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一种相位历程建模补偿相干积累信噪比损失方法

阅读：293发布：2021-02-24

IPRDB可以提供一种相位历程建模补偿相干积累信噪比损失方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种相位历程建模补偿相干积累信噪比损失方法，包括原始IQ数据接收缓存，每个距离处理单元内脉间平均相位变化值计算，根据脉间平均相位变化值和初相实现相位历程建模，根据相位历程建模数据构建一个复数序列与原始数据进行点乘，以消除回波相位变化，对相位变化补偿后的IQ数据进行相干积累处理，以实现和解决相干积累点数受相干积累时间的限制，同时可对回波相位变化引起的相干积累信噪比损失进行补偿。，下面是一种相位历程建模补偿相干积累信噪比损失方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种相位历程建模补偿相干积累信噪比损失方法，其特征在于，其处理步骤如下：

1)接收回波IQ数据，多普勒信号处理接收前端数字中频接收输出的IQ数据，并进行缓存，以备后续处理需要；

2)进行正常气象雷达回波信号处理，求取每个距离单元的回波平均多普勒速度；

3)根据平均多普勒速度，计算每个距离单元平均相位变化值θ；

4)根据每个距离单元第1个PRT的IQ数据求取初相φ；根据初相和平均相位变化值，实现相位历程建模：φ、φ+θ、φ+2*θ、……φ+(N-1)*θ；

5)根据相位历程建模数据，构建一个复数数组：conj(cos(φ)+j*sin(φ))、conj(cos(φ+θ)+j*sin(φ+θ))……conj(cos(φ+(N-1)θ)+j*sin(φ+(N-1)θ))；与原始数据进行点乘，补偿脉冲间的相位变化；

6)对相位补偿后的数据进行相干积累，实现相位历程建模对相干积累补偿，输出补偿后的相干处理结果。

2.根据权利要求1所述的一种相位历程建模补偿相干积累信噪比损失方法，其特征在于，所述回波IQ数据是指一个输入回波信号序列S中的I、Q数据，对于单路信号强度Z则有：Z＝|I+Q|2＝SS*＝I2+Q2。

3.根据权利要求2所述的一种相位历程建模补偿相干积累信噪比损失方法，其特征在于，为了增大强度的估计精度，同时为了降低噪声干扰的影响，强度值需进行方位和距离上的平均，则有：

4.根据权利要求1所述的一种相位历程建模补偿相干积累信噪比损失方法，其特征在于，所述步骤6)中的相干积累是在时域对输入信号序列S进行2n次可选的积累，即对应距离门回波取平均其计算公式为：

5.根据权利要求4所述的一种相位历程建模补偿相干积累信噪比损失方法，其特征在于，所述步骤6)中的相干积累补偿步骤如下：(1)求出脉间相位变化平均值

对于天气雷达时域处理模式中，直接在时域进行自相关运算，其一阶自相关反映了脉间相位变化，其表达式为：其中，M是时间平均的脉冲数，根据一阶自相关，计算每个距离单元平均相位变化值θ；

(2)根据每个距离单元第1个PRT的IQ数据求取初相φ；根据初相和平均相位变化值，实现相位历程建模：φ、φ+θ、φ+2*θ、……φ+(N-1)*θ；

(3)根据相位历程建模数据，构建一个复数数组A：conj(cos(φ)+j*sin(φ))、conj(cos(φ+θ)+j*sin(φ+θ))……conj(cos(φ+(N-1)θ)+j*sin(φ+(N-1)θ))；与原始数据进行点乘，补偿脉冲间的相位变化；其中conj()为取复数的共轭；

(4)利用相位历程建模数据消除脉冲间的相位变化，得到一个新的时间信号序列S1；

S1＝S×A

(5)对新的时间信号序列S1进行相干积累处理。

说明书全文

一种相位历程建模补偿相干积累信噪比损失方法

技术领域

[0001] 本发明涉及雷达信号处理领域，具体涉及一种相位历程建模补偿相干积累信噪比损失方法。

背景技术

[0002] 在天气雷达数字信号处理系统中，尤其是测云雷达和风廓线雷达信号处理中，需要采用相干积累以提高微弱信号检测能力、减小脉动和进行质量控制。相干积累在时域进行，在信号保持相干的条件下，对一定数量的脉冲回波信号进行平均处理，是时域平均过程，主要目的是提高信噪比，从而使雷达接收机能够检测到有用的微弱信号。

