[0001] 本申请涉及双偏振天气雷达领域，尤其是一种双偏振天气雷达基数据质量自动分析方法。

[0002] 双偏振天气雷达相比于单偏振天气雷达可以更准确地估计降水粒子的形状和相态，能够探测和识别非球形的冰晶、大雨滴或冰雹。在降水系统的演变过程中，双偏振天气雷达可以更直接地反映强对流天气的回波结构。基于此，双偏振天气雷达已成为当前监测灾害性天气的重要手段。

[0003] 随着X波段双偏振天气雷达的应用越来越广泛，对雷达数据质量的要求也越来越高。为保证观测数据的准确性，双偏振天气雷达对硬件性能提出了更高的要求，如天线精度、水平和垂直通道的一致性和隔离度等都是影响雷达数据质量的关键因素。实际观测过程中，X波段双偏振天气雷达容易受地物回波、环境噪声、信号衰减等因素的影响，且有时由于雷达标定方法的误差、信号处理算法和雷达硬件的一些损耗导致雷达的探测性能并不能达到雷达出厂测试要求的指标，这些问题都会导致双偏振天气雷达的基数据的质量下降，影响探测准确度。因此在应用基数据之前对基数据的数据质量进行分析很有必要，目前主流的一些做法是针对单个探测量进行质量分析，局限性较大，特别是对于信号处理算法和硬件损耗导致的资料质量下降，这些问题用常规的数据订正算法效果并不明显，无法准确评估得到基数据的数据质量。

[0055] 下面结合附图对本申请的具体实施方式做进一步说明。

[0056] 本申请公开了一种双偏振天气雷达基数据质量自动分析方法，该双偏振天气雷达基数据质量自动分析方法包括如下步骤，请参考图1所示的流程图：

[0057] 步骤1，利用模糊逻辑法识别并去除双偏振天气雷达的体扫基数据中的地物回波，完成对体扫基数据的数据预处理得到降水回波基数据，通过数据预处理可以避免后续统计分析结果受到地物回波的影响，提高分析结果的准确性和可靠性。

[0058] 步骤2，根据降水回波基数据中的反射率因子ZH、差分反射率ZDR、差分相位ΦDP得到雷达信号基础指标并从降水回波基数据中识别出层状云降水回波。其中，雷达信号基础指标包括雷达探测威力、径向连续性检测结果和初始差分相位稳定性。

[0059] 步骤3，当所有雷达信号基础指标均合格且层状云降水回波的探测量符合对应要求时，确定双偏振天气雷达的体扫基数据的数据质量达标，可以用于后续使用。否则确定双偏振天气雷达的体扫基数据的数据质量不达标，可以考虑丢弃以避免数据质量低影响后续探测效果。

[0060] 如图1为了方便清楚表示逻辑，以依次检测各个雷达信号基础指标是否合格，最后检测层状云降水回波的探测量是否符合对应要求进行图示，但本领域技术人员可以理解的是，这是方面的检测并没有特定的先后顺序，且一般是同时执行的。

[0061] 在一个实施例中，上述步骤1对体扫基数据进行数据预处理以识别去除地物回波得到降水回波基数据的方法包括如下步骤，请参考图2的流程图：

[0062] 步骤210，对于体扫基数据中的每个距离库，计算得到该距离库的特征量包括：

[0063] (1)按照 计算得到距离库上的反射率因子ZH的水平纹理TdBZ。

[0064] 其中，Zi，j表示方位索引i、径向索引j的反射率因子，Zi，j+1表示方位索引i、径向索引j+1的反射率因子。NA表示方位的索引总数，NR表示径向的索引总数。

[0065] (2)按照 计算得到距离库上的反射率因子ZH沿径向的库间变化程度SPIN。

[0066] 其中， Zthresh是距离间强度变化的阈值，取3dBZ。

[0067] (3)按照 计算得到距离库上的差分反射率ZDR的水平纹理TZDR。

[0068] 其中，ZDRi，j表示方位索引i、径向索引j的差分反射率，ZDRi，j+1表示方位索引i、径向索引j+1的差分反射率。

[0069] (4)按照 计算得到距离库上的差分相位ΦDP的水平纹理

[0070] 其中，ΦDPi，j表示方位索引i、径向索引j的差分相位，ΦDPi，j+1表示方位索引i、径向索引j+1的差分相位。

[0071] 步骤220，利用模糊逻辑法根据每个距离库上的四个特征量，也即水平纹理TdBZ、库间变化程度SPIN、水平纹理TZDR和水平纹理 检测该距离库是否为地物回波。包括：

