Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Korrigieren von Wetterdaten sowie ein Computerprogrammprodukt nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , 20 bzw. 22.

Bei der Erfassung von Wetterdaten mittels eines bodengestützten Wetterradars beispielsweise zur Wetterbeobachtung in der Nähe von Flughäfen werden neben Wetterechos, d.h. Echos von Wolken und Niederschlag usw., auch Bodenechos, d.h. Echos von Hindernissen wie Gebäuden, Bergen, Bäumen usw. vom Wetterradar aufgenommen. Zum Herausfiltern der auch als Clutter bezeichneten Bodenechos aus der Intensitätsverteilung der Echos sind zwei Ansätze bekannt. Einerseits kann aus der Intensitätsverteilung einer mit Clutter

verunreinigten Messung eine Cluttermap subtrahiert werden, in der eine Intensitätsverteilung nur mit Boden- und ohne Wetterechos gespeichert ist und die unter geeigneten Wetterbedingungen aufgenommen worden ist. Andererseits können durch Vergleich der Meßwerte mit Werten der Cluttermap diejenigen Bereiche, die hinreichend mit Clutter verunreinigt sind, bestimmt und durch Inter- oder Extrapolation aus Bereichen, die nicht hinreichend mit Clutter verunreinigt sind, ersetzt werden.

Sowohl bei der Subtraktion als auch bei der Inter- oder Extrapolation sind diverse Schwellenwerte und komplexe Algorithmen zu verwenden, die zudem nur die Intensität des Echos korrigieren. Für die Wetterdaten Radialgeschwindigkeit, spektrale Breite und differentielle Reflektivität sind keine geeigneten Korrekturmöglichkeiten bekannt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Korrigieren von Wetterdaten sowie ein Computerprogrammprodukt nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , 20 bzw. 22 zu schaffen, mit denen die Wetterdaten Radialgeschwindigkeit, spektrale Breite und differentielle Reflektivität zuverlässig und einfach korrigierbar sind.

Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 1 , 20 bzw. 22 gelöst.

Hierdurch können auch Wetterdaten vom Typ Radialgeschwindigkeit, spektrale Breite und differentielle Reflektivität automatisiert von Clutter bereinigt werden. Die automatisierte Korrektur dieser Wetterdaten ermöglicht beispielsweise eine Verbesserung der Zuverlässigkeit der Unwettererkennung und bei hydrologischen Anwendungen, die bisher, d.h. wenn nur die Intensitätswerte korrigiert werden, häufig inkorrekte Ergebnisse liefern.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 illustriert ein bodengestütztes radarbasiertes Fernerkundungsgerät.

Fig. 2A ₁ 2B illustriert jeweils eine Interpolation.

Fig. 3 illustriert Abschattungen.

Fig. 4 illustriert die Berechnung eines Höhenunterschieds.

Das in Fig. 1 dargestellte Fernerkundungsgerät in Form eines Wetterradars 1 auf der Erdoberfläche 2 umfaß einen dreh- und/oder schwenkbaren Sende- /Empfangsspiegel 3 für einen zweckmäßigerweise gepulsten elektromagnetischen Strahl einer Wellenlänge insbesondere im Mikrowellenbereich mit einer Hauptstrahlungskeule 4, die mit ihrer 3dB-Breite θ dargestellt ist, und mehreren Nebenstrahlungskeulen 5.

Im Betrieb wird der dargestellte Wetterradar 1 um eine Hochachse 6 gedreht und/oder um eine sich zweckmäßigerweise mitdrehende Querachse 7 verschwenkt, um einen Raumwinkel oder gegebenenfalls einen Flächenwinkel abzufahren. Dabei werden über den Sende-/Empfangsspiegel 3 elektromagnetische Impulse ausgesendet, die von Objekten wie Wolken, Niederschlag, Gebäuden oder der Erdoberfläche 2 gegebenenfalls teilweise reflektiert und/oder absorbiert werden und am Sende-/Empfangsspiegel 3 mit Amplitude, Phase und/oder Polarisation detektierbare Echoimpule erzeugen. Die Echoimpulse werden als Funktion des Dreh- und/oder Schwenkwinkels sowie des aus der Laufzeit zwischen Aussenden eines Impulses und Empfangen des Echoimpulses berechneten Abstandes eines echogebenden Objekts erfaßt und zweckmäßigerweise für eine Auswertung gespeichert. Auf diese Weise werden Radarechodaten erhalten, die im Rahmen der erzielbaren Auflösung Informationen über jeden Punkt im abgefahrenen Raumbereich enthalten.

