[发明专利]一种基于高阶自相关的天气雷达径向速度估算方法

说明书

本发明公开了一种基于高阶自相关的天气雷达径向速度估算方法，包括使用雷达I/Q数据分别逐库计算各通道回波信号的二阶和三阶ACF；计算由二阶和三阶ACF得到的径向速度v_{r_lag2}和v_{r_lag3}；如果v_{r_lag2}和v_{r_lag3}差值绝对值小于速度门限，最终的径向速度取值为v_{r_lag2}和v_{r_lag3}的均值；如果v_{r_lag2}和v_{r_lag3}差值绝对值大于速度门限，将v_{r_lag2}和v_{r_lag3}按照双重频模式进行处理，采用基于统计方法的双重频退模糊算法进行速度解模糊，将解模糊后的数值作为最终的径向速度值。该方法提高了低信噪比条件下的径向速度估算质量，有助于提升天气雷达对灾害天气的探测能力。

技术领域

本发明涉及雷达信号处理研究领域，特别是一种基于高阶自相关的天气雷达径向速度估算方法。

背景技术

在天气雷达的径向速度估算方面，主要有时域和频域两类方法。在时域方面，Janssen和Van Der Spek(1985)研究发现天气雷达信号服从高斯分布，Doviak和(2006)则进一步提出了天气雷达信号的自相关函数(ACF)，并且将其扩展到双偏振雷达，形成了基于自相关函数和互相关函数(CCF)的参量估算方法，在业界得到了广泛应用(Zhang,2016,Bringi and Chandrasekar,2001,Li et al.,2013a)。具体来说，目前在时域内估算径向速度的通常做法是直接计算一阶ACF的相位，然后再根据雷达工作的脉冲重复频率(PRF)以及雷达波长计算得到相应的径向速度值。在频域方面，主要是基于J.W.Coolye和J.W.Tukey(1965)提出的快速傅里叶变换(FFT)的方法进行径向速度估算。较为典型的频域径向速度估算方法如/(1979)提出的平均频率计算，该方法首先使用FFT方法计算回波信号的功率谱，然后根据功率谱最大值的索引来计算平均多普勒频移，最后根据多普勒效应得到径向速度值。其他频域径向速度估算方法大多与此类似，只是在细节上有所区别，比如说对噪声的处理等。

国内在估算天气雷达的径向速度方面同样使用了时域和频域两种方法，并且更多地使用时域参量估算方法。朱宸莹(2016)在C波段双偏振雷达上首先利用离散傅里叶变换加凹口的方法抑制地杂波，然后对抑制地杂波后的时间序列求ACF来估算径向速度。郭在华(2005)利用模拟的天气回波信号进行了多普勒和极化参量的估算与仿真，使用了一种改进型的脉冲对(PPP)算法，在时域内估算径向速度。卢小佳(2014)设计实现了一种基于FPGA的FFT方法来估算径向速度，并且提出了一种使用chirp-z变换的频域径向速度估算方法。

按照ACF的定义，理论上当阶数n≠0时不必考虑噪声的影响，加之二阶以上ACF的最大不模糊速度明显降低，当采用二阶及以上ACF进行径向速度计算时，更容易出现速度模糊，因而，目前业界通常采用一阶ACF进行径向速度的计算。然而，采用一阶ACF计算径向速度后，在实际使用时发现，随着信噪比的降低，该方法估算的径向速度数据质量随之下降，估算结果标准差(STD)明显增加。也就是说，在信噪比低的情况下受噪声的影响并不能忽略，尤其是在回波径向速度接近最大不模糊速度时，估算值的抖动可能会导致估算结果出现速度模糊，从而影响到对天气现象的认识。一般认为，一阶ACF估算径向速度方法在信噪比大于3dB的情况下，估算结果才能较为可信。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于高阶自相关的天气雷达径向速度估算方法，该基于高阶自相关的天气雷达径向速度估算方法使用二阶和三阶ACF的方法来估算径向速度值，在信噪比小于0dB的情况下估算结果依然满足业界对径向速度精度估算要求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于高阶自相关的天气雷达径向速度估算方法，包括如下步骤。