气象雷达实时动态噪声功率检测方法技术

本发明专利技术提供一种气象雷达实时动态噪声功率检测方法，用于提高雷达回波数据的信噪比，增加观测面积范围；同时，改善雷达探测数据质量，减少反射率因子估计偏差，改善速度谱宽估计，提高极化雷达相关系数以及差分反射率估计的有效性。此方法适应于脉冲雷达由于元器件参数变化、信号通道特性漂移、天线转动、太阳及宇宙辐射等原因引起的噪声起伏的情况，与采用静态噪声电平设置方法相比，本方法可动态地提高每个发射脉冲所对应回波的信噪比，仅太阳辐射噪声，对X及以下波段的天气雷达，可实时地适应超过20dB的噪声变化。

【技术实现步骤摘要】
气象雷达实时动态噪声功率检测方法
本专利技术属于电子信息领域，尤其涉及一种气象雷达实时动态噪声功率检测方法。
技术介绍
气象雷达用于发现气象目标，即大气及其降水物，测量目标位置与速度，并根据雷达体制及回波在相位，频率、幅度上的特征反演目标的反射率因子、平均径向速度、速度谱宽、差分反射率、差分传播相移率及相关等直接测量的基本物理量，以便进一步反演降水类型、粒子谱及降水率等气象学参数。如图2-3所示，由于目标距离及其雷达截面的原因，很多情况下回波功率不是很高，信噪比较低，这时，噪声功率电平对上述基本物理量的估计会造成较大的影响，特别是反射率因子Zh、速度谱宽σv、相关|ρhv(0)|以及差分反射率Zdr等参数的估计偏差增加，影响目标测量的数据质量。目前有些雷达厂家采用的定期测量雷达接收机噪声定期设置噪声功率阈值的办法，或者气象部门要求的每次雷达观测扫描前进行一次噪声功率测量的办法，都是在发射机不工作，没有回波的前提下测得的。这种方法有一定的效果，但对于气象雷达针对强弱目标测量都要达到一定数据质量的要求，基本上难于满足。主要原因是雷达噪声的产生包括三个方面，第一，接收机工作温度变化造成的噪声起伏；第二，馈线通道，特别是旋转关节引起的噪声起伏；第三，天线接收到的来自于太阳及宇宙的广谱辐射随时间与天线位置的起伏。这些噪声变化无法预测，而目前的噪声方法又不能准确及时地估计。如果采用统计的方法，用最大情况的噪声功率作为雷达工作的噪声阈值，会导致雷达灵敏度严重下降。因此，亟需一种准确的、实时地、动态检测气象雷达噪声功率的方法或技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供气象雷达实时动态噪声功率检测方法，用于给气象雷达进行准确的、实时地、动态地噪声功率检测，以便自动地适应雷达噪声功率改变，又能最大限度地改善雷达灵敏度，改善雷达测量参数。本专利技术采用如下技术方案：气象雷达实时动态噪声功率检测方法，其特征在于，包括：步骤1.用连续弱功率检测模块逐个检测雷达数字接收机输出的发射脉冲对应的距离扫描回波信号，并进行噪声功率估计；连续弱功率检测模块依据距离/时间顺序，按照一定的距离范围/时间长短，进行连续弱信号区域检测基带信号功率，得到包含噪声功率在内的连续弱功率回波时间段；步骤2.用短时功率标准差模块、短时相位标准差模块、短时平均归一化相参功率模块以及短时0阶相关系数模块4个检测模块按照相对较短的一定时间段，对步骤1中的连续弱功率回波时间段数据进行短时功率标准差、短时相位标准差、短时平均归一化相参功率以及短时0阶相关系数的参数估计；步骤3.用综合判断模块对步骤2中的参数进行模糊化和推理，确定纯噪声区的定位，算出噪声功率电平。本专利技术进一步的技术方案是，所述的步骤1连续弱信号功率检测包括：1)、计算每个距离门Gi的回波功率PHi和PVi；A.若为多普勒雷达，利用其线性数字接收机的输出H(I,Q)，可直接计算出各距离门Gi上的回波功率PHi，如下式所示：H(I,Q)为气象雷达水平极化回波的数字信号，其同相分量为HI，第Gi个距离门的数值为HIi，其正交分量为HQ，第Gi个距离门的数值为HQi；B.