確定風(fēng)廓線雷達(dá)噪聲功率的方法
【專利摘要】本發(fā)明實(shí)施例公開了一種確定風(fēng)廓線雷達(dá)噪聲功率的方法，所述方法包括：依噪聲統(tǒng)計特性，引入一個由實(shí)測功率譜算出的、反映信號成分的檢驗(yàn)因子，當(dāng)信號全部是噪聲時，由生成功率譜時所用的窗函數(shù)和功率譜平均次數(shù)確定檢驗(yàn)因子特定值；進(jìn)入迭代過程，根據(jù)每個距離門的實(shí)測功率譜的最大值和最小值，依黃金分割法獲得預(yù)置功率密度門限值；每次迭代計算時，將幅度高于預(yù)置功率密度門限值的譜線降低至預(yù)置功率密度門限值，得到新的功率譜，并用檢驗(yàn)因子判別新功率譜的信號成分；若仍存在氣象信號成分則繼續(xù)迭代，直至沒有氣象信號成分，所剩功率譜為噪聲功率譜，用于噪聲功率計算。本發(fā)明適用于雷達(dá)信號的噪聲功率估計。
【專利說明】確定風(fēng)廓線雷達(dá)噪聲功率的方法
[0001] 本申請要求于2013年4月24日提交中國專利局、申請?zhí)枮?01310145912. 3、發(fā)明 名稱為"確定雷達(dá)信號噪聲功率的方法及裝置"的中國專利申請的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過 引用結(jié)合在本申請中。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明涉及無線電信號處理【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種確定風(fēng)廓線雷達(dá)噪聲功率的 方法。

【背景技術(shù)】
[0003] 風(fēng)廓線雷達(dá)（Wind Profile Radar，英文縮寫為WPR)是獲取大氣運(yùn)動速度、速度譜 寬和回波強(qiáng)度信息的脈沖多普勒雷達(dá)。為了確定回波位置，需要將返回的信號分隔成與發(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)，一般劃分幾十個距離門。分 別對每個距離門進(jìn)行譜處理，生成功率譜，再從功率譜中提取氣象信息。
[0004] 上述WPR生成功率譜的具體步驟如下：一、將相繼返回的信號進(jìn)行積累；二、將N 個上述相干積累后的數(shù)據(jù)通過傅里葉變換的方法得到功率譜估計；三、將Μ個上述功率譜 進(jìn)行平均，得到一個平均功率譜，通過對平均功率譜的譜矩計算，得到譜的〇階矩(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)。上述步驟獲取的功率譜是氣象信 號功率譜與噪聲信號功率譜的疊加，WPR獲取的功率譜可以表示成： S(c〇)=Su(co)+Sn(co)， 其中，s(?)是接收機(jī)輸出信號功率譜，s u(co)表示氣象信號功率譜，8η(ω)表示噪聲信號 功率譜。噪聲信號主要是雷達(dá)本機(jī)噪聲，也包括大氣背景噪聲。此外，不影響確定噪聲功率 的導(dǎo)出，我們將有色干擾信號也歸為氣象信號一類。WPR獲取的功率譜是氣象信號功率譜與 噪聲信號功率譜的疊加，確定氣象信號回波功率的關(guān)鍵是在疊加的功率譜中，準(zhǔn)確確定噪 聲功率。
[0005] 目前普遍采用的確定噪聲功率的方法有兩種。一種是將遠(yuǎn)距離門的返回信號視為 噪聲。具體做法是：在一個徑向上，用遠(yuǎn)距離門的信號功率作為該徑向上各個距離門的噪聲 功率。另外一種常用的方法是用功率譜兩端的譜線確定噪聲功率。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)中至少存在如下問題：這兩種方法都過于主觀假定，造成較大的誤差。第 一種方法中，假定遠(yuǎn)距離門全部是噪聲信號，氣象信號充分小到可以忽略不計。在晴空天 氣，遠(yuǎn)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(dá)返回信號會顯著加強(qiáng)，遠(yuǎn)距離門中同樣含有不可忽略的氣象信號，這時再以遠(yuǎn) 距離門返回信號作為噪聲功率標(biāo)準(zhǔn)，就會給譜矩計算帶來較大誤差。另外，如果遠(yuǎn)距離門中 有較強(qiáng)的瞬時雜波干擾信號，也會給譜矩計算帶來誤差。第二種方法中，假定功率譜兩端無 氣象信號，但是當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動速度比較大、接近奈奎斯特速度時，或有外界干擾時，這種方法 也會造成很大誤差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 提供一種確定風(fēng)廓線雷達(dá)噪聲功率的方法，解決風(fēng)廓線雷達(dá)信號的噪聲功率計算 不準(zhǔn)確的問題。
