专利名称：风廓线雷达湍流目标检测方法
技术领域：
本发明涉及一种风廓线雷达湍流目标检测方法，用于风廓线雷达的目标检测。
背景技术：
风廓线雷达(wind profiling radar/wind profiler radar)是一种新型的测风雷达，能够无人值守M小时连续提供大气水平风场、垂直气流、大气折射率结构常数等气象要素随高度的分布，具有时空分辨率高、连续性和实时性好的特点，是进行高空气象探测的重要设备，是当前常规气球测风体制的重要补充，是开展天气预报和气象保障的新手段。雷达接收的回波信号中，不但有目标信号，也存在噪声和杂波等各种干扰信号，雷达的目标检测就是指在各种干扰的情况下，去找出真正的目标。因此雷达目标检测是提高数据可信度和数据质量的重要一环。雷达要探测的目标通常是运动着的物体，检测运动目标和固定杂波的理论基础是它们在移动速度上的差别，由于运动速度不同而引起回波信号的多普勒频率不相等，从而可以区分出不同的物体，这是雷达中采用动目标显示和动目标检测技术的基本思想。风廓线雷达的目标检测与其它雷达具有不一样的特点。目前，风廓线雷达目标检测最简单的做法，是对功率谱幅度最大值的检测法，这种方法认为信号总是最强的，因此在功率谱上找出最大值所在的位置，并被当作是湍流目标谱峰。但有强杂波干扰时，这种方法会导致很大误差。由于湍流回波信号弱，风廓线雷达探测时极易受地杂、鸟等的污染。目前已经提出了多种从风廓线雷达谱中去除杂波的方法，例如，主要应用的NIMA方法(NCAR Improved Moment Algorithm)方法。NIMA方法主要用于剔除地杂波影响，它认为某点是否为地杂波的主要特征是对称性和曲率，将这些特征值代入一个合成公式中，根据输出值的大小，来判定是信号还是杂波。NIMA算法中的参数需要依据不同的设备、不同的测量地点进行配置，比较繁琐。目前业务化风廓线雷达中通用的是“客观化方法”。“客观化方法”认为谱密度值大于噪声电平的频点全部是信号，然后对整个谱进行积分计算出谱矩。当干扰使得功率谱上出现多个谱峰时，这种方法实际上是谱峰和所占宽度的加权，结果反映的是信号与各种干扰的总效果。当回波信号比较强，谱峰包络比较明显时，目标的检测是比较容易的；但是风廓线雷达的回波信号通常都比较弱，常常有杂波干扰，很多杂波都能掩盖真实的回波。在这种情况下，采用“客观化方法”进行目标检测和各阶矩计算，效果较差。因此，需要研究一种新的风廓线雷达湍流目标检测方法，能够同时满足处理的实时性和检测效果两方面的要求，以提高风廓线雷达目标检测的质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风廓线雷达湍流目标检测方法，该方法以实时业务处理为目标，不进行繁琐的计算，同时又较好地消除了杂波干扰的影响。
3
根据本发明的主要方面，该风廓线雷达湍流目标检测方法包括以下步骤a、输入风廓线雷达的功率谱；b、对所输入的功率谱进行预处理；C、以分段平均法确定噪声电平；d、对功率谱进行初步检测，其中包括幅度检测、谱宽检测以及包络检测；e、对功率谱进行分类检测，其中包括对谱线进行试探性切除、根据切除结果进行分类判断以及根据类别进行谱峰分离；f、对湍流目标功率谱进行速度订正；g、对湍流目标功率谱进行连续性修正；以及h、进行谱矩计算，并输出结果。根据本发明的一个方面，预处理包括插值处理。根据本发明的一个方面，预处理还包括滑动平均处理。根据本发明的一个方面，插值处理是零速度点插值处理。根据本发明的一个方面，插值处理时采用零速度点左右两点的谱密度值的平均值来代替零速度点值。根据本发明的一个方面，滑动平均处理是三点滑动平均处理。应当认识到，本发明以上各方面中的特征可以在本发明的范围内自由组合，而并不受其顺序的限制——只要组合后的技术方案落在本发明的实质精神内。
