天气雷达信号处理系统算法标校方法和装置与流程

1.本发明属于雷达标校技术领域，特别是涉及一种天气雷达信号处理系统算法标校方法和装置。


背景技术：

2.目前承担我国cinrad的研发和生产任务的各大厂家生产的信号处理器系统不同，硬件结构差异较大，信号处理算法也不一致，导致处理最终结果存在差异，因此在不同厂家天气雷达进行组网时，对同一天气过程的观测中，数据一致性存在较大差异，这严重影响到天气雷达在定量估计降水的应用效果。
3.目前可以起到天气雷达信号处理器系统标校效果的方法主要有两种：一种是采用基于信号源的标校方法，一种是实际天气雷达回波观测方法。信号源标校方法包括机内信号源和机外信号源法，是通过雷达系统机内频率源或机外信号源提供一种已知功率和频率偏移的信号，通过接收机灌入雷达信号处理器系统进行算法处理，然后通过处理的结果，与通过已知信号源量进行理论计算结果进行比对，计算差值，然后对信号处理的结果进行标校。这种方法只能限于单个雷达厂家自身信号处理器系统的标校，无法标校不同厂家信号处理器系统的算法处理结果的一致性；此外，由于信号源产生信号简单，因此，只能对反射率、速度、差分反射率和差分相位进行简单标校，无法对谱宽、相关系数进行标校和比对，无法天气回波信号复杂信号幅度和频谱分布的情况进行标校和比对。
4.另外一种基于实际天气雷达回波观测试验的天气雷达信号处理器系统算法标校。是把标准天气雷达和装备待标校信号处理器系统的雷达系统，安装在临近位置，对同一个天气回波，进行同时观测，然后利用两个雷达观测结果的差异来标校雷达信号处理算法结果。该方法标校是整个雷达系统，包括发射机、接收机和信号处理器算法，当雷达数据不一致性时，无法确定是信号处理算法问题，还是雷达硬件问题；目前出现雷达硬件都经过标校后，最后雷达数据输出结果还是不一致。此外，通过天气回波观测标校，还存在雷达波束观测区域和位置的差异，导致雷达回波本身不一致性带来的处理不一致性。
5.目前没有直接针对不同厂家天气雷达信号处理器系统算法，进行直接标校的流程和方法，无法直接解决不同厂家雷达信号处理系统算法处理结果是否一致性的问题，严重影响到各种型号业务天气雷达组网时的数据不一致性和雷达数据质量。


技术实现要素：

6.提供了本发明以解决现有技术中存在的上述问题。因此，需要一种天气雷达信号处理系统算法标校方法和装置，能实现不通厂家天气雷达信号处理器系统算法的标校，以及实现对现有不同雷达厂家天气雷达信号处理器系统之间从iq信号到基本数据算法处理的一致性标校，以及处理性能的分析。
7.本发明具体采用的技术方案如下：
8.根据本发明的第一方面，提供一种天气雷达信号处理系统算法标校方法，所述方
法包括获取标准数据集，所述标准数据集包括标准iq数据集和标准基本数据集，所述标准iq数据包括雷达原始数据，所述雷达原始数据包括各个雷达距离库的垂直通道和水平通道原始正交的i和q信号，所述标准基本数据集是所述标准iq数据经过标准信号处理器后得到的校准指标参数，所述校准指标参数至少包括反射率、速度、谱宽、差分反射率、差分相位、相关系数、信噪比中的一种；将所述标准iq数据集以径向数据流的形式传输至待标校信号处理系统，并接收来自所述待标校信号处理系统发出的基数据，所述基数据是通过所述待标校信号处理系统对所述标准iq数据集处理后得到的数据；将所述基数据与所述校准指标参数进行比对，标校待标校信号处理系统算法。
9.进一步地，所述将所述标准iq数据集以径向数据流的形式传输至待标校信号处理系统，并接收来自所述待标校信号处理系统发出的基数据，包括：将所述标准iq数据集转换为sweep数据包，所述sweep数据包包括多个径向sweep数据，所述径向sweep数据包括m组sweep数据；以prt时间间隔，或大于prt时间间隔，按照脉冲顺序，连续发送sweep数据包至所述待标校信号处理系统，最后附加发送一个结束标识包；所述连续发送sweep数据包至所述待标校信号处理系统包括发完第1组sweep数据后，然后发送第2组sweep数据，直至发送第m组sweep数据，总共组合起来为一个径向sweep数据，依次类推，再发送下一个径向sweep数据，直至所有径向sweep数据发送至所述待标校信号处理系统；接收来自所述待标校信号处理系统的反馈数据，当所述反馈数据为基数据和结束标示包时，保存所述基数据，当所述反馈数据为反馈失败包时，重新向待标校信号处理系统发送标准iq数据集，在重发次数超出预设的重发阈值时，停止重发。