[0072] (1)将距离库上的水平纹理TdBZ输入模糊逻辑法中的隶属函数得到TdBZ隶属度f1(TdBZ)。也即水平纹理TdBZ越靠近
20则认为是地物回波的可能性越大，水平纹理TdBZ大于20则认为是地物回波。该隶属函数如图3中的(a)所示。

[0073] (2)将距离库上的库间变化程度SPIN输入模糊逻辑法中的隶属函数得到SPIN隶属度f2(SPIN)。也即库间变化程度SPIN越接近
30％则认为是地物回波的可能性越大，库间变化程度SPIN大于30％则认为是地物回波，该隶属函数如图3中的(b)所示。

[0074] (3)将距离库上的水平纹理TZDR输入模糊逻辑法中的隶属函数得到TZDR隶属度f3(TZDR)。也即水平纹理TZDR大于2则
认为是地物回波的可能性越大，水平纹理TZDR大于2则认为是地物回波，该隶属函数如图3中的(c)所示。

[0075] (4) 将距离库上的水平纹理 输入模糊逻辑法中的隶属函数得到 隶属度 也即水平纹理 在0‑
10之间则不认为是地物回波，水平纹理 越接近30则认为是地物回波的可能性越大，水平纹理 大于30则认为是地物回波，该隶属函数如图3中的(d)所示。

[0076] (5)将距离库上的TdBZ隶属度f1(TdBZ)、SPIN隶属度f2(SPIN)、TZDR隶属度f3(TZDR)和隶属度 进行加权计算得到距离库的综合隶属度α1、α2、α3和α4分别为各
项隶属度对应的权重，且可以自定义设置。

[0077] (6)当距离库的综合隶属度F＞Fthd时，确定该距离库为地物回波，否则确定该距离库为降水回波。其中，Fthd是预设的隶属度阈值。

[0078] 步骤230，对各个距离库分别按照步骤210和步骤220进行识别和检测完成后，将体扫基数据中所有为地物回波的距离库去除，完成对体扫基数据的数据预处理得到降水回波基数据。

[0079] 在上述步骤2和步骤3中，需要在雷达探测威力、径向连续性检测结果、初始差分相位稳定性和层状云降水回波四方面进行检测，如下实施例分别对这四方面介绍如下：

[0080] 一、雷达探测威力

[0081] 统计降水回波基数据中不同仰角上所有径向对应距离库上的最小可测的反射率因子ZH，得到最小可测的反射率因子ZH随距离的分布结果。当最小可测的反射率因子ZH随距离的分布结果满足反射率因子分布要求时，确定雷达探测威力合格，否则确定雷达探测威力不合格。

[0082] 在判断最小可测的反射率因子ZH随距离的分布结果是否满足反射率因子分布要求时，可以检测整体分布情况是否满足对应要求。或者检测预定距离处的最小可测的反射率因子ZH是否满足对应要求，比如实际应用时常用的检测100km处的最小可测的反射率因子ZH是否满足对应要求。

[0083] 二、径向连续性检测结果

[0084] 请参考图4所示的流程图，包括如下过程：

[0085] 1、计算降水回波基数据中的反射率因子ZH在径向上的一阶差分ZH_diff、差分反射率ZDR在径向上的一阶差分ZDR_diff以及差分相位ΦDP在径向上的一阶差分ΦDP_diff。

[0086] 2、当径向上ZH_diff均小于等于对应的阈值Zthd，且径向上ZDR_diff均小于等于对应的阈值ZDRthd，且径向上ΦDP_diff均小于等于对应的阈值Φthd时，确定径向连续性检测结果合格。

[0087] 同理，图4为了清楚示出，以流程上依次检测ZH_diff、ZDR_diff、ΦDP_diff进行示意，实际这三个检测步骤没有特定先后顺序且可以同步执行。

