散射計回波信號中降水回波及海面后向散射的分離方法
【專利摘要】本發明提供了一種散射計回波信號中降水回波及海面后向散射的分離方法，通過對接收到的回波信號進行脈沖壓縮輸出壓縮脈沖信號，利用頻率域加窗算法對壓縮脈沖信號進行副瓣抑制，消除了降水回波信號及海面回波信號中均存在的距離副瓣的耦合，有效的分離降水和海面的時域混疊，并在頻率域進行多普勒頻率校正及能量衰減補償，可從復雜的海氣邊界混合回波信號中提取、同步反演有效的降水及海面后向散射系數，消除或補償相互之間影響，實現降水回波與海面后向散射的有效分離。
【專利說明】散射計回波信號中降水回波及海面后向散射的分離方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及海洋-大氣環境監測【技術領域】，尤其涉及散射計回波信號中降水回波及海面后向散射的分離方法。
【背景技術】
[0002]目前，散射計是一種特殊設計的用于高精度測量歸一化后向散射截面的雷達。星載微波散射計是目前獲取全球海面風場最主要的遙感器，由于海表粗糙度是影響后向散射的主要因素，且海表粗糙度與海面風速有一定的對應關系。因此散射計可以通過測量經風場調制的海面后向散射系數，反演得到海面風場。但散射計電磁波受降水的影響非常嚴重，主要體現在降水對電磁波的衰減、多普勒頻率調制以及對海面粗糙度的影響造成后向散射系數改變。對于極端天氣，如臺風、強降雨條件下，星載散射計測得的風矢量存在很大誤差甚至無法工作。QuikSCAT，HY-2衛星散射計等在軌運行的星載散射計，均采用降雨標志的方法將有降水出現的數據剔除，導致散射計在降水區域得不到任何數據，給降水多發區域(尤其是熱帶地區)的海洋環境監測和天氣研究造成了很大損失和阻礙。
[0003]利用散射計獲取海氣邊界層遙感信息是當前國際上的研究熱點。目前還沒有星載微波散射計具備降水與海面后向散射同時觀測的能力。散射計測量海面后向散射系數并反演風場過程中，含有降水的回波往往被當做受污染信號直接丟棄。而在降水測量過程中，海面回波因其能量較強，又會對降水回波形成較強干擾，造成海面附近降水測量誤差很大。因此，去除降水和海面回波之間的相互耦合，成為微波散射計惡劣天氣下提高觀測性能的關鍵。目前，在國內外多個機載實驗系統中已明確提出了對海洋-大氣聯合觀測的需求，如美國麻省大學和Ν0ΑΑ (美國國家海洋與大氣管理局)聯合研制的機載三維風雨微波成像儀(IWRAP, Imaging Wind and Rain Airborne Profiler)。我國的大科學工程航空遙感系統全極化微波散射計也提出了以海面風場和大氣降水兼顧測量的要求。
[0004]在這些機載設備，尤其是星載設備中，為增強回波信噪比并提高距離分辨率，散射計多采用脈沖壓縮體制，但脈沖壓縮距離副瓣會造成臨近目標回波的污染，特別是強散射體附近的弱散射目標，往往會被強散射體的距離副瓣所淹沒(距離副瓣比主瓣低_13dB)。比如距離海面較近的低空微弱降水回波，在時域上很容易被海面回波的距離副瓣污染，無法獲得降水信息(海面回波脈沖壓縮后最高距離副瓣比主瓣低13dB，而降水回波往往比海面回波低50dB以上)。另一方面，當降水強度較大時，降水對海面回波信號的雙向衰減及多普勒頻率調制作用又將給海面后向散射的測量帶來能量域和頻率域誤差。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于，為解決由于散射計回波信號中降水回波及海面后向散射存在耦合，導致反演獲得的降水信息和海面風場信息不準確的問題，本發明提供一種散射計回波信號中降水回波及海面后向散射的分離方法，利用該分離方法可以有效的分離降水和海面的時域混疊，并在頻率域進行多普勒頻率估計及能量衰減補償，可從復雜的海氣邊界混合回波信號中提取、同步反演有效的降水及海面后向散射系數，消除或補償相互之間影響，實現降水回波與海面后向散射的有效分離，以提高散射計在惡劣天氣下的風場/降水反演精度。
[0006]為實現上述目的，本發明提供一種散射計回波信號中降水回波的分離方法，所述降水回波的分離方法包括:
[0007]步驟1)通過多波束散射計生成并發射線性調頻矩形脈沖信號；
