CN109270536A - 一种多普勒天气雷达的信号处理器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多普勒天气雷达的信号处理器，包括信号处理单元；所述信号处理单元包括：信号接收模块、信号存储模块、信号分析模块、滤波模块、信号处理模块、质量控制模块、参数配置模块。本发明解决了信号处理算法的研制开发和仿真调试的难度大，以及信号处理算法的改进和功能升级困难的问题，采用通用服务器作为信号处理单元的硬件平台，运算速度快、扩展性强，采用软件化设计，通过软件的重构和不断改进，以提升或扩展雷达系统功能，实现快速多元化探测。

Description

一种多普勒天气雷达的信号处理器
技术领域
本发明涉及雷达信号处理器的开发领域，尤其是一种多普勒天气雷达的信号处理器。
背景技术
现有技术中，雷达的信号处理部分一般采用专用DSP芯片结合FPGA实现，由于FPGA、DSP芯片编程的复杂度较高，使得信号处理算法的研制开发、仿真调试的难度增大，特别是受限于芯片内部资源，很难在后期对信号处理算法进行改进和功能升级；且雷达信号处理部分采用背板的专用差分总线或并行数据总线进行接收IQ信号，数据传输的速率受限于背板总线速率。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提供一种多普勒天气雷达的信号处理器，解决了信号处理算法的研制开发和仿真调试的难度大，以及信号处理算法的改进和功能升级困难的问题，采用通用服务器作为信号处理单元的硬件平台，运算速度快、扩展性强，采用软件化设计，通过软件的重构和不断改进，以提升或扩展雷达系统功能，实现快速多元化探测。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：
一种多普勒天气雷达的信号处理器，包括信号处理单元，所述信号处理单元包括以下组成部分：
信号接收模块、信号存储模块、信号分析模块、滤波模块、信号处理模块、质量控制模块、参数配置模块；其中，
所述信号接收模块接收来源于雷达接收机的IQ信号，并将IQ信号分别发送至信号存储模块和信号分析模块；所述IQ信号为一种正交的基带信号；
所述信号分析模块对IQ信号进行杂波识别，判断IQ信号是否为地物信号或气象信号，并对IQ信号进行标记，地物信号标记1，气象信号标记0；所述信号分析模块将标记后的IQ信号发送至滤波模块；
所述滤波模块对标记后的IQ信号进行滤波以滤除地物信号，并将滤波前的IQ信号和滤波后的IQ信号均发送至信号处理模块；所述滤波前的IQ信号为原始信号即标记后的IQ信号即包括地物信号和气象信号；所述滤波后的IQ信号为气象信号；
所述信号处理模块分别对滤波前和滤波后的IQ信号均进行多普勒参数计算，分别得到IQ信号在滤波前和滤波后的强度、速度、谱宽数据，并分别将IQ信号在滤波前和滤波后的强度、速度、谱宽数据发送至质量控制模块；所述多普勒参数计算为：
所述质量控制模块接收IQ信号在滤波前和滤波后的强度、速度、谱宽数据，并根据所接收的数据计算该IQ信号的质量控制因子，所述质量控制模块根据质量控制因子门限对该IQ信号进行判断，若该IQ信号的质量控制因子大于质量控制因子门限，则该IQ信号属于气象信息，否则属于噪声信息；所述质量控制模块将属于气象信息的IQ信号在滤波后的强度、速度、谱宽数据发送至终端显控系统；
所述参数配置模块用于向质量控制模块提供质量控制因子门限，所述质量控制因子门限为用户所设置。
所述信号接收模块接收的IQ信号包括四个通道的IQ信号，分别为：水平低增益通道的IQ信号Vh_low、水平高增益通道的IQ信号Vh_high、垂直低增益通道的IQ信号Vv_low、垂直高增益通道的IQ信号Vv_high；
所述信号分析模块先对水平低增益通道的IQ信号Vh_low和垂直低增益通道的IQ信号Vv_high均进行修正即进行增益补偿；
所述修正具体包括以下步骤：
S1，分别计算水平通道增益差GΔH和垂直通道增益差GΔV，且水平通道增益差GΔH和垂直通道增益差GΔV均为一个复数，表达式分别为：GΔH＝IΔH+j*QΔH；GΔV＝IΔV+j*QΔV；
根据水平通道增益差GΔH的表达式分别计算水平通道的功率值即幅值AΔH和相位θΔH，AΔH＝IΔH 2+QΔH 2，θΔH＝arctan(QΔH/IΔH)；
根据垂直通道增益差GΔV的表达式分别计算直通道对应的功率值即幅值AΔV和相位θΔV，AΔV＝IΔV 2+QΔV 2，θΔV＝arctan(QΔV/IΔV)；其中，
S11，计算水平通道增益差GΔH，具体计算方式如下所示：
根据每个距离库上的M个脉冲点的水平低增益通道的IQ信号计算每个距离库上的水平低增益通道的功率谱：
其中，M表示脉冲点数；Vh_low(m)表示M个脉冲点中的第m个脉冲点的水平低增益通道的IQ信号；Ph_low表示水平低增益通道的功率谱
对测试库中的水平低增益通道的功率谱求平均值Rh0：
其中，Nd表示测试库的库数，所述测试库为从所有距离库中选择参数配置模块指定的Nd个距离库作为测试库；Ph_low(i)表示Nd个距离库中的第i个距离库上的水平低增益通道的功率谱；
计算水平通道增益差GΔH：
其中，conj(·)表示共轭；Vh_low(i)表示M个脉冲点下的Nd个距离库的水平低增益通道的IQ信号中的第i个水平低增益通道的IQ信号；Vh_high(i)表示M个脉冲点下的Nd个距离库的水平高增益通道的IQ信号中的第i个水平高增益通道的IQ信号；