[0008] 提供一種確定風(fēng)廓線雷達(dá)噪聲功率的方法，包括：
[0009] 根據(jù)實(shí)際獲取的每個距離門的功率譜確定各自距離門的噪聲功率；
[0010] 計算某個距離門的噪聲功率是對該距離門功率譜的一個迭代計算過程；
[0011] 迭代計算過程是逐漸降低功率譜中氣象信號功率譜線，直到所剩功率譜線全部是 噪聲功率譜線的過程；
[0012] 在迭代計算過程中，以一個能夠反映信號成分的檢驗(yàn)因子作為客觀標(biāo)準(zhǔn)，通過檢 驗(yàn)因子的取值與檢驗(yàn)因子閾值的比較，判別功率譜的信號成分；
[0013] 檢驗(yàn)因子閾值由雷達(dá)生成功率譜所用的窗函數(shù)和功率譜平均次數(shù)兩個參數(shù)計算 得到；
[0014] 檢驗(yàn)因子由雷達(dá)實(shí)際獲取的功率譜、或由迭代計算過程對雷達(dá)實(shí)際獲取的功率譜 進(jìn)行調(diào)整后的功率譜，計算確定；
[0015] 根據(jù)實(shí)際獲取的每個距離門的原始功率譜計算檢驗(yàn)因子；根據(jù)所述檢驗(yàn)因子的取 值與所述檢驗(yàn)因子閾值的比較，判別原始功率譜中是否含有氣象信號功率譜；判別結(jié)果有 兩種可能情況；第一種可能情況，檢驗(yàn)因子取值等于檢驗(yàn)因子閾值，表明原始功率譜中無氣 象信號功率譜，則原始功率譜即為噪聲功率譜，對噪聲功率譜求和得到噪聲功率；第二種可 能情況，檢驗(yàn)因子取值小于檢驗(yàn)因子閾值，表明原始功率譜中有氣象信號功率譜，需要迭代 計算確定噪聲功率譜；則根據(jù)原始功率譜的最大值和最小值，以黃金分割點(diǎn)預(yù)置噪聲功率 密度門限，并進(jìn)入迭代計算過程；
[0016] 為了敘述方便，在以下對迭代計算過程的描述中，將所述原始功率譜簡稱為原譜， 將所述預(yù)置噪聲功率密度門限簡稱為原門限；并且，將迭代過程返回的功率譜也簡稱為原 譜，將迭代過程返回的預(yù)置噪聲功率密度門限簡稱為原門限；
[0017] 迭代第一步：將所述原譜中幅度高于所述原門限的譜線降低至與所述原門限相 等，得到新功率譜這里簡稱為調(diào)整譜；
[0018] 迭代第二步：根據(jù)所述調(diào)整譜計算檢驗(yàn)因子；根據(jù)檢驗(yàn)因子的計算結(jié)果判別原門 限是否合適，判別結(jié)果有以下三種可能情況；
[0019] 第一種情況，檢驗(yàn)因子取值等于檢驗(yàn)因子閾值，表明原門限合適、調(diào)整譜即是噪聲 功率譜，停止迭代，用原門限計算噪聲功率；
[0020] 第二種情況，檢驗(yàn)因子取值小于檢驗(yàn)因子閾值，表明原門限偏高，則以原門限作為 最大值，以原譜的最小值作為最小值，以黃金分割點(diǎn)重新設(shè)置噪聲功率密度門限，返回迭代 第一步；
[0021] 第三種情況，檢驗(yàn)因子取值大于檢驗(yàn)因子閾值，表明原門限偏低，則以原門限作為 最小值，以原譜的最大值作為最大值，以黃金分割點(diǎn)重新設(shè)置噪聲功率密度門限，返回迭代 第一步；
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例中是根據(jù)實(shí)際獲取的每個距離門的功率譜，確定 各自距離門的噪聲功率密度門限值；確定某個距離門的噪聲功率密度門限值是對該距離門 功率譜的迭代計算；迭代過程中以檢驗(yàn)因子進(jìn)行判別，檢驗(yàn)因子根據(jù)實(shí)際獲取的功率譜計 算得到；迭代過程中采用了黃金分割法以減少迭代次數(shù)、加快計算；本發(fā)明解決了現(xiàn)有技 術(shù)中由主觀假定計算出的噪聲功率不準(zhǔn)確的問題，提高了計算噪聲功率的準(zhǔn)確性，解決了 風(fēng)廓線雷達(dá)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度定量測量的一個關(guān)鍵技術(shù)，使風(fēng)廓線雷達(dá)的應(yīng)用范圍更加廣泛。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例中所需要使用的 附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng) 域技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。
