本文摘要：摘要:在天氣雷達(dá)信號(hào)處理階段，地物雜波的存在是影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的最大問題，因此，識(shí)別并剔除地物回波是天氣雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的一個(gè)重要內(nèi)容.首先簡(jiǎn)要介紹了IIR橢圓地物雜波濾波器的原理;其次介紹了結(jié)合雜波識(shí)別(CMD)算法的自適應(yīng)高斯頻域?yàn)V波器(GMAP)的濾波算
摘要:在天氣雷達(dá)信號(hào)處理階段，地物雜波的存在是影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的最大問題，因此，識(shí)別并剔除地物回波是天氣雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的一個(gè)重要內(nèi)容.首先簡(jiǎn)要介紹了IIR橢圓地物雜波濾波器的原理;其次介紹了結(jié)合雜波識(shí)別(CMD)算法的自適應(yīng)高斯頻域?yàn)V波器(GMAP)的濾波算法和雙高斯濾波器(BGMAP)算法，分析了不同回波情況下GMAP濾波器和BGMAP濾波器的濾波效果和運(yùn)行時(shí)間比較;最后根據(jù)實(shí)際雷達(dá)回波信號(hào)，分析了IIR橢圓地物雜波濾波器與GMAP濾波器的雜波抑制性能，對(duì)兩種濾波器結(jié)果進(jìn)行了分析和比較.結(jié)果表明，BGMAP濾波器的雜波抑制性優(yōu)于GMAP濾波器和IIR橢圓濾波器，然而處理時(shí)間較長(zhǎng)，適合對(duì)回波數(shù)據(jù)的分析，實(shí)時(shí)處理時(shí)使用GMAP濾波器能滿足實(shí)時(shí)處理的要求.
關(guān)鍵詞:地物雜波;天氣雷達(dá);雙高斯濾波器;自適應(yīng)高斯頻域?yàn)V波器
農(nóng)業(yè)氣象論文投稿刊物：《氣象科技進(jìn)展》(雙月刊)是氣象科學(xué)領(lǐng)域綜合性期刊，2011年6月創(chuàng)刊，氣象科技進(jìn)展將及時(shí)通過多個(gè)欄目闡釋氣象及相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的最新進(jìn)展，是一本面向多領(lǐng)域讀者，以學(xué)術(shù)評(píng)述和前沿信息掃描為特征的專業(yè)期刊。
0引言
通常情況下，地物雜波是指雷達(dá)波束在正常傳播情況下探測(cè)到的地物回波.地物雜波存在于雷達(dá)的低仰角掃描數(shù)據(jù)或雷達(dá)較近的范圍，對(duì)于任一特定仰角，典型的地物雜波污染從一個(gè)體掃到下一個(gè)體掃很少有變化，并且大多數(shù)時(shí)間都會(huì)出現(xiàn).這嚴(yán)重影響雷達(dá)的數(shù)據(jù)估算，噪聲則會(huì)影響弱信號(hào)的檢測(cè)，從而導(dǎo)致參量估算的問題，因此，在信號(hào)處理系統(tǒng)中，濾除地物雜波能夠更好地進(jìn)行氣象觀測(cè).在實(shí)際項(xiàng)目中可選擇全程濾波和動(dòng)態(tài)雜波圖濾波.
通過CMD(ClutterMitigationDecision)算法識(shí)別雜波圖，根據(jù)雜波圖對(duì)雜波位置進(jìn)行濾波，減少計(jì)算量，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理.在實(shí)際項(xiàng)目中設(shè)計(jì)了多個(gè)濾波器以適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境條件.本文描述了IIR(InfiniteImpulseResponse)橢圓濾波器、自適應(yīng)高斯頻域?yàn)V波器(GMAP)和雙高斯濾波器(BGMAP)的原理，對(duì)GMAP濾波器和BGMAP濾波器進(jìn)行了詳細(xì)的分析和比較，并使用實(shí)際天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)IIR橢圓濾波器和GMAP濾波器進(jìn)行了測(cè)試和比較，結(jié)果表明:BGMAP濾波器在分析數(shù)據(jù)時(shí)效果比GMAP濾波器效果好，但耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，不能滿足實(shí)時(shí)處理要求;GMAP濾波器濾波效果優(yōu)于IIR濾波器，能滿足實(shí)時(shí)處理要求.
