散射计回波信号中降水回波及海面后向散射的分离方法
【专利摘要】本发明提供了一种散射计回波信号中降水回波及海面后向散射的分离方法，通过对接收到的回波信号进行脉冲压缩输出压缩脉冲信号，利用频率域加窗算法对压缩脉冲信号进行副瓣抑制，消除了降水回波信号及海面回波信号中均存在的距离副瓣的耦合，有效的分离降水和海面的时域混叠，并在频率域进行多普勒频率校正及能量衰减补偿，可从复杂的海气边界混合回波信号中提取、同步反演有效的降水及海面后向散射系数，消除或补偿相互之间影响，实现降水回波与海面后向散射的有效分离。
【专利说明】散射计回波信号中降水回波及海面后向散射的分离方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及海洋-大气环境监测【技术领域】，尤其涉及散射计回波信号中降水回波及海面后向散射的分离方法。
【背景技术】
[0002]目前，散射计是一种特殊设计的用于高精度测量归一化后向散射截面的雷达。星载微波散射计是目前获取全球海面风场最主要的遥感器，由于海表粗糙度是影响后向散射的主要因素，且海表粗糙度与海面风速有一定的对应关系。因此散射计可以通过测量经风场调制的海面后向散射系数，反演得到海面风场。但散射计电磁波受降水的影响非常严重，主要体现在降水对电磁波的衰减、多普勒频率调制以及对海面粗糙度的影响造成后向散射系数改变。对于极端天气，如台风、强降雨条件下，星载散射计测得的风矢量存在很大误差甚至无法工作。QuikSCAT，HY-2卫星散射计等在轨运行的星载散射计，均采用降雨标志的方法将有降水出现的数据剔除，导致散射计在降水区域得不到任何数据，给降水多发区域(尤其是热带地区)的海洋环境监测和天气研究造成了很大损失和阻碍。
[0003]利用散射计获取海气边界层遥感信息是当前国际上的研究热点。目前还没有星载微波散射计具备降水与海面后向散射同时观测的能力。散射计测量海面后向散射系数并反演风场过程中，含有降水的回波往往被当做受污染信号直接丢弃。而在降水测量过程中，海面回波因其能量较强，又会对降水回波形成较强干扰，造成海面附近降水测量误差很大。因此，去除降水和海面回波之间的相互耦合，成为微波散射计恶劣天气下提高观测性能的关键。目前，在国内外多个机载实验系统中已明确提出了对海洋-大气联合观测的需求，如美国麻省大学和Ν0ΑΑ (美国国家海洋与大气管理局)联合研制的机载三维风雨微波成像仪(IWRAP, Imaging Wind and Rain Airborne Profiler)。我国的大科学工程航空遥感系统全极化微波散射计也提出了以海面风场和大气降水兼顾测量的要求。
[0004]在这些机载设备，尤其是星载设备中，为增强回波信噪比并提高距离分辨率，散射计多采用脉冲压缩体制，但脉冲压缩距离副瓣会造成临近目标回波的污染，特别是强散射体附近的弱散射目标，往往会被强散射体的距离副瓣所淹没(距离副瓣比主瓣低_13dB)。比如距离海面较近的低空微弱降水回波，在时域上很容易被海面回波的距离副瓣污染，无法获得降水信息(海面回波脉冲压缩后最高距离副瓣比主瓣低13dB，而降水回波往往比海面回波低50dB以上)。另一方面，当降水强度较大时，降水对海面回波信号的双向衰减及多普勒频率调制作用又将给海面后向散射的测量带来能量域和频率域误差。

【发明内容】

[0005]本发明的目的在于，为解决由于散射计回波信号中降水回波及海面后向散射存在耦合，导致反演获得的降水信息和海面风场信息不准确的问题，本发明提供一种散射计回波信号中降水回波及海面后向散射的分离方法，利用该分离方法可以有效的分离降水和海面的时域混叠，并在频率域进行多普勒频率估计及能量衰减补偿，可从复杂的海气边界混合回波信号中提取、同步反演有效的降水及海面后向散射系数，消除或补偿相互之间影响，实现降水回波与海面后向散射的有效分离，以提高散射计在恶劣天气下的风场/降水反演精度。
[0006]为实现上述目的，本发明提供一种散射计回波信号中降水回波的分离方法，所述降水回波的分离方法包括:
[0007]步骤1)通过多波束散射计生成并发射线性调频矩形脉冲信号；
