山区地带的地物杂波特性以及消除技术外文翻译资料

 2022-12-06 15:27:53

英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

山区地带的地物杂波特性以及消除技术

M. Gabella and R. Notarpietro

Politecnico di Torino, Electronics Department, Corso Duca degli Abruzzi, 24, 10129 Turin (Italy)

摘要：

针对残余的地物杂波的去除，本文提出了一种简单，快速并且基于纹理的技术。它主要的优点是容易实现（对两极数据和笛卡尔数据均适用）并且在已经被使用的其他几种杂波去除方法之后，可以将此技术作为一种“后验”的技术来运用。在180times;150平方公里的复杂地区中，我们对此技术在晴空和降水两种不同的天气条件下的性能进行了分析，运用的数据主要来自非多普勒雷达和多普勒雷达（对于这两种数据，均发现约有50%的晴空条件下的地物杂波的平均反射率大于13dBZ）。在使用非多普勒数据的分析案例中，基于纹理的代码的使用是在”预先存储的静态地图”的前提下，此举是绝对必要的并且也致使了好的结果。而在使用多普勒雷达数据的案例中，此技术的运用也有让人满意的结果，即使是在最近的方法中，去除多普勒速度测试，结合所有相关的雷达回波信息，也不能有这样好的分析结果。

1.引言

地物回波的存在对于天气雷达数据分析是一个极大的挑战，尤其在水文学和降水量估计被大众关注的背景下。当大量广泛分布的杂波出现时，由于地物杂波的影响，实际降水量与降水算法得出的估计结果就表现出了不一致。无论是出于定量还是定性的目的，地物杂波的消除都是天气雷达有效使用的先决条件。从某方面来说，杂波的去除是尤其重要的，因为从高的站点所得的清晰的图像中必然包含大量的地物杂波像素点。一种消除杂波的简单的解决办法就是使用静态杂波图，这种图是由在晴空条件下一系列的雷达图像确定的(例如：平均地物回波图)。

杂波大而快的短期涨落特性在“抑制阈值”的选择上显示出了严峻的问题。在对非多普勒C波段雷达的大量测量中，我们发现一个阈值比平均地物杂波大3.5dB的横截面，无论地物杂波的分布情况如何，横截面对其的去除程度能达到90%。可以使用以下的几种方法来对时变的杂波分布进行拟合操作:Rayleigh(独立随机分布的散射体，e.g. Wallace, 1953)；Rice(在许多Rayleigh散射体中占主导地位的散射体，e.g. Ker, 1987)；lognormal (e.g. Linell, 1966) ；Weibull (e.g.Boothe, 1969).。对于这些具有右偏态分布特性的方法，Rice的平均中位数的比率小于1.6dB,而Weibull 与lognormal 的平均中位数等于1.6dB或者大于1.6dB(经典值经常约5-10dB)。使用静态图的弊端就是仍然存在着大量的残余地物回波并且对相当大一部分有效的降水的估计造成损失（这种损失也是对阈值选择值所造成影响的一种折中）

去除地面杂波的影响存在一种更有效的方式，就是直接检测放弃被地物回波所影响的雷达回波信号（Geotis 和Silver, 1976)。在这种情况下，使用高距离分辨率的雷达门(lt;100m)和多普勒速度信息，能最大化至少有一部分无杂波雷达站的每一个像素能进行笛卡尔数据运算生成产品的概率。结合所有可获得雷达回波信息这一复杂有效的方法也即决策树算法，此算法结合了自适应的杂波图，此杂波图由Joss和Lee提出（1995）（以下简称JL95），被运用于MeteoSwiss雷达网的所有站点(Joss et al., 1998)。这种信号处理算法不是简单的基于动态目标物的指示技术，而是基于能够对每83m 未处理的雷达门进行地物/非地物回波的判断的一种决策树分类系统。该算法利用目标物速度的多普勒（径向）分量，频谱宽度，最小可检测信号，一滞后和二滞后的信号起伏，反射率的垂直梯度以及连续更新的“事件性”杂波图。

此地图针对每一个雷达门有一个计数器，而这也是通过决策树分类系统所做出的每一个具有决定性的选择来进行自我更新的，但是当只有一个能被查阅时，在决策树上没有一个决定是具有决定性的。这种动态的，自适应的杂波地图包含的盲点要比它的静态对应点要少得多，因为计数器常常在12的时候饱和，因此，杂波地图反映的仅仅是当前的杂波而不是每日或每月的总量的集合。

在Sect.2上提出的简单的基于纹理的消除算法，对残余地面杂波的抑制具有显著的效果。结构简便和较短的模拟时间在规划过程中是我们追求的主要目标：这两个目标是很容易实现的（无论是极性数据还是笛卡尔数据），而且在其他可使用杂波去除方法被运用后，可以将这种算法当作“后验”方法。在Sec.3上提出两个C波段雷达的数据可以被用来评估基于纹理的技术代码。Sect.4上描述了在两台非并置式控制的雷达建立的山地区域，尤其是180times;150平方公里的区域进行的专题研究。这种基于纹理的技术的表现在晴空（Sect.5）和降水（Sect.6）条件下，连同其他创新有效的杂波去除方法来进行分别的讨论。

