多普勒天氣雷達(dá)快速掃描方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多普勒天氣雷達(dá)快速掃描方法，主要包括四個步驟：按現(xiàn)有體積掃描模式，保持脈沖重復(fù)頻率PRF和天線3dB波束寬度θ不變，提高天線掃描轉(zhuǎn)速ω；在距離時間上對天氣雷達(dá)回波信號進(jìn)行過采樣，以獲得更多的回波樣本數(shù)，彌補因提高天線掃描轉(zhuǎn)速ω而減少的有效樣本數(shù)；去相關(guān)處理，去除每個發(fā)射脈沖內(nèi)距離時間上過采樣信號的相關(guān)性，增加回波的獨立等效樣本數(shù)；利用所得到的去除相關(guān)性后的過采樣信號進(jìn)行譜矩參數(shù)計算，以彌補提高天線掃描轉(zhuǎn)速ω后，因回波樣本數(shù)減少引起的掃描精度降低，從而獲得高精度的掃描結(jié)果。本發(fā)明提高了旋轉(zhuǎn)速度，體掃時間降低，改造成本低、效果好，數(shù)據(jù)質(zhì)量得到提高，掃描精度高，提高了天氣雷達(dá)快變天氣的監(jiān)測能力。
【專利說明】
多普勒天氣雷達(dá)快速掃描方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種多普勒天氣雷達(dá)快速掃描方法，主要應(yīng)用于氣象領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 多普勒天氣雷達(dá)從半個多世紀(jì)以前開始應(yīng)用于氣象領(lǐng)域，一直是監(jiān)測和預(yù)警暴 雨、大風(fēng)、冰雹等災(zāi)害性天氣的主要工具，為災(zāi)害性天氣的預(yù)警、預(yù)報，氣象防災(zāi)減災(zāi)做出重 大貢獻(xiàn)。然而，目前新一代多普勒天氣雷達(dá)完成體積掃描周期一般在5分鐘以上，由于龍卷 風(fēng)、強(qiáng)暴風(fēng)雨等危害氣象事件的預(yù)警時間大約為10分鐘，所以5分鐘的掃描周期遠(yuǎn)不能滿足 要求，多普勒天氣雷達(dá)無法滿足一些中小尺度災(zāi)害性天氣系統(tǒng)的快速、準(zhǔn)確地跟蹤和捕捉。
[0003] 現(xiàn)有新一代多普勒天氣雷達(dá)對同一個區(qū)域目標(biāo)掃描時間的長短主要受數(shù)據(jù)探測 準(zhǔn)確度及體掃模式等因素影響；另外，多普勒天氣雷達(dá)要得到降雨目標(biāo)特性，天線需要保持 一定駐留時間；同時，信號處理器若需得到滿足精度的回波強(qiáng)度、速度及譜寬數(shù)據(jù)的計算結(jié) 果(如強(qiáng)度滿足ldBZ，速度及譜寬滿足lm/s的精度），就必須滿足一定回波樣本積累數(shù)，這都 決定天線速度必須限制在一定的范圍之內(nèi)，從而影響多普勒天氣快速掃描時間。
[0004] 多普勒天氣雷達(dá)要想獲得探測區(qū)域降雨目標(biāo)較為完整的數(shù)據(jù)，需要完成全方位的 立體掃描。多普勒天氣雷達(dá)的體積掃描模式就是根據(jù)探測降雨和晴空不同情況而設(shè)計的， 其規(guī)定了每一次掃描使用的仰角數(shù)和具體的仰角度數(shù)。如VCP11模式使用窄脈沖，在5分鐘 內(nèi)完成14個仰角的體積掃描，同一個位置的降雨目標(biāo)至少需要5分鐘左右;而VCP21模式則 需要6分鐘內(nèi)完成9仰角的體積掃描，同一個位置的降雨目標(biāo)至少需要6分鐘;VCP31模式則 更長，體掃需要10分鐘。
[0005] 目前，解決這一快速掃描與跟蹤問題的主要技術(shù)手段及思路有三種：
[0006] 第一種:保持現(xiàn)有體掃模式中各個掃描仰角和PPI掃描方式不變，直接提高天線旋 轉(zhuǎn)速度，這樣可直接減少每個PPI的掃描時間，從而使整個體積掃描時間減少。
[0007] 第二種:保持現(xiàn)有天線旋轉(zhuǎn)速度，直接修改體掃模式的參數(shù)，如減少新一代多普勒 天氣雷達(dá)體積掃描模式中的仰角數(shù)，可提高多普勒天氣雷達(dá)快速掃描速度，減少體掃時間。
[0008] 第三種:采用具備電子掃描、能多波束發(fā)射的相控陣天線的相控陣天氣雷達(dá)，其目 前多采用方位方向機(jī)械掃描、仰角方向相掃的工作模式，即在方位PPI掃描探測的同時，仰 角方向由相位控制，多波束/單波束快速完成多個仰角的掃描，最終體積掃描時間大大減 少。如美國強(qiáng)風(fēng)暴實驗室NSSL等單位在Norman建立的相控陣天氣雷達(dá)，空域掃描周期小于1 分鐘。