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对本发明的附图作简单地介绍， 其中图1显示了根据本发明的风廓线雷达湍流目标检测方法的流程图；图2为根据本发明对谱线进行试探性切除前后的示意图；图3 (a)-3(f)显示了根据本发明的谱线进行试探性切除后的几种情况。
具体实施例方式下文将结合本发明的优选实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要明白，下文的描述(包括附图)仅仅是示例性的，而非对本发明的限制性描述。在以下描述中会涉及到部件的具体数量，然而也需要明白的是，这些数量也仅仅是示例性的，本领域技术人员可以参照本发明任意选取适当数量的部件。根据本发明的第一实施例，将风廓线雷达探测的功率谱输入到信号处理器中，然后进行预处理。预处理优选地主要包含插值处理和滑动平均处理。插值处理一般是零速度点插值处理。在零速度点插值处理过程中，当风速较小时， 湍流信号谱包络就在零速度点附近、甚或包含了零速度点，这样会使功率谱分布在零速度点处出现断裂，因此优选地采用零速度点左右两点谱密度值的平均值替代零速度点值来进行插值处理。滑动平均处理的主要作用是对于一些“飞点数据”进行剔除。在谱数据中有时会存在一些值特别大的数据点，这属于偶尔干扰，它们的分布一般比较零散，谱线很窄，即只在某些个别点出现。对谱进行滑动平均处理，优选地三点滑动平均处理可以去除这些尖峰
点ο接着，以分段平均法确定噪声电平。在最大多普勒速度不是设置在过于小的情况下，在风廓线雷达输出的整个长长的功率谱图中，信号和各种杂波干扰的谱在横坐标谱轴上一般都只占谱的一小部分，因此可以将整个谱等分为若干段，计算每一段的平均值，由于强一些的信号谱及干扰谱共处在若干段中的某一段内，故可将其余段的平均值中的最小值作为噪声电平。在本发明的一个优选实施例中，整个谱被等分为八段。噪声电平确定后，在后续步骤中被应用。再接着，对功率谱进行初步检测，这其中包括幅度检测、谱宽检测以及包络检测。 不管大气湍流回波信号如何微弱，在功率谱分布图上，湍流回波信号谱峰都应该高于茅草， 其谱密度值可以不是最大值，但必须是具有一定谱宽的极大值点。因此，在功率谱上首先检测出谱峰最大值，然后往两边分别搜索，找到第一个小于噪声电平值的点(或者是功率谱值由逐步减小开始增加的转折点)，即认为搜寻出了整个谱峰包络，在包络范围内计算谱宽值。如果谱宽值不在某个预置范围内，则认为不是湍流信号，将该谱峰及其包络全部置成噪声电平值，然后去寻找下一个谱极值点，直到找到满足要求的谱峰包络。如果整条谱线都未能寻找到，则适当扩大谱宽的阈值范围后重新寻找。在初步检测后，需要继续进行分类检测。这是因为，初步检测出的谱峰有时位于零速度点，而在零速度点附近有一个小谱峰包络，且这个小谱峰所在的位置与上一高度层 (或下一高度层)检测出的谱峰具有更好的高度连续性。人眼可以直观地分析认为这小谱峰应该才是湍流回波信号谱峰，只是由于所在高度的湍流回波信号弱于地杂波，因此计算机进行谱峰初步检测时检测到了零速度点的地杂波位置。如果能够切除掉这些高度上功率谱分布在零速度点附近的一段谱，计算机就可以检测出这个小谱峰。