2.用于去除残余杂波和异常传播回波的基于纹理算法

这种算法基于的事实是：非稳定的地物杂波和异常传播的回波（anaprop）在空间里是没有明显联系的，而且很大程度上在空间的分布也是非均匀的。它们的鲜明特征通过反射率数据来得到识别，因为它们的空间变化性要比天气回波要明显的多。该技术侧重于雷达反射率场的水平空间变化性。因此，它应该只能被运用于具有同样高度的反射率数据分析。但是，此技术运用于不是严格属于同一高度的反射率数据（例如最大反射率图）是否仍然有效还有待进一步验证。算法分为两部分，第一部分是具有“空间邻接性”的滤波器，第二部分是对紧密度的测试。前者是因为降水的空间连续性比地物杂波要好所以采用，后者是因为在降水场背景下，两者的区域和边界特征不同。

被运用于每个像素上的“空间邻接性”滤波器主要消除与周围空间环境有弱相关的数据。出于这个目的，我们选择在被着重考虑的像素（或者站点，在分析极性反射率的前提下）周围放置一个5times;5的像素窗口。当观察的像素与像素窗口中np 周围像素的差异小于一个特定的阈值trvar 则这个像素的值就会被认为是一个气象回波；否则该像素会被认为已经受地物杂波的影响，并且其值会被一个标记取代。而trvar 的值的选择的基础是：通过多尺度统计分析(例如：傅里叶空间能量谱，广泛的结构功能，时刻表分析，具体方法可以查阅Harris et al., 2001)之后能进行量化降水场空间连续性的这么一种手段。在目前的研究中，阈值值得选择是基于Germann和 Joss(2011)关于方差函数的研究，研究发现有1km的滞后（np=8也即周围的8个像素距离1km）甚至在阿尔卑斯山的中尺度对流系统中有不大于6dBZ的平均偏差。选择5times;5的窗口似乎是一个很好的选择，因为3times;3的窗口太过精细但比5times;5更大的窗口的过滤功能又太弱。另外，tr1和np的选择也很明显能影响杂波去除过程。然而，选择阈值的“可接受”范围(3dBZlt;tr1lt;9dBZ, 6lt;nplt;10)并不能对过滤算法的结果产生影响。该算法的第二部分确定了相邻像素的非空强度：如果像素触及八个可能方向（包括对角线方向）的任意方向则像素被认为是同一组别的。组中像素总数与定义边界的像素数量的比值R在每个组中都会有相应的评估。目前它已经在一些雷达图中得到了验证，结果为在残余杂波象素组里比率R接近1。因此，选择一个稍微较大的阈值电平tr2将有利于消除大部分不必要的杂波。非常小的雷暴单体，有约半个小时的中等寿命，横向延伸数平方公里，然而不幸的是，此雷暴单体的回波会在算法过程中被去除。所以选择tr2=1.3为第二选择阈值。这个阈值的选择显示了这个最小“紧凑型”的群组被公认为是一种超过11像素的气象特征。

3.仪器描述

C波段非多普勒雷达（Bric）是设置在意大利的第一台数字操作系统（最近天线和传感器已经完成了升级）。在试验过程中，1.54波束在四个250m的范围箱中均匀传播并对笛卡尔千米系统网络被重复采样。在整个柱状体积中，最大反射率的投射每五分钟产生一次。由MeteoSwiss安装的多普勒雷达（Lema）是第一个“新一代”雷达，此雷达的规格是如同开发Bric雷达那样的，数十年的辛苦工作的结果。每五分钟以1波束来扫描整个散射体积（海拔20）。这个过程由交叉高仰角的两个周期运作完成，每个周期持续2.5分钟。每个距离单元是有83m距离分辨率的33门的最大值的平均值:JL95杂波去除算法发表于Sect1并在雷达站对每个83m原门进行杂波/非杂波的判断过程中应用。1times;1times;80m的“JL95杂波”距离箱在笛卡尔的系统网络中均匀放置并进行重采样。不幸的是，用JL95消除算法所得到的反射率的值并不能在操作中获得，只有杂波得到了数据存储。在研究中，两台雷达的所有五分钟最大反射率图已经利用在Sect2上展示的基于纹理的技术来得到。

Fig1:第一幅图是Monte Lema雷达站的像素视图；中间图为模拟在晴空条件下地物杂波图；底部的图是在13:15 UTC，1997年4月17日所得的晴空地物回波图；这三幅图都可在一份(Req/Rearth = 1.25)关于大气折射率剖面的文献中查阅。