[0009] 上述三種方法均存在缺陷：
[0010] 第一種方法缺陷如下：由于氣象目標(biāo)隨機(jī)漲落性，對氣象目標(biāo)的雷達(dá)探測需要雷 達(dá)波束駐留一定的時間，才能獲得滿足應(yīng)用要求精度的探測數(shù)據(jù)。若只是加快天線旋轉(zhuǎn)速 度，會導(dǎo)致雷達(dá)波束在氣象目標(biāo)上駐留時間減少，回波脈沖積累樣本數(shù)減少，使回波強(qiáng)度、 平均徑向速度及速度譜寬等基數(shù)據(jù)處理精度降低，進(jìn)而影響二次產(chǎn)品的數(shù)據(jù)質(zhì)量。
[0011] 第二種方法缺陷如下:體掃模式中仰角數(shù)量減少了，對空域的掃描層數(shù)也就減少， 使得層與層之間空隙大大增加，部分層數(shù)據(jù)缺失，這將影響空間數(shù)據(jù)的連續(xù)性，影響多普勒 天氣雷達(dá)垂直分布特征產(chǎn)品的質(zhì)量，如CAPPI顯示，任意垂直剖面產(chǎn)品，垂直累積液態(tài)含水 量等廣品。
[0012] 第三種方法缺陷如下：相控陣天氣雷達(dá)采用陣列天線，每個天線需要配備發(fā)射和 接受組件(T/R組件），組件數(shù)量隨陣列數(shù)增多而增大，實現(xiàn)起來技術(shù)難度很大，系統(tǒng)設(shè)備成 本昂貴，其最初設(shè)計主要用于軍事領(lǐng)域，目前正在逐步轉(zhuǎn)換成民用。如NSSL的相控陣天氣雷 達(dá)就耗資2500萬美元。這使它的應(yīng)用范圍受到限制，只能應(yīng)用在一些重點區(qū)域的監(jiān)測和預(yù) 警。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種多普勒天氣雷達(dá)快速掃描方 法，這種方法不會改變現(xiàn)有體掃模式和數(shù)據(jù)質(zhì)量。
[0014] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)上述目的：
[0015] -種多普勒天氣雷達(dá)快速掃描方法，包括以下步驟：
[0016] A:按現(xiàn)有體積掃描模式，保持脈沖重復(fù)頻率PRF和天線3dB波束寬度0不變，提高天 線掃描轉(zhuǎn)速《，從而使原來體積掃描時間減少，提高整個天氣雷達(dá)天線掃描速度，實現(xiàn)多普 勒天氣雷達(dá)的快速掃描；
[0017] B:在距離時間上對天氣雷達(dá)回波信號進(jìn)行過采樣，以獲得更多的回波樣本數(shù)，彌 補因提尚天線掃描轉(zhuǎn)速 w而減少的有效樣本數(shù)；
[0018] C:去相關(guān)處理，去除每個發(fā)射脈沖內(nèi)距離時間上過采樣信號的相關(guān)性，增加回波 的獨立等效樣本數(shù)；
[0019] D:利用所得到的去除相關(guān)性后的過采樣信號進(jìn)行譜矩參數(shù)計算，以彌補提高天線 掃描轉(zhuǎn)速《后，因回波樣本數(shù)減少引起的掃描精度降低，從而獲得高精度的掃描結(jié)果。
[0020] 具體地，步驟A是根據(jù)脈沖重復(fù)頻率PRF、天線3dB波束寬度0、脈沖積累數(shù)M和天線 掃描轉(zhuǎn)速《之間的關(guān)系得出，這四個參數(shù)的關(guān)系公式如下：
⑴。
[0022] 具體地，步驟B、C和D的具體方法如下：
[0023]步驟B中回波信號距離時間過采樣指把現(xiàn)在天氣雷達(dá)數(shù)字中頻中每個脈沖寬度內(nèi) 采樣一個信號輸出改為采樣多個信號輸出，需要先根據(jù)雷達(dá)發(fā)射脈沖寬度t和中頻信號采 樣頻率fs來確定過采樣倍數(shù)L，L倍距離時間上的過采樣回波信號公式如下：
(2)
[0025]其中1是指多個過采樣信號中的第1個信號，p(l) = e(l)*h(l)是雷達(dá)發(fā)射脈沖包 絡(luò)與接收機(jī)濾波器系統(tǒng)響應(yīng)的卷積，e(l)是發(fā)射機(jī)脈沖包絡(luò)，h(l)是接收機(jī)濾波器脈沖響 應(yīng)函數(shù)；
[0026]步驟C是設(shè)計一個去相關(guān)濾波器，通過加權(quán)濾波器對距離時間過采樣信號序列進(jìn) 行加權(quán)濾波，使輸出信號相互之間不相關(guān)，去相關(guān)公式如下：