S12，计算垂直通道增益差GΔV，具体计算方式如下所示：
根据每个距离库上的M个脉冲点的垂直低增益通道的IQ信号计算每个距离库上的垂直低增益通道的功率谱：
其中，M表示脉冲点数；Vv_low(m)表示M个脉冲点中的第m个脉冲点的垂直低增益通道的IQ信号；Pv_low表示垂直低增益通道的功率谱；
对测试库中的垂直低增益通道的功率谱求平均值Rv0：
其中，Nd表示测试库的库数，所述测试库为从所有距离库中选择参数配置模块指定的Nd个距离库作为测试库；Pv_low(i)表示Nd个距离库中的第i个距离库上的垂直低增益通道的功率谱；
计算垂直通道增益差GΔV：
其中，conj(·)表示共轭；Vv_low(i)表示M个脉冲点下的Nd个距离库的垂直低增益通道的IQ信号中的第i个垂直低增益通道的IQ信号；Vv_high(i)表示M个脉冲点下的Nd个距离库的垂直高增益通道的IQ信号中的第i个垂直高增益通道的IQ信号；
S2，将水平通道的增益补偿功率值A1与水平通道的功率值AΔH相乘，得到修正后的水平通道的功率值A′ΔH，即A′ΔH＝A1*AΔH；将水平通道的增益补偿相位θ1与水平通道的相位θΔH相加，得到修正后的水平通道的相位θ′ΔH，即θ′ΔH＝θ1+θΔH；根据修正后的水平通道的功率值A′ΔH和修正后的水平通道的相位θ′ΔH得到水平通道增益值GH，表达式为GH＝IH+j*QH，其中，IH＝A′ΔH*cosθ′ΔH，QH＝A′ΔH*sinθ′ΔH；
将垂直通道的增益补偿功率值A2与垂直通道的功率值AΔV相乘，得到修正后的垂直通道的功率值A′ΔV，即A′ΔV＝A2*AΔV；将垂直通道的增益补偿相位θ2与垂直通道的相位θΔV相加，得到修正后的垂直通道的相位θ′ΔV，即θ′ΔV＝θ2+θΔV；根据修正后的垂直通道的功率值A′ΔV和修正后的垂直通道的相位θ′ΔV得到垂直通道增益值GV，表达式为GV＝IV+j*QV，其中，IV＝A′ΔV*cosθ′ΔV，QV＝A′ΔV*sinθ′ΔV；
其中，水平通道的增益补偿功率值A1和增益补偿相位θ1，以及垂直通道的增益补偿功率值A2和增益补偿相位θ2均为用户通过参数配置模块进行设置的，并存储在参数配置模块中；
S3，计算水平通道增益值GH与水平通道的增益适配值之间的差值的绝对值，若该差值的绝对值大于水平通道增益故障门限，则使用水平通道的增益适配值作为水平通道的修正值；否则，使用水平通道增益值作为水平通道的修正值；
计算垂直通道增益值GV与垂直通道的增益适配值之间的差值的绝对值，若该差值的绝对值大于垂直通道增益故障门限，则使用垂直通道的增益适配值作为垂直通道的修正值；否则，使用垂直通道增益值作为垂直通道的修正值；
其中，水平通道的增益适配值和垂直通道的增益适配值，以及水平通道增益故障门限和垂直通道增益故障门限也均为用户通过参数配置模块进行设置的，并存储在参数配置模块中；
S4，水平低增益通道的IQ信号Vh_low的修正：对于水平低增益通道上的所有距离库的所有脉冲点数的IQ信号均乘以水平通道的修正值；
垂直低增益通道的IQ信号Vv_high的修正：对于垂直低增益通道上的所有距离库的所有脉冲点数的IQ信号均乘以垂直通道的修正值。
所述信号分析模块对每个距离库上的水平高增益通道的IQ信号和修正后的水平低增益通道的IQ信号进行水平高低增益拼接，在同一距离库上的水平高增益通道的IQ信号和修正后的水平低增益通道的IQ信号中仅选出一个IQ信号作为此距离库上的水平通道信号；
其中，第j个距离库的水平高低增益拼接的具体方式为：
若第j-1个距离库即上一个距离库选择水平高增益通道的IQ信号作为该距离库上的水平通道信号，则判断第j个距离库即当前距离库上的水平高增益通道的IQ信号的强度值是否低于水平高增益门限值，若低于，则选择水平高增益通道的IQ信号作为第j个距离库的水平通道信号；否则，选择修正后的水平低增益通道的IQ信号作为第j个距离库的水平通道信号；其中，用户通过参数配置模块设置所述水平高增益门限值；
若第j-1个距离库即上一个距离库选择修正后的水平低增益通道的IQ信号作为该距离库上的水平通道信号，则判断第j个距离库即当前距离库上的修正后的水平低增益通道的IQ信号的强度值是否低于水平低增益门限值，若低于，则选择水平高增益通道的IQ信号作为第j个距离库的水平通道信号；否则，选择修正后的水平低增益通道的IQ信号作为第j个距离库的水平通道信号；其中，用户通过参数配置模块设置所述水平低增益门限值；
且当j＝1时，即第一个距离库时，选择高增益通道的IQ信号作为第一个距离库的水平通道信号；
所述信号分析模块对每个距离库上的垂直高增益通道的IQ信号和修正后的垂直低增益通道的IQ信号进行垂直高低增益拼接，在同一距离库上的垂直高增益通道的IQ信号和修正后的垂直低增益通道的IQ信号中仅选出一个IQ信号作为此距离库上的垂直通道信号；
且所述垂直高低增益拼接的方式与所述水平高低增益拼接的方式相同，
其中，第j个距离库的垂直高低增益拼接的具体方式为：
若第j-1个距离库即上一个距离库选择垂直高增益通道的IQ信号作为该距离库上的垂直通道信号，则判断第j个距离库即当前距离库上的垂直高增益通道的IQ信号的强度值是否低于垂直高增益门限值，若低于，则选择垂直高增益通道的IQ信号作为第j个距离库的垂直通道信号；否则，选择修正后的垂直低增益通道的IQ信号作为第j个距离库的垂直通道信号；其中，用户通过参数配置模块设置所述垂直高增益门限值；