[0024] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的方法流程圖；
[0025] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例二提供的方法流程圖；
[0026] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例二提供的流程圖；
[0027] 圖4、圖5為本發(fā)明實(shí)施例二提供的功率譜；
[0028] 圖6、圖7為本發(fā)明實(shí)施例三提供的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；?本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實(shí)施 例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0030] 為使本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)表述得更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作 詳細(xì)說明。
[0031] 實(shí)施例一
[0032] 本實(shí)施例提供一種確定風(fēng)廓線雷達(dá)噪聲功率的方法，如圖1所示，所述方法包括：
[0033] 101、根據(jù)功率譜生成時采用的窗函數(shù)和功率譜平均次數(shù)確定當(dāng)功率信號全部為 白噪聲時的檢驗(yàn)因子特定值。
[0034] 其中，在確定檢驗(yàn)因子特定值之后，根據(jù)每個距離門的功率譜計算檢驗(yàn)因子；根據(jù) 檢驗(yàn)因子計算結(jié)果判別信號成分、根據(jù)信號成分決定計算流程方向；當(dāng)計算出的檢驗(yàn)因子 等于檢驗(yàn)因子特定值時，功率譜全部為噪聲功率譜，計算流程停止；當(dāng)檢驗(yàn)因子小于所述檢 驗(yàn)因子特定值時，功率譜為噪聲功率譜和氣象信號功率譜的疊加譜，根據(jù)功率譜的最大值 和最小值，執(zhí)行步驟102。
[0035] 102、根據(jù)獲取的每個距離門對應(yīng)的功率譜的最大值和最小值，獲得預(yù)置噪聲功率 密度門限值。所述獲得預(yù)置噪聲功率密度門限值包括：根據(jù)黃金分割優(yōu)選法分割所述功率 譜的最大值和最小值的差值，將分割后的兩部分中較小的值作為所述預(yù)置噪聲功率密度門 限值，計算進(jìn)入迭代流程。
[0036] 103、將功率譜的譜線中幅度高于所述預(yù)置噪聲功率密度門限值的譜線幅度降低 至與所述預(yù)置噪聲功率密度門限值相等，獲得新功率譜。
[0037] 104、根據(jù)新功率譜計算檢驗(yàn)因子；
[0038] 105、調(diào)整所述預(yù)置噪聲功率密度門限值，使得所述檢驗(yàn)因子滿足所述檢驗(yàn)因子特 定值，將滿足所述檢驗(yàn)因子特定值的檢驗(yàn)因子所對應(yīng)的預(yù)置噪聲功率密度門限值作為噪聲 功率密度門限值。
[0039] 具體的，當(dāng)檢驗(yàn)因子小于所述檢驗(yàn)因子特定值時，功率譜中仍然含有氣象信號功 率譜，以預(yù)置噪聲功率密度門限值作為最大值，以功率譜的最小值作為最小值，以黃金分割 優(yōu)選法重新預(yù)置噪聲功率密度門限，返回103 ;當(dāng)檢驗(yàn)因子大于所述檢驗(yàn)因子特定值時，功 率譜中原有的噪聲被壓低，以預(yù)置噪聲功率密度門限值作為最小值，以功率譜的最大值作 為最大值，以黃金分割優(yōu)選法重新預(yù)置噪聲功率密度門限，返回103。