[0008]步驟2)在接收端利用匹配濾波器對步驟1)中所述的線性調頻矩形脈沖信號的回波信號進行匹配濾波輸出壓縮脈沖信號，通過頻率域加窗算法進行副瓣抑制；
[0009]步驟3)將壓縮脈沖信號按距離門劃分，并通過脈沖對算法計算平均多普勒頻率和能量，獲得每一距離門的平均多普勒譜和相應的平均功率，所述的平均功率用以提供給定高度上詳盡的降水信息；
[0010]步驟4)用上一步驟所得的不同距離門中平均多普勒譜反演雨滴法向運動速率；
[0011]步驟5)對線性調頻矩形脈沖信號與回波信號中測得的雷達反射率因子沿波束路徑進行衰減校正獲得降水的真實強度。
[0012]作為上述技術方案的進一步改進，所述步驟1)中的線性調頻矩形脈沖信號表示為:
[0013]
【權利要求】
1.散射計回波信號中降水回波的分離方法，其特征在于，所述降水回波的分離方法包括:步驟1)通過多波束散射計生成并發射線性調頻矩形脈沖信號；步驟2)在接收端利用匹配濾波器對步驟1)中所述的線性調頻矩形脈沖信號的回波信號進行匹配濾波輸出壓縮脈沖信號，通過頻率域加窗算法進行副瓣抑制；步驟3)將壓縮脈沖信號按距離門劃分，并通過脈沖對算法計算平均多普勒頻率和能量，獲得每一距離門的平均多普勒譜和相應的平均功率，所述的平均功率用以提供給定高度上詳盡的降水信息；步驟4)用上一步驟所得的不同距離門中平均多普勒譜反演雨滴在不同距離門中的法向運動速率；步驟5)對線性調頻矩形脈沖信號與回波信號中測得的雷達反射率因子沿波束路徑進行衰減校正獲得降水的真實強度。
2.根據權利要求1所述的散射計回波信號中降水回波的分離方法，其特征在于，所述步驟1)中的線性調頻矩形脈沖信號表示為:
3.根據權利要求1所述的散射計回波信號中降水回波的分離方法，其特征在于，所述步驟2)中的匹配濾波輸出壓縮脈沖信號的數學表達式為:
4.根據權利要求1所述的散射計回波信號中降水回波的分離方法，其特征在于，所述步驟2)中的副瓣抑制的抑制度范圍為-40~-70dB，副瓣抑制的抑制函數采用Hamming窗函數或Kaiser窗函數。
5.根據權利要求1所述的散射計回波信號中降水回波的分離方法，其特征在于，所述步驟3)中每一距離門的平均多普勒譜計算公式為:
6.根據權利要求1所述的散射計回波信號中降水回波的分離方法，其特征在于，所述步驟3)中每一距離門的平均功率計算公式為:
7.根據權利要求1所述的散射計回波信號中降水回波的分離方法，其特征在于，所述的不同距離門中平均多普勒譜反演雨滴法向運動速率的計算公式表示為:Vn = fdλ/2其中fd為多普勒頻移，\為雨滴法向運動速度，λ為發射信號波長。
8.根據權利要求1所述的散射計回波信號中降水回波的分離方法，其特征在于，所述降水的真實強度通過積分路徑衰減算法求得，計算公式表示為:
9.散射計回波信號中海面后向散射的分離方法，其特征在于，所述的海面后向散射的分離方向包括:步驟1)在接收端利用匹配濾波器對權利要求1中所述的線性調頻矩形脈沖信號的回波信號進行匹配濾波輸出壓縮脈沖信號，通過頻率域加窗算法進行副瓣抑制，獲得散射計回波信號；步驟2)采用加窗傅立葉變換的方法，從散射計回波信號中選取海面附近回波信號，濾除其中帶有多普勒回波的信號，再進行傅立葉逆變換，得到海面回波信號；步驟3)利用積分路徑衰減算法計算獲得的總降水衰減，矯正降水對海面回波的總衰減，獲得海面后向散射 系數。
10.根據權利要求9所述的散射計回波信號中海面后向散射的分離方法，其特征在于，所述步驟1)中的副瓣抑制的抑制度范圍為-25~-45dB，副瓣抑制的抑制函數采用Hamming窗函數或Kaiser窗函數。
【文檔編號】G01S7/41GK103675788SQ201310654244
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月5日 優先權日:2013年12月5日
【發明者】朱迪, 董曉龍, 何寶宇, 徐星歐, 朱金臺, 王倩, 鮑青柳 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心
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