地杂波识别方法、设备、存储介质及产品与流程

本发明属于天气雷达，尤其涉及一种基于相控阵天气雷达iq数据时频特征的地杂波识别方法、设备、存储介质及产品。

背景技术：

1、当雷达的波束主瓣或副瓣照射到地面或地面上的物体时，会产生地物回波，也就是地杂波，地杂波会使得雷达对天气的测量产生偏差，因此将地杂波准确地识别出来并抑制在雷达信号处理过程中尤为重要。

2、目前，常用的基于天气雷达iq数据时频特征的杂波识别方法有：杂波消减判决(clutter mitigation decision，cmd)方法和谱杂波识别(spectrum clutteridentification，sci)方法。cmd方法主要根据地杂波的相位和反射率特征定义了相位阵列校准值(clutter phase alignment，cpa)、反射率纹理(texture of reflectivity，tdbz)和反射率径向变化率(spatial variability of reflectivity field，spin)三种特征量来判别地杂波的存在，然后使用模糊逻辑将这三种特征量结合起来识别地杂波，三种特征量的计算方法如下(参考文献为：ice r l,rhoton r d,krause j c,et al.automaticclutter mitigation in the wsr-88d,design,evaluation,and implementation[c].34th conference on radar meteorology,williamsburg,va.2009,93.；hubbert j c,dixon m,ellis s m,et al.weather radar ground clutter.part i:identification,modeling,and simulation[j].journal of atmospheric and oceanic technology,2009,26(7):1165-1180.；hubbert j c,dixon m,ellis s m.weather radar groundclutter.part ii:real-time identification and filtering[j].journal ofatmospheric and oceanic technology,2009,26(7):1181-1197.)：

3、(1)相位阵列校准值主要衡量一组雷达回波脉冲间的相位(i和q时序)稳定性，计算公式为：

4、

5、其中，m表示脉冲数。

6、(2)反射率纹理计算的是相邻距离库的反射率变化率，计算公式为：

7、

8、其中，dbz表示反射率，l表示雷达脉冲数，m表示距离库，n＝l×m。

9、(3)反射率径向变化率反映了反射率在径向梯度的变化，计算公式为：

10、

11、其中，xi-1、xi和xi+1表示三个连续径向距离库的反射率。

12、cmd方法的缺点是当存在降水天气时，无法较好地将地杂波与径向速度为0m/s的气象回波(零速度天气回波)区分开来，导致地杂波识别精度不高。

13、sci方法使用了四种特征量来判别地杂波的存在，分别是频谱功率判别因子(spectral power distribution，spd)、频谱相位波动因子(spectral phasefluctuations，spf)、回波功率空间纹理(power texture，pt)和速度谱宽的空间纹理(spectrum width texture，swt)，并用模糊逻辑将这四种特征量结合起来判断地杂波的存在，四种特征量发定义如下(参考文献为：li y，zhang g，doviak r j.a new approach todetect the ground clutter mixed with weather echoes[c].2011 ieee radarcon(radar).ieee，2011：622-626.；li y，zhang g，doviak r j，et al.a new approach todetect ground clutter mixed with weather signa1s[j].ieee transactions ongeoscience and remote sensing，2012，51(4)：2373-2387.)：

14、(1)频谱功率判别因子衡量的是多普勒谱零频谱宽内的能量与频谱剩余能量的比值，计算公式为：

15、

16、其中，vn表示奈奎斯特速度，vw表示零频谱宽范围两侧的速度大小，a(v)是频谱幅值。

17、(2)回波功率空间纹理反映的是距离库之间平均功率的变化程度，计算公式为：

18、

19、其中，i表示脉冲序号，j表示距离库序号，p表示回波功率，m＝9，代表计算的距离库数量，std表示计算标准差，mean表示计算均值。

20、(3)频谱相位波动因子衡量的是±δvw之间相位变化是否呈线性，假设在[-δvw，vw]之间，频谱相位满足则spf的计算公式为：

21、

22、其中，v∈[-δvw，vw]，v≠0，是频谱相位。

23、(4)速度谱宽的空间纹理反映的是距离库之间谱宽的变化程度，计算方法与pt相同，只是将功率项替换成谱宽项，具体计算公式为：

24、

25、

26、其中，i表示脉冲序号，j表示距离库序号，σ表示谱宽，m＝9，代表距离库数。

27、sci方法主要用于探测存在于天气下的地杂波，即使存在天气，它也能将与天气回波混合的地杂波识别出来，但当信杂比(clutter to signal ratio，csr)较低时，sci方法也不能将地杂波识别出来，且它也容易将零速度天气回波识别成地杂波，造成识别误差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种地杂波识别方法、设备、存储介质及产品，以解决现有地杂波识别方法易将零速度天气回波误识别成地杂波的问题。

2、本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种地杂波识别方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：计算当前方位角的天气判断指标；