[0027] Xm=ffVm (3) 其中Xm= [X(0，m)，X(1，m)，???，X(L-1，m)]T為每個發(fā)射脈沖內(nèi)距離時間上去相關(guān)處理 后的過采樣信號，長度為L，Vm=[V(0)，V(l)，…，V(L-l)]T為每個發(fā)射脈沖內(nèi)距離時間上去 相關(guān)處理前原始的過采樣信號，長度為L，W=[w(0)，…，w(L-l)] T為同一發(fā)射脈沖內(nèi)不同序 號信號對應(yīng)的去相關(guān)系數(shù)組成的加權(quán)矩陣，m表示第m個脈沖數(shù)，T表示脈沖間隔時間；
[0028] 步驟D中譜矩參數(shù)計算具體過程如下：
[0032]其中f表示所得到信號的頻率值，？(14)，3(1，〇是第1距離過采樣位置、第!11個去 相關(guān)回波信號X(l，m)求得的離散頻域信號和功率譜，M為脈沖積累數(shù)，S(f)是L個距離過采 樣位置對應(yīng)離散功率譜S(1，f)的積累譜，平均功率P、平均徑向速度％及速度譜寬<的譜 矩計算則是基于積累譜S(l，f)開展的計算：
[0036] 其中fi為對應(yīng)的頻率采樣點，fd表示平均多普勒頻率，A為雷達(dá)波長。
[0037] 具體地，獲取加權(quán)矩陣W的方法有以下兩種：
[0038]方法一：
[0039] 天氣雷達(dá)距離時間過采樣信號的相關(guān)性與發(fā)射機(jī)包絡(luò)和接收機(jī)濾波器沖擊函數(shù) 有關(guān)，其相關(guān)函數(shù)為：
[0040] < (/) = [/，（/) */，(-，）] ^ 1〇)
[0041] 其中p(l)為發(fā)射機(jī)包絡(luò)和接收機(jī)濾波器沖擊函數(shù)的卷積，對其進(jìn)行歸一化后用口1" (1)表示 (11)
[0043]考慮到距離庫內(nèi)各距離過采樣信號之間的相關(guān)性，可把其歸一化相關(guān)系數(shù)組成 Toeptitz-hermitian 矩陣 C:| 如下：
(12)
[0045] 則通用去相關(guān)加權(quán)系數(shù)矩陣W設(shè)計為：
[0046] ff=H-i=A-V2UT (13)
[0047] 其中H為相關(guān)矩陣Cf均方根，對相關(guān)矩陣Cf進(jìn)行特征分解，矩陣A和U分別為相關(guān) 矩陣cf特征分解后的對角矩陣和酉矩陣，cf特征分解如下：
[0048] = H*Hr = (U*Ai/2) *(U*Al/2)J (14)
[0049] 方法二：
[0050] 在小信噪比下，為了降低噪聲提高對譜矩精度的影響，去相關(guān)濾波器采用銳化濾 波器處理算法，銳化濾波器設(shè)計為：
(15)
[0052]其中SEF為信號增強(qiáng)因子，其表示為：
(16)
[0054]去相關(guān)算法的實質(zhì)是設(shè)計一個加權(quán)濾波器，其中p為銳化參數(shù)，當(dāng)p為0,加權(quán)系數(shù) 接近H'當(dāng)p為無窮時，加權(quán)系數(shù)接近IT1。
[0055]本發(fā)明的有益效果在于：
[0056]本發(fā)明提高了旋轉(zhuǎn)速度，體掃時間降低，改造成本低、效果好，數(shù)據(jù)質(zhì)量得到提高， 掃描精度高，提高了天氣雷達(dá)快變天氣的監(jiān)測能力。
【具體實施方式】
[0057]下面對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：
[0058]本發(fā)明包括以下步驟：
[0059] A:按現(xiàn)有體積掃描模式，保持脈沖重復(fù)頻率PRF和天線3dB波束寬度0不變，提高天 線掃描轉(zhuǎn)速《，從而使原來體積掃描時間減少，提高整個天氣雷達(dá)天線掃描速度，實現(xiàn)多普 勒天氣雷達(dá)的快速掃描；
[0060] B:在距離時間上對天氣雷達(dá)回波信號進(jìn)行過采樣，以獲得更多的回波樣本數(shù)，彌 補因提尚天線掃描轉(zhuǎn)速w而減少的有效樣本數(shù)；
[0061 ] C:去相關(guān)處理，去除每個發(fā)射脈沖內(nèi)距離時間上過采樣信號的相關(guān)性，增加回波 的獨立等效樣本數(shù)；；
