一種雙高斯模型濾波器的研究與應用

所屬分類：農業論文閱讀次時間：2020-04-02 16:38

本文摘要：摘要:在天氣雷達信號處理階段，地物雜波的存在是影響數據質量的最大問題，因此，識別并剔除地物回波是天氣雷達信號處理系統的一個重要內容.首先簡要介紹了IIR橢圓地物雜波濾波器的原理;其次介紹了結合雜波識別(CMD)算法的自適應高斯頻域濾波器(GMAP)的濾波算

　　摘要:在天氣雷達信號處理階段，地物雜波的存在是影響數據質量的最大問題，因此，識別并剔除地物回波是天氣雷達信號處理系統的一個重要內容.首先簡要介紹了IIR橢圓地物雜波濾波器的原理;其次介紹了結合雜波識別(CMD)算法的自適應高斯頻域濾波器(GMAP)的濾波算法和雙高斯濾波器(BGMAP)算法，分析了不同回波情況下GMAP濾波器和BGMAP濾波器的濾波效果和運行時間比較;最后根據實際雷達回波信號，分析了IIR橢圓地物雜波濾波器與GMAP濾波器的雜波抑制性能，對兩種濾波器結果進行了分析和比較.結果表明，BGMAP濾波器的雜波抑制性優于GMAP濾波器和IIR橢圓濾波器，然而處理時間較長，適合對回波數據的分析，實時處理時使用GMAP濾波器能滿足實時處理的要求.

　　關鍵詞:地物雜波;天氣雷達;雙高斯濾波器;自適應高斯頻域濾波器

氣象科技進展

　　農業氣象論文投稿刊物：《氣象科技進展》(雙月刊)是氣象科學領域綜合性期刊，2011年6月創刊，氣象科技進展將及時通過多個欄目闡釋氣象及相關領域科學技術的最新進展，是一本面向多領域讀者，以學術評述和前沿信息掃描為特征的專業期刊。

　　0引言

　　通常情況下，地物雜波是指雷達波束在正常傳播情況下探測到的地物回波.地物雜波存在于雷達的低仰角掃描數據或雷達較近的范圍，對于任一特定仰角，典型的地物雜波污染從一個體掃到下一個體掃很少有變化，并且大多數時間都會出現.這嚴重影響雷達的數據估算，噪聲則會影響弱信號的檢測，從而導致參量估算的問題，因此，在信號處理系統中，濾除地物雜波能夠更好地進行氣象觀測.在實際項目中可選擇全程濾波和動態雜波圖濾波.

　　通過CMD(ClutterMitigationDecision)算法識別雜波圖，根據雜波圖對雜波位置進行濾波，減少計算量，實現實時處理.在實際項目中設計了多個濾波器以適應復雜環境條件.本文描述了IIR(InfiniteImpulseResponse)橢圓濾波器、自適應高斯頻域濾波器(GMAP)和雙高斯濾波器(BGMAP)的原理，對GMAP濾波器和BGMAP濾波器進行了詳細的分析和比較，并使用實際天氣雷達數據對IIR橢圓濾波器和GMAP濾波器進行了測試和比較，結果表明:BGMAP濾波器在分析數據時效果比GMAP濾波器效果好，但耗費時間長，不能滿足實時處理要求;GMAP濾波器濾波效果優于IIR濾波器，能滿足實時處理要求.

　　1IIR橢圓濾波器

　　通常情況下，采用的是IIR橢圓濾波器[1]進行地物濾波，因為不需要很大的存儲器和計算量，在工程上比較容易實現.本文選擇的是3階極點和3階零點的IIR濾波器，濾波器系數按照重復頻率Fs=300∶50∶2000等35個頻率，凹口寬度按0.2m/s步進進行濾波器設置，以滿足不同重復頻率、不同凹口寬度要求的應用需要.IIR濾波器存在的主要問題是:1)IIR濾波器有暫態響應時間，濾波器凹口寬度越窄，輸出暫態響應時間就越長;反之就比較短.暫態響應時間長意味著在一個波束寬度內需要有比較多的回波脈沖，否則難以達到所設計的穩態響應.2)濾波器凹口寬度如果設置凹口過寬，會對氣象回波造成損失;如果設置凹口過窄，濾波后地物剩余仍很多.3)會對速度較小的氣象回波或者折疊到零頻附近的氣象回波造成影響.