[0003] 相干积累提高信噪比的原理如下：

[0004] 相干积累时，合成信号总功率为A2(式1)所示，a1、a2为时间序列复信号：

[0005]

[0006] (1)对于回波脉冲信号，它是周期信号，可进行同相位累加，即a1＝a2，(式1)变为(式2)：

[0007]

[0008] 即累加后存在额外功率增加项2a1a2。

[0009] (2)对于噪声，是随机信号，累加时cos(a1-a2)是随机值，会一一抵消，故有(式3)：

[0010]

[0011] 即噪声在累加中得不到额外功率增加。

[0012] (3)当积累次数M很大时，信号中会出现许多2aiaj项，使信噪比大大提高。

[0013] 从以上分析可以看出，相干积累是改善信噪比的有效方法。在信号相干和噪声非相干的条件下，相干积累对信噪比的改善与积累次数M成正比。显然，前提是积累要在保持信号相干的条件下进行。将相位不相干的信号相加，如同噪声相加一样，不存在改善信噪比的效果；甚至非相干信号相加非但起不到改善信噪比的作用，还会使信噪比变的更差。信号保持相干时间的长短，和大气状况有关，也和雷达本机性能有关。影响信号相干时间的大气因素，主要是与探测粒子运动状况有关，探测粒子运动引起回波的相位变化快则信号相干积累时间短，反之回波的相位变化慢则相干积累时间长。相位变化的快慢都会引起相干积累对信噪比提高的损失。不同的积累次数和相位偏移(速度)对相干积累的影响较大。随着相干积累数的增加，相干积累带来的信噪比得益受相位影响越大，在某些情况下可能会起到反作用。

[0014] 从以上分析可以看出，要解决相干积累点数受相干积累时间的限制，以及脉间相位变化引起的相干积累信噪比损失，核心问题是找到一个方法补偿回波脉冲间的相位变化。

发明内容

[0015] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种相位历程建模补偿相干积累信噪比损失方法，本发明能够解决天气雷达应用中相干积累受积累时间的影响和相位变化引起相干积累的信噪比损失问题。为了解决该问题，采用先计算每个距离处理单元内脉间平均相位变化值，根据脉间平均相位变化值和初相实现相位历程建模，根据相位历程建模数据构建一个复数序列与原始数据进行点乘，以消除回波相位变化，对相位变化补偿后的IQ数据进行相干积累处理，实现解决相干积累点数受相干积累时间的限制，同时可对回波相位变化引起的相干积累信噪比损失进行补偿。

[0016] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

[0017] 一种相位历程建模补偿相干积累信噪比损失方法，其处理步骤如下：

[0018] 1)接收回波IQ数据，多普勒信号处理接收前端数字中频接收输出的IQ数据，并进行缓存，以备后续处理需要；

[0019] 2)进行正常气象雷达回波信号处理，求取每个距离单元的回波平均多普勒速度；

[0020] 3)根据平均多普勒速度，计算每个距离单元平均相位变化值θ；

[0021] 4)根据每个距离单元第1个PRT的IQ数据求取初相φ；根据初相和平均相位变化值，实现相位历程建模：φ、φ+θ、φ+2*θ、……φ+(N-1)*θ；

[0022] 5)根据相位历程建模数据，构建一个复数数组：conj(cos(φ)+j*sin(φ))、conj(cos(φ+θ)+j*sin(φ+θ))……conj(cos(φ+(N-1)θ)+j*sin(φ+(N-1)θ))；与原始数据进行点乘，补偿脉冲间的相位变化；

[0023] 6)对相位补偿后的数据进行相干积累，实现相位历程建模对相干积累补偿，输出补偿后的相干处理结果。

[0024] 进一步的，所述回波IQ数据是指一个输入回波信号序列S中的I、Q数据，对于单路信号强度Z则有：

[0025] Z＝|I+Q|2＝SS*＝I2+Q2。

[0026] 进一步的，为了增大强度的估计精度，同时为了降低噪声干扰的影响，强度值需进行方位和距离上的平均，则有：

[0027]