[0062] D:利用所得到的去除相關(guān)性后的過采樣信號進(jìn)行譜矩參數(shù)計算，以彌補提高天線 掃描轉(zhuǎn)速《后，因回波樣本數(shù)減少引起的掃描精度降低，從而獲得高精度的掃描結(jié)果。 [0063]步驟A是根據(jù)脈沖重復(fù)頻率PRF、天線3dB波束寬度0、脈沖積累數(shù)M和天線掃描轉(zhuǎn)速 ?之間的關(guān)系得出，這四個參數(shù)的關(guān)系公式如下：
(1)。
[0065] 步驟B、C和D的具體方法如下：
[0066] 步驟B中回波信號距離時間過采樣指把現(xiàn)在天氣雷達(dá)數(shù)字中頻中每個脈沖寬度內(nèi) 采樣一個信號輸出，需要先根據(jù)雷達(dá)發(fā)射脈沖寬度t和中頻信號采樣頻率f s來確定過采樣 倍數(shù)L，L倍距離時間上的過采樣回波信號公式如下： ￡-1
[0067] V{1) - [$(' + m) p(L -1 - ot) (2) m 二Q
[0068]其中1是指多個過采樣信號中的第1個信號，p(l) = e(l)*h(l)是雷達(dá)發(fā)射脈沖包 絡(luò)與接收機(jī)濾波器系統(tǒng)響應(yīng)的卷積，e(l)是發(fā)射機(jī)脈沖包絡(luò)，h(l)是接收機(jī)濾波器脈沖響 應(yīng)函數(shù)；
[0069] 步驟C是設(shè)計一個去相關(guān)濾波器，通過加權(quán)濾波器對距離時間過采樣信號序列進(jìn) 行加權(quán)濾波，使輸出信號相互之間不相關(guān)，去相關(guān)公式如下：
[0070] Xm=ffVm (3)
[0071] 其中1=[父(0，111)，父(1，111)，~，父(1-1，111)]7為每個發(fā)射脈沖內(nèi)距離時間上去相關(guān)處 理后的過采樣信號，長度為L，V m=[V(0)，V(l)，…，V(L-l)]T為每個發(fā)射脈沖內(nèi)距離時間上 去相關(guān)處理前原始的過采樣信號，長度為L，W=[w(0)，…，w(L-l)] T為同一發(fā)射脈沖內(nèi)不同 序號信號對應(yīng)的去相關(guān)系數(shù)組成的加權(quán)矩陣，m表示第m個脈沖數(shù)，T表示脈沖間隔時間；
[0072] 步驟D中譜矩參數(shù)計算具體過程如下：
[0076]其中f表示所得到信號的頻率值，？(14)，3(1，〇是第1距離過采樣位置、第!11個去 相關(guān)回波信號X(l，m)求得的離散頻域信號和功率譜，M為脈沖積累數(shù)，S(f)是L個距離過采 樣位置對應(yīng)離散功率譜S(1，f)的積累譜，平均功率P、平均徑向速度％及速度譜寬4的譜 矩計算則是基于積累譜S(l，f)開展的計算：
[0080] 其中fi為對應(yīng)的頻率采樣點，fd表示平均多普勒頻率，A為雷達(dá)波長。
[0081] 獲取加權(quán)矩陣W的方法有以下兩種：
[0082]方法一：
[0083] 天氣雷達(dá)距離時間過采樣信號的相關(guān)性與發(fā)射機(jī)包絡(luò)和接收機(jī)濾波器沖擊函數(shù) 有關(guān)，其相關(guān)函數(shù)為：
[0084] R!.(!) = [ P (/)*;/(-/) ] (10)
[0085] 其中p(l)為發(fā)射機(jī)包絡(luò)和接收機(jī)濾波器沖擊函數(shù)的卷積，對其進(jìn)行歸一化后用口1" (1)表示
(11)
[0087]考慮到距離庫內(nèi)各距離過采樣信號之間的相關(guān)性，可把其歸一化相關(guān)系數(shù)組成 Toeptitz-hermitian 矩陣 Cf 如下：
(12)
[0089] 則通用去相關(guān)加權(quán)系數(shù)矩陣W設(shè)計為：
[0090] ff=H-i=A-V2UT (13)
[0091] 其中H為相關(guān)矩陣Cf均方根，對相關(guān)矩陣C;進(jìn)行特征分解，矩陣A和U分別為相 關(guān)矩陣Cf特征分解后的對角矩陣和酉矩陣，C;特征分解如下：
[0092] C；=H*Hr=(u4A1/2)*(u*A 1/2)r (14)
[0093] 方法二：
[0094] 在小信噪比下，為了降低噪聲提高對譜矩精度的影響，去相關(guān)濾波器采用銳化濾 (15) 波器處理算法，銳化濾波器設(shè)計為：
[0096]其中SEF為信號增強(qiáng)因子，其表示為：
(16)
[0098] 去相關(guān)算法的實質(zhì)是設(shè)計一個加權(quán)濾波器，其中p為銳化參數(shù)，當(dāng)p為0,加權(quán)系數(shù) 接近H'當(dāng)p為無窮時，加權(quán)系數(shù)接近IT1。