1IIR橢圓濾波器
通常情況下，采用的是IIR橢圓濾波器[1]進(jìn)行地物濾波，因?yàn)椴恍枰艽蟮拇鎯?chǔ)器和計(jì)算量，在工程上比較容易實(shí)現(xiàn).本文選擇的是3階極點(diǎn)和3階零點(diǎn)的IIR濾波器，濾波器系數(shù)按照重復(fù)頻率Fs=300∶50∶2000等35個(gè)頻率，凹口寬度按0.2m/s步進(jìn)進(jìn)行濾波器設(shè)置，以滿足不同重復(fù)頻率、不同凹口寬度要求的應(yīng)用需要.IIR濾波器存在的主要問題是:1)IIR濾波器有暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間，濾波器凹口寬度越窄，輸出暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間就越長(zhǎng);反之就比較短.暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)意味著在一個(gè)波束寬度內(nèi)需要有比較多的回波脈沖，否則難以達(dá)到所設(shè)計(jì)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng).2)濾波器凹口寬度如果設(shè)置凹口過寬，會(huì)對(duì)氣象回波造成損失;如果設(shè)置凹口過窄，濾波后地物剩余仍很多.3)會(huì)對(duì)速度較小的氣象回波或者折疊到零頻附近的氣象回波造成影響.
2CMD算法
GMAP濾波和BGMAP濾波算法擬合需要一定時(shí)間，應(yīng)當(dāng)配合動(dòng)態(tài)雜波圖進(jìn)行濾波，動(dòng)態(tài)雜波圖使用CMD雜波識(shí)別方法[2G3]，處理流程如下:1)檢查信噪比SNR，如果SNR<3dB，該距離庫(kù)為噪聲，不作任何處理.2)計(jì)算3個(gè)特征量TDBZ，SPIN，CPA，其中TDBZ選擇以當(dāng)前距離庫(kù)為中心的9個(gè)距離庫(kù)，SPIN選擇11個(gè)庫(kù).3)CPA5點(diǎn)中值濾波.4)通過隸屬函數(shù)將3個(gè)特征量映射到0G1區(qū)間，如式(7)、式(8)、式(9)所示.5)使用模糊邏輯組合SPIN和TDBZ.6)計(jì)算地物概率CP，如式(10)所示.7)將地物概率超過0.5的距離庫(kù)標(biāo)識(shí)為地物.8)對(duì)地物標(biāo)識(shí)CF進(jìn)行平滑和填充.9)對(duì)標(biāo)識(shí)的距離庫(kù)進(jìn)行濾波.10)對(duì)濾波后的距離庫(kù)重新計(jì)算譜數(shù)據(jù)，包括反射率、速度和譜寬.反射率紋理(TDBZ)是相鄰距離庫(kù)的反射率的差平方均值，測(cè)量相鄰距離反射率的變化，反映了反射率的平滑程度.