[0040] 可選的，為了滿足不同測量精度的需求，可以作如下定義：若檢驗(yàn)因子減去檢驗(yàn)因 子特定值的差值的絕對值小于等于預(yù)設(shè)值，則所述檢驗(yàn)因子滿足所述檢驗(yàn)因子特定值。其 中通過調(diào)整預(yù)設(shè)值的大小來實(shí)現(xiàn)對噪聲功率精度的控制。
[0041] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例中是根據(jù)實(shí)際獲取的每個距離門的功率譜，確定 各自距離門的噪聲功率密度門限值；確定某個距離門的噪聲功率密度門限值是對該距離門 功率譜的迭代計算；迭代過程中以檢驗(yàn)因子進(jìn)行判別，檢驗(yàn)因子根據(jù)實(shí)際獲取的功率譜計 算得到；迭代過程中采用了黃金分割法以減少迭代次數(shù)、加快計算；本發(fā)明解決了現(xiàn)有技 術(shù)中由主觀假定計算出的噪聲功率不準(zhǔn)確的問題，提高了計算噪聲功率的準(zhǔn)確性，解決了 風(fēng)廓線雷達(dá)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度定量測量的一個關(guān)鍵技術(shù)，使風(fēng)廓線雷達(dá)的應(yīng)用范圍更加廣泛。
[0042] 實(shí)施例二
[0043] 本實(shí)施例提供一種確定風(fēng)廓線雷達(dá)噪聲功率的方法，以風(fēng)廓線雷達(dá)的噪聲功率測 量為例，如圖2所示，所述方法包括：
[0044] 201、獲得原始功率譜s(c〇)。
[0045] 例如，獲得的功率譜s(c〇)如圖4所示。
[0046] 風(fēng)廓線雷達(dá)采用改進(jìn)周期圖法進(jìn)行功率譜估計，過程如下：
[0047] 首先，需要說明的是，隨機(jī)過程X的功率譜s(c〇)要用過程的樣本序列進(jìn)行估計。 隨機(jī)過程的樣本序列x(n) -般為無限長序列。但是，我們只能用χ(η)的一段觀測序列 xN(n)對功率譜進(jìn)行估計。下標(biāo)Ν表示序列長度，那么：
[0048] xN (n) =ws (η) X χ (η) (1)
[0049] 其中，ws(n)是加在樣本序列上的窗函數(shù)(稱為數(shù)據(jù)窗)，下標(biāo)s特指w s(η)是數(shù)據(jù) 窗。如果χΝ(η)是χ(η)的自然截取，那么ws(n)為矩形窗函數(shù)。
[0050] 隨機(jī)過程X的自相關(guān)函數(shù)為：r (m) =Ε [χ (η) χ (n+m) ]，E [ ·]表示期望運(yùn)算。自相關(guān) 函數(shù)一般采用下式估計：

【權(quán)利要求】
1. 一種確定風(fēng)廓線雷達(dá)噪聲功率的方法，其特征在于，包括： 根據(jù)功率譜生成時采用的窗函數(shù)和功率譜平均次數(shù)確定當(dāng)功率信號全部為白噪聲時 的檢驗(yàn)因子特定值；根據(jù)獲取的每個距離門對應(yīng)的功率譜的最大值和最小值，獲得預(yù)置噪 聲功率密度門限值； 將所述功率譜的譜線中幅度高于所述預(yù)置噪聲功率密度門限值的譜線幅度降低至與 所述預(yù)置噪聲功率密度門限相等，獲得新功率譜； 根據(jù)所述新功率譜計算檢驗(yàn)因子； 調(diào)整所述預(yù)置噪聲功率密度門限值，使得所述檢驗(yàn)因子滿足所述檢驗(yàn)因子特定值，將 滿足所述檢驗(yàn)因子特定值的檢驗(yàn)因子所對應(yīng)的預(yù)置噪聲功率密度門限值作為噪聲功率密 度門限值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)獲取的每個距離門對應(yīng)的功率 譜的最大值和最小值，獲得預(yù)置噪聲功率密度門限值包括： 根據(jù)黃金分割優(yōu)選法分割所述功率譜的最大值和最小值的差值，將分割后的兩部分中 較小的值作為所述預(yù)置噪聲功率密度門限值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述調(diào)整所述預(yù)置噪聲功率密度門限值 包括： 若所述檢驗(yàn)因子小于所述檢驗(yàn)因子特定值，將所述預(yù)置噪聲功率密度門限值作為所述 功率譜的最大值，所述功率譜的最小值不變，重新獲得預(yù)置噪聲功率密度門限，進(jìn)行迭代計 算，直至所述檢驗(yàn)因子滿足所述檢驗(yàn)因子特定值； 