Echogebend sind nicht nur für die Wettererkundung gewünschte Ziele wie Wolken und Niederschlag, sondern auch unerwünschte Ziele wie Gebäude oder die Erdoberfläche 2. Bodenechos erzeugende Bereiche sind für die Hautpstrahlungskeule 4 in Zeile A und für die Nebenstrahlungskeulen 5 in Zeile B der Fig. 1 schraffiert dargestellt. Zudem treten wegen der unerwünschten Ziele teilweise und vollständige Abschattungen auf, die in Zeilen C bzw. D der Fig. 1 schraffiert dargestellt sind. Für die Wettererkundung gewünschte Ziele werden bei

der in Fig. 1 dargestellten Position des Wetterradars 1 nur im in Zeile E schraffierten Bereich weder durch Bodenechos gestört noch abgeschattet.

Zum Korrigieren der vom Wetterradar 1 auf Basis von Radarechodaten gelieferten Wetterdaten Radialgeschwindigkeit V, spektrale Breite W und/oder differentielle Reflektivität ZDR wird zunächst eine Cluttermap Za erstellt, d.h. eine Intensitätsverteilung von Bodenechos ohne Wetterechos. Diese kann unter wetterechofreien Bedingungen aufgenommen und gegebenenfalls per Hand oder automatisiert, insbesondere durch Mittelung verschiedener Aufnahmen, optimiert werden. Die Cluttermap ZQ ist wie die Wetterdaten V, W und ZDR zweckmäßigerweise dreidimensional und eine Funktion des Abstands r, des Drehwinkels α und des Schwenkwinkels ß, kann jedoch auch zweidimensional als Funktion des Abstands r und des Drehwinkels α oder nur eindimensional als Funktion des Abstands r sein. Gegebenenfalls werden kartesische Koordinaten verwendet. Die Koordinatenschrittgröße der Cluttermap ZQ stimmt zweckmäßigerweise mit der Koordinatenschrittgröße der Wetterdaten V, W, ZDR überein.

Die Wetterdaten werden wie folgt korrigiert.

Eine korrigierte Radialgeschwindigkeit V _We a wird entsprechend

Vwea ⁼ V (Zci + Zwea) / Zwea (1 )

berechnet, wobei V die noch nicht korrigierte Radialgeschwindigkeit, Z _C ι die Intensität aus der Cluttermap und Zwea die Intensität des Wettersignals ist. Eine korrigierte spektrale Breite Ww _ea wird entsprechend

Wwea = W (Z _C | + Zwea) / Zwea (2)

berechnet, wobei W die noch nicht korrigierte spektrale Breite, Z _C ι die Intensität aus der Cluttermap und Zw _ea die Intensität des Wettersignals ist. Eine korrigierte differentielle Reflektivität ZDR _Wea wird entsprechend

ZDRwea = ZDR (Zci + Zwea) / Z _W ea - ZDR _C | Z _C | / Z _W ea (3)

berechnet, wobei ZDR die noch nicht korrigierte differentielle Reflektivität, Zci die Intensität aus der Cluttermap, Zw _ea die Intensität des Wettersignals und ZDRci die differentielle Reflektivität aus der Cluttermap ist.

Wenn die Bedingung

und insbesondere

-Wea « Zci (5)

erfüllt ist, können die Gleichungen (1) bis (3) instabile Ergebnisse liefern. In diesem Fall werden die jeweiligen Wetterdaten zweckmäßigerweise durch gewichtete Mittelwertbildung aus wenigstens zwei unabhängig erhaltenen korrigierten Werten wie folgt berechnet.

Für die Radialgeschwindigkeit V können wenigstens zwei der folgenden Werte zweckmäßigerweise gewichtet kombiniert verwendet werden:

Als ein Wert Wi kann V _Wea gemäß Gleichung (1) verwendet werden, gegebenenfalls mit einer Gewichtungsfunktion g-i, die mit zunehmendem Faktor Zwea / Zci zunimmt.

Weitere Werte W ₂ , W ₃ , W ₄ können mittels Interpolation bestimmt werden. Zweckmäßigerweise werden die Werte W ₂ , W ₃ , W ₄ aus benachbarten und von Clutter unbeeinträchtigten Daten für V entlang jeweils einer der drei Achsen des verwendeten Koordinatensystems, beispielsweise entlang des Drehwinkels α, des Schwenkwinkels ß und/oder des Abstands r interpoliert.

