[发明专利]基于变分分析的双偏振雷达比差分相移快速估算方法

说明书

本发明公开了基于变分分析的双偏振雷达比差分相移快速估算方法，步骤为接收双偏振雷达一个平面扫描内，经过去系统相位、去折叠处理后的Φ_DP；将比差分相移K_DP作为变分分析的状态向量，将Φ_DP为K_DP的距离积分作为观测算子，将Φ_DP作为观测，构建变分分析的代价函数；在变分分析的状态向量和变分分析的代价函数中引入B样条插值算子；利用LBFGSB算法最小化代价函数，并在其中引入状态变量为非负的条件，求得非负的K_DP。该方法兼顾了业务天气雷达监测所需要的计算效率以及将K_DP应用到定量降雨估测时所需要的精度。

技术领域

本发明涉及一种双偏振雷达比差分相移估算方法，尤其涉及一种基于变分分析的双偏振雷达比差分相移估算方法。

背景技术

双偏振天气雷达可以测量的反射率因子Z_H、差分反射率Z_DR、差分相位Φ_DP、以及零滞后相关系数ρ_hv等双偏振参量，相比常规天气雷达而言，可获取更多降水信息。其中，Φ_DP是相位特征，不受电磁波能量衰减的影响；其衍生产品比差分相移K_DP和降雨率之间的关系接近线性。Φ_DP和K_DP常被用到衰减订正和降水反演中去。K_DP不能被双偏振雷达所观测，需要从Φ_DP中计算。除了K_DP的距离积分的贡献以外，Φ_DP还包含了两部分，即随机误差ε和后向散射相位δ_hv的贡献。在实际计算K_DP的过程中，随机误差和后向散射相位会造成从Φ_DP中计算K_DP时的误差，甚至会导致负值的K_DP，造成误差最终降水估测的误差。因此构建K_DP的优化计算方法能够帮助提高双偏振雷达探测的准确度。

早期计算K_DP的方法是从Φ_DP的定义出发的,如Istok[1]等使用的分段最小二乘拟合方法即对于Z_H大于(小于等于)40dBZ的观测库，选取该观测前后各1(3)千米的雷达库上的Φ_DP观测，进行最小二乘拟合得到该距离库的K_DP。然而，由于随机误差和后向散射相位的干扰，该方法计算的K_DP可能存在负值，误差较大，在后续应用中精度不高。而Giangrande等[2]提出基于最优化理论的线性规划方法，求取满足K_DP非负条件下的，和观测Φ_DP最接近的传播差分相位φ_DP解和对应的K_DP。这种方法保证了K_DP的非负性，但该方法一方面估计K_DP时受限于定义，只考虑了利用观测Φ_DP，在小雨的情况下，由于随机误差的作用精度较差。另外，该线性规划方法的求解过程较慢，很难应用到实时业务中去。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种基于变分分析的快速估算比差分相移的方法。该方法避免了最小二乘拟合方法中随机误差和后向散射相位对比差分相移估算精度的影响；同时避免了线性规划方法中最终需求的计算量过大的问题。

为了解决上述技术问题，本发明基于变分分析的双偏振雷达比差分相移快速估算方法，包括如下步骤。

步骤1，接收双偏振雷达一个平面扫描内，经过去系统相位、去折叠处理后的Φ_DP。

步骤2，将比差分相移K_DP作为变分分析的状态向量，将Φ_DP为K_DP的距离积分作为观测算子，将Φ_DP作为观测向量，构建变分分析的代价函数。