[0099] 實施例：
[0100] 修改體掃模式中天線掃描速度及對應(yīng)參數(shù)
[0101 ]修改體掃模式中與天線轉(zhuǎn)速有關(guān)的參數(shù)，如表一 VCP11中的方位速率，改為原先設(shè) 定值的兩倍，這樣天線旋轉(zhuǎn)速度就會變?yōu)橹暗膬杀叮w掃時間變?yōu)橹暗囊话搿?br>[0102] 多普勒天氣雷達(dá)常用的體掃模式有四種。VCP11:5分鐘內(nèi)對14個具體仰角的掃描 方式，窄脈沖;VCP21:6分鐘內(nèi)對9個具體仰角的掃描方式，窄脈沖;VCP31:10分鐘內(nèi)對5個具 體仰角的掃描方式，寬脈沖；VCP32 :10分鐘對5個具體仰角的掃描方式，寬脈沖。這里以 VCP11的0.5°和1.45°為例，修改見下表所示：
[0103] 表一
[0105] 其他參數(shù)和模式可采用類似辦法去修改天線掃描轉(zhuǎn)速，但需要考慮實際天線出廠 設(shè)計的最高轉(zhuǎn)速限制。
[0106] 天氣雷達(dá)回波信號距離過采樣的實施技術(shù)
[0107] 回波信號距離過采樣輸出主要在數(shù)字中頻實現(xiàn)。實施過程中要實現(xiàn)距離過采樣， 首先根據(jù)雷達(dá)發(fā)射脈沖寬度T和中頻信號采樣頻率f s來確定過采樣倍數(shù)L。如果L過大，后端 數(shù)據(jù)壓力則越大，但去相關(guān)效果較好，譜矩精度提高的更好；如果L過小，后端數(shù)據(jù)壓力雖 小，但譜矩精度提高有限;距離過采樣倍數(shù)L取值范圍一般為3-10。其次，根據(jù)采樣頻率匕以 及LA的比值，容易確定下變頻的抽取數(shù)，保證抽取數(shù)為整數(shù)，具體可通過抽樣實現(xiàn)。最后根 據(jù)需要調(diào)整數(shù)字中頻的各級LPF濾波器，帶寬調(diào)整以與L八匹配。通過距離過采樣技術(shù)改進(jìn) 后的數(shù)字中頻輸出的信號數(shù)據(jù)率為原來的L倍，數(shù)據(jù)量也增大。
[0108] 步驟3:去相關(guān)濾波系數(shù)計算
[0109] 根據(jù)不同的信噪比，實際使用的去相關(guān)濾波器不同，系數(shù)也不同，計算的方法也就 不同。在實施過程中，需要計算兩種不同情況下的去相關(guān)濾波系數(shù)，并加以保存。兩種去相 關(guān)濾波系數(shù)計算方法在計算相關(guān)矩陣cf,前類似，都需要得到天氣雷達(dá)發(fā)射包絡(luò)與接收機(jī) 濾波響應(yīng)的卷積輸出p(l)。但在實際工作中，分開測試這兩個是不容易進(jìn)行的。
[0110] 獲取p(l)根據(jù)實際情況可采取不同的方式。第一種方式是結(jié)合天氣雷達(dá)自身標(biāo)定 系統(tǒng)的工作過程，可利用雷達(dá)系統(tǒng)RFD和KD標(biāo)定獲得p(1)，當(dāng)RFD和KD標(biāo)定時，發(fā)射機(jī)速調(diào)管 輸出射頻調(diào)制信號，耦合到接收機(jī)接收通道、數(shù)字中頻解調(diào)輸出。輸出信號以包絡(luò)位置取L 信號即為P(l)。如果第一種方式不容易實現(xiàn)的話，則可采取另一種方式，即從實際天氣回波 中選擇獨立的點雜波位置，通過雷達(dá)信號處理器采集過采樣I/Q信號中，通過I/Q信號選取 點雜波所在脈沖過采樣信號，可作為P(1)使用。
[0111] 獲得P(l)后，再根據(jù)前面公式（1〇)、（11)、（12)，由口（1)計算得到歸一化相關(guān)系數(shù) PR(1)和歸一化相關(guān)系數(shù)矩陣Cf，在對Cf進(jìn)行特征分解得到對角矩陣A和酉矩陣U，同時也 可計算得到fWra。
[0112]對于大信噪比下的白化去相關(guān)濾波器系數(shù)，可由W=A_1/2UT計算得到，濾波系數(shù)組 數(shù)由過采樣倍數(shù)L決定。
[0113] 對于小信噪比下的銳化去相關(guān)濾波器系數(shù)，則由 計算得到，其中銳化參數(shù)P需要根據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。
[0114] 從理論上講，對于特定的天氣雷達(dá)系統(tǒng)來說，可把p(l)當(dāng)作常值。但對于實際雷達(dá) 系統(tǒng)來說，因雷達(dá)發(fā)射波形可能發(fā)生變化，要定期標(biāo)定該參數(shù)，因此實施時要使信號采集與 更新簡易。上述兩種方式，都滿足這種特點。
