風廓線雷達湍流目標檢測方法
2023-05-01 00:49:41 1
專利名稱：風廓線雷達湍流目標檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種風廓線雷達湍流目標檢測方法，用於風廓線雷達的目標檢測。
背景技術：
風廓線雷達(wind profiling radar/wind profiler radar)是一種新型的測風雷達，能夠無人值守M小時連續提供大氣水平風場、垂直氣流、大氣折射率結構常數等氣象要素隨高度的分布，具有時空解析度高、連續性和實時性好的特點，是進行高空氣象探測的重要設備，是當前常規氣球測風體制的重要補充，是開展天氣預報和氣象保障的新手段。雷達接收的回波信號中，不但有目標信號，也存在噪聲和雜波等各種幹擾信號，雷達的目標檢測就是指在各種幹擾的情況下，去找出真正的目標。因此雷達目標檢測是提高數據可信度和數據質量的重要一環。雷達要探測的目標通常是運動著的物體，檢測運動目標和固定雜波的理論基礎是它們在移動速度上的差別，由於運動速度不同而引起回波信號的都卜勒頻率不相等，從而可以區分出不同的物體，這是雷達中採用動目標顯示和動目標檢測技術的基本思想。風廓線雷達的目標檢測與其它雷達具有不一樣的特點。目前，風廓線雷達目標檢測最簡單的做法，是對功率譜幅度最大值的檢測法，這種方法認為信號總是最強的，因此在功率譜上找出最大值所在的位置，並被當作是湍流目標譜峰。但有強雜波幹擾時，這種方法會導致很大誤差。由於湍流回波信號弱，風廓線雷達探測時極易受地雜、鳥等的汙染。目前已經提出了多種從風廓線雷達譜中去除雜波的方法，例如，主要應用的NIMA方法(NCAR Improved Moment Algorithm)方法。NIMA方法主要用於剔除地雜波影響，它認為某點是否為地雜波的主要特徵是對稱性和曲率，將這些特徵值代入一個合成公式中，根據輸出值的大小，來判定是信號還是雜波。NIMA算法中的參數需要依據不同的設備、不同的測量地點進行配置，比較繁瑣。目前業務化風廓線雷達中通用的是「客觀化方法」。「客觀化方法」認為譜密度值大於噪聲電平的頻點全部是信號，然後對整個譜進行積分計算出譜矩。當幹擾使得功率譜上出現多個譜峰時，這種方法實際上是譜峰和所佔寬度的加權，結果反映的是信號與各種幹擾的總效果。當回波信號比較強，譜峰包絡比較明顯時，目標的檢測是比較容易的；但是風廓線雷達的回波信號通常都比較弱，常常有雜波幹擾，很多雜波都能掩蓋真實的回波。在這種情況下，採用「客觀化方法」進行目標檢測和各階矩計算，效果較差。因此，需要研究一種新的風廓線雷達湍流目標檢測方法，能夠同時滿足處理的實時性和檢測效果兩方面的要求，以提高風廓線雷達目標檢測的質量。
發明內容
本發明的目的在於提供一種風廓線雷達湍流目標檢測方法，該方法以實時業務處理為目標，不進行繁瑣的計算，同時又較好地消除了雜波幹擾的影響。
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根據本發明的主要方面，該風廓線雷達湍流目標檢測方法包括以下步驟a、輸入風廓線雷達的功率譜；b、對所輸入的功率譜進行預處理；C、以分段平均法確定噪聲電平；d、對功率譜進行初步檢測，其中包括幅度檢測、譜寬檢測以及包絡檢測；e、對功率譜進行分類檢測，其中包括對譜線進行試探性切除、根據切除結果進行分類判斷以及根據類別進行譜峰分離；f、對湍流目標功率譜進行速度訂正；g、對湍流目標功率譜進行連續性修正；以及h、進行譜矩計算，並輸出結果。根據本發明的一個方面，預處理包括插值處理。根據本發明的一個方面，預處理還包括滑動平均處理。根據本發明的一個方面，插值處理是零速度點插值處理。根據本發明的一個方面，插值處理時採用零速度點左右兩點的譜密度值的平均值來代替零速度點值。根據本發明的一個方面，滑動平均處理是三點滑動平均處理。應當認識到，本發明以上各方面中的特徵可以在本發明的範圍內自由組合，而並不受其順序的限制——只要組合後的技術方案落在本發明的實質精神內。