[0028]

[0029] 进一步的，所述步骤6)中的相干积累是在时域对输入信号序列S进行2n次可选的积累，即对应距离门回波取平均其计算公式为：

[0030] 其中N表示需要处理的脉冲点数。

[0031] 进一步的，所述步骤6)中的相干积累补偿步骤如下：

[0032] (1)求出脉间相位变化平均值

[0033] 对于天气雷达时域处理模式中，直接在时域进行自相关运算，其一阶自相关反映了脉间相位变化，其表达式为：

[0034]

[0035] 其中，M是时间平均的脉冲数，根据一阶自相关，计算每个距离单元平均相位变化值θ；

[0036]

[0037] (2)根据每个距离单元第1个PRT的IQ数据求取初相φ；根据初相和平均相位变化值，实现相位历程建模：φ、φ+θ、φ+2*θ、……φ+(N-1)*θ；

[0038]

[0039] (3)根据相位历程建模数据，构建一个复数数组A：conj(cos(φ)+j*sin(φ))、conj(cos(φ+θ)+j*sin(φ+θ))……conj(cos(φ+(N-1)θ)+j*sin(φ+(N-1)θ))；与原始数据进行点乘，补偿脉冲间的相位变化；其中conj()为取复数的共轭；

[0040] (4)利用相位历程建模数据消除脉冲间的相位变化，得到一个新的时间信号序列S1；

[0041] S1＝S×A

[0042] (5)对新的时间信号序列S1进行相干积累处理

[0043] 本发明的有益效果是：

[0044] (1)不管是对于S、C还是毫米波段天气雷达雷达，采用本发明可解决相干积累点数受相干积累时间的限制；

[0045] (2)同时对回波相位变化引起的相干积累信噪比损失进行补偿。

[0046] 它包括原始IQ数据接收缓存，每个距离处理单元内脉间平均相位变化值计算，根据脉间平均相位变化值和初相实现相位历程建模，根据相位历程建模数据构建一个复数序列与原始数据进行点乘，以消除回波相位变化，对相位变化补偿后的IQ数据进行相干积累处理，以实现和解决相干积累点数受相干积累时间的限制，同时可对回波相位变化引起的相干积累信噪比损失进行补偿。

附图说明

[0047] 图1为相干积累得益受相位偏移速度的影响；

[0048] 图2为相位历程建模补偿后时间序列相位值和原始时间相位值；

[0049] 图3为相位历程建模补偿相干积累信噪比损失所需信号处理系统组成框图；

[0050] 图4为本发明的流程图。

具体实施方式

[0051] 下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

[0052] 采用本发明方法解决相干积累点数受相干积累时间的限制，同时可对回波相位变化引起的相干积累信噪比损失进行补偿。从前面的分析可知，解决相干积累时间限制和信噪比损失进行补偿的核心问题是采用相位历程建模的方式，补偿掉脉间回波数据的相位变化即可解决上述两个问题。

[0053] 对于一个输入回波信号序列S而言，S由一组I、Q数据组成，其中IQ数据含义：接收的回波信号经模数转换、正交变换后输出的正交数据分量。直接根据I，Q数据来估计强度值，对于单路信号的强度直观地可由I，Q形成的复数的模的平方(式4)来表示：

[0054] Z＝|I+Q|2＝SS*＝I2+Q2 (式4)

[0055] 在实际处理中，为了增大强度的估计精度，同时为了降低噪声干扰的影响，强度值需进行方位和距离上的平均。计算公式如公式(式5)和(式6)所示。

[0056]

[0057]

[0058] 相干积累的具体做法是在时域对输入信号序列s进行2/4/8次等可选的积累，即对应距离门回波取平均。如进行2次相干积累，相干积累后的强度公式如(式7)所示。

[0059]

[0060] 如脉间相位变化为0，则实现了相干积累得益的最大化；如脉间相位变化不为0，则会引起相干积累信噪比损失。为实现解决相干积累点数受相干积累时间的限制，同时可对回波相位变化引起的相干积累信噪比损失进行补偿。采用一种相位历程建模补偿相干积累信噪比损失方法，具体如下：

