双偏振雷达产品和应用介绍.ppt

Beijing Metstar Radar Company,1,双偏振雷达产品和应用介绍,北京敏视达雷达有限公司 2015年3月,Beijing Metstar Radar Company,2,目 录,双偏振原理 双偏振二次产品 升级双偏振的优势 业务兼容性设计,Beijing Metstar Radar Company,3,1 双偏振原理,为什么要双偏振？,雷达方程以球形粒子为假设条件，但实际上粒子并非总是球形。,Beijing Metstar Radar Company,4,双偏振基本原理,Beijing Metstar Radar Company,5,Beijing Metstar Radar Company,6,双偏振的原理,敏视达双偏振雷达采用成熟的、业务上应用广泛的双发双收模式，发射机输出信号功分两路分别以水平和垂直极化方式同时发射，双通道接收机和数字中频对数据进行并行处理。 水平通道的信号用于生成单偏振数据，而双通道信号之间的差异是双偏振雷达的关键： 双通道幅度差 系统要求双通道幅度差0.2dB 双通道相位差 系统要求双通道相位差2度,Beijing Metstar Radar Company,7,粒子双偏振差异表现在,后向散射特征不同 ZDR-反射率在不同极化方向上的差别 LDR-反射率在不同极化方向上的交叉转化 HV-两种极化方式信号的相关系数（幅度和相位） 传播路径效应不同 DP -不同极化方向上的传播路径相位差 KDP 单位距离的DP 衰减效应-不同极化方向上的衰减不同,双偏振雷达探测量,单偏振雷达量 dBT, dBZ, V, W 双偏振探测量 ZDR (差分反射率) HV/CC (协相关系数) DP (差分相移) KDP (差分相移率) LDR (退偏振比)水平发射/双通道接收模式,Beijing Metstar Radar Company,8,差分反射率 (ZDR),表达一个探测空间体（距离库）的平均的粒子形状,Beijing Metstar Radar Company,9,ZDR与雨滴大小,ZDR值与雨滴大小密切相关,Beijing Metstar Radar Company,10,ZDR与冰雹,dBZ大，但ZDR小是冰雹存在一个显著的特征,Beijing Metstar Radar Company,11,ZDR产品,Beijing Metstar Radar Company,12,C波段雷达ZDR产品样例，ZDR大的区域对应降水强的区域,协相关系数(HV/CC ),描述水平和垂直极化的回波信号变化的相似度 高CC 低CC,Beijing Metstar Radar Company,13,协相关系数的应用,气象目标CC高，非气象目标CC低 融化层识别（CC较低且噪声大） 大冰雹识别（CC0.85),Beijing Metstar Radar Company,14,CC产品,Beijing Metstar Radar Company,15,C波段雷达CC产品样例，7.5度仰角 CC产品清晰显示融化层的分布,CC产品显示融化层,Beijing Metstar Radar Company,16,C波段雷达CC产品样例，7.5度仰角 CC产品清晰显示融化层的分布,差分传播相移DP,水平和垂直通道相位差 电磁波在雨中传播速度变慢 水平极化的电磁波传播相比垂直慢一些,Beijing Metstar Radar Company,17,DP解释,与粒子形状相关 与粒子密度有关 冰雹的DP趋近于零,Beijing Metstar Radar Company,18,DP产品,Beijing Metstar Radar Company,19,C波段雷达PhiDP产品样例 相位显著增大的区域为强降水区域,差分传播相移率KDP,DP 是累积效应，随距离累积，不方便直接使用。因此需要引入KDP,Beijing Metstar Radar Company,20,KDP的特点和应用,KDP与降水率成比例，可用来估测降水 与反射率估算降水相比，KDP算降水不受冰雹影响 KDP是双通道相位的差值，不需要标定,Beijing Metstar Radar Company,21,KDP产品,Beijing Metstar Radar Company,22,C波段雷达KDP产品样例 KDP大的区域对在强降水区域,退偏振比LDR,LDR需要在单通道发射，双通道接收的模式下生成 LDR展示粒子的退偏振特性 因工作模式限制，LDR的应用比较少,Beijing Metstar Radar Company,23,LDR产品,Beijing Metstar Radar Company,24,水平发射，双通道接收模式获得的LDR产品。 