[0088] 3、当径向上存在ZH_diff＞Zthd，或者径向上存在ZDR_diff＞ZDRthd，或者径向上存在ΦDP_diff＞Φthd时，确定径向连续性检测结果不合格。

[0089] 由于全固态体制双偏振天气雷达采用多脉冲组合发射模式处理回波：利用中脉冲对长脉冲的盲区进行补盲，短脉冲对中脉冲的盲区进行补盲。不同脉冲拼接处会出现不连续现象，因此径向上的这种不连续可能是脉冲拼接导致的，脉冲拼接位置在系统预设的固定位置，可以预先确定。则在确定径向连续性检测结果不合格的情况下，进一步的：

[0090] (1)当径向上存在ZH_diff大于对应的阈值Zthd，且大于阈值Zthd的ZH_diff所对应的反射率因子跳变区位于脉冲拼接位置处时，表示是正常的由脉冲拼接导致的反射率因子跳变，对反射率因子跳变区的反射率因子ZH进行修正，使得径向上ZH_diff均小于等于对应的阈值Zthd。

[0091] 在一个实施例中，修正的方法包括确定脉冲拼接位置处的反射率因子跳变区的修正后的反射率因子为ZH(after)‑ZH(front)。其中。ZH(after)是脉冲拼接位置后若干个距离库的反射率因子的平均值，ZH(front)是脉冲拼接位置前若干个距离库的反射率因子的平均值。

[0092] 但是当反射率因子跳变区不在脉冲拼接位置处时，表示该反射率因子跳变区为异常情况，则输出该反射率因子跳变区用于指示异常情况方便进一步查验。

[0093] (2)当径向上存在ZDR_diff大于对应的阈值ZDRthd，且大于阈值ZDRthd的ZDR_diff所对应的差分反射率跳变区位于脉冲拼接位置处时，表示是正常的由脉冲拼接导致的差分反射率跳变，对差分反射率跳变区的差分反射率ZDR进行修正，使得径向上ZDR_diff均小于等于对应的阈值ZDRthd。

[0094] 在一个实施例中，修正的方法包括确定脉冲拼接位置处的差分反射率跳变区的修正后的差分反射率为ZDR(after)‑ZDR(front)，ZDR(after)是脉冲拼接位置后若干个距离库的差分反射率的平均值，ZDR(front)是脉冲拼接位置前若干个距离库的差分反射率的平均值。

[0095] 同样的，当差分反射率跳变区不在脉冲拼接位置处时，输出该异常的差分反射率跳变区。

[0096] (3)当径向上存在ΦDP_diff大于对应的阈值Φthd，且大于阈值Φthd的ΦDP_diff所对应的差分相位跳变区位于脉冲拼接位置处时，表示是正常的由脉冲拼接导致的差分相位跳变，则对差分相位跳变区的差分相位ΦDP进行修正，使得径向上ZH_diff均小于等于对应的阈值Zthd。

[0097] 在一个实施例中，修正的方法包括确定脉冲拼接位置处的差分相位跳变区的修正后的差分相位为ΦDP(after)‑ΦDP(front)，ΦDP(after)是脉冲拼接位置后若干个距离库的差分相位的平均值，ΦDP(front)是脉冲拼接位置前若干个距离库的差分相位的平均值。

[0098] 同理，当差分相位跳变区不在脉冲拼接位置处时，输出差分相位跳变区。

[0099] 则在确定径向连续性检测结果不合格的情况下，还输出反射率因子跳变区、差分反射率跳变区和差分相位跳变区中的至少一种以指示径向不连续的区域。且在确定径向连续性检测结果不合格的情况下，当确定是脉冲拼接导致的径向不连续问题时，可以直接修正，而在确定是异常现象导致的径向不连续问题时，可以根据输出的跳变区指示异常区域。

[0100] 三、初始差分相位稳定性

[0101] 在每层仰角的每个径向上，以径向的有效降水回波起始点的后若干个距离库的差分相位的平均值作为径向的初始差分相位。其中每个径向的有效降水回波起始点需要满足两个条件：从有效降水回波起始点向外搜索连续K个距离库的相关系数都大于相关系数阈值，以及连续K个距离库的差分相位的标准差小于预定阈值。在一个实例中，K＝9，相关系数阈值取为0.9，预定阈值为3。