10.进一步地，所述基数据包括天气雷达水平通道反射率因子、天气雷达径向速度、谱宽、差分反射率因子、差分传播相位、零滞后相关系数、信噪比、dbt滤波前的反射率因子；所述将所述基数据与所述校准指标参数进行比对，确定待标校信号处理系统算法性能是否满足要求，包括：对所述基数据进行径向数匹配、距离库数匹配和有效值匹配得到比对数据，以使相同仰角层的基数据具有相同的径向数和距离库数，同时，每个参与对比的距离库存在一一对应的关系且均为有效值；将所述比对数据与标准基本数据集ppi逐库对比，从回波面积、轮廓和空间结构进行定性比对，并对比基数据ppi差值图，结合色标，通过颜色定性判断回波区域的偏差；将所述比对数据与标准基本数据集的任意径向或任意距离位置的廓线图进行对比通过观察两者是否重合来评估一致性，并同时对比一致性随距离位置或方位角变化的趋势；将所述比对数据与标准基本数据集的任意径向或任意距离位置的散点图进行对比，根据散点图的发散程度来评估一致性或者对散点图进行线性拟合，根据拟合后直线的斜率来评估一致性；定义满足snr＞10db，w《4m/s的回波区域为有效回波区域，定义满足snr＞30db，w《4m/s的回波区域为强回波区域；定义满足0db《snr《10db,w《4m/s的回波区域为弱回波区域，其中snr为信噪比；分别对比这三个区域中的基数据与标准基本数据集之间的平均偏差bias、标准偏差std和相关系数ρ，表示为：
[0011][0012]
[0013][0014]
其中xi表示第i个距离库的标准基数据，yi表示待标校算法处理后第i个距离的基数据，|x
i-yi|表示基数据与标准基本数据集之间的绝对偏差，n为数据有效样本数，i为样本序列号，为n个标准基数据xi的平均值，为n个标准基数据yi的平均值。
[0015]
将基数据从小到大划分，分别计算有效回波区域、强回波区域以及弱回波区域的平均偏差；根据标准信噪比来衡量所述待标校信号处理系统的原始功率和噪声的计算是否准确。
[0016]
进一步地，所述对所述基数据进行径向数匹配、距离库数匹配和有效值匹配得到比对数据，包括：所述径向数匹配包括：将基数据当作二维数组进行处理，数组的行代表径向，数组的列代表距离位置，根据读基数据时从径向头块中获得的方位角，按照如下方法将基数据径向填入空白数组的相应行中：
[0017]
i.方位角向零取整后仅存在一条径向时，将当前径向填入空白数组的相应行中；
[0018]
ii.方位角向零取整后存在多条径向，将后一条径向填入空白数组的相应行中；
[0019]
iii.方位角向零取整后存在方位角缺失，将前一条径向填入空白数组的相应行中；
[0020]
所述距离库数匹配包括：通过如下公式计算基准距离库数b
max
：
[0021][0022]
其中τ为脉冲宽度，prf为脉冲重复频率；
[0023]
若基数据的最大距离库数大于该基准，则将其大于该基准的部分删除；若基数据最大距离库数小于该基准，则令其最大距离库数等于基准距离库数。
[0024]
所述有效值匹配包括：若标准基本数据或基数据中的某距离库为无效值，则其他基数据中对应的距离库也被赋为无效值。
[0025]
进一步地，所述根据标准信噪比来衡量所述待标校信号处理系统的原始功率和噪声的计算是否准确，包括：。
[0026]
当典型标校区的平均偏差小于0.5db，标准偏差小于1db，相关系数大于0.99，表示所述待标校信号处理系统的原始功率和噪声是准确的；
[0027]
在同一雷达标定常数、脉冲积累数、大气常数的条件下，滤抑制前的反射率因子dbt和反射率因子z的平均偏差小于0.2db，标准偏差小于1db，相关系数大于0.99，表示所述待标校信号处理系统的原始功率和噪声是准确的；
[0028]
差分反射率z
dr
的平均偏差小于0.1db，标准偏差小于0.2db，相关系数大于0.99，表示所述待标校信号处理系统的原始功率和噪声是准确的。
[0029]
进一步地，所述将所述基数据与所述校准指标参数进行比对，确定待标校信号处理系统算法性能是否满足要求，包括：
[0030]
对所述基数据进行径向数匹配、距离库数匹配和有效值匹配得到比对数据，以使
相同仰角层的基数据具有相同的径向数和距离库数，同时，每个参与对比的距离库存在一一对应的关系且均为有效值；
[0031]