為了更清楚地說明本發明中的技術方案，下面將對本發明的附圖作簡單地介紹， 其中圖1顯示了根據本發明的風廓線雷達湍流目標檢測方法的流程圖；圖2為根據本發明對譜線進行試探性切除前後的示意圖；圖3 (a)-3(f)顯示了根據本發明的譜線進行試探性切除後的幾種情況。
具體實施例方式下文將結合本發明的優選實施例對本發明的技術方案進行詳細說明。需要明白，下文的描述(包括附圖)僅僅是示例性的，而非對本發明的限制性描述。在以下描述中會涉及到部件的具體數量，然而也需要明白的是，這些數量也僅僅是示例性的，本領域技術人員可以參照本發明任意選取適當數量的部件。根據本發明的第一實施例，將風廓線雷達探測的功率譜輸入到信號處理器中，然後進行預處理。預處理優選地主要包含插值處理和滑動平均處理。插值處理一般是零速度點插值處理。在零速度點插值處理過程中，當風速較小時， 湍流信號譜包絡就在零速度點附近、甚或包含了零速度點，這樣會使功率譜分布在零速度點處出現斷裂，因此優選地採用零速度點左右兩點譜密度值的平均值替代零速度點值來進行插值處理。滑動平均處理的主要作用是對於一些「飛點數據」進行剔除。在譜數據中有時會存在一些值特別大的數據點，這屬於偶爾幹擾，它們的分布一般比較零散，譜線很窄，即只在某些個別點出現。對譜進行滑動平均處理，優選地三點滑動平均處理可以去除這些尖峰
點ο接著，以分段平均法確定噪聲電平。在最大都卜勒速度不是設置在過於小的情況下，在風廓線雷達輸出的整個長長的功率譜圖中，信號和各種雜波幹擾的譜在橫坐標譜軸上一般都只佔譜的一小部分，因此可以將整個譜等分為若干段，計算每一段的平均值，由於強一些的信號譜及幹擾譜共處在若干段中的某一段內，故可將其餘段的平均值中的最小值作為噪聲電平。在本發明的一個優選實施例中，整個譜被等分為八段。噪聲電平確定後，在後續步驟中被應用。再接著，對功率譜進行初步檢測，這其中包括幅度檢測、譜寬檢測以及包絡檢測。 不管大氣湍流回波信號如何微弱，在功率譜分布圖上，湍流回波信號譜峰都應該高於茅草， 其譜密度值可以不是最大值，但必須是具有一定譜寬的極大值點。因此，在功率譜上首先檢測出譜峰最大值，然後往兩邊分別搜索，找到第一個小於噪聲電平值的點(或者是功率譜值由逐步減小開始增加的轉折點)，即認為搜尋出了整個譜峰包絡，在包絡範圍內計算譜寬值。如果譜寬值不在某個預置範圍內，則認為不是湍流信號，將該譜峰及其包絡全部置成噪聲電平值，然後去尋找下一個譜極值點，直到找到滿足要求的譜峰包絡。如果整條譜線都未能尋找到，則適當擴大譜寬的閾值範圍後重新尋找。在初步檢測後，需要繼續進行分類檢測。這是因為，初步檢測出的譜峰有時位於零速度點，而在零速度點附近有一個小譜峰包絡，且這個小譜峰所在的位置與上一高度層 (或下一高度層)檢測出的譜峰具有更好的高度連續性。人眼可以直觀地分析認為這小譜峰應該才是湍流回波信號譜峰，只是由於所在高度的湍流回波信號弱於地雜波，因此計算機進行譜峰初步檢測時檢測到了零速度點的地雜波位置。