不过，对于由计算机程序承担的自动实时检测而言，是无法让人来指定哪些高度可以切除零速度点附近的一段谱的，因此必须在初步检测后，继续进行分类检测。分类检测是剔除地杂波影响的关键一步，主要思想在于根据地杂与信号在零速度点附近混杂在一起的不同形态，进行分类判断。其主要步骤包括判断初步检测出的谱峰包络是否跨越了零速度线，如果没有跨越零速度线，认为此高度的湍流信号比较强，且未受地杂波干扰，标记为可信；如果谱峰包络跨越了零速度线的高度层，将根据谱峰与零线的距离、包络的具体形状进行如下检测对该高度层的功率谱分布零速度线附近的一段谱线进行试探性切除，依据切出来的“切口”形状，进行分类判断。试探性谱线切除的宽度要根据当地地杂波谱的情况来确定， 一般围绕零速度线两侧选定比所有地杂波的宽度宽，但是比一般的湍流回波宽度窄的一个宽度进行切除。优选地，切除宽度约为lm/s，也即零速度线两侧各0.5m/s左右。在进行试探性地杂波干扰谱线切除的时候，要用该高度层的噪声电平值来代替被切除点的谱值。图2为试探性谱线切除前后的示意图，图中左右直线代表切除的一段谱的最左边与最右边位置，中间直线代表零速度线的位置。第一排表示原始谱，它可能存在地杂波干扰，第二排表示进行试探性谱线切除之后的谱，第三排表示对切口两边进行谱值梯度计算。 切口最左边的梯度值为A点谱值减去B点的谱值，切口最右边的梯度值为C点的谱值减去D点的谱值。得到这两个梯度之后，要利用它们来判断切口是陡峭还是缓和，切口陡峭代表此处存在有湍流回波的影响，切口缓和代表此处不存在湍流回波的影响或湍流回波影响可以忽略。参见图3(a)-3(f)可知，在进行谱线试探性切除后，根据切口两边梯度值大�。梢苑殖梢韵氯智榭觯恐智榭龆伎赡馨煌牡卦硬ㄓ胪牧骰夭ɑ旌侠嘈停砸邢率龅姆掷嗉觳�。第一种情况是，两边梯度值都很小(小于某个预置值)，这时又可能存在两种情形。一种是如图3(a)所示，切掉的确实是地杂波峰，在谱线的其余位置找到了具有一定谱宽的次极大值峰，可以作为湍流目标谱峰。另一种如图3(b)所示，在这种情形下，试探性切除的是湍流回波和地杂波的叠加回波，切除后剩下的都是原来两边很小的值，找不到具有湍流目标特性的谱峰。这说明目标与地杂波同时被切除，此时应该恢复被切除的数据，作为湍流目标谱峰。第二种情况是，两边切口梯度值都很大(大于某个预置值)，这时也可能存在两种情形。一种是由于地杂波谱异�？恚斐汕锌诹奖咛荻戎刀己艽螅窃谇谐蟮钠紫叩钠溆辔恢谜业搅司哂幸欢ㄆ卓淼拇渭笾捣澹梢宰魑牧髂勘昶追澹缤�3(c)。另一种是在切除后剩下的谱线中找不到具有湍流目标特性的谱峰，这说明目标与地杂波同时被切除，此时应该恢复被切除的数据，作为湍流目标谱峰，如图3 (d)。第三种情况是，切口两边梯度值一边大一边�。馐比匀豢赡艽嬖诹街智樾�。一种是湍流回波与地杂波两者的谱峰是分离的，距离也较远，优选地至少大于0. 5m/s，但是谱型包络不重叠，如图3(e)所示。对于这种情形可以在原始谱中，通过找到这一侧切口中第一个小于等于噪声电平值的谱点位置，作为地杂波与湍流回波谱的分界点，将左边直线调整到分界点后重新进行地杂波切除，然后再搜寻出目标谱峰及其包络(参见图3(e)的下面一排)。第二种情形是湍流回波与地杂波两者的谱峰是分离的，但是谱型包络有部分重叠， 如图3(f)所示。对于这种情形，可以在原始谱中找到这一侧切口中最小谱值点的位置，作为地杂波与湍流回波谱的分界点(因重叠时找不到最小噪声点，故只能找最小谱值点)，也是将该侧直线调整到分界点后重新进行地杂波切除，再检测出目标谱峰及其包络(参见图 3(e)的下面一排)。