4.案例分析区域简介

目前研究区域是位于意大利西北部180times;150平方公里的复杂地形区域，也是在那里进行地面杂波消除有效性的定量评估。这片区域的北部和西部地区被非常高的山峰（阿尔卑斯山）所环绕，部分平坦部分丘陵陡峭。而多普勒雷达位于海拔1625m的Monte Lema 山顶，非多普勒雷达在海拔710m的德拉克罗斯的山地，距离都灵东部仅5km.。这两处雷达的选址的地面，地物杂波特性以及首选性都是很明显的，而且利用简单的集合光学方法来计算可见的像素数量，可以很容易得到这些特性的信息。假设有标准的折射率梯度(等效地球半径在模拟中是真实值得1.25倍)和1times;1公里空间分辨率的数字地图的使用,以Lema radar举例来说，在图一中展示的模式中大约有38%的像素是从Lema雷达站得到的（有35%的180times;150像素来自于Bric雷达）。如果我们把地区扩大到南部（无屏蔽的平坦地区）并放弃有屏蔽的地区（奥斯塔，瓦莱），那么回波被地物杂波污染的可能性就会更高:在皮德蒙特高原地区（其政治边界是由黑色的线表示），Bric雷达中56%的像素是可见的,Lema雷达有59%。上述数据与在北部地区所测得的数据有明显的不同，因为在北部地区有相当大一部分地形是具有遮蔽性的，所以在400times;400公里区域内Lema雷达站周围可见的像素数大约只有25%。不仅仅是可见像素（几何光学方法得到的），遮蔽地形对地物杂波的消除也有一定的贡献。为了能对阴影效果有一个更精准的估计，在利用几何光学理论在预测零照度时，也可以运用衍射理论。然而这个过程非常的耗时而且最终可以发现是不可能的，因为DEM的细节以及折射率结构的缺失（在光线跟踪环节）。

如果对C波段雷达在降雨临界点（如13dBZ）的地物回波的特征感兴趣，那么采用几何光学的方法就十分有必要了。“降雨临界值”在这个时刻，大部分的回波和雷达周围的回波会被大量的削减，而弱回波也仅仅由雷达二次回波产生。这种现象在图一中有很明显的表现，图中可以看出地面杂波的回波反射率Z大于13dBZ，而用计算机编码来对雷达站进行评估时，哪怕是用最简便的模式，也需要栅格数字仰角图，雷达参数和大气折射率的估值(Gabella 和 Perona ,1995).在大部分的标准雷达反射率（满足等效地球半径，Req=1.25的条件），等效回波强度比毛毛雨大的像素数占了所选区域的29%，和实际观察所得的结果一样。而在图一中的最后一幅图就体现了这一点。杂波功率的检测在1997.04 13.15晴空条件下由Lema雷达实施。检测的模式显示更多的小规模变动因素出现在杂波强度中，而这些强的杂波可以通过平均多张地图来得到减少，但这些地图中有些后向散射模式中没有把城市地区考虑进去，所以地图也就不是特别精确和有效。但是，在模拟和实际观测之间的协调对于前三类是可以接受的。模拟大大低估了回波强度大于46dBZ的数量，只有100而不是600像素被观察到。

Fig2 1996.9.28 晴空条件下的等效降水量；第一幅图是没有去除杂波的；第二幅图，根据Joss和Lee的算法（LJ95）得出；第三幅图是利用LJ95和基于纹理的算法得出的。

Fig3 1996.9.28（00：00UTC）非多普勒雷达（Bric）雷达的清晰杂波回波产生的等效日降水量图（计算的大气折射率为Req/Rearth=1.47,与图二相同）。第一幅图:没有杂波去除；第二幅图:静态图（使用的阈值为日中等截面）；第三幅图：使用基于纹理算法后的静态图。

5.晴空模式下的后期处理

在本节中，针对两个类型的雷达，文中提出了在晴空标准折射条件下地物杂波的日平均模式。基于纹理的杂波消除算法的有效性可以通过比较处理和未处理的回波图的日平均值来清楚的显示。结果表明两个雷达于1996.9.28 都获得了平均288个最大反射率回波图。在米兰12.00UTC获得的无线电探空仪显示，在低层大气中准标准的折射率减小了，而这一现象被认为是以百万分之一为单位的空气折射率的值大于真空中的值并使用了所谓的Nunits的结果。折射率梯度-50Nunits/km略大于通常的值-30Nunits/km.这种大于通常数值的情况而形成的电磁射线弯曲会导致与通常情况下的回波相比有更大的地物杂波（例如图一中，用于比较）。而图二显示了来自多普勒Lema雷达清晰的杂波回波导出的等效日降雨量图。其中的第一幅图显示没有任何类型的杂波抑制措施的平均地物杂波回波图，这幅图仅仅在日数据基础上推断的几幅回波图的平均值，因为如前所述，反射率回波图与消除算法很不幸的是，不能同时兼得。如预期的那样，许多像素（50%）的之

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[25155]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章