对地物杂波和天气回波区域进行判断，根据判断的结果分别对所述地物杂波和天气回波区域的基数据进行定性比对和定量比对。
[0032]
进一步地，所述对地物杂波和天气回波区域进行判断包括：
[0033]
对于已经进行过地物杂波抑制的基数据，若某个距离库的滤抑制前的反射率因子dbt和抑制后的反射率因子dbz均为有效值，且满足dbt-dbz》thr，即可判断该距离库为地物杂波，其中thr为判决门限；
[0034]
对于没有进行过地物杂波抑制的基数据，此时dbt＝dbz，设thrz和thrv分别为反射率因子和径向速度的判决门限，若某个距离库的滤抑制前的反射率因子dbz和径向速度v均为有效值，且满足dbz》thrz,abs(v)《thrv，即可判断该距离库为地物杂波。
[0035]
进一步地，所述对地物杂波和天气回波区域进行判断，根据判断的结果分别对所述地物杂波和天气回波区域的基数据进行定性比对和定量比对包括：
[0036]
根据如下公式计算反射率因子距离库之间变化程度的度量tdbz：
[0037][0038]
其中z为反射率因子,i为所选径向的索引号，j为起始距离库的索引号，m为计算tdbz时所选的距离库个数；
[0039]
如果相邻距离库反射率因子满足如下两个条件：
[0040]
sign{z
i,j-z
i,j-1
}＝-sign{z
i,j 1-z
i,j
}
[0041][0042]
则该距离库的某条径向上反射率因子梯度符号改变频繁程度的度量spin为1，统计m个距离库中有多少个满足spin为1的距离库，并计算百分比；
[0043]
根据如下公式计算杂波相位抑制性cpa：
[0044][0045]
其中xn为某距离库的第n个采样i/q序列；
[0046]
利用隶属函数将反射率因子距离库之间变化程度的度量tdbz、距离库的某条径向上反射率因子梯度符号改变频繁程度的度量spin、杂波相位抑制性cpa、差分反射率纹理σ
zdrn
、差分相位纹理σ
φdpn
转换为0～1上的权值，有：
[0047]
[0048][0049][0050][0051][0052]
其中tdbzn为第n个距离库的散射率纹理，spinn为第n个距离库的散射率梯度旋转变化，cpan为第n个距离库的杂波相位抑制性；
[0053]
根据如下公式计算杂波可能性：
[0054][0055]
其中cp的值在0～1之间，若cp＞0.5时，则将该距离库看作地物杂波；
[0056]
根据地物杂波的判断结果，分别将不同算法抑制前后的地物杂波区域和天气回波区域的反射率因子单独保留；对于地物杂波区域和天气回波区域，分别计算基数据ppi差值图，直接分析残留的地物杂波情况和天气回波的损失情况；
[0057]
计算地物杂波抑制定量化指标：地物杂波抑制比(cfsr,clutter filter suppression ratio)和回波功率损失比(welr,weather echo loss ratio)，并且分别计算不同归一化谱宽和径向速度变化的地物杂波抑制比cfsr和回波功率损失比welr，进行曲线之间的对比，地物杂波抑制比cfsr和回波功率损失比welr分别定义为：
[0058]
cfsr＝10log
10
(pc/p
cf
)＝dbz
c-dbz
cf
[0059]
welr＝10log
10
(pw/p
wf
)＝dbz
w-dbz
wf
[0060]
其中pc为单独地物杂波区域抑制前的地物杂波功率，p
cf
为单独地物杂波区域抑制后的地物杂波功率，pw为单独天气回波区域抑制前的天气回波功率，p
wf
为单独天气回波区域抑制后的天气回波功率；
[0061]
若cfsr大于50db，且welr小于1db，则确定所述待标校信号处理系统符合标准要求。
[0062]
根据本发明的第二方面，提供一种天气雷达信号处理系统算法标校装置，所述装置包括信号处理标校系统和待标校信号处理系统：
[0063]
所述信号处理标校系统被配置为获取标准数据集，所述标准数据集包括标准iq数据集和标准基本数据集，所述标准iq数据包括雷达原始数据，所述雷达原始数据包括各个雷达距离库的垂直通道和水平通道原始正交的i和q信号，所述标准基本数据集是所述标准iq数据经过标准信号处理器后得到的校准指标参数，所述校准指标参数至少包括反射率、