4、步骤s2：计算当前方位角中第1个距离库的频谱功率判别因子和相结构函数；

5、步骤s3：将所述步骤s2得到的频谱功率判别因子和相结构函数分别映射到[0,1]区间，得到频谱功率判别因子对地物的隶属度和相结构函数对地物的隶属度；

6、步骤s4：对所述步骤s3得到的频谱功率判别因子对地物的隶属度和相结构函数对地物的隶属度进行加权计算；

7、步骤s5：当所述步骤s4的加权计算结果等于1且当前方位角的天气判断指标小于第一设定阈值时，所述距离库存在地杂波，对当前方位角中的下一个距离库重复所述步骤s2～步骤s5，直到完成当前方位角中所有距离库的地杂波识别；

8、当所述步骤s4的加权计算结果等于1，当前方位角的天气判断指标大于或等于第一设定阈值以及所述距离库的谱宽判别因子小于或等于第二设定阈值时，所述距离库存在地杂波，对当前方位角中的下一个距离库重复所述步骤s2～步骤s5，直到完成当前方位角中所有距离库的地杂波识别；

9、当所述步骤s4的加权计算结果等于1，当前方位角的天气判断指标大于或等于第一设定阈值以及所述距离库的谱宽判别因子大于第二设定阈值时，所述距离库不存在地杂波，对当前方位角中的下一个距离库重复所述步骤s2～步骤s5，直到完成当前方位角中所有距离库的地杂波识别；

10、当所述步骤s4的加权计算结果不等于1时，对当前方位角中的下一个距离库重复所述步骤s2～步骤s5，直到完成当前方位角中所有距离库的地杂波识别；

11、步骤s6：对于下一个方位角，重复所述步骤s1～步骤s5，直到完成每个方位角中每个距离库的地杂波识别。

12、进一步地，所述步骤s1中，当前方位角的天气判断指标的计算公式为：

13、

14、j＝1，2，3，...，nmax；

15、

16、其中，wdj为第j个距离库的天气判断指标，nprt为第j个距离库的脉冲信号数量，p(k)为第j个距离库第k个脉冲信号的频谱功率，nmax为当前方位角的距离库数量，wd为当前方位角的天气判断指标，std( )为标准差函数。

17、进一步地，所述步骤s2中，距离库的频谱功率判别因子的计算公式为：

18、

19、其中，spdj为第j个距离库的频谱功率判别因子，nprt为第j个距离库的脉冲信号数量，p(k)为第j个距离库第k个脉冲信号的频谱功率，len为频谱零频对应的频谱点数，len1为频谱零频对应的频谱点数加上其前或其后两个点的总点数，即len1＝len+2；

20、距离库的相结构函数的计算公式为：

21、

22、其中，psfj为第j个距离库的相结构函数，为第j个距离库第k+1个脉冲信号的相位，为第j个距离库第k个脉冲信号的相位。

23、进一步地，所述步骤s3中，采用隶属函数将得到的频谱功率判别因子和相结构函数映射到[0，1]区间，具体映射公式为：

24、

25、

26、其中，spdj为第j个距离库的频谱功率判别因子，spdjmem为第j个距离库的频谱功率判别因子对地物的隶属度，psfj为第j个距离库的相结构函数，psfjmem为第j个距离库的相结构函数对地物的隶属度。

27、进一步地，所述步骤s4中，加权计算的具体公式为：

28、fjc＝α×spdjmem+β×psfjmem

29、α+β＝1

30、其中，fjc为第j个距离库的地物概率，spdjmem为第j个距离库的频谱功率判别因子对地物的隶属度，psfjmem为第j个距离库的相结构函数对地物的隶属度，α、β均为加权系数。

31、进一步地，所述加权系数α为0.625，所述加权系数β为0.375。

32、进一步地，所述步骤s5中，距离库的谱宽判别因子的具体计算公式为：

33、

34、

35、其中，pmax为区间的最大频谱功率或者任一频谱功率；p( )为第j个距离库的某个脉冲信号的频谱功率；s为最大频谱功率的位置或任一频谱功率的位置，nprt为第j个距离库的脉冲信号数量；p(k)为第j个距离库第k个脉冲信号的频谱功率；len2为频谱点数，spwj为第j个距离库的谱宽判别因子。

36、基于同一构思，本发明还提供一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上的计算机程序/指令，所述处理器执行所述计算机程序/指令以实现如上所述的地杂波识别方法。

37、基于同一构思，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现如上所述的地杂波识别方法。

38、基于同一构思，本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现如上所述的地杂波识别方法。

39、有益效果

40、与现有技术相比，本发明的优点在于：

41、本发明对频谱功率判别因子、相结构函数和谱宽判别因子的计算进行改进，频谱功率判别因子衡量了多普勒谱零频的能量与零频谱宽周围一定范围内的能量和的比值，当天气强度较大(即信杂比较低)时，频谱剩余其他能量总和会增大，改善了传统频谱功率判别因子对地杂波识别概率减小的问题；本发明的谱宽判别因子不仅关注整个多普勒谱的谱宽特征，还关注了局部谱宽特征，能够更好地区分地杂波与零速度天气回波，提高了地杂波识别准确性，解决了容易将零速度天气回波误识别成地杂波的问题。

42、本发明根据地杂波的特征定义频谱功率判别因子、相结构函数和谱宽判别因子，并将定义的频谱功率判别因子、相结构函数和谱宽判别因子结合起来进行地杂波识别，能够有效地区分零速度天气回波与地杂波。