若第j-1个距离库即上一个距离库选择修正后的垂直低增益通道的IQ信号作为该距离库上的垂直通道信号，则判断第j个距离库即当前距离库上的修正后的垂直低增益通道的IQ信号的强度值是否低于垂直低增益门限值，若低于，则选择垂直高增益通道的IQ信号作为第j个距离库的垂直通道信号；否则，选择修正后的垂直低增益通道的IQ信号作为第j个距离库的垂直通道信号；其中，用户通过参数配置模块设置所述垂直低增益门限值；
且当j＝1时，即第一个距离库时，选择高增益通道的IQ信号作为第一个距离库的垂直通道信号；
所述信号分析模块对高低增益拼接后的IQ信号利用CMD算法进行杂波识别；所述CMD算法为：通过计算特征量反射率纹理TDBZ、杂波相位阵列校准值CPA、反映反射率因子在径向梯度变化的SPIN，以计算地物概率CP，并将地物概率CP超过设定的门限的IQ信号判断为地物信号。
所述质量控制因子包括：LOG1、LOG2、SQI、CCOR、SIG；其中，LOG1用于估计滤波前的IQ信号的强度，LOG2用于估计滤波后的IQ信号的强度，SQI用于测量对IQ信号相关性，CCOR用于杂波校准，SIG用于估计IQ信号的信噪比；所述质量控制因子的具体计算方式如下所示：
其中，T0表示IQ信号在滤波前的强度；N表示噪声信号的幅度值；R0表示IQ信号在滤波后的零阶自相关；R1表示IQ信号在滤波后的一阶自相关；
所述质量控制因子门限包括：LOG1的门限、LOG2的门限、SQI的门限、CCOR的门限、SIG的门限；
若该IQ信号的四个质量控制因子均大于其相对应的质量控制因子门限，则该IQ信号属于气象信息，否则属于噪声信息；
所述质量控制模块在将属于气象信息的IQ信号发送至终端显控系统前，还将属于气象信息的IQ信号通过孤噪处理器进行孤噪处理，去除处理属于气象信息的IQ信号中的离散噪声点。
LOG1的门限和LOG2的门限取值均为0.75db；SQI的门限的取值范围为0.4～0.5；CCOR的门限取值为-18db；SIG的门限取值为5db。
用户还通过所述参数配置模块为所述滤波模块选择滤波方式；所述滤波方式包括IIR滤波、固定宽度和自适应谱处理滤波、CMD结合GMAP的滤波。
所述信号处理单元还包括信号回放模块，若终端显控系统所显示的IQ信号的强度、速度、谱宽数据未达到设定的要求时，则用户在信号回放模块中对信号处理参数进行重新设置，所述信号回放模块利用新的信号处理参数对信号存储模块中的IQ信号进行重新处理，并将重新处理后的属于气象信息的IQ信号发送至终端显控系统；所述信号处理参数为各模块进行信号处理时所需的参数，包括：质量控制因子门限、滤波方式、增益差补偿、增益适配值、增益故障门限。
所述信号处理器采用通用服务器作为信号处理单元的硬件平台，所述信号处理器采用Qt工具作为信号处理单元的开发工具；所述通用服务器的操作系统采用中标麒麟操作系统。
所述信号处理服务器具有千兆以太网卡，所述信号接收模块通过光纤并按巨型帧格式接收雷达接收机所发送的IQ信号的数据。
所述信号处理器的CPU具有多个内核，所述信号处理单元为每个模块均创建线程，且每个线程均运行在不同的内核上。
本发明的优点在于：
(1)采用通用服务器作为信号处理单元的硬件平台，运算速度快、扩展性强。
(2)通过参数设置模块并根据雷达实际回波选择合适的质量因子门限，更为有效便捷的加强了数据质量控制。
(3)通过孤噪处理器使得在质量控制因子门限降低的情况下，保证系统有更高的灵敏度和更少的虚警点。
(4)本发明采用软件化设计，开放大量的雷达信号处理的参数供用户设置，针对各模块进行处理时所需的参数，用户通过终端显控系统的人机界面即参数配置模块进行设置，通过软件的重构和不断改进，以提升或扩展雷达系统功能，实现快速多元化探测。
(5)信号处理器具有千兆以太网卡，按巨型帧格式接收IQ信号的数据，减少了网络中数据包的个数，减轻了网络设备处理包头的额外的资源占用，提高了信号处理效率；通过光纤来接收IQ信号的数据，提高了数据传输速率，缩减了整机外部的电缆数量，提高了数据传输的抗干扰能力。
(6)本发明为多个模块创建不同的线程运行在不同的内核上，方便了二次雷达的信号处理算法的研制开发，降低了仿真调试的难度。
附图说明
图1为本发明的整体架构图。
图2为通道转换的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的一种多普勒天气雷达的信号处理器，所述信号处理器采用通用服务器作为信号处理单元的硬件平台，所述通用服务器的操作系统采用中标麒麟操作系统。本实施例中，所述信号处理器采用麒麟系统服务器，型号为HP DL380Gen9；CPU为2颗/十核/2.5GHz以上；内存为64G以上ECC DDR3；硬盘为3T以上；2块千兆以太网卡。
所述信号处理器采用Qt工具作为信号处理单元的开发工具，Qt中的C++编程语言灵活，运算符的数据结构丰富、具有结构化控制语句、程序执行效率高，而且同时具有高级语言与汇编语言的优点，与其它语言相比，可以直接访问物理地址，与汇编语言相比又具有良好的可读性和可移植性。
所述信号处理器调用IPP库，IPP库为一套跨平台的软件函数库，信号处理单元的各个模块的相关计算调用IPP库中的算法函数，并将各算法函数封装成独立的插件，具有标准的输入输出接口，用户在进行算法优化时：第一步按照插件定义的输入输出进行算法设计和编码，第二步进行软件模块的编译，第三部进行相应算法函数的替换；极大改进了信号处理单元中各模块的性能。
