经典雷达资料-气象雷达-3

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1、·871·第23章气象雷达测量精度由于接收信号是高斯随机过程的样本函数，因此不能在有限的时间段内对多普勒谱及其各阶矩作出精确的测量。所以，所有的测量都会存在一些误差，这些误差是大气特性、雷达波长及测量时间的函数。对于FFT技术，Denenberg，Serafin和Peach[42]已创立了信号估计统计理论。在Doviak和Zrnic[11]的文献中完整地阐述了这些理论。以下是平均功率和平均速度估计的均方误差的一些有用表述。功率估计众所周知，对于高斯过程[43]，如采用平方律信号检测，则过程平均功率P

2、r样本就呈方差为Pr2的指数分布。如给定测量时间T0和信号带宽sf（Hz），那么就存在近似为sfT0的信号包络平方的独立样本。因此，该过程平均功率估值的方差或均方误差由下式给出，即（23.36）用表达式代替。其中，为多普勒谱的宽度。式（23.36）变为（23.37）此表达式在高信噪比情况下有效。速度估计Denenberg，Serafin和Peach[42]给出了如下多普勒谱平均频率估计值的方差的表达式，即（23.38）这是一个有趣的结果，表明估计值的方差仅仅是多普勒谱形状和积累时间的函数。若谱为高斯

3、形，方差为sf2，则式（23.38）变为：（23.39）注意到，则我们可把写成（23.40）若将分子、分母同时乘以sv，则式（23.40）变成（23.41）由此可看出，平均速度估计值的方差与多普勒谱的方差成正比，而与独立样本的数目成反比。又注意到与l成正比，表明对于同样的处理时间T0及同样的sv，可以通过减小波长从而增加独立样本的数目来减小估计值的方差。式（23.38）式（23.39）式（23.40）及式（23.41）适用于高信噪比的情况。Zrnic[44]·871·第23章气象雷达给出了如下在脉冲

4、对估计技术和高斯形谱情况下平均频率估计值的方差的表达式，即（23.42）式中，r为相关系数；N/S为噪声信号比。式（23.42）适用于单个PRF，脉间周期为T，并且假设在估计算法中使用了T0内的所有脉冲。如果信噪比S/N很大、频谱很窄，也就是说r(T)»1，则式（23.42）就退化为式（23.39）。读者可参考Zrnic[44]的文献以得到关于多普勒谱其他矩估计的更为详细地论述。处理器实现非多普勒雷达通常采用具有r2倒数修正的时间灵敏度控制（STC）的对数视频接收机以达到可能的最宽的动态范围。为了估

5、计信号功率，对数视频被数字化并取平均，在大多数原始系统中，被直接用于调制模拟PPI或其他类型的雷达显示器中。然而，为了提高量化精度，大多数现代气象雷达均应用了数字平均和数字彩色显示器。注意，当把对数平均时，估计性能将向下偏差多达2.5dB[45]。为了精确地估计接收信号功率，必须消除这些偏差。对于多普勒雷达，同时使用线性接收机和对数接收机已经很常见，对数通道用来估计反射率，线性通道用来估计多普勒参数。然而，这种方法在线性通道中经常会发生饱和而引起多普勒谱的一些失真[46]。现在，大多数现代雷达的设计

6、都试图应用动态自动增益控制（AGC）技术来保持接收机的线性度，通过使用快速切换的衰减器可以一个一个距离门地对接收机的增益进行调整。需选择适当的衰减器的估计来自独立的对数通道或基于短的信号段。另一个方法[47]是将信号延迟1ms级的时间段，在这段时间里就可做到对信号强度的估计而且可完成适当的衰减设置。显然，接收机中这种快速的切换需要进行精密地设计以避免转换瞬态的影响。避免瞬态影响的一种方法是采用并行中频放大器组，每一个放大器都具有适当的动态范围和固定的增益，在与信号强度匹配得到最好的通道中对信号进行抽

7、样。这些方法有可能达到数量级为80dB或更宽的线性动态范围，并可以用浮点数字算法。该算法可以从浮点线性通道抽样中对反射率、平均多普勒速度和谱宽度进行数字估计。23.5操作应用前文已经表明，气象雷达可用于测量后向散射功率和径向速度参数。对雷达气象学家来说，如何把这些测量参数、它们的空间分布及它们如何随时间演变转换成对气象的定量估计具有一定的挑战性。气象分析的技术从原始的灰度显示器人工分析到帮助人们进行分析的基于计算机的算法和现代有彩色增强的显示器，可有效地使用重现人工解释逻辑的专家系统方法[48]。B

8、aynton等人[49]，WilsonsRoesli[50]及Serafin[1]都说明了现代气象雷达是怎样用于天气预报的。在NEXRAD雷达系统的设计中，自动化的运用程度是很明显的。表23.7列举了NEXRAD雷达将实现自动化输出的气象信息[51]。表23.7NEXRAD雷达自动化输出信息暴风雪多普勒雷达数据存档·871·第23章气象雷达降雨分析风分析飓风分析网纹分析续表热带暴风分析中气旋分析雷暴雨分析涡流分析冰冻分析冰雹分析解冻分析说明技术多雷达镶嵌图降雨测量降雨