3GMAP濾波算法
當(dāng)前國(guó)內(nèi)的主流濾地物雜波算法有IIR濾波及自適應(yīng)譜濾波，這兩種方案對(duì)零頻附近存在天氣信號(hào)時(shí)，都會(huì)造成譜矩估算的偏差.采用有限積累點(diǎn)數(shù)進(jìn)行譜矩估計(jì)，相當(dāng)于對(duì)信號(hào)加矩形窗，當(dāng)?shù)匚镫s波強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)，矩形窗對(duì)旁瓣的抑制小(-13dB)，從雜波中泄露出的旁瓣功率會(huì)把弱的天氣信號(hào)淹沒.GMAP算法[4G5]是在2004年由SIGMET公司的兩位工程師Siggia和Passarelli提出的，該算法有以下優(yōu)點(diǎn):1)在零頻附近存在天氣信號(hào)與雜波疊加的情況下，可在濾除雜波的基礎(chǔ)上，基本恢復(fù)天氣信號(hào)，使得譜矩估計(jì)更為準(zhǔn)確;2)在對(duì)地物雜波信號(hào)的譜寬估計(jì)更為準(zhǔn)確，可以更好且自適應(yīng)地估量出剔除地物雜波時(shí)所需凹口的寬度(傳統(tǒng)的IIR濾波需手動(dòng)切換選擇凹口大小);3)可以根據(jù)不同的雜信比(CSR)，自適應(yīng)選擇所加窗函數(shù)，從而能對(duì)旁瓣達(dá)到很好的抑制，又不至于使得主瓣過寬影響氣象目標(biāo)的譜寬估計(jì).
4BGMAP濾波算法
BGMAP算法在頻域內(nèi)去除地物回波，其基本假設(shè)是氣象回波和地物回波的功率譜為高斯分布[5].雷達(dá)信號(hào)的功率譜由3個(gè)部分組成:氣象回波、地物雜波和噪聲。
5濾波效果分析
分析氣象信號(hào)，對(duì)比GMAP濾波器和BGMAP濾波器效果.在有氣象和強(qiáng)地物的信號(hào)時(shí).GMAP濾波器能夠識(shí)別出雜波點(diǎn)并擬合出氣象信號(hào)，并計(jì)算出速度和譜寬.BGMAP濾波器能擬合出雜波信號(hào)和氣象信號(hào)，并計(jì)算出速度和譜寬等信息.二者計(jì)算出的速度和譜寬相差不大，但時(shí)間差200倍左右.只有氣象信號(hào)時(shí)，二者雖然錯(cuò)誤地識(shí)別了雜波信號(hào)，但都能擬合出氣象信號(hào)，并計(jì)算出速度和譜寬，時(shí)間同樣相差200倍左右.對(duì)GMAP和BGMAP進(jìn)行1000個(gè)距離庫(kù)運(yùn)算統(tǒng)計(jì)的時(shí)間圖，紅線顯示BGMAP與GMAP耗費(fèi)時(shí)間比值，可看出BGMAP計(jì)算花費(fèi)的時(shí)間是GMAP的2個(gè)數(shù)量級(jí)，在工程應(yīng)用中實(shí)時(shí)性差.本文的實(shí)際回波數(shù)據(jù)是從安徽四創(chuàng)電子股份有限公司的多普勒天氣雷達(dá)獲取.顯示了濾波前后反射率因子、濾波后速度V和譜寬W.在零速線上，天氣信號(hào)與雜波疊加的情況下，IIR濾波氣象回波損失較大.GMAP濾波器能識(shí)別氣象信號(hào)和雜波信號(hào)，恢復(fù)氣象信號(hào)，濾波效果優(yōu)于IIR濾波器.
6結(jié)束語(yǔ)
本文對(duì)IIR濾波器、GMAP濾波器和BGMAP濾波器進(jìn)行了分析和處理，結(jié)果表明:在非實(shí)時(shí)分析時(shí)，BGMAP的效果要優(yōu)于GMAP，能更好地識(shí)別出氣象信號(hào)和雜波信號(hào);BGMAP濾波器和GMAP濾波器的效果優(yōu)于IIR濾波器，由于BGGMAP濾波器計(jì)算時(shí)間要比GMAP計(jì)算時(shí)間多很多，在工程實(shí)踐中，不適合使用BGMAP，會(huì)造成資源不夠用.鑒于本文只是對(duì)雙高斯地物濾波器算法的初步研究，還未通過長(zhǎng)期實(shí)際回波驗(yàn)證，在今后的項(xiàng)目中應(yīng)作進(jìn)一步的分析和研究.
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