，18，20)；所述雷達(dá)的特征在于它具有用來(lái)實(shí)現(xiàn)按照權(quán)利要求1到11中的任何一條權(quán)利要求所述的方法的數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備(21)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的雷達(dá)，其特征在于，所述接收通道的輸出部分包含用于增大動(dòng)態(tài)范圍的對(duì)數(shù)放大器(17、18)，所述信號(hào)處理設(shè)備(21)的輸入部分具有轉(zhuǎn)換設(shè)備(30、36、40)以便恢復(fù)被接收的信號(hào)值。
14.根據(jù)權(quán)利要求12和13之一所述的雷達(dá)，其特征在于它還包括兩個(gè)分別與兩個(gè)極化接收通道的輸出信號(hào)有關(guān)的多普勒接收通道(22到24；25到27)；
15.根據(jù)權(quán)利要求12到14中的任何一條權(quán)利要求所述的雷達(dá)，其特征在于它具有單個(gè)的與受同步控制的輸入和輸出切換裝置有關(guān)的接收通道，以便交替處理兩個(gè)極化通道，其切換速率是選擇得使在切換期間兩個(gè)極化通道接收到的信號(hào)不是不相關(guān)聯(lián)的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用雙極化雷達(dá)確定降水概率的方法和一種使用該方法的氣象雷達(dá)。在用雷達(dá)的兩個(gè)極化通道H和V接收信號(hào)的基礎(chǔ)上,本發(fā)明方法包括:首先確定單個(gè)極化通道的雷達(dá)射束方向上每個(gè)測(cè)距門(mén)i范圍內(nèi)的降水概率的估計(jì)值Ra(19,30到32),然后確定降水概率積分的第一估計(jì)值(I
文檔編號(hào)G01S7/02GK1206469SQ9619938
公開(kāi)日1999年1月27日 申請(qǐng)日期1996年12月13日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月26日
發(fā)明者亨利·索瓦若, 達(dá)尼埃爾·貝甘, 雷吉斯·德維納 申請(qǐng)人:湯姆森-無(wú)線電報(bào)總公司