專利名稱：功率譜密度數(shù)據(jù)噪聲門限的客觀快速確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本方法直接用于風廓線雷達(Wind Profiler Radar, WPR)功率譜密度數(shù)據(jù)處理。 對于其它類型的雷達，如果其數(shù)據(jù)處理基于傅里葉(Fourier)變換、通過功率譜密度提取 目標運動和散射強度信息，那么本方法同樣適用。
背景技術(shù)：
風廓線雷達是獲取大氣運動速度、速度譜和回波強度信息的脈沖多普勒雷達。為 了確定回波位置，需要將返回信號分隔成與發(fā)射脈沖寬度相匹配的距離門。在一個探測方 向上(稱為徑向)，劃分幾十個距離門，分別對每個距離門進行譜處理、生成功率譜密度數(shù) 據(jù)。全部氣象信息(包括氣象目標回波強度、運動速度和速度譜寬)都從功率譜密度數(shù)據(jù) 中提取。功率譜密度(有時又稱為功率譜)數(shù)據(jù)表示功率密度在頻率上的分布。生成功率 譜密度數(shù)據(jù)具體步驟如下(1)將相繼返回的信號進行積累。因為返回信號是相干的，所以這一過程稱為“相 干積累”。(2)將Nfft個上述相干積累后的數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換(FFT)，得到一個功率譜 密度函數(shù)。這一過程稱為譜變換。Nfft稱為FFT點數(shù)。(3)將Ns個上述功率譜密度數(shù)據(jù)進行平均，得到一個平均功率譜密度數(shù)據(jù)。這一 過程稱為譜平均。Ns稱為譜平均次數(shù)。通過對平均功率譜密度數(shù)據(jù)的譜矩計算，得到譜的0階矩(對應(yīng)回波功率)、1階 矩(對應(yīng)徑向速度)、2階矩(對應(yīng)速度譜寬)。在風廓線雷達獲取的功率譜中，既包含需要提取的氣象信號譜，也包含噪聲譜，在 低層還包含地物譜，有時還含有雜波干擾。由含有噪聲和雜波干擾的功率譜密度數(shù)據(jù)計算 譜矩時，需要確定噪聲門限。目前普遍采用的確定噪聲門限的方法是用遠距離門的返回信號功率作為噪聲門 限。具體做法是在一個徑向上，用遠距離門的信號功率作為該徑向上各個距離門的噪聲門 限。這種方法其實主觀假定遠距離門全部是噪聲信號，氣象信號充分小，可以忽略不計。在 晴空天氣，遠距離門一般全部是噪聲信號，上述假定合理。但是，在有天氣過程(特別是降 水天氣過程)時，雷達返回信號會顯著加強，遠距離門中同樣含有不可忽略的氣象信號(參 見圖1)，這時再以遠距離門返回信號作為噪聲門限，就會給譜矩計算帶來較大誤差。另外， 如果遠距離門中有較強的瞬時雜波干擾信號，也會給譜矩計算帶來誤差。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題風廓線雷達在由功率譜密度數(shù)據(jù)計算譜矩的過程中，需要確定噪聲門限?，F(xiàn)有技 術(shù)普遍采用遠距離門信號功率作為噪聲門限。該方法隱含假設(shè)“遠距離門信號全部是噪聲 信號”。這種不合理的主觀假設(shè)常常給譜矩計算造成誤差。