仰角：30度 零度层特征清晰,双偏振雷达的优势,双偏振数据能够更好地描述粒子的尺寸/形状/降水类型及天气 能够区分气象/非气象回波 能够更好地去除异常传播、地物及海杂波等非气象回波 更准确地估计降水和降雪 (双偏振QPE对冰雹、亮带不敏感，且能够过滤非气象回波的影响) 探测和预警冰雹区域,Beijing Metstar Radar Company,25,Beijing Metstar Radar Company,26,2 双偏振二次产品,双偏振主要二次产品,Beijing Metstar Radar Company,27,采用美国NEXRAD升级双偏振后的算法，开发了二次产品应用包。,双偏振主要二次产品,Beijing Metstar Radar Company,28,融化层产品ML,Beijing Metstar Radar Company,29,双偏振探测量（主要是CC和Zdr）更能够体现融化层的变化。,融化层产品,Beijing Metstar Radar Company,30,左：反射率 中：ZDR 右：CC,融化层产品,Beijing Metstar Radar Company,31,左上：相关系数CC产品 右下：融化层ML产品,融化层产品,Beijing Metstar Radar Company,32,产品应用： （1）每个仰角更新，提供实时不同方位的融化层高度信息； （2）融化层高度信息有助于分析雷达数据，尤其是区分固态和液态粒子；,粒子相态分类产品HCL,Beijing Metstar Radar Company,33,算法输入： 双偏振基数据：Z、ZDR、V、CC、PDP、KDP等6种数据。 算法输出： 地物杂波（GC，Ground Clutter） 生物杂波（BI， Biological Scatters） 干雪（DS， Dry Aggregated Snow） 冰水混合物（WS， Wet Snow） 冰晶（IC， Ice Crystals） 霰（GR， Graupel） 大雨滴（BD， Big Drops） 小雨滴（RA， Light and Moderate Rain） 强降雨（HR， Heavy Rain） 冰雹（RH， Mixture of Rain and Hail）,粒子相态分类产品HCL,Beijing Metstar Radar Company,34,模糊逻辑算法的基本依据,粒子相态分类产品HCL,Beijing Metstar Radar Company,35,左上：反射率产品 右下：粒子相态分类产品,粒子相态分类产品HCL,Beijing Metstar Radar Company,36,左上：未滤波的反射率 右下：粒子相态分类产品,粒子相态分类产品HCL,Beijing Metstar Radar Company,37,产品应用： （1）相态识别有助于雷达数据分析； （2）相态识别产品有助于快速定位和预警区域灾害性天气； （3）相态识别是双偏振降水QPE的输入。,双偏振QPE,单偏振 双偏振,Beijing Metstar Radar Company,38,混合扫描 反射率,R(Z),相态分类 融化层信息,R(Z),R(Z,ZDR),R(KDP),Beijing Metstar Radar Company,39,R(Z, ZDR) Algorithm,R(Z) 传统的降水估测关系，受固态降水、亮带及标定的影响较大 R(Z,ZDR) ZDR相对于dBZ受标定影响小 ZDR与粒子相态有关，计算固态降水更准确 R(KDP) KDP不受标定和衰减的影响 计算降水，不受混合冰雹的影响 对于弱降水，KDP值噪声大 计算KDP经过平滑，距离分辨率和精度之间有取舍,Beijing Metstar Radar Company,40,降水率算法选择,双偏振QPE产品,Beijing Metstar Radar