在分类检测之后，对湍流目标雷达谱进行速度订正。风廓线雷达的每一种工作模式都对应一个不发生速度模糊的最大速度，如果目标的实际径向速度超过这一最大速度， 则会发生测速�：佣谄酌芏韧枷笊喜鄣窒螅虼诵枰拥筒愕礁卟阒鸶隹顾俣饶：觳夂屯四：恚唇兴俣榷┱＝幼牛酝牧髂勘旯β势捉辛孕拚�。因为风场在探测体积所确定的空间尺度上和时间分辨力所确定的时间尺度上具有一定的连续性，因此上下高度层之间搜寻出来的谱峰位置的差值如果在某个阈值之内，则此数据符合连续性要求，否则应该被认定为不符合连续性要求。根据这一原则对每个波束指向探测的各高度层之间的径向速度值进行连续性检测。如果所有高度层之间都通过连续性检测，那是最理想的。但由于湍流的间隙性， 或者受到干扰，中间常常有一些高度层谱分布像茅草，检测的目标谱峰的可信度比较差，无法通过与其它高度层之间的连续性检测。对于这种情况，可以利用通过了连续性检测的高度层的径向速度值，产生一个径向速度变化范围，在未通过连续性检测的高度层的功率谱上搜寻谱峰，作为该高度层新的目标峰位置，从而完成对断层的连续性修复。最后，进行谱矩计算，并输出结果。在识别出湍流目标谱峰位置之后，只在湍流目标谱峰包络之内进行计算，以求得信噪比、多普勒速度和速度谱宽等数据。计算的公式如下
权利要求
1.一种风廓线雷达湍流目标检测方法，所述方法包括以下步骤a、输入风廓线雷达的功率谱；b、对所输入的功率谱进行预处理；C、以分段平均法确定噪声电平；d、对功率谱进行初步检测，其中包括幅度检测、谱宽检测以及包络检测；e、对功率谱进行分类检测，其中包括对谱线进行试探性切除、根据切除结果进行分类判断以及根据类别进行谱峰分离；f、对湍流目标功率谱进行速度订正；g、对湍流目标功率谱进行连续性修正；以及h、进行谱矩计算，并输出结果。
2.根据权利要求1所述的风廓线雷达湍流目标检测方法，其特征在于，所述预处理包括插值处理。
3.根据权利要求1所述的风廓线雷达湍流目标检测方法，其特征在于，所述预处理包括滑动平均处理。
4.根据权利要求2所述的风廓线雷达湍流目标检测方法，其特征在于，插值处理是零速度点插值处理。
5.根据权利要求4所述的风廓线雷达湍流目标检测方法，其特征在于，插值处理时采用零速度点左右两点的谱密度值的平均值来代替零速度点值。
6.根据权利要求3所述的风廓线雷达湍流目标检测方法，其特征在于，所述滑动平均处理是三点滑动平均处理。
全文摘要
本发明涉及一种风廓线雷达湍流目标检测方法，其包括输入风廓线雷达的功率谱；对所输入的功率谱进行预处理；以分段平均法确定噪声电平；对功率谱进行初步检测，其中包括幅度检测、谱宽检测以及包络检测；对功率谱进行分类检测，其中包括对谱线进行试探性切除、根据切除结果进行分类判断以及根据类别进行谱峰分离；对湍流目标功率谱进行速度订正；对湍流目标功率谱进行连续性修正；以及进行谱矩计算，并输出结果。本发明能够提高风廓线雷达目标检测的质量。
文档编号G01S13/95GK102508219SQ20111031407
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月17日 优先权日2011年10月17日
发明者张鹏, 李妙英, 胡明宝, 贺宏兵 申请人:中国人民解放军理工大学气象学院
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
