一种用于双极化天气雷达的双路多阶相关检测方法

摘要

本发明公开了一种用于双极化天气雷达的双路多阶相关检测方法，包括以下步骤：获取H通道与V通道的I/Q数据；计算H通道与V通道的相干积累量；计算H通道与V通道的零阶自相关、一阶自相关以及零阶互相关量；计算多阶相关量的加权和；将加权和与阈值相比较，判断有无天气回波；判断为有天气回波的情况下，计算H通道的信噪比；不同信噪比条件下，计算反射率因子；根据反射率因子进行质量控制，并进行结果输出。本发明联合水平与垂直极化两路回波信号，引入多阶相关量的加权和，改变以往单纯依据水平通道信噪比作为检测因子的方法，从而达到降低本底噪声功率、提升弱信号检测水平的目的，减少了“双发双收”模式下回波信噪比的损失。

主权项

一种用于双极化天气雷达的双路多阶相关检测方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤(1)：获取H通道与V通道的I/Q数据；步骤(2)：计算H通道与V通道的相干积累量；步骤(3)：计算H通道与V通道的零阶自相关、一阶自相关以及零阶互相关量；步骤(4)：计算多阶相关量的加权和；步骤(5)：将加权和与阈值相比较，判断有无天气回波；步骤(6)：判断为有天气回波的情况下，计算H通道的信噪比；步骤(7)：不同信噪比条件下，计算反射率因子；步骤(8)：根据反射率因子进行质量控制，并进行结果输出；所述步骤(1)中，H通道的I/Q信号表示为：S_h(nT_s)＝I_h(nT_s)+jQ_h(nT_s)       (101)V通道的I/Q信号表示为：S_v(nT_s)＝I_v(nT_s)+jQ_v(nT_s)            (102)其中，I、Q分别为同相、正交的数据，T_s为脉冲重复周期，n为离散化时间，j表示虚数；所述步骤(2)中，对于有限样本的自相关函数表示为：$\frac{1}{M-n}\underset{k=0}{\overset{M-n-1}{\Sigma }}S\left({\mathrm{kT}}_s\right)S^{*}\left((k+n)T_s\right)---\left(103\right)$其中，M为单库内的样本总数，k为离散化时间；H通道与V通道的零阶自相关分别为：$R_h\left(0\right)=\frac{1}{M}\underset{k=0}{\overset{M-1}{\Sigma }}{S}_h\left({\mathrm{kT}}_s\right)S_h^{*}\left({\mathrm{kT}}_s\right)---\left(104\right)$$R_v\left(0\right)=\frac{1}{M}\underset{k=0}{\overset{M-1}{\Sigma }}{S}_v\left({\mathrm{kT}}_s\right)S_v^{*}\left({\mathrm{kT}}_s\right)---\left(105\right)$H通道与V通道的一阶自相关分别为：$R_h\left(T_s\right)=\frac{1}{M-1}\underset{k=0}{\overset{M-2}{\Sigma }}{S}_h\left({\mathrm{kT}}_s\right)S_h^{*}\left((k+1)T_s\right)---\left(106\right)$$R_v\left(T_s\right)=\frac{1}{M-1}\underset{k=0}{\overset{M-2}{\Sigma }}{S}_v\left({\mathrm{kT}}_s\right)S_v^{*}\left((k+1)T_s\right)---\left(107\right)$所述步骤(3)中，对于有限样本的双路互相关函数表示为：$R_{\mathrm{hv}}\left(n{T}_s\right)=\frac{1}{M-n}\underset{k=0}{\overset{M-n-1}{\Sigma }}{S}_h\left({\mathrm{kT}}_s\right)S_v^{*}\left((k+n)T_s\right)---\left(108\right)$H通道与V通道的零阶互相关为：$R_{\mathrm{hv}}\left(0\right)=\frac{1}{M}\underset{k=0}{\overset{M-1}{\Sigma }}{S}_h\left({\mathrm{kT}}_s\right)S_v^{*}\left({\mathrm{kT}}_s\right)---\left(109\right)$所述步骤(4)中，多阶相关量的加权和的计算公式为：S＝a{[R_h(0)‑N_h]+[R_v(0)‑N_v]}+b[R_h(T_s)+R_h(T_s)]+cR_hv(0)   (110)其中，a、b、c为加权系数，满足2a+2b+c＝1且a≥0，b≥0，c≥0；所述步骤(5)中，当加权和S小于预设阈值T_HR时，即判断为信号中不含有气象回波；当加权和S大于预设阈值T_HR时，即判断为信号中含有气象回波并进入所述步骤(6)；预设阈值T_HR不固定，与H通道与V通道的基底噪声有关，初始设定值比H通道噪声基底功率低4dB；所述步骤(6)中，计算H通道的信噪比的公式如下：${\mathrm{SNR}}_h=\frac{R_h\left(0\right)-N_h}{N_h}---\left(111\right)$其中，N_h为H通道基底噪声功率；所述步骤(7)中，当H通道的信噪比小于2dB时，弱降水条件下的粒子形状近似球形，使用Z_h≈Z_v(Z_DR＝0)，计算反射率因子的近似值，其公式如下：$Z_h\cong \left|{\hat{R}}_{\mathrm{hv}}\left(\bar{r}\right)\right|\times \frac{{\bar{r}}^2}{C_h{\left(G_{\mathrm{dr}}\right)}^{1/2}}---\left(112\right)$其中，$\left|{\hat{R}}_{\mathrm{hv}}\left(\bar{r}\right)\right|\cong C_h{\left(G_{\mathrm{dr}}\right)}^{1/2}{\left(Z_h{Z}_v\right)}^{1/2}/{\left(\bar{r}\right)}^2---\left(113\right)$C_h为雷达常数，G_dr为差分反射率校准常数，为H通道与V通道的互相关模值，Z_v和Z_h分别为v通道和h通道的反射率因子；当H通道的信噪比大于或等于2dB时，计算反射率因子的公式如下：其中，λ为工作波长，θ、φ分别为俯仰和方位的波束宽度，τ为脉冲宽度，G_a为天线增益，G_r为接收增益，P_t为发射机功率，r为雷达到目标的径向距离，K为离散化时间。