[0115] 在去相關(guān)濾波器系數(shù)存儲方面，也需要根據(jù)實際去相關(guān)處理情況而定，如果去相 關(guān)處理是基于FPGA或DSP處理器的，則需要在FPGA或DSP中開辟存儲空間，進(jìn)行保存，每次更 新時，由計算機(jī)寫入FPGA或DSP中保存。如果是PC平臺，則相對容易，不需要下傳。在濾波器 系數(shù)更新后，在下次刷新前，會當(dāng)作固定系數(shù)處理，因此本系數(shù)不是真正的自適應(yīng)處理。
[0116] 去相關(guān)濾波處理
[0117]去相關(guān)濾波處理要分大信噪比和小信噪比兩種情況處理。在去相關(guān)處理中，當(dāng)回 波信噪比低于5dB時，選用銳化去相關(guān)濾波系數(shù)，當(dāng)回波信噪比大于5dB時，選用白化去相關(guān) 濾波系數(shù)。
[0118]因此，在去相關(guān)濾波前需要判斷信噪比的大小。在天氣雷達(dá)系統(tǒng)標(biāo)定系統(tǒng)中，噪聲 功率值是測量得到并保存在軟件中的，而回波信號功率是需要計算得到的。在具體實施過 程中，為了能對每個脈沖回波信號做實時處理，功率計算由L個距離過采樣I/Q信號求得。計 1-1 算方式二[廠(7,講)/ V，其中N為噪聲功率，SNR計算時實時處理，每個距離 庫計算1次。當(dāng)當(dāng)前距離庫計算的SNR大于5dB時，讀取白化去相關(guān)濾波器系數(shù)，作為該距離 庫的濾波器系數(shù);否則，讀取銳化去相關(guān)濾波器系數(shù)。
[0119]去相關(guān)處理過程中，每個脈沖、每個距離庫中每個距離過采樣信號都要分別進(jìn)行 去相關(guān)濾波處理，濾波公式為X(l)=w(l)HV。計算過程采用實時處理。針對當(dāng)前一個脈沖， 按照先后距離庫位置進(jìn)行處理，同時以距離庫L個信號為組進(jìn)行計算，每組中每個信號對應(yīng) 的濾波器系數(shù)不同，待處理完當(dāng)前距離庫后，再接著處理下一組距離過采樣信號。當(dāng)當(dāng)前這 一脈沖的信號全部處理完后，再處理下一個脈沖的回波信號，這樣周而復(fù)始。去相關(guān)處理后 的信號送后端進(jìn)行雜波抑制處理及譜矩參數(shù)估計，此時距離庫內(nèi)的過采樣信號相關(guān)性大大 降低，但輸出速率仍為L八。
[0120]去相關(guān)處理過程中，由于數(shù)據(jù)率高和運算量大，算法實時性對處理器要求較高。去 相關(guān)處理由數(shù)字中頻模塊用FPGA完成，實時運算較為容易，系數(shù)容易保存與更新，其中濾波 系數(shù)的計算，由計算機(jī)處理器計算后回寫到FPGA的存儲器進(jìn)行更新與保存。
[0121] 步驟5:地物雜波抑制處理
[0122] 通過天氣雷達(dá)控制軟件來控制參數(shù)，如果參數(shù)需要進(jìn)行地物雜波抑制，則跳入該 步驟，進(jìn)行頻域或時域地物雜波濾除。但該兩種方法都需要對每一個距離過采樣信號進(jìn)行 分別處理，即對X(1，m)，m = 0,1，進(jìn)行時域濾波處理或頻域抑制處理。雜波抑制算法采 用常用的時域IIR濾波器或頻域GMAP濾波器方法。
[0123] 譜矩參數(shù)計算
[0124] 每個距離庫的譜矩參數(shù)計算，需要積累M個脈沖回波數(shù)據(jù)，且每個距離庫的數(shù)據(jù)有 MXL個。首先對信號X(1，m)m = 0,1，一M-l進(jìn)行DFT變換，并計算功率譜S(1，f)，然后依次改 變序號1，直至第L組信號的功率譜S(l，f)計算完成。然后在同一個距離庫進(jìn)行譜積累得到S (。，最后根據(jù)平均功率戶人徑向速度巧及速度譜寬斤^的譜矩估計公式^八⑶八⑶彡計算， 每個距離庫最終計算出一組數(shù)據(jù)。按照距離庫先后，依次計算所有距離庫的平均功率F、徑 向速度％及速度譜寬
