双偏振雷达产品和应用介绍（PPT61页)

BeijingMetstarRadarCompany1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BeijingMetstarRadarCompany2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BeijingMetstarRadarCompany31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。BeijingMetstarRadarCompany4双偏振基本原理BeijingMetstarRadarCompany5BeijingMetstarRadarCompany6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BeijingMetstarRadarCompany7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ρHV-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ΦDP-不同极化方向上的传播路径相位差KDP–单位距离的ΦDP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)ρHV/CC(协相关系数)ΦDP(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BeijingMetstarRadarCompany8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BeijingMetstarRadarCompany9)(dBZZZvhdrZDR与雨滴大小ZDR值与雨滴大小密切相关BeijingMetstarRadarCompany10ZDR与冰雹dBZ大，但ZDR小是冰雹存在一个显著的特征BeijingMetstarRadarCompany11ZDR产品BeijingMetstarRadarCompany12C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(ρHV/CC)描述水平和垂直极化的回波信号变化的相似度高CC低CCBeijingMetstarRadarCompany13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)BeijingMetstarRadarCompany14CC产品BeijingMetstarRadarCompany15C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BeijingMetstarRadarCompany16C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ΦDP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BeijingMetstarRadarCompany17ΦDP解释与粒子形状相关与粒子密度有关冰雹的ΦDP趋近于零BeijingMetstarRadarCompany180DP0DP0DPΦDP产品BeijingMetstarRadarCompany19C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ΦDP是累积效应，随距离累积，不方便直接使用。因此需要引入KDPBeijingMetstarRadarCompany20)(2)()(1212rrrrKDPDPDP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BeijingMetstarRadarCompany21KDP产品BeijingMetstarRadarCompany22C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BeijingMetstarRadarCompany23LDR产品BeijingMetstarRadarCompany24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BeijingMetstarRadarCompany25BeijingMetstarRadarCompany262双偏振二次产品双偏振主要二次产品BeijingMetstarRadarCompany27基数据融化层探测粒子相态识别双偏振定量降水估计ML产品HCL产品QPE降水率产品雨量累积产品采用美国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BeijingMetstarRadarCompany28序号产品代码产品名称说明1ML融化层高度融化层识别和高度2HCL粒子相态识别粒子相态识别和分类3QPE双偏振定量降水估计双偏振定量估计降水率融化层产品MLBeijingMetstarRadarCompany29MeltingLayerTopMeltingLayerBottomTE(TopEdge)BE(BottomEdge)BC(BottomCenter)TC(TopCenter)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BeijingMetstarRadarCompany30左：反射率中：ZDR右：CC融化层产品BeijingMetstarRadarCompany31左上：相关系数CC产品右下：融化层ML产品融化层产品BeijingMetstarRadarCompany32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HCLBeijingMetstarRadarCompany33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，GroundClutter）生物杂波（BI，BiologicalScatters）干雪（DS，DryAggregatedSnow）冰水混合物（WS，WetSnow）冰晶（IC，IceCrystals）霰（GR，Graupel）大雨滴（BD，BigDrops）小雨滴（RA，LightandModerateRain）强降雨（HR，HeavyRain）冰雹（RH，MixtureofRainandHail）粒子相态分类产品HCLBeijingMetstarRadarCompany34TypedBZCCZDRKDPL/MRain5~500.97~1.010.0~6.00.0~1.0HeavyRain40~600.95~1.000.5~8.01.0~5.0BigDrops10~500.92~1.012.5~7.00.0~2.0HailandRain45~800.75~1.0-0.3~4.5-2.0~10Graupel30~550.92~1.01-0.3~2.2-2.0~2.0DrySnow25~500.88~0.9850.5~3.0-1.0~0.5IceCrystals0~250.95~1.01-1.0~5.0-1.0~0.5模糊逻辑算法的基本依据粒子相态分类产品HCLBeijingMetstarRadarCompany35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HCLBeijingMetstarRadarCompany36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HCLBeijingMetstarRadarCompany37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BeijingMetstarRadarCompany38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)BeijingMetstarRadarCompany39R(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BeijingMetstarRadarCompany40降水率算法选择相态识别和融化层地物GC使用高仰角数据非气象回波BI无降水R(Z,ZDR)R(Z,ZDR)R(Z)*0.8R(Z)*2.8大雨滴BD小/中雨RA霰粒子GR冰晶ICR(Z)*0.6有遮挡R(KDP)否则R(Z,ZDR)高于融化层R(Z)*2.8否则R(Z)湿雪WS强降水HR干雪DS高于融化层R(Z)*0.8否则R(KDP)冰雹混合RH双偏振基数据双偏振QPE产品BeijingMetstarRadarCompany41双偏振QPE的降水率产品，可用于降水累积单/双偏振QPE对比BeijingMetstarRadarCompany42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BeijingMetstarRadarCompany43左上：双偏振QPE3小时右下：雨量计3小时雨量双偏振QPE产品BeijingMetstarRadarCompany44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。BeijingMetstarRadarCompany453升级双偏振的优势BeijingMetstarRadarCompany46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BeijingMetstarRadarCompany47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45MS11.25MS…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HSPBHSPAPCIBUSPSP转接卡A/D5A18下变频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BeijingMetstarRadarCompany51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BeijingMetstarRadarCompany52左上：速度产品(含二次回波）右下：去二次回波