所述信号处理器具有千兆以太网卡，所述信号处理器通过光纤并按巨型帧格式接收雷达接收机所发送的IQ信号的数据，减少了网络中数据包的个数。
所述信号处理器预留双偏振接口，当多普勒雷达升级成双偏振雷达时，雷达发射水平和垂直偏振状态电磁波时，信号处理器对接收的IQ信号仍可直接进行信号处理。
由图1所示，一种多普勒天气雷达的信号处理器，包括信号处理单元，
所述信号处理单元包括如下组成部分：信号接收模块1、信号分析模块2、信号存储模块3、滤波模块4、信号处理模块5、质量控制模块6、晴空图模块7、参数配置模块8、信号回放模块9。
信号处理单元为每个模块均创建线程或线程池，且每个线程或线程池均运行在不同的内核上。
所述信号接收模块1接收来源于雷达接收机的IQ信号，并将IQ信号分别发送至信号存储模块3和信号分析模块2；所述IQ信号为一种正交的基带信号。
所述信号接收模块1接收的IQ信号包括四个通道的IQ信号，分别为：水平低增益通道的IQ信号Vh_low、水平高增益通道的IQ信号Vh_high、垂直低增益通道的IQ信号Vv_low、垂直高增益通道的IQ信号Vv_high。
所述信号存储模块3用于存储所述信号接收模块1所发送的IQ信号。
由图2所示，所述信号分析模块2对IQ信号进行通道转换，将发送来的按距离库排列的四通道的IQ信号，转成按通道排列的每个距离库的IQ信号。
所述信号分析模块2对水平低增益通道的IQ信号Vh_low和垂直低增益通道的IQ信号Vv_high均进行修正即进行增益补偿；且所述水平高增益通道的IQ信号Vh_high和所述垂直高增益通道的IQ信号Vv_high不进行修正；
所述修正具体包括以下步骤：
S1，分别计算水平通道增益差GΔH和垂直通道增益差GΔV，且水平通道增益差GΔH和垂直通道增益差GΔV均为一个复数，表达式分别为：GΔH＝IΔH+j*QΔH；GΔV＝IΔV+j*QΔV；
根据水平通道增益差GΔH的表达式分别计算水平通道的功率值即幅值AΔH和相位θΔH，AΔH＝IΔH 2+QΔH 2，θΔH＝arctan(QΔH/IΔH)；
根据垂直通道增益差GΔV的表达式分别计算直通道对应的功率值即幅值AΔV和相位θΔV，AΔV＝IΔV 2+QΔV 2，θΔV＝arctan(QΔV/IΔV)；其中，
S11，计算水平通道增益差GΔH，具体计算方式如下所示：
根据每个距离库上的M个脉冲点的水平低增益通道的IQ信号计算每个距离库上的水平低增益通道的功率谱：
其中，M表示脉冲点数；Vh_low(m)表示M个脉冲点中的第m个脉冲点的水平低增益通道的IQ信号；Ph_low表示水平低增益通道的功率谱
对测试库中的水平低增益通道的功率谱求平均值Rh0：
其中，Nd表示测试库的库数，所述测试库为从所有距离库中选择参数配置模块指定的Nd个距离库作为测试库；Ph_low(i)表示Nd个距离库中的第i个距离库上的水平低增益通道的功率谱；
计算水平通道增益差GΔH：
其中，conj(·)表示共轭；Vh_low(i)表示M个脉冲点下的Nd个距离库的水平低增益通道的IQ信号中的第i个水平低增益通道的IQ信号；Vh_high(i)表示M个脉冲点下的Nd个距离库的水平高增益通道的IQ信号中的第i个水平高增益通道的IQ信号；
S12，计算垂直通道增益差GΔV，具体计算方式如下所示：
根据每个距离库上的M个脉冲点的垂直低增益通道的IQ信号计算每个距离库上的垂直低增益通道的功率谱：
其中，M表示脉冲点数；Vv_low(m)表示M个脉冲点中的第m个脉冲点的垂直低增益通道的IQ信号；Pv_low表示垂直低增益通道的功率谱；
对测试库中的垂直低增益通道的功率谱求平均值Rv0：
其中，Nd表示测试库的库数，所述测试库为从所有距离库中选择参数配置模块指定的Nd个距离库作为测试库；Pv_low(i)表示Nd个距离库中的第i个距离库上的垂直低增益通道的功率谱；
计算垂直通道增益差GΔV：
其中，conj(·)表示共轭；Vv_low(i)表示M个脉冲点下的Nd个距离库的垂直低增益通道的IQ信号中的第i个垂直低增益通道的IQ信号；Vv_high(i)表示M个脉冲点下的Nd个距离库的垂直高增益通道的IQ信号中的第i个垂直高增益通道的IQ信号；
S2，将水平通道的增益补偿功率值A1与水平通道的功率值AΔH相乘，得到修正后的水平通道的功率值A′ΔH，即A′ΔH＝A1*AΔH；将水平通道的增益补偿相位θ1与水平通道的相位θΔH相加，得到修正后的水平通道的相位θ′ΔH，即θ′ΔH＝θ1+θΔH；根据修正后的水平通道的功率值A′ΔH和修正后的水平通道的相位θ′ΔH得到水平通道增益值GH，表达式为GH＝IH+j*QH，其中，IH＝A′ΔH*cosθ′ΔH，QH＝A′ΔH*sinθ′ΔH；
将垂直通道的增益补偿功率值A2与垂直通道的功率值AΔV相乘，得到修正后的垂直通道的功率值A′ΔV，即A′ΔV＝A2*AΔV；将垂直通道的增益补偿相位θ2与垂直通道的相位θΔV相加，得到修正后的垂直通道的相位θ′ΔV，即θ′ΔV＝θ2+θΔV；根据修正后的垂直通道的功率值A′ΔV和修正后的垂直通道的相位θ′ΔV得到垂直通道增益值GV，表达式为GV＝IV+j*QV，其中，IV＝A′ΔV*cosθΔ′V，QV＝A′ΔV*sinθ′ΔV；
其中，水平通道的增益补偿功率值A1和增益补偿相位θ1，以及垂直通道的增益补偿功率值A2和增益补偿相位θ2均为用户通过参数配置模块进行设置的，并存储在参数配置模块中；
