1功率谱数据预处理
通常进入数据处理单元的多普勒功率谱掺有白噪声、椒盐噪声、脉冲噪声等的影响;功率谱数据预处理主要用于平滑功率谱密度函数［10］，使得各类噪声和干扰回波相对于湍流回波更加平滑，鉴于中值滤波在椒盐、脉冲等噪声的抑制和信号边缘特征保护上的优良性能，利用快速中值滤波对功率谱数据沿多普勒频率轴进行5点1D滤波处理［11］，可以看到在第11、12、13距离库均出现干扰谱(图2)。综合上述分析可知，位于零频附近的干扰谱为地物杂波，第11、12距离库干扰回波与湍流回波相当，第13距离库干扰回波明显掩没了湍流回波。通过预处理后，平滑了噪声的干扰，湍流目标回波谱形状得到了改善。
2功率谱特征量选取
在晴空条件下的功率谱主要包括湍流回波、地物杂波、间隙性杂波、无线电频率干扰以及各种噪声。通过对功率谱的连续性分析，可以分辨出间隙性杂波的存在;通过对谱强度与谱宽分析，可以区分出无线电频率干扰;对谱位置关于零频对称分析，可以削弱地物回波的影响。因此，经过功率谱数据预处理后，虽然各种干扰回波仍对湍流回波信息的提取存在显著影响，然而湍流回波与干扰回波还是有一定的区别(表1)，结合以上特征分析，可以定性地分辨出湍流回波［12－14］。为了便于利用邻近距离库湍流回波的连续性来提取各种干扰回波下的目标回波，不妨利用先验知识［15］，初步估计第1距离库湍流回波谱的位置范围:式中:P(f1j)=p(f1j)－p(f1，ns－j+1)为功率谱对称相消所得的谱强度，目的是削弱地物回波对第1距离库谱数据的影响;p(f1j)为f1j所对应的功率谱强度;f1j表示第1距离库j位置对应的多普勒频率;ns为谱点数;w为滑动窗宽度大小;P(f1m)～P(f1，m+w)为提取的最大谱强度部分。在此基础上，对P(f1m)～P(f1，m+w)范围内的功率谱进行谱峰提取处理，可得出谱峰位置为功率谱模糊化处理通过对多普勒功率谱的分析，得到了功率谱的零频对称性、谱强度、连续性等特征量，为了便于特征量的模糊化处理，将功率谱对称相消的谱强度进行归一化处理:回波的提取与计算通过隶属函数模糊化处理后，多普勒功率谱转换为谱强度模糊基(S［PY(fij)］)和谱连续性模糊基(G(fij))，在模糊逻辑系统中，经常利用模糊基来替代多普勒功率谱;湍流回波信息提取主要集中在模糊系统隶属函数和规则的建立上，假定功率谱中湍流回波、地物、间隙性干扰等回波是相互独立的，那么对于两个模糊基而言，就可以用一维隶属函数来表示:Peter和Sekhon提出的方法估算噪声功率PN［17］;由于WPＲ湍流回波功率谱近似为高斯分布，可以通过最小二乘法拟合标定湍流回波带宽并得到各阶谱矩(图5)［18，19］。
3观测资料质量控制个例分析
为检验此质量控制方法的可靠性，以合肥2008年6月4日10:42:16(北京时，下同)东波束和8日10:36:20西波束的多普勒功率谱数据处理为例(图6、7)。从图6、7中可以看出，质量控制前提取的多普勒频移，将部分地物回波、间隙性干扰回波和无线电频率干扰误认为湍流回波，影响了多普勒频移计算风廓线的可靠性;同时也导致信号功率和多普勒谱宽估算出现错误(图6a、7a)。从图6b、7b中的功率谱轮廓可以看出，通过提出的质量控制方法处理后，较好地提取了湍流回波，并改善了雷达系统处理软件的处理结果。从采用质量控制处理前、后的风场变化(图8)中可以看出，风廓线资料经过质量控制处理后，使得在2～3km和5～7km处置信度较差的风场观测资料得到了明显改进，表明这种质量控制方法在提高风廓线观测资料的连续性与准确性方面具有较好的效果。
4结语
通过风廓线雷达回波功率谱分析，给出了功率谱的特征量，提出了基于模糊逻辑提取湍流回波信息的质量控制方法，改进了多普勒速度估算的准确性，提高了风廓线观测资料的可用性。同时，也提高了湍流回波的信噪比和速度谱宽计算的准确性，为风廓线雷达衍生产品的开发提供了基数据质量保证。文中在建立模糊隶属函数和反模糊处理过程时，较多地利用了经验模型，对权重因子和阈值的选取统计性不强，如何增强质量控制方法的普适性将是今后研究的重点。
作者：董德保 张统明 翁宁泉 窦炜明 单位：安徽省大气探测技术保障中心 中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气成分与光学重点实验室
