CN105527624A - 一种雷达回波动态估算噪声的方法和气象雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷达回波动态估算噪声的方法和气象雷达系统，以解决现有的气象雷达系统不能实时采集动态变化的系统噪声，因而气象预测的准确度不够高的技术问题。上述方法可包括：将雷达回波信号转换为IQ时序信号，对第k个距离库的采样数为N的IQ时序信号进行傅里叶变换并计算功率谱系数，得到功率谱sp，k为正整数；按升序对功率谱sp进行排序，记为sp_S；设变量mc和b0，初始化时令mc＝N，b0＝0；判断mc>2，且b0<1时，执行以下循环计算：令mc＝mc-1，计算b1和b2及新的b0，其中： b0＝b2/b1；每一次循环计算后，判断是否有b1≤0，并记录当前的mc；如果b1≤0，则采用当前的mc估算系统噪声，得到第k个距离库的系统噪声为<maths num="0001"></maths>。

Description

一种雷达回波动态估算噪声的方法和气象雷达系统

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种雷达回波动态估算噪声的方法和气象雷达系统。

背景技术

在气象雷达信号处理中，需要将气象雷达系统的系统噪声从雷达回波信号中去除，以保障气象预测的准确度。

气象雷达系统一般有两种扫描模式，即平面位置扫描和体扫。平面位置扫描是指：雷达固定仰角，进行一次360度扫描。体扫是指：一组从低到高的不同仰角的平面位置扫描。

目前，通常采用以下方法采集气象雷达系统的系统噪声，采集方法包括：在系统相邻体扫中间，于天线仰角比较高的位置(如19.5度)，控制系统的发射机不发射信号，此时采集系统内的信号，作为系统噪声，接下来的体扫就以此噪声为系统噪声。

气象雷达信号处理中，将雷达回波信号沿射线方向按距离分成的小的距离单元，被称为距离库(rangebin)。实际的气象雷达系统中，不同仰角的系统噪声是不同的，不同距离库的系统噪声也有可能是不同的，因此，气象雷达系统的系统噪声是动态变化的。

但是，上述的现有系统噪声采集方法只采集一个固定的系统噪声，在信号处理中只使用这一个固定的系统噪声，不能反映实际上动态变化的系统噪声，因此，会在后续的信号处理中来带偏差，导致信号处理结果出现误差，不能进行准确的气象预测。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种雷达回波动态估算噪声的方法和气象雷达系统，以解决现有的气象雷达系统不能实时采集动态变化的系统噪声，因而气象预测的准确度不够高的技术问题。

本发明第一方面提供一种雷达回波动态估算噪声的方法，包括：

将雷达回波信号转换为IQ时序信号，对第k个距离库的采样数为N的IQ时序信号进行傅里叶变换并计算功率谱系数，得到功率谱sp，k为正整数；

按升序对功率谱sp进行排序，记排序后的功率谱为sp_S；

设变量mc和b0，初始化时令mc＝N，b0＝0；

判断mc>2，且b0<1时，执行以下循环计算：令mc＝mc-1，计算b1和b2及新的b0，其中： $b1=\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s{\left(n\right)}^2-b2,b2={\left[\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s\left(n\right)\right]}^2,$ b0＝b2/b1；

每一次循环计算后，判断是否有b1≤0，并记录当前的mc；

如果b1≤0，则采用当前的mc估算系统噪声，得到第k个距离库的系统噪声为 $p_{\mathrm{noise}}=\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s\left(n\right).$

本发明第二方面提供一种气象雷达系统，包括：

信号转换模块，用于将雷达回波信号转换为IQ时序信号；

功率谱模块，用于对第k个距离库的采样数为N的IQ时序信号进行傅里叶变换并计算功率谱系数，得到功率谱sp，k为正整数；按升序对功率谱sp进行排序，记排序后的功率谱为sp_S；

循环计算模块，用于设变量mc和b0，初始化时令mc＝N，b0＝0；判断mc>2，且b0<1时，执行以下循环计算：令mc＝mc-1，计算b1和b2及新的b0，其中： $b1=\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s{\left(n\right)}^2-b2,b2={\left[\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s\left(n\right)\right]}^2,$ b0＝b2/b1；

噪声计算模块，用于每一次循环计算后，判断是否有b1≤0，并记录当前的mc；如果b1≤0，则采用当前的mc估算系统噪声，得到第k个距离库的系统噪声为 $p_{\mathrm{noise}}=\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s\left(n\right).$

本发明实施例通过采用上述技术方案，可以实时精确的估算雷达回波信号每个距离库的系统噪声，能够精确计算每个距离库的噪声，得到合适的信噪比，避免使用固定的系统噪声带来的计算偏差，可以提高气象预测的准确度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的雷达回波动态估算噪声的方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的气象雷达系统的示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种雷达回波动态估算噪声的方法和气象雷达系统，以解决现有的气象雷达系统不能实时采集动态变化的系统噪声，因而气象预测的准确度不够高的技术问题。下面结合附图分别进行详细说明。

