一种基于三维空间连续性约束的双偏振雷达衰减订正方法与流程

本发明涉及气象雷达数据处理，尤其涉及一种基于三维空间连续性约束的双偏振雷达衰减订正方法。

背景技术：

1、双偏振雷达数据质量控制与三维组网预警的核心目标，在于将多部x波段雷达的原始观测数据，整合为一幅完整、可靠的三维风暴立体图像，并基于该图像自动识别冰雹、暴雨、大风等灾害性天气风险。其中，双偏振雷达电磁波在穿越雨区时会发生显著衰减，导致风暴核心区的回波信号严重削弱，因此必须通过衰减订正来还原被削弱的回波强度，以补全缺失的信号信息。

2、针对上述雷达回波衰减问题，现有技术中已提出三类主流订正方法：依赖固定系数订正方法，经典的-关系法，假定衰减系数与水平反射率因子之间满足固定的幂律关系，其中、为经验常数；追求全局最优的网络化协同方法，基于多部雷达重叠区域观测约束的最小二乘全局求解策略，利用多部雷达对同一空间区域的冗余观测建立全局代价函数，通过优化算法求解最优衰减系数分布；基于数据驱动的人工智能类预测映射方法，利用深度神经网络，特别是卷积神经网络或循环神经网络，从雷达回波图像中学习衰减模式并进行端到端的订正。三种方法的核心思路都是沿雷达波束每根径向进行沿径向一维衰减订正（即逐径向独立地推算被衰减掉的回波强度）。

3、然而，当双偏振雷达电磁波穿过极端降雨区时，穿过风暴核心区后的回波已极弱或完全消失，上述三种方法都无法根据极弱或完全消失的回波信号准确地进行反推，因为上述现有技术都只适用于均匀降雨，按照反推的思路就会导致在信号后续的最末端，为凑够总相位差，误差会被逐渐放大，从而会使得强回波预警结果产生虚警或漏报。

4、上述逐径向误差放大效应的直接后果是以该订正场为输入的强回波识别与预警算法，在风暴核心区域会产生系统性虚警，即将非灾害性回波误判为灾害或漏报，即未能识别出真实灾害核，严重制约了双偏振雷达网在强对流天气监测预警中的业务效能。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提供了一种基于三维空间连续性约束的双偏振雷达衰减订正方法，以解决飑线或台风眼墙等极端暴雨区域因回波强度极弱甚至完全消失而导致的风暴核心区虚警与漏报问题。

2、为了实现上述目的，本发明实施例的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供了一种基于三维空间连续性约束的双偏振雷达衰减订正方法，该方法包括：

4、获取双偏振雷达各雷达沿径向采集的原始回波数据，将所述原始回波数据映射至预设的三维网格中，在所述三维网格中采用标准衰减订正算法对所述原始回波数据进行初步衰减订正，生成初步订正场；

5、基于预设信噪比阈值，对所述初步订正场中的每一格点进行置信度划分，将信噪比大于或等于所述预设信噪比阈值的格点标记为高信噪比区域，将所述信噪比小于所述预设信噪比阈值的格点标记为低信噪比区域；

6、在所述三维网格中构建三维约束场，其中：针对所述低信噪比区域的格点建立空间连续性约束，使中心格点的回波强度趋近所述中心格点的六个方向紧邻格点的回波强度平均值；针对所述高信噪比区域的格点建立观测约束，将所述初步订正场中对应格点的回波强度锚定为固定观测基准；

7、利用松弛迭代法求解所述三维约束场，以所述高信噪比区域的格点为固定锚点，对所述低信噪比区域的格点进行逐轮迭代更新，直至满足预设收敛条件时停止迭代，输出最终的衰减订正场。

8、在一些实施例中，通过以下方式确定所述预设信噪比阈值：获取弱降水条件下的雷达观测数据作为分析样本；对筛选出的所述雷达观测数据按照信噪比大小进行分组统计，计算每组内双偏振参量的平均值和标准差；将所述双偏振参量的标准差发生急剧波动、所述双偏振参量的标准差变大且偏离理论值时，分组后的信噪比所对应的最小信噪比数值确定为所述预设信噪比阈值。

9、在一些实施例中，所述空间连续性约束表示为如下：

10、；

11、其中，为三维网格中的格点索引，、均为水平方向索引，为垂直高度层索引；为低信噪比区域格点的回波强度估计值；为低信噪比区域格点的六个紧邻格点的回波强度平均值；为三维网格中低信噪比区域所有格点的索引集合；表示待求解值趋向于但不强制等于邻域平均值。

12、在一些实施例中，所述对所述低信噪比区域的格点进行逐轮迭代更新，包括：

13、针对所述低信噪比区域的各格点，将每一格点下一轮次的状态值设为所述中心格点的六个紧邻格点在当前轮次的回波强度值的平均值；公式表示为如下：

14、；

15、其中，为三维网格中的格点索引；为当前迭代轮次的索引；为第轮迭代后低信噪比区域格点的更新后回波强度值；和分别为水平方向上东侧紧邻格点和西侧紧邻格点的回波强度值；和分别为水平方向上北侧紧邻格点和南侧紧邻格点的回波强度值；和分别为垂直方向上方紧邻格点和下方紧邻格点的回波强度值。

16、在一些实施例中，所述观测约束为硬约束，在迭代过程中所述高信噪比区域格点的回波强度始终等于所述初步订正场中的对应值。

17、在一些实施例中，所述观测约束表示为：

18、；

19、其中，为第轮迭代后高信噪比区域格点的更新后回波强度值；为固定观测基准，即初步订正场中格点的初始回波强度值；为三维网格中高信噪比区域所有格点的索引集合；表示强制赋值。

20、在一些实施例中，所述预设收敛条件为：

21、；

22、其中，为预设容差阈值；为三维网格中低信噪比区域所有格点的索引集合；表示对低信噪比区域内所有格点取最大值；为第轮迭代时低信噪比区域格点的回波强度值；为第轮迭代后低信噪比区域格点的更新后回波强度值。

23、在一些实施例中，所述逐轮迭代更新时，每轮迭代中所有格点的更新值均基于上一轮的状态向量计算；所述逐轮迭代更新的初始值为所述初步订正场对应格点的回波强度。

24、本发明提供的一种基于三维空间连续性约束的双偏振雷达衰减订正方法，第一，通过预设信噪比阈值精准划分高低信噪比区域，对观测数据采用锚定保留策略，最大程度保留真实探测信息；对劣质噪声数据进行针对性约束修正，从根源上消除噪声干扰和衰减残留误差，有效提升整体回波数据的探测精度和可靠性。第二，基于大气天气系统三维空间连续渐变的核心物理特性，为低信噪比区域构建六邻域空间连续性约束，彻底解决了传统订正后低信噪比区域回波强度异常跳变、碎片化失真的问题，使订正后的三维回波场符合真实大气降水、云层的空间分布规律，数据可视化效果和气象分析价值大幅提升。第三，采用松弛迭代法进行渐进式数值求解，相较于单次直接订正的方式，可实现低信噪比数据的小幅、多轮精细化修正，避免单次订正导致的数值失真、过度补偿问题；同时以高信噪比真实数据为固定锚点，为迭代过程提供稳定基准，杜绝全局订正系统性偏差，保障订正结果的稳定性和可信度。第四，本技术方案可适配暴雨、台风、弱对流、层状云降水等各类天气场景，同时兼容不同型号双偏振雷达、不同探测范围和网格精度的业务需求，能够有效优化雷达远距离探测、地形遮挡区域、弱回波区域等复杂场景下的回波数据质量，极大拓展了雷达数据的有效探测范围和应用场景。