若为双极化多普勒雷达，利用其线性数字接收机输出的水平极化回波的数字信号H(I,Q)，可直接计算出各距离门Gi上水平极化回波功率PHi，如下式所示：利用其垂直极化回波数字信号V(I,Q)，可直接计算出各距离门Gi上垂直极化回波功率PVi，如下式所示：其中，垂直极化回波同相分量为VI，第Gi个距离门的数值为VIi；其正交分量为VQ，第Gi个距离门的数值为VQi。2)、确认并标志距离扫描中弱回波信号根据雷达的工作参数，确定雷达的噪声电平，主要包括两部分，即接收机噪声和天线噪声，其中，接收机噪声通过接收机理论计算，按下式估计接收机噪声功率电平：PRNoise＝-114dB+10·log10(Bn[MHz])+10·log10(F0)(dBm)------------(3)其中，Bn为接收机带宽，单位为MHz，F0为雷达系统的噪声系数，使用室温条件下的测量值计算；天线噪声则根据雷达站的高度和经纬度，通过太阳星历及其频谱密度，估算天线在相应工作频段、带宽和天线增益条件下的最大太阳辐射功率PSolar。3、找出距离扫描中弱回波信号区段通过功率比较，找出距离扫描扫面上信号功率相对较小的连续距离门的区段，按下式分别得到水平接收通道和垂直接收通道的弱回波区段；M为连续距离门个数。本专利技术优选的技术方案是，连续距离门M个数，取值在50-100点。本专利技术进一步的技术方案是，所述的步骤2中短时相位标准差参数、短时功率标准参数、短时平均归一化相参功率参数、短时0阶相关系数参数估计方法为：短时相位标准差参数估计，采用如下公式检测计算：其中，N为连续距离点数，xphi为第Gi个距离门回波信号的相位；μph是该连续距离上N点相位平均值，即短时功率标准差参数估计，采用如下公式检测计算：其中，xPi为Gi个距离门回波信号的功率；μP是该连续距离上N点功率平均值，即短时平均归一化相参功率参数估计，单一重复频率采用下式检测计算：为第Gi个距离门回波信号的1阶相关；为第Gi个距离门回波信号的功率，且或参差重复频率，采用下式检测计算：对于第1个脉冲间隔，为第Gi个距离门回波信号的1阶相关；为第Gi个距离门回波信号的功率，且针对第2个脉冲间隔，为第Gi个距离门回波信号的1阶相关；为第Gi个距离门回波信号的功率，且短时0阶相关系数参数估计，按下式检测计算其中，和分别是水平极化回波与垂直极化回波的0阶自相关函数，即功率，而为水平极化回波与垂直极化回波的0阶相关函数，即互功率。本专利技术优选的技术方案是，连续距离点数N，取值为9。本专利技术进一步的技术方案是，所述的步骤3具体包括：1)模糊量化，判断噪声的4种参数估计均以量化到0至1之间的数值；2)加权求和，即将模糊量化后的参数估计加权求和，按如下公式计算NSign＝KPi·σPi+KPH·σphase+KNCP·NCP+KρHV·ρhv(0)-------------(11)NSign为用于噪声区域判断的标志；3)噪声区域判断，用一比较阈值与2)步加权求和的结果NSign进行比较，不小于阈值，则判断为噪声区域，否则不是；4)噪声功率计算，将3)步中噪声区域功率进行平均，得到该距离扫描下的噪声电平。本专利技术优选的技术方案是，比较阈值取值为0.85。本专利技术的有益效果：(1)改善了将固定噪声电平或一个观测周期内的固定噪声电平，作为雷达信噪比判决的标准，可能引起的较大程度地降低信噪比(以最大噪声为标准)，或误将噪声当作信号(以最大噪声为标准)的不良检测(漏警率升高或虚警率升高)。(2).适用于脉冲雷达由于元器件参数变化、信号通道特性漂移、天线转动、太阳及宇宙辐射等原因引起的噪声起伏情况。(3).与采用静态噪声电平设置方法相比，可动态地提高每个发射脉冲所对应回波的信噪比，仅太阳辐射噪声一项，对X及以下波段的天气雷达，可实时地适应超过20dB的噪声变化。