Die Interpolation ist beispielhaft in Fig. 2A für die Achse α illustriert. Der dort dargestellte zweidimensionale Koordinatenbereich 8 weist in der Cluttermap

Einträge infolge Bodenechos auf. Der koordinatenmäßig entsprechende Bereich der gemessenen Radialgeschwindigkeit V wird ersetzt durch interpolierte Werte. Dargestellt ist beispielhaft der hier zwischen den gemessenen Werten V (π, αo) und V (n, Ct ₂ ) interpolierte Wert Vj (n, O ₁ ):

W ₂ = Vj(r _{1 f} Q ₁ ) = f(αi) V(n, α ₀ ) + (1 - f(cü)) V(r _{1 (} α ₂ ). (6)

Für den Interpolationsfaktor f(αi) ist ein Wert zwischen 0 und 1 entweder fest oder entsprechend einer Funktion f(α) vorgebbar, wobei die Funktion f(α) zweckmäßigerweise linear zwischen f(α ₀ ) = 1 und f(α ₂ ) = 0 verläuft, so daß für αi = V-≥ (α ₀ + α ₂ ) der Interpolationsfaktor f(αi) = Α beträgt.

Gegebenenfalls ist für den Wert W ₂ eine Gewichtungsfunktion g ₂ vorgesehen, die zweckmäßigerweise mit zunehmendem Abstand, z.B. Δ = α ₂ - αi, im dreidimensionalen Raum zwischen den Koordinatentripeln der zur Interpolation verwendeten Werte von V abnimmt.

Für den Wert W ₃ kann eine Interpolation entlang der Achse ß analog zur Interpolation entlang der Achse α für den Wert W ₂ durchgeführt werden. Dies ist zwar beispielsweise im in Fig. 1 in Zeile C dargestellten Bereich nicht möglich, da dort bodenseitig kein unbeeinträchtigter Bereich vorhanden ist. Können jedoch in Ausnahmefällen beispielsweise unterhalb sich quer erstreckender oder punktueller Hindernisse Meßwerte aufgenommen werden, kann der Wert W ₃ sinnvoll berechnet und verwendet werden.

Für den Wert W ₄ kann wie in Fig. 2B dargestellt eine Interpolation entlang der Achse r durchgeführt werden. Der beispielhaft dargestellte Wert Vj (n, αi) ist hier zwischen den gemessenen Werten V (r ₀ , αi) und V (r ₂ , αi) interpoliert:

W ₄ = V^r ₁ , Q ₁ ) = f(n) V(r ₀ , Q ₁ ) + (1 - f(n)) V(r ₂ , Q ₁ ). (7)

Für den Interpolationsfaktor f(n) ist ein Wert zwischen 0 und 1 entweder fest oder entsprechend einer Funktion f(r) vorgebbar, wobei die Funktion f(r)

zweckmäßigerweise linear zwischen f(ro) = 1 und f(r ₂ ) = 0 verläuft, so daß für ri = V2 (r ₀ + r ₂ ) der Interpolationsfaktor f(η) = ^Λ A beträgt.

Gegebenenfalls ist für den Wert W ₄ eine Gewichtungsfunktion g4 vorgesehen, die zweckmäßigerweise mit zunehmendem Abstand, z.B. Δ = r ₂ - r ₀ , im dreidimensionalen Raum zwischen den Koordinatentripeln der zur Interpolation verwendeten Werte von V abnimmt.

Ein weiterer Wert W ₅ kann basierend auf einer vertikalen Extrapolation berechnet werden, insbesondere bei einer Abschattung vertikal von oben nach unten wie für den Bereich in Zeile C der Fig. 1. Die vertikale Extrapolation wird zweckmäßigerweise entlang ß oder gegebenenfalls entlang der kartesischen Koordinate z jeweils vom unbeeinträchtigten Bereich oberhalb der Abschattung nach unten in den abgeschatteten Bereich durch die einzelnen (α,r)-Ebenen, die durch die ß-Koordinaten im abgetasteten Raum festgelegt sind, hindurch durchgeführt. Gegebenenfalls wird für den Wert W ₅ eine Gewichtungsfunktion g ₅ vorgesehen, die zweckmäßigerweise mit zunehmendem vertikalen Abstand im dreidimensionalen Raum zum zur Extrapolation verwendeten unbeeinträchtigten Bereich ab- und/oder mit einem Zuverlässigkeitsmaß eines zuvor bestimmten Vertikalprofils der Radialgeschwindigkeit zunimmt. Sofern ein Wert W ₃ für eine vertikale Interpolation berechenbar ist, kann auf W ₅ verzichtet bzw. die Gewichtungsfunktion g ₅ auf einen kleinen Wert oder 0 gesetzt werden.