本方法由每個距離門實際獲取的功率譜密度數(shù)據(jù)計算各自距離門的噪聲門限。本 方法的基本思想是通過對功率譜的疊代循環(huán)計算，將功率譜中的氣象信號譜(包括其它 干擾譜)刪除、保留噪聲譜，從而達到確定噪聲門限的目的。本方法利用噪聲的統(tǒng)計特性，引入一個由實際獲取的功率譜數(shù)據(jù)算出的、反映信 號成分的“檢驗因子”。由功率譜密度最大及最小值、依黃金分割法預(yù)置一個功率密度門限， 將功率譜中幅度高于預(yù)置功率密度門限的譜線截剪、直到檢驗因子表明剩余譜滿足噪聲特 性，由此確定噪聲門限。本方法避免了現(xiàn)有技術(shù)的主觀不合理假設(shè)。檢驗因子、預(yù)置功率密度門限等參數(shù) 都由實際獲取的功率譜數(shù)據(jù)算出、是一種客觀的方法。預(yù)置功率密度門限的確定采用了黃 金分割優(yōu)選法以減少計算用時。解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案風廓線雷達獲取的信息全部來自對功率譜密度數(shù)據(jù)的處理。引入一個由實際獲取 的功率譜數(shù)據(jù)算出的、反映信號成分的檢驗因子，記為R。R定義為功率譜密度均值的平方 與方差之比。如果用S表示功率譜密度，則R定義為Λ =(1)
1 nFFT其中，E⑶是功率譜密度的均值，五05) = ·^ ZKi = 1，2，".,Nfft), Si表示第i條
iV FFi '=I
譜線的功率密度，Nfft表示譜線數(shù)；D⑶是功率譜密度的方差、且有D(S) =E(S2)-[E(S)]2。檢驗因子R和信號成分有關(guān)。當信號全部是噪聲時，R= 1 ；當信號中既有噪聲又 有氣象信號時，R < 1。通過檢驗因子R可以對信號成分進行判別，R值能夠客觀地反映是 噪聲信號還是噪聲與氣象等其它信號的混合信號，因此稱R為檢驗因子。下面對檢驗因子R做進一步解釋，以說明為什么R值隨信號成分變化、可以作為信 號成分的檢測量。進入風廓線雷達接收機的信號既有氣象信號，也有噪聲信號，有時還含有地物、電 磁干擾信號。噪聲信號可以作為白噪聲處理，氣象信號譜(包括其它干擾信號譜)是有色 譜，具有一定的頻率分布。為了表述方便，不妨假設(shè)輸入信號是氣象信號與噪聲信號的疊 加。如果用X表示氣象信號，η表示噪聲信號，則輸入信號可以表示成ν = χ+η (2)輸入信號ν是一個隨機序列。因為風廓線雷達信號積累時間足夠短，所以在信號 積累時間內(nèi)可以認為ν是平穩(wěn)隨機序列。在風廓線雷達實際探測時，為了使脈沖積累信號 滿足“平穩(wěn)”條件，信號積累時間的上限是被限定的。假設(shè)氣象信號χ和噪聲信號η相互獨立，且兩者都滿足高斯分布。其中噪聲信號 滿足0均值、方差為σ 2的高斯分布，g卩《 #(0，σ〗)；氣象信號滿足均值為μ X、方差為σ〗的高斯 分布，即。X-W(Z^d)根據(jù)概率理論，輸入信號ν依然滿足高斯分布，且有ν NK)(3)其中，μν= μ χ，σν2 =σι2+σ 2。對平穩(wěn)隨機序列Vi (i = 1,2,…，Nfft)進行傅里葉變換，將傅里葉系數(shù)取模平方 得到功率譜密度函數(shù)S(co)。隨機序列Vi的功率譜密度S(co)與其自相關(guān)函數(shù)R(T)互為 傅氏變換對，即⑴。自相關(guān)函數(shù)對應(yīng)信號幅度的平方。
根據(jù)如下概率統(tǒng)計理論(1)如果隨機變量X滿足標準高斯分布、即X N(0，1)，那么隨機變量Z = X2滿 足自由度為1的卡方分布，即^~;^,2。(2)如果X、Y是自由度數(shù)為1的卡方分布隨機變量，那么隨機變量Z = X+Y是自 由度數(shù)為2的卡方分布隨機變量，即K。(3)卡方分布隨機變量的均值等于自由度數(shù)、方差等于其均值的2倍。S卩，如果卡 方分布的自由度為k，則均值￡(心2) = k、方差D(W) = 2k。因為輸入信號ν的幅度滿足ν ~對&，<)的高斯分布，所以信號ν的功率譜密度S經(jīng) 過如下變換
S卞滿足標準高斯分布，即Η
服從自由度為2的卡方分布，其均值和方差分別為 因此，功率譜密度S的均值和方差分別為