[0125] 本專利技術(shù)通過距離時間過采樣、去相關(guān)處理技術(shù)和提高天線旋轉(zhuǎn)速率，使天氣 雷達(dá)體積掃描時間減少，實現(xiàn)天氣雷達(dá)體積掃描速度提高近1倍，最終實現(xiàn)天氣雷達(dá)快速掃 描。數(shù)字中頻模塊對距離過采樣技術(shù)和去相關(guān)處理的實施技術(shù)，由A/D采樣率及帶寬確定過 采樣倍數(shù)，優(yōu)化抽取數(shù)實現(xiàn)最佳下變頻；同時，在數(shù)字中頻設(shè)計FPGA模塊實現(xiàn)去相關(guān)濾波處 理。結(jié)合不同信噪比情況下譜矩精度改善的不同，針對不信噪比，采用基于白化去相關(guān)和銳 化去相關(guān)兩種相結(jié)合的濾波處理，使在不同信噪比的情況下都能達(dá)到數(shù)據(jù)精度提高的目 的。實際天氣雷達(dá)中去相關(guān)濾波系數(shù)獲取及更新的方式。由標(biāo)定過程采集發(fā)射機(jī)耦合回來 的測試信號或由實際天氣回波信號分析得到與發(fā)射機(jī)包絡(luò)和接收機(jī)濾波沖擊響應(yīng)相關(guān)的P (1 )，并以此計算得到去相關(guān)濾波系數(shù)，并定期計算和更新。
[0126] 本發(fā)明所述多普勒天氣雷達(dá)快速掃描方法具有以下技術(shù)效果：
[0127] 1、旋轉(zhuǎn)速度提高且體掃時間降低
[0128] 通過修改多普勒天氣雷達(dá)體掃模式中的方位速率參數(shù)，使得機(jī)械天線旋轉(zhuǎn)速度加 快，減少了在目標(biāo)上的駐留時間，從而降低了體掃時間，實現(xiàn)天氣雷達(dá)的快速掃描。
[0129] 2、改造成本低、效果高
[0130]基于現(xiàn)有的已布網(wǎng)的多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)，僅通過距離時間過采樣技術(shù)和去相關(guān) 濾波算法，使多普勒天氣雷達(dá)具備快速掃描能力，無需使用高成本、難實現(xiàn)的相控陣天線， 在保證效果的前提下，節(jié)省了大量的人力財力；
[0131] 3、數(shù)據(jù)質(zhì)量得到提高
[0132]天線轉(zhuǎn)速提高后，雖然在目標(biāo)上的駐留時間減少導(dǎo)致目標(biāo)回波的時間采樣樣本數(shù) 減少，但本發(fā)明采用了距離時間過采樣技術(shù)，提高了距離時間上的采樣數(shù)，又采用去相關(guān)濾 波算法去除距離過采樣信號之間的相關(guān)性，最大化降低譜矩估計誤差，彌補了因時間采樣 數(shù)減少帶來的不足，使得數(shù)據(jù)質(zhì)量得到提高；
[0133] 4、提高天氣雷達(dá)快變天氣的監(jiān)測能力
[0134] 通過快速掃描改進(jìn)后，使得多普勒天氣雷達(dá)時間分辨率得到提升并能夠更好、更 快地跟蹤短時間內(nèi)快變的災(zāi)害性天氣的產(chǎn)生、發(fā)展和消失過程，為觀測、研究、預(yù)報這類災(zāi) 害性天氣提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，從而有效地減少這類災(zāi)害性天氣對生命財產(chǎn)帶來的巨大損 失。
[0135] 以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和 原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種多普勒天氣雷達(dá)快速掃描方法，其特征在于，包括以下步驟： A:按現(xiàn)有體積掃描模式，保持脈沖重復(fù)頻率PRF和天線3dB波束寬度Θ不變，提高天線掃 描轉(zhuǎn)速ω，從而使原來體積掃描時間減少，提高整個天氣雷達(dá)天線掃描速度，實現(xiàn)多普勒天 氣雷達(dá)的快速掃描； Β:在距離時間上對天氣雷達(dá)回波信號進(jìn)行過采樣，以獲得更多的回波樣本數(shù)，彌補因 提尚天線掃描轉(zhuǎn)速ω而減少的有效樣本數(shù)； C:去相關(guān)處理，去除每個發(fā)射脈沖內(nèi)距離時間上過采樣信號的相關(guān)性，增加回波的獨 立等效樣本數(shù)； D:利用所得到的去除相關(guān)性后的過采樣信號進(jìn)行譜矩參數(shù)計算，以彌補提高天線掃描 轉(zhuǎn)速ω后，因回波樣本數(shù)減少引起的掃描精度降低，從而獲得高精度的掃描結(jié)果。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多普勒天氣雷達(dá)快速掃描方法，其特征在于:步驟A是根據(jù)脈 沖重復(fù)頻率PRF、天線3dB波束寬度Θ、脈沖積累數(shù)M和天線掃描轉(zhuǎn)速ω之間的關(guān)系得出，這四 個參數(shù)的關(guān)玄/A才f/π?