S3，计算水平通道增益值GH与水平通道的增益适配值之间的差值的绝对值，若该差值的绝对值大于水平通道增益故障门限，则使用水平通道的增益适配值作为水平通道的修正值；否则，使用水平通道增益值作为水平通道的修正值；
计算垂直通道增益值GV与垂直通道的增益适配值之间的差值的绝对值，若该差值的绝对值大于垂直通道增益故障门限，则使用垂直通道的增益适配值作为垂直通道的修正值；否则，使用垂直通道增益值作为垂直通道的修正值；
其中，水平通道的增益适配值和垂直通道的增益适配值，以及水平通道增益故障门限和垂直通道增益故障门限也均为用户通过参数配置模块进行设置的，并存储在参数配置模块中；
S4，水平低增益通道的IQ信号Vh_low的修正：对于水平低增益通道上的所有距离库的所有脉冲点数的IQ信号均乘以水平通道的修正值；
垂直低增益通道的IQ信号Vv_high的修正：对于垂直低增益通道上的所有距离库的所有脉冲点数的IQ信号均乘以垂直通道的修正值。
所述信号分析模块2对每个距离库上的水平高增益通道的IQ信号和修正后的水平低增益通道的IQ信号进行水平高低增益拼接，在同一距离库上的水平高增益通道的IQ信号和修正后的水平低增益通道的IQ信号中仅选出一个IQ信号作为此距离库上的水平通道信号；
其中，第j个距离库的水平高低增益拼接的具体方式为：
若第j-1个距离库即上一个距离库选择水平高增益通道的IQ信号作为该距离库上的水平通道信号，则判断第j个距离库即当前距离库上的水平高增益通道的IQ信号的强度值是否低于水平高增益门限值，若低于，则选择水平高增益通道的IQ信号作为第j个距离库的水平通道信号；否则，选择修正后的水平低增益通道的IQ信号作为第j个距离库的水平通道信号；其中，用户通过参数配置模块设置所述水平高增益门限值；
若第j-1个距离库即上一个距离库选择修正后的水平低增益通道的IQ信号作为该距离库上的水平通道信号，则判断第j个距离库即当前距离库上的修正后的水平低增益通道的IQ信号的强度值是否低于水平低增益门限值，若低于，则选择水平高增益通道的IQ信号作为第j个距离库的水平通道信号；否则，选择修正后的水平低增益通道的IQ信号作为第j个距离库的水平通道信号；其中，用户通过参数配置模块设置所述水平低增益门限值；
且当j＝1时，即第一个距离库时，选择高增益通道的IQ信号作为第一个距离库的水平通道信号；
所述信号分析模块2对每个距离库上的垂直高增益通道的IQ信号和修正后的垂直低增益通道的IQ信号进行垂直高低增益拼接，在同一距离库上的垂直高增益通道的IQ信号和修正后的垂直低增益通道的IQ信号中仅选出一个IQ信号作为此距离库上的垂直通道信号；
且所述垂直高低增益拼接的方式与所述水平高低增益拼接的方式相同，
其中，第j个距离库的垂直高低增益拼接的具体方式为：
若第j-1个距离库即上一个距离库选择垂直高增益通道的IQ信号作为该距离库上的垂直通道信号，则判断第j个距离库即当前距离库上的垂直高增益通道的IQ信号的强度值是否低于垂直高增益门限值，若低于，则选择垂直高增益通道的IQ信号作为第j个距离库的垂直通道信号；否则，选择修正后的垂直低增益通道的IQ信号作为第j个距离库的垂直通道信号；其中，用户通过参数配置模块设置所述垂直高增益门限值；
若第j-1个距离库即上一个距离库选择修正后的垂直低增益通道的IQ信号作为该距离库上的垂直通道信号，则判断第j个距离库即当前距离库上的修正后的垂直低增益通道的IQ信号的强度值是否低于垂直低增益门限值，若低于，则选择垂直高增益通道的IQ信号作为第j个距离库的垂直通道信号；否则，选择修正后的垂直低增益通道的IQ信号作为第j个距离库的垂直通道信号；其中，用户通过参数配置模块设置所述垂直低增益门限值；
且当j＝1时，即第一个距离库时，选择高增益通道的IQ信号作为第一个距离库的垂直通道信号。
所述信号分析模块2利用CMD算法对修正后的IQ信号进行杂波识别，判断IQ信号为地物信号或气象信号，并对IQ信号进行标记，地物信号标记1，气象信号标记0；所述信号分析模块2将标记后的IQ信号发送至滤波模块4；所述CMD算法具体方式如下所示：通过计算特征量反射率纹理TDBZ、杂波相位阵列校准值CPA、反映反射率因子在径向梯度变化的SPIN，以计算地物概率CP，并将地物概率CP超过0.5的IQ信号标识为地物信号。
所述滤波模块4对标记后的IQ信号进行滤波以滤除地物信号，并将滤波前的IQ信号和滤波后的IQ信号均发送至信号处理模块5，还将滤波后的IQ信号发送至晴空图模块7；所述滤波前的IQ信号为原始信号即标记后的IQ信号即包括地物信号和气象信号；所述滤波后的IQ信号为气象信号；所述信号处理单元为所述滤波模块4创建了滤波线程池，且滤波线程池中包括八个滤波线程，每个滤波线程处理八分之一的距离库上的IQ信号。
所述晴空图模块7根据滤波后的IQ信号建立晴空图和估算气象等级，并再终端显控系统进行显示。
所述信号处理模块5分别对滤波前的IQ信号和滤波后的IQ信号进行多普勒参数计算，分别得到IQ信号在滤波前的强度、速度、谱宽数据和IQ信号在滤波后的强度、速度、谱宽数据，并分别IQ信号在滤波前和滤波后的强度、速度、谱宽数据发送至质量控制模块6。
