[发明专利]一种用于双极化天气雷达的双路多阶相关检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于双极化天气雷达的双路检测方法，尤其涉及一种引入多阶相关量加权和的用于双极化天气雷达的双路多阶相关检测方法。

背景技术

当前，天气雷达（也称多普勒天气雷达）是国内外气象业务单位主要使用的降水观测设备，在危害性短时临近天气预警以及气象防灾减灾过程中发挥着重要且不可替代的作用。信号处理在天气雷达系统中承担着发现气象回波信号、提取气象参量以及数据质量控制等关键任务，其主要流程如图1所示：包括相参积累或非相参积累、信噪比计算、阈值检测、参量提取、数据质量控制等。

目前国内外普遍倾向的双极化升级方案是使用“双发双收”工作模式，即同时发射两路正交极化的电磁波，并同时双通道接收两路正交极的回波。通常，该模式会在原有大功率射频发射输出端后接功分器与极化器，进而产生两路不同极化方向且功率平衡的水平极化与垂直极化发射波，接收处理由两路接收机完成同步处理。其大致流程如下：首先对水平极化接收通道（H通道）输出的同相/正交（I/Q）数据进行相参积累，并通过本底噪声标定结果计算累积信噪比，当信噪比大于某一预设阈值时，就被认为信号中含有目标回波，美国WSR-88D天气雷达与我国部分CINRAD天气雷达将此阈值设为2dB，然后对含有目标回波的信号进行参量提取；参量提取过程中，才会联合另一路垂直极化接收通道（V通道）输出的I/Q数据累积结果进行双极化气象参量提取，以及完成相应的质量控制。

这种易于对已有多普勒天气雷达实现的双极化升级方案也面临一些技术挑战，其中之一是在发射总功率未变的条件下，发射通道增加为两路，每路各自获得总发射功率的50%，相比升级前单一通道发射能量减半，进一步会导致每个接收通道比升级前的回波信噪比减小3dB，如果仍然使用传统的检测方法以及装置处理升级后的回波信号，天气雷达最远作用距离会减小至原距离的0.7倍，从而降低危害性天气发现概率，并会损害弱信号的气象参量估计精度。Scharfenberg（2005）等论证了回波信噪比损失会影响气象目标速度参量的处理效果，将导致退速度模糊的错误率轻微增加。Ice（2011）等研究表明多普勒天气雷达网在双极化“双发双收”升级后，平均灵敏度会降低接近3.5分贝。该检测方法仅使用水平极化回波的信噪比进行阈值比较，延续了传统单极化多普勒天气雷达的检测方法，所以无法弥补由此造成的信噪比损失，导致本底噪声功率较高、弱信号检测水平较低，难以广泛应用。针对此情况，国内外都在探寻一种改进方案。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种能减少“双发双收”模式下回波信噪比损失的用于双极化天气雷达的双路多阶相关检测方法。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明所述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：

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。

具体地，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；

所述步骤（2）中，对于有限样本的自相关函数表示为：