Aus den unabhängig berechneten korrigierten Werten Wi bis W ₅ können eine beliebige Anzahl i linear oder mittels der jeweiligen Gewichtungsfunktion zu einem einzigen korrigierten Wert Vwe _a für die Radialgeschwindigkeit an dem jeweiligen Punkt kombiniert werden:

V _Wea = ∑ gsWi, i=1 , 2, 3, ... (8)

Für die weiteren Wetterdaten spektrale Breite und differentielle Reflektivität können als Wert W ₁ Wwea gemäß Gleichung (2) bzw. ZDR _Wea gemäß Gleichung

(3) verwendet sowie analog zur Radialgeschwindigkeit berechnete Werte W ₂ bis W ₅ und Gewichtungsfunktionen g-i bis g ₅ verwendet werden.

Die Gewichtungsfunktionen insbesondere für die Inter- und Extrapolation können zudem insbesondere diskontinuierlich auf 0 oder 1 , gegebenenfalls 1/i, abfallen bzw. ansteigen, wenn empirisch vorgebbare Schwellenwerte über- bzw. unterschritten werden, beispielsweise der Abstand zwischen den zur Interpolation verwendeten Werten zu groß bzw. hinreichend klein ist.

Im in Zeile C der Fig. 1 schraffierten Bereich ist die Hauptstrahlungskeule 4 teilweise abgeschattet. Ein Querschnitt durch die Hauptstrahlungskeule 4 für verschiedene Werte der Abschattung ist in Fig. 3 illustriert. Bei der Korrektur der Wetterdaten wird erfindungsgemäß der in Fig. 3, 4 illustrierte Höhenunterschied Δß zwischen der mittleren Höhe ß _m des verbleibenden Teils der teilweise abgeschatteten Hauptstrahlungskeule 4 und der Mitte ß ₀ der Hauptstrahlungskeule 4 derart berücksichtigt, daß ein Meßwert für ein Wetterdatum nicht der Koordinate ß ₀ sondern der Koordinate ß _m = ßo + Δß zugeordnet wird.

Die mittlere Höhe ß _m des verbleibenden Teils der teilweise abgeschatteten Hauptstrahlungskeule 4 wird zweckmäßigerweise aus der Intensitätsverteilung l(α, ß) des Radarstrahls berechnet. Hierbei wird die Intensitätsverteilung über den gesamten Querschnitt, in dem der Radarstrahl eine nicht vernachlässigbar geringe Intensität aufweist, berücksichtigt. Dieser Querschnitt ist größer als der dargestellte 3dB-Querschnitt und abhängig von der Geometrie des Sende- /Empfangsspiegels 3. Zur Illustration ist ß _m grob angenähert mittig im verbleibenden Teil der teilweise abgeschatteten Hauptstrahlungskeule 4 dargestellt.

Der Höhenunterschied Δß kann für eine Extrapolation aus einem Vertikalprofil der jeweiligen Wetterdaten verwendet werden. Hierzu wird das gemessene Vertikalprofil um den Höhenunterschied Δß nebst zugehörigem Wetterdatenwert nach unten verlängert, und basierend auf dem verlängerten Vertikalprofil wird eine Extrapolation vertikal nach unten durchgeführt.

Gegebenenfalls wird der so erhaltene korrigierte Wert als weiterer Wert Wβ zur gewichteten Kombination mit den Werten W ₁ bis W ₅ verwendet. Hierbei kann eine Gewichtungsfunktion g ₆ verwendet werden, die z.B. mit zunehmendem Grad der Abschattung oder mit zunehmendem Höhenunterschied Δß abnimmt.

Das Verfahren ist in einer dem Wetterradar nachgeschalteten Vorrichtung in Form einer Datenverarbeitungsanlage mit einer Dateneingabevorrichtung zum Empfangen der zu korrigierenden Wetterdaten und einer Datenausgabevorrichtung zum Ausgeben der korrigierten Wetterdaten durchführbar. Hierzu kann ein zum Durchführen des Verfahrens erforderliche Instruktionen und Daten enthaltendes Computerprogrammprodukt über einen Datenträger und/oder ein Datennetz in die Vorrichtung geladen werden.