所述质量控制模块6接收IQ信号在滤波前和滤波后的强度、速度、谱宽数据，并根据所接收的数据计算该IQ信号的质量控制因子，所述质量控制模块根据质量控制因子门限对该IQ信号进行判断，若该IQ信号的质量控制因子大于质量控制因子门限，则该IQ信号属于气象信息，否则属于噪声信息；所述质量控制模块还将属于气象信息的IQ信号通过孤噪处理器进行孤噪处理，去除处理属于气象信息的IQ信号中的离散噪声点；所述孤噪处理为采用一维或二维的处理方式；所述质量控制模块6将属于孤噪处理后的气象信息的IQ信号发送至终端显控系统；
所述质量控制因子包括：LOG1、LOG2、SQI、CCOR、SIG；所述质量控制因子的具体计算方式如下所示：
其中，T0表示IQ信号在滤波前的强度；N表示噪声信号的幅度值；R0表示IQ信号在滤波后的零阶自相关；R1表示IQ信号在滤波后的一阶自相关；
所述质量控制因子门限包括：LOG1的门限、LOG2的门限、SQI的门限、CCOR的门限、SIG的门限；其中，LOG1的门限和LOG2的门限取值均为0.75db；SQI的门限的取值范围为0.4～0.5；CCOR的门限取值为-18db；SIG的门限取值为5db；
若该IQ信号的四个质量控制因子均大于其相对应质量控制因子门限，则该IQ信号属于气象信息，否则属于噪声信息；
其中，LOG1用于估计滤波前的IQ信号的强度，LOG2用于估计滤波后的IQ信号的强度，LOG1的门限、LOG2的门限的设置用于反射率的质量控制；SQI用于测量对IQ信号相关性，SQI的门限一般用于速度和谱宽的检测；CCOR用于杂波校准，CCOR的门限的设置用于删除杂波非常强的回波信号，当杂波非常强，计算出的CCOR是一个非常小的负值；SIG用于估计IQ信号的信噪比，SIG的门限的设置主要用于谱宽的质量控制，以确保气象功率足够大，谱宽测量的精度可以满足要求。
用户从终端显控系统并通过所述参数配置模块8设置所述质量控制模块所需的质量控制因子门限；用户还通过所述参数配置模块8为所述滤波模块4选择滤波方式；所述滤波方式包括IIR滤波、固定宽度和自适应谱处理滤波、CMD算法结合GMAP算法的滤波；所述CMD算法通过计算特征量反射率纹理TDBZ、杂波相位阵列校准值CPA、反映反射率因子在径向梯度变化的SPIN，以计算地物概率CP，并将地物概率CP超过0.5的IQ信号标识为地物信号；所述GMAP(Gaussian model adaptive processing)算法是在2004年，由SIGMET公司的两位工程师A.D.Siggia和R.E.Passarelli提出的，GMAP算法旨在更彻底的滤除地物杂波，同时保留零频附近的气象回波；所述CMD结合GMAP的滤波是在滤除地物杂波的基础上，保留零频附近的气象回波。
当所述显控终端显示的IQ信号的强度、速度、谱宽数据未达到设定的要求时，用户通过所述信号回放模块9中对信号处理参数进行重新设置，所述信号回放模块利用新的信号处理参数对信号存储模块3中的IQ信号进行重新处理，并将重新处理后的属于气象信息的IQ信号发送至终端显控系统；所述信号处理参数为各模块进行信号处理时所需的参数，包括：质量控制因子门限、滤波方式、增益差补偿、增益适配值、增益故障门限、水平高增益门限值、水平低增益门限值、垂直高增益门限值、垂直低增益门限值。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多普勒天气雷达的信号处理器，其特征在于，包括信号处理单元，所述信号处理单元包括以下组成部分：
信号接收模块、信号存储模块、信号分析模块、滤波模块、信号处理模块、质量控制模块、参数配置模块；其中，
所述信号接收模块接收来源于雷达接收机的IQ信号，并将IQ信号分别发送至信号存储模块和信号分析模块；所述IQ信号为一种正交的基带信号；
所述信号分析模块对IQ信号进行杂波识别，判断IQ信号是否为地物信号或气象信号，并对IQ信号进行标记，地物信号标记1，气象信号标记0；所述信号分析模块将标记后的IQ信号发送至滤波模块；
所述滤波模块对标记后的IQ信号进行滤波以滤除地物信号，并将滤波前的IQ信号和滤波后的IQ信号均发送至信号处理模块；所述滤波前的IQ信号为原始信号即标记后的IQ信号即包括地物信号和气象信号；所述滤波后的IQ信号为气象信号；
所述信号处理模块分别对滤波前和滤波后的IQ信号均进行多普勒参数计算，分别得到IQ信号在滤波前和滤波后的强度、速度、谱宽数据，并分别将IQ信号在滤波前和滤波后的强度、速度、谱宽数据发送至质量控制模块；所述多普勒参数计算为：
所述质量控制模块接收IQ信号在滤波前和滤波后的强度、速度、谱宽数据，并根据所接收的数据计算该IQ信号的质量控制因子，所述质量控制模块根据质量控制因子门限对该IQ信号进行判断，若该IQ信号的质量控制因子大于质量控制因子门限，则该IQ信号属于气象信息，否则属于噪声信息；所述质量控制模块将属于气象信息的IQ信号在滤波后的强度、速度、谱宽数据发送至终端显控系统；
所述参数配置模块用于向质量控制模块提供质量控制因子门限，所述质量控制因子门限为用户所设置。
2.根据权利要求1所述的一种多普勒天气雷达的信号处理器，其特征在于，所述信号接收模块接收的IQ信号包括四个通道的IQ信号，分别为：水平低增益通道的IQ信号Vh_low、水平高增益通道的IQ信号Vh_high、垂直低增益通道的IQ信号Vv_low、垂直高增益通道的IQ信号Vv_high；
所述信号分析模块先对水平低增益通道的IQ信号Vh_low和垂直低增益通道的IQ信号Vv_high均进行修正即进行增益补偿；
所述修正具体包括以下步骤：