[0061] (1)求出脉间相位变化平均值

[0062] 对于天气雷达时域处理模式中，直接在时域进行自相关运算，其一阶自相关反映了脉间相位变化，如(式8)所示。

[0063]

[0064] 式中：M是时间平均的脉冲数。

[0065] 根据一阶自相关，计算每个距离单元平均相位变化值θ。

[0066]

[0067] (2)根据每个距离单元第1个PRT的IQ数据求取初相φ(式10)；根据初相和平均相位变化值，实现相位历程建模：φ、φ+θ、φ+2*θ、……φ+(N-1)*θ；

[0068]

[0069] (3)根据相位历程建模数据，构建一个复数数组A：conj(cos(φ)+j*sin(φ))、conj(cos(φ+θ)+j*sin(φ+θ))……conj(cos(φ+(N-1)θ)+j*sin(φ+(N-1)θ))；与原始数据进行点乘，补偿脉冲间的相位变化；其中conj()为取复数的共轭，j表示复数中的虚数单位。

[0070] (4)利用相位历程建模数据消除脉冲间的相位变化，得到一个新的时间信号序列S1；

[0071] S1＝S×A (式11)

[0072] (5)对新的时间信号序列S1进行相干积累处理，因为S1已经没有相位变化，即可实现解决相干积累点数受相干积累时间的限制，同时可对回波相位变化引起的相干积累信噪比损失进行补偿。

[0073] 利用信号源进行模拟脉间相位变化，脉冲重复频率设置为1000Hz，脉间相位变化设置为180°(π)，实际采集的原始时间序列相位值和相位历程建模补偿后时间序列相位值如图2所示。

[0074] 从图2中可以看出：在进行相位历程建模补偿后时间序列相位值为一固定值，消除了脉冲间的相位变化，可以实现解决相干积累点数受相干积累时间的限制，同时可对回波相位变化引起的相干积累信噪比损失进行补偿。1、系统组成

[0075] 为实现相位历程建模补偿相干积累信噪比损失方法，需要一个完整的天气雷达信号处理系统，包括数字中频接收、多普勒信号处理等单元组成，其组成如图3所示，相位历程建模补偿相干积累方法在多普勒信号处理中实现。

[0076] 工作原理

[0077] 如图4所示：根据处理流程，相位历程建模补偿相干积累信噪比损失方法处理处理步骤如下：

[0078] 第一步：接收回波IQ数据。多普勒信号处理接收前端数字中频接收输出的IQ数据，并进行缓存，以备后续处理需要；

[0079] 第二步：进行正常气象雷达回波信号处理，求取每个距离单元的回波平均多普勒速度；

[0080] 第三步：根据平均多普勒速度，计算每个距离单元平均相位变化值θ；

[0081] 第四步：根据每个距离单元第1个PRT的IQ数据求取初相φ；根据初相和平均相位变化值，实现相位历程建模：φ、φ+θ、φ+2*θ、……φ+(N-1)*θ；

[0082] 第五步：根据相位历程建模数据，构建一个复数数组：conj(cos(φ)+j*sin(φ))、conj(cos(φ+θ)+j*sin(φ+θ))……conj(cos(φ+(N-1)θ)+j*sin(φ+(N-1)θ))；与原始数据进行点乘，补偿脉冲间的相位变化；

[0083] 第六步：对相位补偿后的数据进行相干积累，实现相位历程建模对相干积累补偿，输出补偿后的相干处理结果。完成整个相位历程建模补偿相干积累信噪比损失处理。

[0084] 测试结果

[0085] 利用信号源模拟回波输入，在不同的频偏(即代表脉间不同的相位变化)条件下，采用本发明的方法进行相干积累补偿和传统相干积累信噪比值对比如表1所示：

[0086] 表1本发明方法的相干积累补偿和传统相干积累计算强度值对比

[0087]

[0088]

[0089] 从表1可以看出，本发明方法对脉间相位变化(目标回波多普勒频移)引起的相干积累信噪比损失进行了很好的补偿；同时本发明方法因为对脉间相位变化进行了补偿，可解决相干积累点数受相干积累时间的限制。

[0090] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

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