將上述功率譜密度S的均值和方差的表達式帶入檢驗因子R的定義式(1)，得到 由上式可以看出R隨信號成分變化。當有氣象信號(包括其它有色信號)存在
時，(8)式括號中的
所以R < 1 ；當信號中的氣象信號(包括其它有色信號)成
分全部被除去、只剩下噪聲信號時，括號中不再包含i^T^；項，此時R= L可見R隨信號
成分變化，變化范圍介于0和1之間(0 < R < 1)。R=I表示全部是噪聲信號，R < 1表
示有非噪聲信號存在。 風廓線雷達在獲取功率譜的過程中，要進行Ns次的譜平均，即Ns個功率譜進行平 均。根據(jù)統(tǒng)計理論如果Ns個譜彼此獨立，那么譜平均后平均值不變、方差值減小Ns倍。所 以當采用Ns次譜平均后的平均功率譜計算時，檢驗因子R應(yīng)改為 利用檢驗因子R能夠反映信號成分這一特點確定噪聲門限是本方法的基礎(chǔ)。本方 法的基本思想是對實際獲取的功率譜密度數(shù)據(jù)進行疊代計算，將功率譜密度中幅度較高的譜線進行截剪，用檢驗因子對截剪后的功率譜進行檢測，直到氣象及其它信號譜線被全 部剪除，保留下來的全部是噪聲。本方法的具體做法是(1)根據(jù)每個距離門實際獲取的功率譜密度數(shù)據(jù)，計算各自距離門的噪聲門限。(2)每個距離門噪聲門限的確定，是對該距離門功率譜密度數(shù)據(jù)進行的一個疊代 循環(huán)計算過程。(3)在某次循環(huán)中，依據(jù)預(yù)置功率密度幅度、對幅度高于預(yù)置功率密度幅度的譜線 進行截剪。用檢驗因子對截剪后的譜進行判斷，直到檢驗因子等于1、表明剩余的功率譜滿 足白噪聲性質(zhì)，疊代計算停止。(4)對上述剩余的滿足白噪聲性質(zhì)的功率譜進行求和，得到噪聲功率門限值。(5)檢驗因子用公式(9)計算。(6)預(yù)置功率密度幅度由上一次循環(huán)得到的功率譜密度數(shù)據(jù)確定，確定辦法是由 功率譜密度最大及最小值、依黃金分割法確定。采用了黃金分割法預(yù)置功率密度幅度，是為 了大幅度減少疊代次數(shù)、縮短計算用時。本方法成立的前提是氣象信號和噪聲信號都服從高斯分布。因為氣象信號和噪 聲信號都是大量的微小獨立因素引起，所以做這樣的假設(shè)是合理的。有益效果現(xiàn)有技術(shù)利用遠距離門信號作為噪聲門限的方法，是一種主觀的方法。主觀認為 遠距離門中沒有氣象信號。在有天氣過程時，這種假設(shè)不成立，由此給噪聲門限的確定帶來 誤差，進而給回波功率和譜寬參量的估計帶來誤差。本方法利用噪聲特性確定噪聲門限，是一種客觀方法。所引入的假設(shè)合理，使噪聲 門限的估計精度更高。風廓線雷達可以提供速度、速度譜和回波強度信息。其中，速度估計精度受噪聲門 限的影響不大。但是，速度譜和回波強度的估計精度受噪聲門限的影響很大，必須準確估計 噪聲門限。準確估計噪聲門限是準確估計譜矩的基礎(chǔ)。該問題的解決，可以使風廓線雷達 探測更準確獲取更多重要信息，使風廓線雷達的應(yīng)用更加廣泛。


圖1是風廓線雷達實測的降水天氣下、遠距離門的功率譜?？傋V線256條，0頻率 對應(yīng)第128條譜線。161譜線周圍的譜峰是降水回波信號譜。由圖1可以看出降水天氣 下，遠距離門的功率譜密度數(shù)據(jù)含有很強的氣象信號。圖2是噪聲功率譜。圖2是根據(jù)本方法，對圖1的功率譜密度數(shù)據(jù)進行處理后得 到的噪聲功率譜。
具體實施例方式本方法的程序?qū)崿F(xiàn)是一個疊代循環(huán)計算過程。由原始功率譜密度數(shù)據(jù)(記為{S}) 確定功率密度最大值Smax和功率密度最小值Smin，并按黃金分割法給出初始功率密度門限值 L，即=L = 0. 382 (Smax-Smin)。然后進入疊代循環(huán)計算。疊代開始；