　　2CMD算法

　　GMAP濾波和BGMAP濾波算法擬合需要一定時間，應當配合動態雜波圖進行濾波，動態雜波圖使用CMD雜波識別方法[2G3]，處理流程如下:1)檢查信噪比SNR，如果SNR<3dB，該距離庫為噪聲，不作任何處理.2)計算3個特征量TDBZ，SPIN，CPA，其中TDBZ選擇以當前距離庫為中心的9個距離庫，SPIN選擇11個庫.3)CPA5點中值濾波.4)通過隸屬函數將3個特征量映射到0G1區間，如式(7)、式(8)、式(9)所示.5)使用模糊邏輯組合SPIN和TDBZ.6)計算地物概率CP，如式(10)所示.7)將地物概率超過0.5的距離庫標識為地物.8)對地物標識CF進行平滑和填充.9)對標識的距離庫進行濾波.10)對濾波后的距離庫重新計算譜數據，包括反射率、速度和譜寬.反射率紋理(TDBZ)是相鄰距離庫的反射率的差平方均值，測量相鄰距離反射率的變化，反映了反射率的平滑程度.

　　3GMAP濾波算法

　　當前國內的主流濾地物雜波算法有IIR濾波及自適應譜濾波，這兩種方案對零頻附近存在天氣信號時，都會造成譜矩估算的偏差.采用有限積累點數進行譜矩估計，相當于對信號加矩形窗，當地物雜波強度較強時，矩形窗對旁瓣的抑制小(-13dB)，從雜波中泄露出的旁瓣功率會把弱的天氣信號淹沒.GMAP算法[4G5]是在2004年由SIGMET公司的兩位工程師Siggia和Passarelli提出的，該算法有以下優點:1)在零頻附近存在天氣信號與雜波疊加的情況下，可在濾除雜波的基礎上，基本恢復天氣信號，使得譜矩估計更為準確;2)在對地物雜波信號的譜寬估計更為準確，可以更好且自適應地估量出剔除地物雜波時所需凹口的寬度(傳統的IIR濾波需手動切換選擇凹口大小);3)可以根據不同的雜信比(CSR)，自適應選擇所加窗函數，從而能對旁瓣達到很好的抑制，又不至于使得主瓣過寬影響氣象目標的譜寬估計.

　　4BGMAP濾波算法

　　BGMAP算法在頻域內去除地物回波，其基本假設是氣象回波和地物回波的功率譜為高斯分布[5].雷達信號的功率譜由3個部分組成:氣象回波、地物雜波和噪聲。

　　5濾波效果分析

　　分析氣象信號，對比GMAP濾波器和BGMAP濾波器效果.在有氣象和強地物的信號時.GMAP濾波器能夠識別出雜波點并擬合出氣象信號，并計算出速度和譜寬.BGMAP濾波器能擬合出雜波信號和氣象信號，并計算出速度和譜寬等信息.二者計算出的速度和譜寬相差不大，但時間差200倍左右.只有氣象信號時，二者雖然錯誤地識別了雜波信號，但都能擬合出氣象信號，并計算出速度和譜寬，時間同樣相差200倍左右.對GMAP和BGMAP進行1000個距離庫運算統計的時間圖，紅線顯示BGMAP與GMAP耗費時間比值，可看出BGMAP計算花費的時間是GMAP的2個數量級，在工程應用中實時性差.本文的實際回波數據是從安徽四創電子股份有限公司的多普勒天氣雷達獲取.顯示了濾波前后反射率因子、濾波后速度V和譜寬W.在零速線上，天氣信號與雜波疊加的情況下，IIR濾波氣象回波損失較大.GMAP濾波器能識別氣象信號和雜波信號，恢復氣象信號，濾波效果優于IIR濾波器.

　　6結束語

　　本文對IIR濾波器、GMAP濾波器和BGMAP濾波器進行了分析和處理，結果表明:在非實時分析時，BGMAP的效果要優于GMAP，能更好地識別出氣象信號和雜波信號;BGMAP濾波器和GMAP濾波器的效果優于IIR濾波器，由于BGGMAP濾波器計算時間要比GMAP計算時間多很多，在工程實踐中，不適合使用BGMAP，會造成資源不夠用.鑒于本文只是對雙高斯地物濾波器算法的初步研究，還未通過長期實際回波驗證，在今后的項目中應作進一步的分析和研究.

　　參考文獻:

　　[1]張海蓉.IIR數字濾波器的設計與實現[J].貴州師范學院學報，2016，32(12):8G11.

　　[2]HUBBERTJC，DIXONM，ELLISSM.WeatherRadarGroundClutter.PartII:RealGTimeIdentificationandFiltering[J].JournalofAtmosphericandOceanicTechnology，2009，26(7):1181G1197.

　　[3]李騰偉.X波段天氣雷達地雜波濾波技術[D].長沙:國防科學技術大學，2016.

　　[4]何建新，王旭，劉艷.自適應高斯頻域濾波器在天氣雷達中的應用[J].氣象，2010，36(6):117G121.

　　[5]孫召平，張持岸，張建云.一種基于高斯模型的自適應地物雜波濾波器算法[J].太赫茲科學與電子信息學報，2013，11(2):250G253.