一种双高斯模型滤波器的研究与应用

所属分类：农业论文阅读次时间：2020-04-02 16:38

本文摘要：摘要:在天气雷达信号处理阶段，地物杂波的存在是影响数据质量的最大问题，因此，识别并剔除地物回波是天气雷达信号处理系统的一个重要内容.首先简要介绍了IIR椭圆地物杂波滤波器的原理;其次介绍了结合杂波识别(CMD)算法的自适应高斯频域滤波器(GMAP)的滤波算

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　　摘要:在天气雷达信号处理阶段，地物杂波的存在是影响数据质量的最大问题，因此，识别并剔除地物回波是天气雷达信号处理系统的一个重要内容.首先简要介绍了IIR椭圆地物杂波滤波器的原理;其次介绍了结合杂波识别(CMD)算法的自适应高斯频域滤波器(GMAP)的滤波算法和双高斯滤波器(BGMAP)算法，分析了不同回波情况下GMAP滤波器和BGMAP滤波器的滤波效果和运行时间比较;最后根据实际雷达回波信号，分析了IIR椭圆地物杂波滤波器与GMAP滤波器的杂波抑制性能，对两种滤波器结果进行了分析和比较.结果表明，BGMAP滤波器的杂波抑制性优于GMAP滤波器和IIR椭圆滤波器，然而处理时间较长，适合对回波数据的分析，实时处理时使用GMAP滤波器能满足实时处理的要求.

　　关键词:地物杂波;天气雷达;双高斯滤波器;自适应高斯频域滤波器

气象科技进展

　　农业气象论文投稿刊物：《气象科技进展》(双月刊)是气象科学领域综合性期刊，2011年6月创刊，气象科技进展将及时通过多个栏目阐释气象及相关领域科学技术的最新进展，是一本面向多领域读者，以学术评述和前沿信息扫描为特征的专业期刊。

　　0引言

　　通常情况下，地物杂波是指雷达波束在正常传播情况下探测到的地物回波.地物杂波存在于雷达的低仰角扫描数据或雷达较近的范围，对于任一特定仰角，典型的地物杂波污染从一个体扫到下一个体扫很少有变化，并且大多数时间都会出现.这严重影响雷达的数据估算，噪声则会影响弱信号的检测，从而导致参量估算的问题，因此，在信号处理系统中，滤除地物杂波能够更好地进行气象观测.在实际项目中可选择全程滤波和动态杂波图滤波.

　　通过CMD(ClutterMitigationDecision)算法识别杂波图，根据杂波图对杂波位置进行滤波，减少计算量，实现实时处理.在实际项目中设计了多个滤波器以适应复杂环境条件.本文描述了IIR(InfiniteImpulseResponse)椭圆滤波器、自适应高斯频域滤波器(GMAP)和双高斯滤波器(BGMAP)的原理，对GMAP滤波器和BGMAP滤波器进行了详细的分析和比较，并使用实际天气雷达数据对IIR椭圆滤波器和GMAP滤波器进行了测试和比较，结果表明:BGMAP滤波器在分析数据时效果比GMAP滤波器效果好，但耗费时间长，不能满足实时处理要求;GMAP滤波器滤波效果优于IIR滤波器，能满足实时处理要求.

　　1IIR椭圆滤波器

　　通常情况下，采用的是IIR椭圆滤波器[1]进行地物滤波，因为不需要很大的存储器和计算量，在工程上比较容易实现.本文选择的是3阶极点和3阶零点的IIR滤波器，滤波器系数按照重复频率Fs=300∶50∶2000等35个频率，凹口宽度按0.2m/s步进进行滤波器设置，以满足不同重复频率、不同凹口宽度要求的应用需要.IIR滤波器存在的主要问题是:1)IIR滤波器有暂态响应时间，滤波器凹口宽度越窄，输出暂态响应时间就越长;反之就比较短.暂态响应时间长意味着在一个波束宽度内需要有比较多的回波脉冲，否则难以达到所设计的稳态响应.2)滤波器凹口宽度如果设置凹口过宽，会对气象回波造成损失;如果设置凹口过窄，滤波后地物剩余仍很多.3)会对速度较小的气象回波或者折叠到零频附近的气象回波造成影响.