实施例一、

请参考图1，本发明实施例提供一种地物杂波残留滤除方法，包括：

101、计算功率谱：将雷达回波信号转换为IQ时序信号，对第k个距离库的采样数为N的IQ时序信号进行傅里叶变换(FastFourierTransform，FFT)，并计算功率谱系数，得到功率谱sp，k为正整数。

进行气象预测时，气象雷达系统采用平面位置扫描和/或体扫模式进行扫描，得到雷达回波信号。后续，根据对雷达回波信号的分析计算，预测气象。实际的信号处理中，也将雷达回波信号转换为IO时序信号，IQ时序信号是指将雷达回波信号相移90度得到的信号，后续基于IO时序信号进行处理。

雷达回波信号处理中，将雷达回波信号沿射线方向按距离分成的小的距离单元，被称为距离库(rangebin)，后续将对每个距离库对应的IQ时序信号分别进行处理。本发明实施例中以第k个距离库为例，并假定第k个距离库的IQ时序信号的采样数为N，k和N均为正整数。

本实施例中记第k个距离库的IQ时序信号为x(n)，n为不大于N的正整数，表示第n个采样点。通过对x(n)进行TFT处理，可得到信号然后根据公式sp(k)＝|y(k)|²计算功率谱系数，即可得到功率谱sp。

102、功率谱排序：按升序对功率谱sp进行排序，记排序后的功率谱为sp_S。

本发明实施例中，基于功率谱sp估算系统噪声，需要将功率谱sp按照升序进行排序，可记排序后的功率谱为sp_S。功率谱为sp_S中包括N个功率谱系数，分别对应于N个采样点。可定义功率谱sp_S中，功率最低的功率谱系数为第1个，功率最高的功率谱系数为第N个。

103、循环计算：设变量mc和b0，初始化时令mc＝N，b0＝0；判断mc>2，且b0<1时，执行以下循环计算：令mc＝mc-1，计算b1和b2及新的b0，其中： $b1=\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s{\left(n\right)}^2-b2,b2={\left[\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s\left(n\right)\right]}^2,$ b0＝b2/b1。

本发明实施例中，采用一定的规则从功率谱中选择出功率最低的若干个功率谱系数，来计算系统噪声，方法如下：

设变量mc和b0，初始化时令mc＝N，b0＝0；

判断mc>2，且b0<1时，执行以下循环计算：令mc＝mc-1，计算b1和b2及新的b0，其中： $b1=\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s{\left(n\right)}^2-b2,b2={\left[\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s\left(n\right)\right]}^2,$ b0＝b1/b2；

这里所说的循环计算是指，每一次令mc＝mc-1，并按照上述公式计算出b1和b2及新的b0后，判断是否有mc>2，且b0<1，若是，则再次令mc＝mc-1，并按照上述公式计算出b1和b2及新的b0，再次判断是否有mc>2，且b0<1，若是，按照上述方式继续计算，直到不满足mc>2，或b0<1。

该循环计算过程中，mc不断的变化，具体为从N一次减小，每次减小1。

104、系统噪声计算：每一次循环计算后，判断是否有b1≤0，并记录当前的mc；如果b1≤0，则采用当前的mc估算系统噪声，得到第k个距离库的系统噪声为 $p_{\mathrm{noise}}=\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s\left(n\right).$

本发明实施例中，在每一次循环计算后，判断是否有b1≤0，并记录当前的mc；如果b1≤0，则采用当前的mc估算系统噪声，即，根据功率最低的第1个至第mc个功率谱系数计算系统噪声，计算公式为

至此，即计算得到第k个距离库对应的系统噪声。采用上述方法依次对每个距离库进行计算，可得到每个距离库的系统噪声。

由上可见，本发明实施例提供了一种雷达回波动态估算噪声的方法，该方法可以实时精确的估算雷达回波信号每个距离库的系统噪声，能够精确计算每个距离库的噪声，得到合适的信噪比，避免使用固定的系统噪声带来的计算偏差，可以提高气象预测的准确度。

实施例二、

请参考图2，本发明实施例提供一种气象雷达系统，包括：

信号转换模块201，用于将雷达回波信号转换为IQ时序信号；

功率谱模块202，用于对第k个距离库的采样数为N的IQ时序信号进行傅里叶变换，并计算功率谱系数，得到功率谱sp，k为正整数；按升序对功率谱sp进行排序，记排序后的功率谱为sp_S；

循环计算模块203，用于设变量mc和b0，初始化时令mc＝N，b0＝0；判断mc>2，且b0<1时，执行以下循环计算：令mc＝mc-1，计算b1和b2及新的b0，其中： $b1=\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s{\left(n\right)}^2-b2,b2={\left[\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s\left(n\right)\right]}^2,$ b0＝b2/b1；

噪声计算模块204，用于每一次循环计算后，判断是否有b1≤0，并记录当前的mc；如果b1≤0，则采用当前的mc估算系统噪声，得到第k个距离库的系统噪声为 $p_{\mathrm{noise}}=\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s\left(n\right).$