(1)當前功率譜記為{Si，當前功率密度門限記為L(j)。(a)對功率譜{Si逐條譜線檢查，將幅度高于門限L(j)的譜線改為門限值，得到 新的功率譜記為{S^}。(b)保留原譜{SJ}和新譜{SJ+1}。(2)針對新譜仗+1}，按(9)式計算檢驗因子R。(3)由R值決定程序執(zhí)行方向(a)如果R< 1，說明門限L(j)偏高，門限還應(yīng)當下移。重新計算門限L(j+1) = 0. 382 (Smax-Smin)，其中 Sfflax = L(J)。返回(2)繼續(xù)疊代。(b)如果R > 1，說明門限L(j)偏低，門限需要上移。L(j+1) = 0.382 (Smax-Smin),其中 Smin = L (j)。譜恢復(fù)，用原譜{SJ}替換新譜{SJ+1}。 返回⑵繼續(xù)疊代。(c)如果R= 1，說明門限正好。記錄下功率密度門限值L(j)，疊代停止。對功率
Nfft
密度譜{s^}進行求和，得到噪聲功率門限值。用？ 表示噪聲功率門限值，則尺=
/=I在具體實施過程中，可以根據(jù)噪聲門限精度的要求，設(shè)定一個檢驗門限δ，當滿足 R彡| _δ I時，上述疊代停止。
權(quán)利要求
一種客觀快速確定功率譜密度數(shù)據(jù)噪聲門限的方法，其特征是，對各個距離門實際獲取的功率譜密度數(shù)據(jù)進行疊代計算確定各自距離門的噪聲功率門限，引入一個反映信號成分的檢驗因子作為疊代計算的控制量，疊代計算是依據(jù)預(yù)置功率密度幅度、對幅度較高的功率譜密度譜線進行截剪的循環(huán)過程，預(yù)置功率密度幅度由上一次循環(huán)得到的功率譜密度數(shù)據(jù)確定，疊代計算直到檢驗因子等于1、表明剩余功率譜滿足噪聲特性則疊代循環(huán)停止，對剩余功率密度譜求和得到噪聲功率門限。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，檢驗因子是功率譜密度均值的平方與功率譜密度方差 之比。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，預(yù)置功率密度幅度由功率譜密度最大值和最小值、依 據(jù)黃金分割優(yōu)選法確定。全文摘要
功率譜密度數(shù)據(jù)噪聲門限的客觀快速確定方法屬于風廓線雷達信號與數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域。風廓線雷達由功率譜密度數(shù)據(jù)提取信息，需確定噪聲功率門限。現(xiàn)有技術(shù)用遠距離門返回信號功率作為噪聲門限。當遠距離門中含有不能忽略的氣象信號時，誤差較大。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是功率譜密度數(shù)據(jù)噪聲門限的客觀快速確定。依噪聲統(tǒng)計特性，引入一個由功率譜數(shù)據(jù)算出的、反映信號成分的檢驗因子，通過對功率譜數(shù)據(jù)的疊代計算確定各距離門的噪聲門限。由功率譜密度最大及最小值、依黃金分割法預(yù)置一個功率密度門限，將功率譜中幅度高于預(yù)置功率密度門限的譜線截剪、直到檢驗因子表明剩余譜滿足噪聲特性，由此確定噪聲門限。
文檔編號G01S13/95GK101881824SQ200910136269
公開日2010年11月10日 申請日期2009年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月5日
發(fā)明者何平, 吳蕾, 魏艷強 申請人:何平;吳蕾;魏艷強