　　2CMD算法

　　GMAP滤波和BGMAP滤波算法拟合需要一定时间，应当配合动态杂波图进行滤波，动态杂波图使用CMD杂波识别方法[2G3]，处理流程如下:1)检查信噪比SNR，如果SNR<3dB，该距离库为噪声，不作任何处理.2)计算3个特征量TDBZ，SPIN，CPA，其中TDBZ选择以当前距离库为中心的9个距离库，SPIN选择11个库.3)CPA5点中值滤波.4)通过隶属函数将3个特征量映射到0G1区间，如式(7)、式(8)、式(9)所示.5)使用模糊逻辑组合SPIN和TDBZ.6)计算地物概率CP，如式(10)所示.7)将地物概率超过0.5的距离库标识为地物.8)对地物标识CF进行平滑和填充.9)对标识的距离库进行滤波.10)对滤波后的距离库重新计算谱数据，包括反射率、速度和谱宽.反射率纹理(TDBZ)是相邻距离库的反射率的差平方均值，测量相邻距离反射率的变化，反映了反射率的平滑程度.

　　3GMAP滤波算法

　　当前国内的主流滤地物杂波算法有IIR滤波及自适应谱滤波，这两种方案对零频附近存在天气信号时，都会造成谱矩估算的偏差.采用有限积累点数进行谱矩估计，相当于对信号加矩形窗，当地物杂波强度较强时，矩形窗对旁瓣的抑制小(-13dB)，从杂波中泄露出的旁瓣功率会把弱的天气信号淹没.GMAP算法[4G5]是在2004年由SIGMET公司的两位工程师Siggia和Passarelli提出的，该算法有以下优点:1)在零频附近存在天气信号与杂波叠加的情况下，可在滤除杂波的基础上，基本恢复天气信号，使得谱矩估计更为准确;2)在对地物杂波信号的谱宽估计更为准确，可以更好且自适应地估量出剔除地物杂波时所需凹口的宽度(传统的IIR滤波需手动切换选择凹口大小);3)可以根据不同的杂信比(CSR)，自适应选择所加窗函数，从而能对旁瓣达到很好的抑制，又不至于使得主瓣过宽影响气象目标的谱宽估计.

　　4BGMAP滤波算法

　　BGMAP算法在频域内去除地物回波，其基本假设是气象回波和地物回波的功率谱为高斯分布[5].雷达信号的功率谱由3个部分组成:气象回波、地物杂波和噪声。

　　5滤波效果分析

　　分析气象信号，对比GMAP滤波器和BGMAP滤波器效果.在有气象和强地物的信号时.GMAP滤波器能够识别出杂波点并拟合出气象信号，并计算出速度和谱宽.BGMAP滤波器能拟合出杂波信号和气象信号，并计算出速度和谱宽等信息.二者计算出的速度和谱宽相差不大，但时间差200倍左右.只有气象信号时，二者虽然错误地识别了杂波信号，但都能拟合出气象信号，并计算出速度和谱宽，时间同样相差200倍左右.对GMAP和BGMAP进行1000个距离库运算统计的时间图，红线显示BGMAP与GMAP耗费时间比值，可看出BGMAP计算花费的时间是GMAP的2个数量级，在工程应用中实时性差.本文的实际回波数据是从安徽四创电子股份有限公司的多普勒天气雷达获取.显示了滤波前后反射率因子、滤波后速度V和谱宽W.在零速线上，天气信号与杂波叠加的情况下，IIR滤波气象回波损失较大.GMAP滤波器能识别气象信号和杂波信号，恢复气象信号，滤波效果优于IIR滤波器.

　　6结束语

　　本文对IIR滤波器、GMAP滤波器和BGMAP滤波器进行了分析和处理，结果表明:在非实时分析时，BGMAP的效果要优于GMAP，能更好地识别出气象信号和杂波信号;BGMAP滤波器和GMAP滤波器的效果优于IIR滤波器，由于BGGMAP滤波器计算时间要比GMAP计算时间多很多，在工程实践中，不适合使用BGMAP，会造成资源不够用.鉴于本文只是对双高斯地物滤波器算法的初步研究，还未通过长期实际回波验证，在今后的项目中应作进一步的分析和研究.

　　参考文献:

　　[1]张海蓉.IIR数字滤波器的设计与实现[J].贵州师范学院学报，2016，32(12):8G11.

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

　　[3]李腾伟.X波段天气雷达地杂波滤波技术[D].长沙:国防科学技术大学，2016.

　　[4]何建新，王旭，刘艳.自适应高斯频域滤波器在天气雷达中的应用[J].气象，2010，36(6):117G121.

　　[5]孙召平，张持岸，张建云.一种基于高斯模型的自适应地物杂波滤波器算法[J].太赫兹科学与电子信息学报，2013，11(2):250G253.