^ . ⑴。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多普勒天氣雷達(dá)快速掃描方法，其特征在于，步驟B、C和D的具 體方法如下： 步驟B中回波信號距離時間過采樣指把現(xiàn)在天氣雷達(dá)數(shù)字中頻中每個脈沖寬度內(nèi)采樣 一個信號輸出改為采樣多個信號輸出，需要先根據(jù)雷達(dá)發(fā)射脈沖寬度τ和中頻信號采樣頻 率fs來確定過采樣倍數(shù)L，L倍距離時間上的過采樣回波信號公式如下：(2) 其中1是指多個過采樣信號中的第1個信號，P(l)=e(l)*h(l)是雷達(dá)發(fā)射脈沖包絡(luò)與 接收機(jī)濾波器系統(tǒng)響應(yīng)的卷積，e(l)是發(fā)射機(jī)脈沖包絡(luò)，h(l)是接收機(jī)濾波器脈沖響應(yīng)函 數(shù)； 步驟C是設(shè)計一個去相關(guān)濾波器，通過加權(quán)濾波器對距離時間過采樣信號序列進(jìn)行加 權(quán)濾波，使輸出信號相互之間不相關(guān)，去相關(guān)公式如下： Xm = WVm (3) 其中Xm=[X(0，m)，X(l，m)，...，X(L-l，m)]τ為每個發(fā)射脈沖內(nèi)距離時間上去相關(guān)處理 后的過采樣信號，長度為L，Vm=[V(0)，V(1)，. . .，V(L-1)]T為每個發(fā)射脈沖內(nèi)距離時間上去 相關(guān)處理前原始的過采樣信號，長度為L，W= [W(0)，···，w(L-l)]T為同一發(fā)射脈沖內(nèi)不同序 號信號對應(yīng)的去相關(guān)系數(shù)組成的加權(quán)矩陣，m表示第m個脈沖數(shù)，T表示脈沖間隔時間； 步驟D中譜矩參數(shù)計算具體過程如下：(4) (53 (6) 其中f表示所得到信號的頻率值，？(14)，3(1，〇是第1距離過采樣位置、第!11個去相關(guān) 回波信號X(l，m)求得的離散頻域信號和功率譜，M為脈沖積累數(shù)，S(f)是L個距離過采樣位 置對應(yīng)離散功率譜S(1，f)的積累譜，平均功率P、平均徑向速度％及速度譜寬<的譜矩計 算則是基于積累譜S(l，f)開展的計算：(7) (8) (9) 其中匕為對應(yīng)的頻率采樣點，fd表示平均多普勒頻率，λ為雷達(dá)波長。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多普勒天氣雷達(dá)快速掃描方法，其特征在于，獲取加權(quán)矩陣W 的方法有以下兩種： 方法一：天氣雷達(dá)距離時間過采樣信號的相關(guān)性與發(fā)射機(jī)包絡(luò)和接收機(jī)濾波器沖擊函數(shù)有關(guān)， 其相關(guān)函數(shù)I- C10)考慮到距離庫內(nèi)各距離過采樣信號之間的相關(guān)性，可把其歸一化相關(guān)系數(shù)組成 Toeptitz-hermitian 矩陣 如下： 其中p(l)為發(fā)射機(jī)包絡(luò)和接收機(jī)濾波器沖擊函數(shù)的卷積，對其進(jìn)行歸一化后用口^〗)表 示 (11) 則通用去相關(guān)加權(quán)系數(shù)矩陣W設(shè)計為： (12) W=H-1= A^172Ut (13) 其中H為相關(guān)矩陣均方根，對相關(guān)矩陣Cf進(jìn)行特征分解，矩陣Λ和U分別為相關(guān)矩 陣Cf特征分解后的對角矩陣和酉矩陣，特征分解如下： (14) 方法二：在小信噪比下，為了降低噪聲提高對譜矩精度的影響，去相關(guān)濾波器采用銳化濾波器 處理算法，銳化濾波器設(shè)計為：(15) 其中SEF為信號增強(qiáng)因子，其表示為：(16) 去相關(guān)算法的實質(zhì)是設(shè)計一個加權(quán)濾波器，其中P為銳化參數(shù)，當(dāng)P為O，加權(quán)系數(shù)接近H '當(dāng)P為無窮時，加權(quán)系數(shù)接近IT1。
【文檔編號】G01S7/285GK105891831SQ201610188879
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月29日
【發(fā)明人】李學(xué)華, 侯小宇, 何建新, 史朝, 唐順仙, 張福貴, 王旭, 王傳志
【申請人】成都信息工程大學(xué)