附图说明图1为本专利技术实施例提供的气象雷达实时动态噪声功率检测器方块图；图2为本专利技术实施例提供的雷达回波中噪声功率变化状况统计示意图；图3为本专利技术实施例提供的一次距离扫描回波功率变化示意图；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.气象雷达实时动态噪声功率检测方法，其特征在于，包括：步骤1.用连续弱功率检测模块逐个检测雷达数字接收机输出的发射脉冲对应的距离扫描回波信号，并进行噪声功率估计；连续弱功率检测模块依据距离/时间顺序，按照一定的距离范围/时间长短，进行连续弱信号区域检测基带信号功率，得到包含噪声功率在内的连续弱功率回波时间段；步骤2.用短时功率标准差模块、短时相位标准差模块、短时平均归一化相参功率模块以及短时0阶相关系数模块4个检测模块按照相对较短的一定时间段，对步骤1中的连续弱功率回波时间段数据进行短时功率标准差、短时相位标准差、短时平均归一化相参功率以及短时0阶相关系数的参数估计；步骤3.用综合判断模块对步骤2中的参数进行模糊化和推理，确定纯噪声区的定位，算出噪声功率电平。

【技术特征摘要】
1.气象雷达实时动态噪声功率检测方法，其特征在于，包括：步骤1.用连续弱功率检测模块逐个检测雷达数字接收机输出的发射脉冲对应的距离扫描回波信号，并进行噪声功率估计；连续弱功率检测模块依据距离/时间顺序，按照一定的距离范围/时间长短，进行连续弱信号区域检测基带信号功率，得到包含噪声功率在内的连续弱功率回波时间段；步骤2.用短时功率标准差模块、短时相位标准差模块、短时平均归一化相参功率模块以及短时0阶相关系数模块4个检测模块按照相对较短的一定时间段，对步骤1中的连续弱功率回波时间段数据进行短时功率标准差、短时相位标准差、短时平均归一化相参功率以及短时0阶相关系数的参数估计；步骤3.用综合判断模块对步骤2中的参数进行模糊化和推理，确定纯噪声区的定位，算出噪声功率电平。2.根据权利要求1所述的气象雷达实时动态噪声功率检测方法，其特征在于，所述的步骤1连续弱信号功率检测包括：1)、计算每个距离门Gi的回波功率PHi和PVi；A.若为多普勒雷达，利用其线性数字接收机的输出H(I,Q)，可直接计算出各距离门Gi上的回波功率PHi，如下式所示：H(I,Q)为气象雷达水平极化回波的数字信号，其同相分量为HI，第Gi个距离门的数值为HIi，其正交分量为HQ，第Gi个距离门的数值为HQi；B.若为双极化多普勒雷达，利用其线性数字接收机输出的水平极化回波的数字信号H(I,Q)，可直接计算出各距离门Gi上水平极化回波功率PHi，如下式所示：利用其垂直极化回波数字信号V(I,Q)，可直接计算出各距离门Gi上垂直极化回波功率PVi，如下式所示：其中，垂直极化回波同相分量为VI，第Gi个距离门的数值为VIi；其正交分量为VQ，第Gi个距离门的数值为VQi；2)、确认并标志距离扫描中弱回波信号根据雷达的工作参数，确定雷达的噪声电平，主要包括两部分，即接收机噪声和天线噪声，其中，接收机噪声通过接收机理论计算，按下式估计接收机噪声功率电平：PRNoise＝-114dB+10·log10(Bn[MHz])+10·log10(F0)(dBm)------------(3)其中，Bn为接收机带宽，单位为MHz，F0为雷达系统的噪声系数，使用室温条件下的测量值计算；天线噪声则根据雷达站的高度和经纬度，通过太阳星历及其频谱密度，估算天线在相应工作频段、带宽和天线增益条件下的最大太阳辐射功率PSolar。3)、...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚振东，徐宁，李建，王烁，
申请(专利权)人：成都信息工程大学，
类型：发明
国别省市：四川,51