本文摘要：摘要:在天氣雷達(dá)信號處理階段，地物雜波的存在是影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的最大問題，因此，識別并剔除地物回波是天氣雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的一個重要內(nèi)容.首先簡要介紹了IIR橢圓地物雜波濾波器的原理;其次介紹了結(jié)合雜波識別(CMD)算法的自適應(yīng)高斯頻域濾波器(GMAP)的濾波算
摘要:在天氣雷達(dá)信號處理階段，地物雜波的存在是影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的最大問題，因此，識別并剔除地物回波是天氣雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的一個重要內(nèi)容.首先簡要介紹了IIR橢圓地物雜波濾波器的原理;其次介紹了結(jié)合雜波識別(CMD)算法的自適應(yīng)高斯頻域濾波器(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行時間比較;最后根據(jù)實際雷達(dá)回波信號，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，然而處理時間較長，適合對回波數(shù)據(jù)的分析，實時處理時使用GMAP濾波器能滿足實時處理的要求.
關(guān)鍵詞:地物雜波;天氣雷達(dá);雙高斯濾波器;自適應(yīng)高斯頻域濾波器
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)展將及時通過多個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，對于任一特定仰角，典型的地物雜波污染從一個體掃到下一個體掃很少有變化，并且大多數(shù)時間都會出現(xiàn).這嚴(yán)重影響雷達(dá)的數(shù)據(jù)估算，噪聲則會影響弱信號的檢測，從而導(dǎo)致參量估算的問題，因此，在信號處理系統(tǒng)中，濾除地物雜波能夠更好地進(jìn)行氣象觀測.在實際項目中可選擇全程濾波和動態(tài)雜波圖濾波.
通過CMD(ClutterMitigationDecision)算法識別雜波圖，根據(jù)雜波圖對雜波位置進(jìn)行濾波，減少計算量，實現(xiàn)實時處理.在實際項目中設(shè)計了多個濾波器以適應(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)高斯頻域濾波器(GMAP)和雙高斯濾波器(BGMAP)的原理，對GMAP濾波器和BGMAP濾波器進(jìn)行了詳細(xì)的分析和比較，并使用實際天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)對IIR橢圓濾波器和GMAP濾波器進(jìn)行了測試和比較，結(jié)果表明:BGMAP濾波器在分析數(shù)據(jù)時效果比GMAP濾波器效果好，但耗費時間長，不能滿足實時處理要求;GMAP濾波器濾波效果優(yōu)于IIR濾波器，能滿足實時處理要求.
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，因為不需要很大的存儲器和計算量，在工程上比較容易實現(xiàn).本文選擇的是3階極點和3階零點的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)時間，濾波器凹口寬度越窄，輸出暫態(tài)響應(yīng)時間就越長;反之就比較短.暫態(tài)響應(yīng)時間長意味著在一個波束寬度內(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，會對氣象回波造成損失;如果設(shè)置凹口過窄，濾波后地物剩余仍很多.3)會對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間，應(yīng)當(dāng)配合動態(tài)雜波圖進(jìn)行濾波，動態(tài)雜波圖使用CMD雜波識別方法[2G3]，處理流程如下:1)檢查信噪比SNR，如果SNR<3dB，該距離庫為噪聲，不作任何處理.2)計算3個特征量TDBZ，SPIN，CPA，其中TDBZ選擇以當(dāng)前距離庫為中心的9個距離庫，SPIN選擇11個庫.3)CPA5點中值濾波.4)通過隸屬函數(shù)將3個特征量映射到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的距離庫標(biāo)識為地物.8)對地物標(biāo)識CF進(jìn)行平滑和填充.9)對標(biāo)識的距離庫進(jìn)行濾波.10)對濾波后的距離庫重新計算譜數(shù)據(jù)，包括反射率、速度和譜寬.反射率紋理(TDBZ)是相鄰距離庫的反射率的差平方均值，測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，這兩種方案對零頻附近存在天氣信號時，都會造成譜矩估算的偏差.采用有限積累點數(shù)進(jìn)行譜矩估計，相當(dāng)于對信號加矩形窗，當(dāng)?shù)匚镫s波強度較強時，矩形窗對旁瓣的抑制小(-13dB)，從雜波中泄露出的旁瓣功率會把弱的天氣信號淹沒.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:1)在零頻附近存在天氣信號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，使得譜矩估計更為準(zhǔn)確;2)在對地物雜波信號的譜寬估計更為準(zhǔn)確，可以更好且自適應(yīng)地估量出剔除地物雜波時所需凹口的寬度(傳統(tǒng)的IIR濾波需手動切換選擇凹口大小);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.
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)信號的功率譜由3個部分組成:氣象回波、地物雜波和噪聲。
5濾波效果分析
分析氣象信號，對比GMAP濾波器和BGMAP濾波器效果.在有氣象和強地物的信號時.GMAP濾波器能夠識別出雜波點并擬合出氣象信號，并計算出速度和譜寬.BGMAP濾波器能擬合出雜波信號和氣象信號，并計算出速度和譜寬等信息.二者計算出的速度和譜寬相差不大，但時間差200倍左右.只有氣象信號時，二者雖然錯誤地識別了雜波信號，但都能擬合出氣象信號，并計算出速度和譜寬，時間同樣相差200倍左右.對GMAP和BGMAP進(jìn)行1000個距離庫運算統(tǒng)計的時間圖，紅線顯示BGMAP與GMAP耗費時間比值，可看出BGMAP計算花費的時間是GMAP的2個數(shù)量級，在工程應(yīng)用中實時性差.本文的實際回波數(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濾波器能識別氣象信號和雜波信號，恢復(fù)氣象信號，濾波效果優(yōu)于IIR濾波器.
6結(jié)束語
本文對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:在非實時分析時，BGMAP的效果要優(yōu)于GMAP，能更好地識別出氣象信號和雜波信號;BGMAP濾波器和GMAP濾波器的效果優(yōu)于IIR濾波器，由于BGGMAP濾波器計算時間要比GMAP計算時間多很多，在工程實踐中，不適合使用BGMAP，會造成資源不夠用.鑒于本文只是對雙高斯地物濾波器算法的初步研究，還未通過長期實際回波驗證，在今后的項目中應(yīng)作進(jìn)一步的分析和研究.
參考文獻(xiàn):
[1]張海蓉.IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].貴州師范學(xué)院學(xué)報，2016，32(12):8G11.
[2]HUBBERTJC，DIXONM，ELLISSM.WeatherRadarGroundClutter.PartII:RealGTimeIdentificationandFiltering[J].JournalofAtmosphericandOceanicTechnology，2009，26(7):1181G1197.
[3]李騰偉.X波段天氣雷達(dá)地雜波濾波技術(shù)[D].長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2016.
[4]何建新，王旭，劉艷.自適應(yīng)高斯頻域濾波器在天氣雷達(dá)中的應(yīng)用[J].氣象，2010，36(6):117G121.
[5]孫召平，張持岸，張建云.一種基于高斯模型的自適應(yīng)地物雜波濾波器算法[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報，2013，11(2):250G253.
轉(zhuǎn)載請注明來自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///nylw/22321.html