S1，分别计算水平通道增益差GΔH和垂直通道增益差GΔV，且水平通道增益差GΔH和垂直通道增益差GΔV均为一个复数，表达式分别为：GΔH＝IΔH+j*QΔH；GΔV＝IΔV+j*QΔV；
根据水平通道增益差GΔH的表达式分别计算水平通道的功率值即幅值AΔH和相位θΔH，AΔH＝IΔH 2+QΔH 2，θΔH＝arctan(QΔH/IΔH)；
根据垂直通道增益差GΔV的表达式分别计算直通道对应的功率值即幅值AΔV和相位θΔV，AΔV＝IΔV 2+QΔV 2，θΔV＝arctan(QΔV/IΔV)；其中，
S11，计算水平通道增益差GΔH，具体计算方式如下所示：
根据每个距离库上的M个脉冲点的水平低增益通道的IQ信号计算每个距离库上的水平低增益通道的功率谱：
其中，M表示脉冲点数；Vh_low(m)表示M个脉冲点中的第m个脉冲点的水平低增益通道的IQ信号；Ph_low表示水平低增益通道的功率谱
对测试库中的水平低增益通道的功率谱求平均值Rh0：
其中，Nd表示测试库的库数，所述测试库为从所有距离库中选择参数配置模块指定的Nd个距离库作为测试库；Ph_low(i)表示Nd个距离库中的第i个距离库上的水平低增益通道的功率谱；
计算水平通道增益差GΔH：
其中，conj(·)表示共轭；Vh_low(i)表示M个脉冲点下的Nd个距离库的水平低增益通道的IQ信号中的第i个水平低增益通道的IQ信号；Vh_high(i)表示M个脉冲点下的Nd个距离库的水平高增益通道的IQ信号中的第i个水平高增益通道的IQ信号；
S12，计算垂直通道增益差GΔV，具体计算方式如下所示：
根据每个距离库上的M个脉冲点的垂直低增益通道的IQ信号计算每个距离库上的垂直低增益通道的功率谱：
其中，M表示脉冲点数；Vv_low(m)表示M个脉冲点中的第m个脉冲点的垂直低增益通道的IQ信号；Pv_low表示垂直低增益通道的功率谱；
对测试库中的垂直低增益通道的功率谱求平均值Rv0：
其中，Nd表示测试库的库数，所述测试库为从所有距离库中选择参数配置模块指定的Nd个距离库作为测试库；Pv_low(i)表示Nd个距离库中的第i个距离库上的垂直低增益通道的功率谱；
计算垂直通道增益差GΔV：
其中，conj(·)表示共轭；Vv_low(i)表示M个脉冲点下的Nd个距离库的垂直低增益通道的IQ信号中的第i个垂直低增益通道的IQ信号；Vv_high(i)表示M个脉冲点下的Nd个距离库的垂直高增益通道的IQ信号中的第i个垂直高增益通道的IQ信号；
S2，将水平通道的增益补偿功率值A1与水平通道的功率值AΔH相乘，得到修正后的水平通道的功率值A′ΔH，即A′ΔH＝A1*AΔH；将水平通道的增益补偿相位θ1与水平通道的相位θΔH相加，得到修正后的水平通道的相位θ′ΔH，即θ′ΔH＝θ1+θΔH；根据修正后的水平通道的功率值A′ΔH和修正后的水平通道的相位θ′ΔH得到水平通道增益值GH，表达式为GH＝IH+j*QH，其中，IH＝A′ΔH*cosθ′ΔH，QH＝A′ΔH*sinθ′ΔH；
将垂直通道的增益补偿功率值A2与垂直通道的功率值AΔV相乘，得到修正后的垂直通道的功率值A′ΔV，即A′ΔV＝A2*AΔV；将垂直通道的增益补偿相位θ2与垂直通道的相位θΔV相加，得到修正后的垂直通道的相位θ′ΔV，即θ′ΔV＝θ2+θΔV；根据修正后的垂直通道的功率值A′ΔV和修正后的垂直通道的相位θ′ΔV得到垂直通道增益值GV，表达式为GV＝IV+j*QV，其中，IV＝A′ΔV*cosθ′ΔV，QV＝A′ΔV*sinθ′ΔV；
其中，水平通道的增益补偿功率值A1和增益补偿相位θ1，以及垂直通道的增益补偿功率值A2和增益补偿相位θ2均为用户通过参数配置模块进行设置的，并存储在参数配置模块中；
S3，计算水平通道增益值GH与水平通道的增益适配值之间的差值的绝对值，若该差值的绝对值大于水平通道增益故障门限，则使用水平通道的增益适配值作为水平通道的修正值；否则，使用水平通道增益值作为水平通道的修正值；
计算垂直通道增益值GV与垂直通道的增益适配值之间的差值的绝对值，若该差值的绝对值大于垂直通道增益故障门限，则使用垂直通道的增益适配值作为垂直通道的修正值；否则，使用垂直通道增益值作为垂直通道的修正值；
其中，水平通道的增益适配值和垂直通道的增益适配值，以及水平通道增益故障门限和垂直通道增益故障门限也均为用户通过参数配置模块进行设置的，并存储在参数配置模块中；
S4，水平低增益通道的IQ信号Vh_low的修正：对于水平低增益通道上的所有距离库的所有脉冲点数的IQ信号均乘以水平通道的修正值；
垂直低增益通道的IQ信号Vv_high的修正：对于垂直低增益通道上的所有距离库的所有脉冲点数的IQ信号均乘以垂直通道的修正值。
3.根据权利要求2所述的一种多普勒天气雷达的信号处理器，其特征在于，所述信号分析模块对每个距离库上的水平高增益通道的IQ信号和修正后的水平低增益通道的IQ信号进行水平高低增益拼接，在同一距离库上的水平高增益通道的IQ信号和修正后的水平低增益通道的IQ信号中仅选出一个IQ信号作为此距离库上的水平通道信号；
其中，第j个距离库的水平高低增益拼接的具体方式为：
若第j-1个距离库即上一个距离库选择水平高增益通道的IQ信号作为该距离库上的水平通道信号，则判断第j个距离库即当前距离库上的水平高增益通道的IQ信号的强度值是否低于水平高增益门限值，若低于，则选择水平高增益通道的IQ信号作为第j个距离库的水平通道信号；否则，选择修正后的水平低增益通道的IQ信号作为第j个距离库的水平通道信号；其中，用户通过参数配置模块设置所述水平高增益门限值；