若所述檢驗(yàn)因子大于所述檢驗(yàn)因子特定值，將所述預(yù)置噪聲功率密度門限值作為所述 功率譜的最小值，所述功率譜的最大值不變，重新獲得預(yù)置噪聲功率密度門限值，進(jìn)行迭代 計算，直至所述檢驗(yàn)因子滿足所述檢驗(yàn)因子特定值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述檢驗(yàn)因子滿足所述檢驗(yàn)因子特定 值包括： 若所述檢驗(yàn)因子減去所述檢驗(yàn)因子特定值的差值的絕對值小于等于預(yù)設(shè)值，則所述檢 驗(yàn)因子滿足所述檢驗(yàn)因子特定值，其中所述預(yù)設(shè)值根據(jù)噪聲功率的精度確定。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述檢驗(yàn)因子為所述功率譜平 均值的平方與所述功率譜的方差的比值。
6. -種確定風(fēng)廓線雷達(dá)噪聲功率的裝置，其特征在于，包括： 確定單元，用于根據(jù)功率譜生成時采用的窗函數(shù)和功率譜平均次數(shù)確定當(dāng)功率信號全 部為白噪聲時的檢驗(yàn)因子特定值； 門限值獲取單元，用于根據(jù)獲取的每個距離門對應(yīng)的功率譜的最大值和最小值，獲得 預(yù)置噪聲功率密度門限值； 功率獲取單元，用于將所述功率譜的譜線中幅度高于所述預(yù)置噪聲功率密度門限值的 譜線幅度降低至與所述預(yù)置噪聲功率密度門限值相等，獲得新功率譜； 計算單元，用于根據(jù)所述新功率譜計算檢驗(yàn)因子； 處理單元，用于調(diào)整所述預(yù)置噪聲功率密度門限值，使得所述檢驗(yàn)因子滿足所述檢驗(yàn) 因子特定值，將滿足所述檢驗(yàn)因子特定值的檢驗(yàn)因子所對應(yīng)的預(yù)置功率密度門限值作為噪 聲功率密度門限值。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述門限值獲取單元具體用于： 根據(jù)黃金分割優(yōu)選法分割所述功率譜的最大值和最小值的差值，將分割后的兩部分中 較小的值作為所述預(yù)置噪聲功率密度門限值。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述處理單元包括： 第一調(diào)整單元，用于當(dāng)所述檢驗(yàn)因子小于所述檢驗(yàn)因子特定值時，將所述預(yù)置噪聲功 率密度門限值作為所述功率譜的最大值，所述功率譜的最小值不變，重新獲得預(yù)置噪聲功 率密度門限，進(jìn)行迭代計算，直至所述檢驗(yàn)因子滿足檢驗(yàn)因子特定值； 第二調(diào)整單元，用于當(dāng)所述檢驗(yàn)因子大于所述檢驗(yàn)因子特定值時，將所述預(yù)置噪聲功 率密度門限值作為所述功率譜的最小值，所述功率譜的最大值不變，重新獲得預(yù)置噪聲功 率密度門限值，進(jìn)行迭代計算，直至所述檢驗(yàn)因子滿足所述檢驗(yàn)因子特定值。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6或8所述的裝置，其特征在于，所述檢驗(yàn)因子滿足所述檢驗(yàn)因子特定 值包括： 若所述檢驗(yàn)因子減去所述檢驗(yàn)因子特定值的差值的絕對值小于等于預(yù)設(shè)值，則所述檢 驗(yàn)因子滿足所述檢驗(yàn)因子特定值，其中所述預(yù)設(shè)值根據(jù)噪聲功率的精度確定。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6-9任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述計算單元計算出的檢驗(yàn)因 子為所述功率譜平均值的平方與所述功率譜的方差的比值。
【文檔編號】G01S7/41GK104122538SQ201310164044
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2013年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月24日
【發(fā)明者】何平, 吳蕾, 魏艷強(qiáng) 申請人:何平, 吳蕾, 魏艷強(qiáng)