可选的，所述信号转换模块201，具体用于将雷达回波信号相移90度得到IQ时序信号。

可选的，所述功率谱模块202，具体用于对第k个距离库的采样数为N的IQ时序信号进行傅里叶变换，得到信号根据公式sp(k)＝|y(k)|²计算功率谱系数，得到功率谱sp。

可选的，所述循环计算模块203，具体用于：判断mc>2，且b0<1时，令mc＝mc-1，计算b1和b2及新的b0，其中： b0＝b2/b1；重复上述步骤，直到mc不大于2或者b0不小于1。

由上可见，本发明实施例提供了一种气象雷达系统，关于该系统的更详细的说明，请参考实施例一中的记载，该系统可以实时精确的估算雷达回波信号每个距离库的系统噪声，能够精确计算每个距离库的噪声，得到合适的信噪比，避免使用固定的系统噪声带来的计算偏差，可以提高气象预测的准确度。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机读取存储器、磁盘或光盘等。

以上对本发明实施例所提供的一种雷达回波动态估算噪声的方法和气象雷达系统进行了详细介绍，但以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，不应理解为对本发明的限制。本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种雷达回波动态估算噪声的方法，其特征在于，包括：

将雷达回波信号转换为IQ时序信号，对第k个距离库的采样数为N的IQ时序信号进行傅里叶变换并计算功率谱系数，得到功率谱sp，k为正整数；

按升序对功率谱sp进行排序，记排序后的功率谱为sp_S；

设变量mc和b0，初始化时令mc＝N，b0＝0；

判断mc>2，且b0<1时，执行以下循环计算：令mc＝mc-1，计算b1和b2及新的b0，其中： $b1=\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s{\left(n\right)}^2-b2,b2={\left[\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s\left(n\right)\right]}^2,$ b0＝b2/b1；

每一次循环计算后，判断是否有b1≤0，并记录当前的mc；

如果b1≤0，则采用当前的mc估算系统噪声，得到第k个距离库的系统噪声为 $p_{\mathrm{noise}}=\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s\left(n\right).$

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将雷达回波信号转换为IQ时序信号包括：

将雷达回波信号相移90度得到IQ时序信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对第k个距离库的采样数为N的IQ时序信号进行傅里叶变换并计算功率谱系数，得到功率谱sp包括：

对第k个距离库的采样数为N的IQ时序信号进行傅里叶变换，得到信号 $y\left(k\right)=\mathrm{FFT}\left[x\left(n\right)\right]=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}x\left(n\right)e^{-j2\mathrm{\&pi;}\frac{n}{N}};$

根据公式sp(k)＝|y(k)|²计算功率谱系数，得到功率谱sp。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述判断mc>2，且b0<1时，执行以下循环计算：令mc＝mc-1，计算b1和b2及b0，其中： $b1=\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s{\left(n\right)}^2-b2,b2={\left[\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s\left(n\right)\right]}^2,$ b0＝b2/b1包括：

判断mc>2，且b0<1时，令mc＝mc-1，计算b1和b2及新的b0，其中： $b1=\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s{\left(n\right)}^2-b2,b2={\left[\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s\left(n\right)\right]}^2,$ b0＝b2/b1；

重复上述步骤，直到mc不大于2或者b0不小于1。

5.一种气象雷达系统，其特征在于，包括：

信号转换模块，用于将雷达回波信号转换为IQ时序信号；

功率谱模块，用于对第k个距离库的采样数为N的IQ时序信号进行傅里叶变换并计算功率谱系数，得到功率谱sp，k为正整数；按升序对功率谱sp进行排序，记排序后的功率谱为spS；

循环计算模块，用于设变量mc和b0，初始化时令mc＝N，b0＝0；判断mc>2，且b0<1时，执行以下循环计算：令mc＝mc-1，计算b1和b2及新的b0，其中： $b1=\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s{\left(n\right)}^2-b2,b2={\left[\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s\left(n\right)\right]}^2,$ b0＝b2/b1；

噪声计算模块，用于每一次循环计算后，判断是否有b1≤0，并记录当前的mc；如果b1≤0，则采用当前的mc估算系统噪声，得到第k个距离库的系统噪声为 $p_{\mathrm{noise}}=\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s\left(n\right).$

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，

所述信号转换模块，具体用于将雷达回波信号相移90度得到IQ时序信号。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，

所述功率谱模块，具体用于对第k个距离库的采样数为N的IQ时序信号进行傅里叶变换，得到信号 $y\left(k\right)=\mathrm{FFT}\left[x\left(n\right)\right]=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}x\left(n\right)e^{-j2\mathrm{\&pi;k}\frac{n}{N}};$ 根据公式sp(k)＝|y(k)|²计算功率谱系数，得到功率谱sp。

8.根据权利要求5、6或7所述的系统，其特征在于，

所述循环计算模块，具体用于判断mc>2，且b0<1时，令mc＝mc-1，计算b1和b2及新的b0，其中： $b1=\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s{\left(n\right)}^2-b2,b2={\left[\frac{1}{\mathrm{mc}}\underset{n=1}{\overset{\mathrm{mc}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{sp}}_s\left(n\right)\right]}^2,$ b0＝b2/b1；重复上述步骤，直到mc不大于2或者b0不小于1。