[0008]步骤2)在接收端利用匹配滤波器对步骤1)中所述的线性调频矩形脉冲信号的回波信号进行匹配滤波输出压缩脉冲信号，通过频率域加窗算法进行副瓣抑制；
[0009]步骤3)将压缩脉冲信号按距离门划分，并通过脉冲对算法计算平均多普勒频率和能量，获得每一距离门的平均多普勒谱和相应的平均功率，所述的平均功率用以提供给定高度上详尽的降水信息；
[0010]步骤4)用上一步骤所得的不同距离门中平均多普勒谱反演雨滴法向运动速率；
[0011]步骤5)对线性调频矩形脉冲信号与回波信号中测得的雷达反射率因子沿波束路径进行衰减校正获得降水的真实强度。
[0012]作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤1)中的线性调频矩形脉冲信号表示为:
[0013]
【权利要求】
1.散射计回波信号中降水回波的分离方法，其特征在于，所述降水回波的分离方法包括:步骤1)通过多波束散射计生成并发射线性调频矩形脉冲信号；步骤2)在接收端利用匹配滤波器对步骤1)中所述的线性调频矩形脉冲信号的回波信号进行匹配滤波输出压缩脉冲信号，通过频率域加窗算法进行副瓣抑制；步骤3)将压缩脉冲信号按距离门划分，并通过脉冲对算法计算平均多普勒频率和能量，获得每一距离门的平均多普勒谱和相应的平均功率，所述的平均功率用以提供给定高度上详尽的降水信息；步骤4)用上一步骤所得的不同距离门中平均多普勒谱反演雨滴在不同距离门中的法向运动速率；步骤5)对线性调频矩形脉冲信号与回波信号中测得的雷达反射率因子沿波束路径进行衰减校正获得降水的真实强度。
2.根据权利要求1所述的散射计回波信号中降水回波的分离方法，其特征在于，所述步骤1)中的线性调频矩形脉冲信号表示为:
3.根据权利要求1所述的散射计回波信号中降水回波的分离方法，其特征在于，所述步骤2)中的匹配滤波输出压缩脉冲信号的数学表达式为:
4.根据权利要求1所述的散射计回波信号中降水回波的分离方法，其特征在于，所述步骤2)中的副瓣抑制的抑制度范围为-40~-70dB，副瓣抑制的抑制函数采用Hamming窗函数或Kaiser窗函数。
5.根据权利要求1所述的散射计回波信号中降水回波的分离方法，其特征在于，所述步骤3)中每一距离门的平均多普勒谱计算公式为:
6.根据权利要求1所述的散射计回波信号中降水回波的分离方法，其特征在于，所述步骤3)中每一距离门的平均功率计算公式为:
7.根据权利要求1所述的散射计回波信号中降水回波的分离方法，其特征在于，所述的不同距离门中平均多普勒谱反演雨滴法向运动速率的计算公式表示为:Vn = fdλ/2其中fd为多普勒频移，\为雨滴法向运动速度，λ为发射信号波长。
8.根据权利要求1所述的散射计回波信号中降水回波的分离方法，其特征在于，所述降水的真实强度通过积分路径衰减算法求得，计算公式表示为:
9.散射计回波信号中海面后向散射的分离方法，其特征在于，所述的海面后向散射的分离方向包括:步骤1)在接收端利用匹配滤波器对权利要求1中所述的线性调频矩形脉冲信号的回波信号进行匹配滤波输出压缩脉冲信号，通过频率域加窗算法进行副瓣抑制，获得散射计回波信号；步骤2)采用加窗傅立叶变换的方法，从散射计回波信号中选取海面附近回波信号，滤除其中带有多普勒回波的信号，再进行傅立叶逆变换，得到海面回波信号；步骤3)利用积分路径衰减算法计算获得的总降水衰减，矫正降水对海面回波的总衰减，获得海面后向散射 系数。
10.根据权利要求9所述的散射计回波信号中海面后向散射的分离方法，其特征在于，所述步骤1)中的副瓣抑制的抑制度范围为-25~-45dB，副瓣抑制的抑制函数采用Hamming窗函数或Kaiser窗函数。
【文档编号】G01S7/41GK103675788SQ201310654244
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月5日 优先权日:2013年12月5日
【发明者】朱迪, 董晓龙, 何宝宇, 徐星欧, 朱金台, 王倩, 鲍青柳 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心