如果能夠切除掉這些高度上功率譜分布在零速度點附近的一段譜，計算機就可以檢測出這個小譜峰。不過，對於由電腦程式承擔的自動實時檢測而言，是無法讓人來指定哪些高度可以切除零速度點附近的一段譜的，因此必須在初步檢測後，繼續進行分類檢測。分類檢測是剔除地雜波影響的關鍵一步，主要思想在於根據地雜與信號在零速度點附近混雜在一起的不同形態，進行分類判斷。其主要步驟包括判斷初步檢測出的譜峰包絡是否跨越了零速度線，如果沒有跨越零速度線，認為此高度的湍流信號比較強，且未受地雜波幹擾，標記為可信；如果譜峰包絡跨越了零速度線的高度層，將根據譜峰與零線的距離、包絡的具體形狀進行如下檢測對該高度層的功率譜分布零速度線附近的一段譜線進行試探性切除，依據切出來的「切口」形狀，進行分類判斷。試探性譜線切除的寬度要根據當地地雜波譜的情況來確定， 一般圍繞零速度線兩側選定比所有地雜波的寬度寬，但是比一般的湍流回波寬度窄的一個寬度進行切除。優選地，切除寬度約為lm/s，也即零速度線兩側各0.5m/s左右。在進行試探性地雜波幹擾譜線切除的時候，要用該高度層的噪聲電平值來代替被切除點的譜值。圖2為試探性譜線切除前後的示意圖，圖中左右直線代表切除的一段譜的最左邊與最右邊位置，中間直線代表零速度線的位置。第一排表示原始譜，它可能存在地雜波幹擾，第二排表示進行試探性譜線切除之後的譜，第三排表示對切口兩邊進行譜值梯度計算。 切口最左邊的梯度值為A點譜值減去B點的譜值，切口最右邊的梯度值為C點的譜值減去D點的譜值。得到這兩個梯度之後，要利用它們來判斷切口是陡峭還是緩和，切口陡峭代表此處存在有湍流回波的影響，切口緩和代表此處不存在湍流回波的影響或湍流回波影響可以忽略。參見圖3(a)-3(f)可知，在進行譜線試探性切除後，根據切口兩邊梯度值大小，可以分成以下三種情況，每種情況都可能包含不同的地雜波與湍流回波混合類型，所以要進行下述的分類檢測。第一種情況是，兩邊梯度值都很小(小於某個預置值)，這時又可能存在兩種情形。一種是如圖3(a)所示，切掉的確實是地雜波峰，在譜線的其餘位置找到了具有一定譜寬的次極大值峰，可以作為湍流目標譜峰。另一種如圖3(b)所示，在這種情形下，試探性切除的是湍流回波和地雜波的疊加回波，切除後剩下的都是原來兩邊很小的值，找不到具有湍流目標特性的譜峰。這說明目標與地雜波同時被切除，此時應該恢復被切除的數據，作為湍流目標譜峰。第二種情況是，兩邊切口梯度值都很大(大於某個預置值)，這時也可能存在兩種情形。一種是由於地雜波譜異常寬，而造成切口兩邊梯度值都很大，但是在切除後的譜線的其餘位置找到了具有一定譜寬的次極大值峰，可以作為湍流目標譜峰，如圖3(c)。另一種是在切除後剩下的譜線中找不到具有湍流目標特性的譜峰，這說明目標與地雜波同時被切除，此時應該恢復被切除的數據，作為湍流目標譜峰，如圖3 (d)。第三種情況是，切口兩邊梯度值一邊大一邊小，這時仍然可能存在兩種情形。一種是湍流回波與地雜波兩者的譜峰是分離的，距離也較遠，優選地至少大於0. 5m/s，但是譜型包絡不重疊，如圖3(e)所示。對於這種情形可以在原始譜中，通過找到這一側切口中第一個小於等於噪聲電平值的譜點位置，作為地雜波與湍流回波譜的分界點，將左邊直線調整到分界點後重新進行地雜波切除，然後再搜尋出目標譜峰及其包絡(參見圖3(e)的下面一排)。第二種情形是湍流回波與地雜波兩者的譜峰是分離的，但是譜型包絡有部分重疊， 如圖3(f)所示。