[0102] 然后计算每层仰角的所有径向的初始差分相位的中位值得到每层仰角的初始差分相位。最后计算降水回波基数据中所有层仰角的初始差分相位的平均值得到降水回波基数据的初始差分相位。

[0103] 得到每组降水回波基数据的初始差分相位后，计算连续若干组体扫基数据的初始差分相位的标准差得到初始差分相位稳定性，当标准差小于标准差阈值时，确定初始差分相位稳定性合格，否则确定初始差分相位稳定性不合格。

[0104] 四、层状云降水回波

[0105] 降水回波基数据中包括对流云降水回波和层状云降水回波，因此首先需要从降水回波基数据中识别层状云降水回波，在一个实施例中，利用各个点的反射率因子来判断该点属于对流云点还是层状云点，包括如下步骤，请参考图5的流程图：

[0106] 所有反射率因子ZH≥Thd1的点都归属为对流云点。其中，Thd1为预设的阈值且在实例中取40dB。

[0107] 对于反射率因子ZH＜Thd1的任意一点按照如下(1)～(5)进行识别：

[0108] (1)当以该点为圆心、半径R1的范围内存在ZH≥Thd1的点时，也即在该范围内存在已经确定的对流云点时，确定该点也属于对流云点。R1为预定阈值也在实例中取5km。

[0109] (2)当以该点为圆心、半径R1的范围内所有点的反射率因子ZH＜Thd1时，计算以该点为圆心、半径R2的范围内所有点的反射率因子的平均值作为背景场平均强度Aυ。R2也为预定阈值也一般大于R1，在实例中比如取为12km。

[0110] (3)当Aυ≤0且该点的反射率因子ZH‑Aυ≥Thd2时，确定该点属于对流云点，当Aυ≤0且点的反射率因子ZH‑Aυ＜Thd2时，确定点属于层状云点。Thd2为预设阈值也在实例中取为10dBZ。

[0111] (4)当0＜Aυ＜Thd3且点的反射率因子 时，确定点属于对流云点，当0＜Aυ＜Thd3且点的反射率因子 时，确定点属于层状云
点。

[0112] (5)当Aυ≥Thd3且点的反射率因子ZH‑Aυ≥0时，确定点属于对流云点，当Aυ≥Thd3且点的反射率因子ZH‑Aυ＜0时，确定点属于层状云点。Thd3为预设阈值且小于Thd1，比如在实例中可以取为38dBZ。

[0113] 对反射率因子ZH＜Thd1的任意一点按照上述(1)～(5)进行识别后，进一步的，考虑反射率因子ZH＜Thd1的对流云点的影响半径，将反射率因子ZH＜Thd1的任意一个对流云点的影响半径内的其他点也都修正归属为对流云点。完成修正后，综合最终确定的所有层状云点识别得到层状云降水回波，其他所有对流云点构成对流云降水回波。

[0114] 其中，每个对流云点的反射率因子越大、对流云点的影响半径越大。不同反射率因子的取值对应的影响半径可以预先自定义。比如在一个实例中，对流云点的反射率因子小于10dBZ时对应的影响半径为0、也即不考虑影响半径。对流云点的反射率因子在10dBZ～25dBZ范围内时对应的影响半径为1km。对流云点的反射率因子在25dBZ～30dBZ范围内时对应的影响半径为2km。对流云点的反射率因子在30dBZ～35dBZ范围内时对应的影响半径为
3km。对流云点的反射率因子在35dBZ～40dBZ范围内时对应的影响半径为4km。对流云点的反射率因子大于40dBZ时对应的影响半径为5km。

[0115] 在识别得到层状云降水回波后，统计层状云降水回波的各个探测量的数值分布情况，探测量包括信噪比、滤波前反射率、反射率因子、径向速度、速度谱宽、差分反射率、相关系数、差分相位和差分相移率。当各个探测量的数值分布情况分别在各自对应的预设分布范围内时，确定层状云降水回波的探测量符合对应要求，否则确定层状云降水回波的探测量不符合对应要求。

[0116] 以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本申请不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本申请的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本申请的保护范围之内。