论文研究-星载天气雷达谱参数估计方法研究.pdf

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基于傅里叶分析(DFT)的谱参数估计方法已被广泛用于测量多普勒天气雷达降水速度,已经证明对于较小的归一化谱宽[(σN)]而言该方法几乎最优。然而该方法局限于地基和空基多普勒天气雷达中较小的[σN][(σN<0.1)]。研究安装在静止轨道卫星上的多普勒天气雷达获取全球的垂直降水速度很有必要。针对星载天气雷达较大的[σN]([σN~0.2]),扩展了一种适用于星载场合的谱参数估计方法。对该方法性能进行了分析,与其他几种形式的DFT谱估计方法及脉冲对处理方法(PPP)比较可看出:在相同的系统参数下,提出的新方法性能最优,能够获得优于0.5 m/s的多普勒测速精度。
汪月霞,何建新,李学华:星载天气雷达谱参数估计方法硏究 2012,48(9)113 波束均匀填充条件下,SNR不同,谱宽为3ms 波束均匀填充条件下,SNR不同,谱宽为3m/s 6 PPP - DFT-Z PPP C DFT-ZN DET-7 DFT-ZN DFT-I N3 DFT-M DFT-I 2 10-50510152025303540 101520 信噪比 SNR/dB 信噪比 SNr/dB (a)速度估计 (b)谱宽估计 图2σ8=3m/s,=6m/s五种方法对比 波束均匀填充条件下,SNR不同,谱宽为5m/s 束均匀填充条件下,SNR不同,谱宽为5m/s =口PPP DFT-Z DFT-ZN - PPP DET-M DFT-Z DFT-I DET-ZN 6 DFT-M DFT-I 10-5051015202530354 10-50510152025303540 信噪比SNR/dB 言噪比SNR/dB (a)速度估计 (b)谱宽估计 图32=5m/s,p=6ms五种方法对比 表3σa-5m/s,不同SNR下五种方法计算的v值 σx<0.1时要小丁DFTI算法,在0.1<σN<0.25时PP方法要 SNridB 方法 大于DFTI算法。由于PPP法是对气象回波电压样本序列求 10-7-5-3-2-1031020304—阶自相关来估计谱距,它不能得到频谱信息及功率密度谱 PPP0.731.031.491.951.813.153.174.724.644.875.095.20 1.592022242.504.064.825.345.35535 所以也无法在频域进行杂波抑制。离散傅里叶分析方法能够 DrN53153135353453053535540534540536539获取频域信息,故能进行·系列的校正处理。对于星载多普 DFTM085156331477521553526559565569559554勒天气雷达而言,测得的回波功率谱宽一般均大于0.1,因此 DFTⅠ5675675595595625685635675862568564563DFT-I方法最适合星载场合,其测速精度优于0.5m/s 所需要的计算量最小,不会明显受混叠的影响并且不会因为 白噪声而产生较大偏差)。然而,随着on的增大,PP算法的4结束语 性能迅速下降。当σ~0.2时,基于DFT的谱距估计性能就会 为了详细监测飓风、龙卷和强风暴,研制安装在静止轨道 优于PPP算法,并且当多普勒谱的形状不满足高斯型时(例如卫星上的多普勒天气雷达获取全球的垂直降水速度已经非常 必要。本文对星载天气雷达谱参数估计方法性能进行了深入 当发生非均匀波束填充时)FT算法的性能较好。 综合图2、图3可看出:五种方法估计精度均受信噪比的影研究,扩展了一种适用于较大归一化谱宽(~0.2)的DFTI 响,PPP、DFTZ、DFT-M影响较明显。当v≠0且SNR<20dB 谱参数估计方法。本文利用气象回波统计特征及星载雷达的 时DFTz具有明显的偏差; DFT-ZN是无偏的,且受SNR变化固定参数,在 MATLAB环境中模拟气象回波,对 PPP DFT-Z 不明显;当SMR大于20dB时,DFTZ和 DFT-ZN算法的性能 DFT-ZN、DFT-M及DFTI五种方法进行仿真实验。对比结果 相当,测速精度较高;当SNR较低时,DFTZ的估计精度急剧显示:在星载场合下(较大的归一化谱宽),DFT法性能最优, 下降,而 DFT-ZN估计精度较高,估计标准差较小;当存在频 且能够获得优于0.5ms的多普勒测速精度。即使信噪比较低 的情况下,也能较好地提取出回波信息。 谱混叠时,这两种算法的性能都会下降,且混叠越多性能下 降越严重。DFTM算法在高SN时也可以获得较高的一阶参考文献: 谱矩估计 由于对噪声进行预处理, DFT-ZN与DFTI受SNR影响较 [1 Im E, Durden S L, Rahmat-Samii Y, et al. Conceptual design of a geostationary radar for monitoring hurricanes[C]/NASA Earth 小,且谱霓估计精度相等(b)图中红线与蓝线重合)。当σN Science Technology Conference, College Park, MD, USA, 2003 0.2时,DFT-性能最优。PPP方法估计得到的垂直速度方差在 (下转130贞

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