若第j-1个距离库即上一个距离库选择修正后的水平低增益通道的IQ信号作为该距离库上的水平通道信号，则判断第j个距离库即当前距离库上的修正后的水平低增益通道的IQ信号的强度值是否低于水平低增益门限值，若低于，则选择水平高增益通道的IQ信号作为第j个距离库的水平通道信号；否则，选择修正后的水平低增益通道的IQ信号作为第j个距离库的水平通道信号；其中，用户通过参数配置模块设置所述水平低增益门限值；
且当j＝1时，即第一个距离库时，选择高增益通道的IQ信号作为第一个距离库的水平通道信号；
所述信号分析模块对每个距离库上的垂直高增益通道的IQ信号和修正后的垂直低增益通道的IQ信号进行垂直高低增益拼接，在同一距离库上的垂直高增益通道的IQ信号和修正后的垂直低增益通道的IQ信号中仅选出一个IQ信号作为此距离库上的垂直通道信号；
且所述垂直高低增益拼接的方式与所述水平高低增益拼接的方式相同，
其中，第j个距离库的垂直高低增益拼接的具体方式为：
若第j-1个距离库即上一个距离库选择垂直高增益通道的IQ信号作为该距离库上的垂直通道信号，则判断第j个距离库即当前距离库上的垂直高增益通道的IQ信号的强度值是否低于垂直高增益门限值，若低于，则选择垂直高增益通道的IQ信号作为第j个距离库的垂直通道信号；否则，选择修正后的垂直低增益通道的IQ信号作为第j个距离库的垂直通道信号；其中，用户通过参数配置模块设置所述垂直高增益门限值；
若第j-1个距离库即上一个距离库选择修正后的垂直低增益通道的IQ信号作为该距离库上的垂直通道信号，则判断第j个距离库即当前距离库上的修正后的垂直低增益通道的IQ信号的强度值是否低于垂直低增益门限值，若低于，则选择垂直高增益通道的IQ信号作为第j个距离库的垂直通道信号；否则，选择修正后的垂直低增益通道的IQ信号作为第j个距离库的垂直通道信号；其中，用户通过参数配置模块设置所述垂直低增益门限值；
且当j＝1时，即第一个距离库时，选择高增益通道的IQ信号作为第一个距离库的垂直通道信号；
所述信号分析模块对高低增益拼接后的IQ信号利用CMD算法进行杂波识别；所述CMD算法为：通过计算特征量反射率纹理TDBZ、杂波相位阵列校准值CPA、反映反射率因子在径向梯度变化的SPIN，以计算地物概率CP，并将地物概率CP超过设定的门限的IQ信号判断为地物信号。
4.根据权利要求1所述的一种多普勒天气雷达的信号处理器，其特征在于，所述质量控制因子包括：LOG1、LOG2、SQI、CCOR、SIG；其中，LOG1用于估计滤波前的IQ信号的强度，LOG2用于估计滤波后的IQ信号的强度，SQI用于测量对IQ信号相关性，CCOR用于杂波校准，SIG用于估计IQ信号的信噪比；所述质量控制因子的具体计算方式如下所示：
其中，T0表示IQ信号在滤波前的强度；N表示噪声信号的幅度值；R0表示IQ信号在滤波后的零阶自相关；R1表示IQ信号在滤波后的一阶自相关；
所述质量控制因子门限包括：LOG1的门限、LOG2的门限、SQI的门限、CCOR的门限、SIG的门限；
若该IQ信号的四个质量控制因子均大于其相对应的质量控制因子门限，则该IQ信号属于气象信息，否则属于噪声信息；
所述质量控制模块在将属于气象信息的IQ信号发送至终端显控系统前，还将属于气象信息的IQ信号通过孤噪处理器进行孤噪处理，去除处理属于气象信息的IQ信号中的离散噪声点。
5.根据权利要求4所述的一种多普勒天气雷达的信号处理器，其特征在于，LOG1的门限和LOG2的门限取值均为0.75db；SQI的门限的取值范围为0.4～0.5；CCOR的门限取值为-18db；SIG的门限取值为5db。
6.根据权利要求1所述的一种多普勒天气雷达的信号处理器，其特征在于，用户还通过所述参数配置模块为所述滤波模块选择滤波方式；所述滤波方式包括IIR滤波、固定宽度和自适应谱处理滤波、CMD结合GMAP的滤波。
7.根据权利要求1所述的一种多普勒天气雷达的信号处理器，其特征在于，所述信号处理单元还包括信号回放模块，若终端显控系统所显示的IQ信号的强度、速度、谱宽数据未达到设定的要求时，则用户在信号回放模块中对信号处理参数进行重新设置，所述信号回放模块利用新的信号处理参数对信号存储模块中的IQ信号进行重新处理，并将重新处理后的属于气象信息的IQ信号发送至终端显控系统；所述信号处理参数为各模块进行信号处理时所需的参数，包括：质量控制因子门限、滤波方式、增益差补偿、增益适配值、增益故障门限。
8.根据权利要求1所述的一种多普勒天气雷达的信号处理器，其特征在于，所述信号处理器采用通用服务器作为信号处理单元的硬件平台，所述信号处理器采用Qt工具作为信号处理单元的开发工具；所述通用服务器的操作系统采用中标麒麟操作系统。
9.根据权利要求8所述的一种多普勒天气雷达的信号处理器，其特征在于，所述信号处理服务器具有千兆以太网卡，所述信号接收模块通过光纤并按巨型帧格式接收雷达接收机所发送的IQ信号的数据。
10.根据权利要求8所述的一种多普勒天气雷达的信号处理器，其特征在于，所述信号处理器的CPU具有多个内核，所述信号处理单元为每个模块均创建线程，且每个线程均运行在不同的内核上。
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