Company,41,双偏振QPE的降水率产品，可用于降水累积,单/双偏振QPE对比,Beijing Metstar Radar Company,42,左上：单偏振3小时雨量累积 右下：雨量计3小时雨量,单/双偏振QPE对比,Beijing Metstar Radar Company,43,左上：双偏振QPE3小时 右下：雨量计3小时雨量,双偏振QPE产品,Beijing Metstar Radar Company,44,产品应用： （1）双偏振降水率的计算与粒子相态相关；对冰雹和亮带不敏感，并且非气象回波不影响降水估算； （2）双偏振降水估计对冰雹和亮带不敏感； （3）非气象回波不影响降水估算。,Beijing Metstar Radar Company,45,3 升级双偏振的优势,Beijing Metstar Radar Company,46,双偏振升级带来的优势之一,双偏振探测的优势 1) 双偏振数据能够更好地描述粒子的尺寸/形状/降水类型及天气 2) 能够区分气象/非气象回波，并能够更好地去除异常传播、地物及海杂波等非气象回波 3)双偏振QPE更准确地估计降水和降雪,Beijing Metstar Radar Company,47,双偏振升级带来的优势之二,升级带来单偏振数据质量的提高 1）系统设计和标定的精度提高（幅度和相位） 2）Burst订正提高改善信号质量，提高地物抑制能力 3）相位编码过滤二次回波 4）数据分辨率提高（250米距离库） 5）天线角码速率45MS11.25MS 这些措施的综合将提高反射率的测量精度和准确性，提高速度和谱宽数据的质量。,双偏振数字中频模块,高度集成化的多通道模块，集成度的提高降低故障率，大大增强和扩展了信号处理能力。,高度集成化数字中频/信号处理模块。多通道，16位A/D，实时处理4K以上距离库数据； I/Q数据通过网线传输至主机，可实时存档I/Q数据；,发射机Burst信号采样和订正,使用发射机末级采样Burst信号订正回波I/Q数据的幅度和相位，显著提高系统相噪和地物抑制能力。,动态杂波图,右上：反射率（未滤波） 左下：动态杂波图区域,相位编码去二次回波,Beijing Metstar Radar Company,51,左上：反射率产品 (含二次回波） 右下：去二次回波后 反射率,相位编码去二次回波,Beijing Metstar Radar Company,52,左上：速度产品 (含二次回波） 右下：去二次回波后 速度,相位编码去二次回波,Beijing Metstar Radar Company,53,左上：谱宽产品 (含二次回波） 右下：去二次回波后 谱宽,相位编码应用在S波段示例,Beijing Metstar Radar Company,54,如图为美国NEXTRAD雷达升级后采用相位编码解二次回波的样例。,Beijing Metstar Radar Company,55,数据分辨率提高,湛江海鸥台风反射率对比图 左上：1公里/1.0度 右下：250米/0.5度,Beijing Metstar Radar Company,56,湛江海鸥台风反射率对比图 左上：现有分辨率局部4X 右下：提高分辨率局部4X,数据分辨率提高,Beijing Metstar Radar Company,57,湛江海鸥台风反射率对比图 左上：现有分辨率局部16X 右下：提高分辨率局部16X,数据分辨率提高,Beijing Metstar Radar Company,58,4 业务兼容性设计,业务兼容性考虑,Beijing Metstar Radar Company,59,单偏振兼容性 双偏振工作模式能够输出所有的单偏振量，将设计和运行兼容VCP21的双偏振工作体扫模式。 业务兼容性 雷达应用软件将输出2套数据： 单偏振的基数据+上传产品（CMA业务规范） 双偏振的基数据+应用产品（省内业务应用）,总 结,Beijing Metstar Radar Company,60,双偏振雷达能够兼容单偏振雷达的现有业务功能和气象产品； 双偏振资料能够提供粒子的相态信息，提高非气象回波的识别和过滤能力，提高降水估计的准确性； 双偏振雷达对系统标定、信号处理及软件子系统的升级和改进，提高了系统的标定水平和数据质量，提高了单偏振产品的质量。,Beijing Metstar Radar Company,61,谢谢,