對於這種情形，可以在原始譜中找到這一側切口中最小譜值點的位置，作為地雜波與湍流回波譜的分界點(因重疊時找不到最小噪聲點，故只能找最小譜值點)，也是將該側直線調整到分界點後重新進行地雜波切除，再檢測出目標譜峰及其包絡(參見圖 3(e)的下面一排)。在分類檢測之後，對湍流目標雷達譜進行速度訂正。風廓線雷達的每一種工作模式都對應一個不發生速度模糊的最大速度，如果目標的實際徑向速度超過這一最大速度， 則會發生測速模糊，從而在譜密度圖象上產生摺疊現象，因此需要從低層到高層逐個開展速度模糊檢測和退模糊處理，即進行速度訂正。接著，對湍流目標功率譜進行連續性修正。因為風場在探測體積所確定的空間尺度上和時間分辨力所確定的時間尺度上具有一定的連續性，因此上下高度層之間搜尋出來的譜峰位置的差值如果在某個閾值之內，則此數據符合連續性要求，否則應該被認定為不符合連續性要求。根據這一原則對每個波束指向探測的各高度層之間的徑向速度值進行連續性檢測。如果所有高度層之間都通過連續性檢測，那是最理想的。但由於湍流的間隙性， 或者受到幹擾，中間常常有一些高度層譜分布像茅草，檢測的目標譜峰的可信度比較差，無法通過與其它高度層之間的連續性檢測。對於這種情況，可以利用通過了連續性檢測的高度層的徑向速度值，產生一個徑向速度變化範圍，在未通過連續性檢測的高度層的功率譜上搜尋譜峰，作為該高度層新的目標峰位置，從而完成對斷層的連續性修復。最後，進行譜矩計算，並輸出結果。在識別出湍流目標譜峰位置之後，只在湍流目標譜峰包絡之內進行計算，以求得信噪比、都卜勒速度和速度譜寬等數據。計算的公式如下
權利要求
1.一種風廓線雷達湍流目標檢測方法，所述方法包括以下步驟a、輸入風廓線雷達的功率譜；b、對所輸入的功率譜進行預處理；C、以分段平均法確定噪聲電平；d、對功率譜進行初步檢測，其中包括幅度檢測、譜寬檢測以及包絡檢測；e、對功率譜進行分類檢測，其中包括對譜線進行試探性切除、根據切除結果進行分類判斷以及根據類別進行譜峰分離；f、對湍流目標功率譜進行速度訂正；g、對湍流目標功率譜進行連續性修正；以及h、進行譜矩計算，並輸出結果。
2.根據權利要求1所述的風廓線雷達湍流目標檢測方法，其特徵在於，所述預處理包括插值處理。
3.根據權利要求1所述的風廓線雷達湍流目標檢測方法，其特徵在於，所述預處理包括滑動平均處理。
4.根據權利要求2所述的風廓線雷達湍流目標檢測方法，其特徵在於，插值處理是零速度點插值處理。
5.根據權利要求4所述的風廓線雷達湍流目標檢測方法，其特徵在於，插值處理時採用零速度點左右兩點的譜密度值的平均值來代替零速度點值。
6.根據權利要求3所述的風廓線雷達湍流目標檢測方法，其特徵在於，所述滑動平均處理是三點滑動平均處理。
全文摘要
本發明涉及一種風廓線雷達湍流目標檢測方法，其包括輸入風廓線雷達的功率譜；對所輸入的功率譜進行預處理；以分段平均法確定噪聲電平；對功率譜進行初步檢測，其中包括幅度檢測、譜寬檢測以及包絡檢測；對功率譜進行分類檢測，其中包括對譜線進行試探性切除、根據切除結果進行分類判斷以及根據類別進行譜峰分離；對湍流目標功率譜進行速度訂正；對湍流目標功率譜進行連續性修正；以及進行譜矩計算，並輸出結果。本發明能夠提高風廓線雷達目標檢測的質量。
文檔編號G01S13/95GK102508219SQ20111031407
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月17日 優先權日2011年10月17日
發明者張鵬, 李妙英, 胡明寶, 賀宏兵 申請人:中國人民解放軍理工大學氣象學院