速度、谱宽、差分反射率、差分相位、相关系数、信噪比中的一种；将所述标准iq数据集以径向数据流的形式传输至待标校信号处理系统，并接收来自所述待标校信号处理系统发出的基数据；将所述基数据与所述校准指标参数进行比对，标校待标校信号处理系统算法；
[0064]
所述待标校信号处理系统被配置为接收来自所述信号处理标校系统的标准i1数据集，并对所述标准iq数据集处理后得到基数据，将所述基数据传输至所述信号处理标校系统。
[0065]
进一步地，所述信号处理标校系统被进一步配置为：
[0066]
将所述标准iq数据集转换为sweep数据包，所述sweep数据包包括多个径向sweep数据，所述径向sweep数据包括m组sweep数据；
[0067]
以prt时间间隔，或大于prt时间间隔，按照脉冲顺序，连续发送sweep数据包至所述待标校信号处理系统，最后附加发送一个结束标识包；所述连续发送sweep数据包至所述待标校信号处理系统包括发完第1组sweep数据后，然后发送第2组sweep数据，直至发送第m组sweep数据，总共组合起来为一个径向sweep数据，依次类推，再发送下一个径向sweep数据，直至所有径向sweep数据发送至所述待标校信号处理系统；
[0068]
接收来自所述待标校信号处理系统的反馈数据，当所述反馈数据为基数据和结束标示包时，保存所述基数据，当所述反馈数据为反馈失败包时，重新向待标校信号处理系统发送标准iq数据集，在重发次数超出预设的重发阈值时，停止重发。
[0069]
根据本发明各个方案的天气雷达信号处理系统算法标校方法和装置，其至少具有以下技术效果：
[0070]
(1)可对不同雷达厂家信号处理器系统算法的处理结果进行标校和比对，有效的解决了现有厂家雷达信号处理器系统没有统一标校方法，无法相互之间比对的问题，有效地促进不同厂家信号处理算法的改进，降低了雷达数据的不一致性。
[0071]
(2)可对天气雷达信号处理器系统算法中基本参量估计、地物杂波抑制算法进行全面的标校和比对，有效地解决了现有信号源标校法等只能有限地和简单地标校和比对个别算法，无法详细、细致地标校和比对信号处理系统算法优劣的问题，为天气雷达信号信号处理器这个“黑盒子”提供标校和比对手段。
附图说明
[0072]
图1为不同厂家信号处理系统之间标校和比对示意图。
[0073]
图2为标准数据集的建立流程图。
[0074]
图3为基数据信号处理算法标校方法的流程图。
[0075]
图4为方位角匹配方法的流程图。
[0076]
图5为天气雷达地物杂波抑制算法标校方法的流程图。
[0077]
图6为天气雷达基数据信号处理算法和地物杂波抑制信号处理标校流程图。
[0078]
图7a为实施案例1的一次基数据信号处理标校过程的标准基数据文件的反射率因子比对ppi图。
[0079]
图7b为实施案例1的一次基数据信号处理标校过程的待标校信号处理系统1的反射率因子比对ppi图。
[0080]
图7c为实施案例1的一次基数据信号处理标校过程的待标校信号处理系统2的反
射率因子比对ppi图。
[0081]
图8a为实施案例1的标准基数据和待标校信号处理系统1之间每个距离库对应的反射率差值图。
[0082]
图8b为实施案例1的标准基数据和待标校信号处理系统2之间每个距离库对应的反射率差值图。
[0083]
图9a为实施案例1的标准基数据和待标校信号处理系统1之间每个距离库对应的反射率散点图比对图。
[0084]
图9b为实施案例1的标准基数据和待标校信号处理系统2之间每个距离库对应的反射率散点图比对图。
[0085]
图10a为实施案例2的一次地物杂波抑制算法标校过程的标准基数据杂波区域反射率子的ppi图。
[0086]
图10b为实施案例2的一次地物杂波抑制算法标校过程的待标校信号处理系统1的杂波区域反射率子的ppi图。
[0087]
图10c为实施案例2的一次地物杂波抑制算法标校过程的待标校信号处理系统2的杂波区域反射率子的ppi图。
[0088]
图11a为实施案例2的标准基数据和待标校信号处理系统1之间每个距离库对应的反射率差值图，其中右下椭圆部分为天气回波区域。
[0089]
图11b为实施案例2的标准基数据和待标校信号处理系统2之间每个距离库对应的反射率差值图，其中右下椭圆部分为天气回波区域。
具体实施方式
[0090]
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。下面结合附图和具体实施例对本发明的实施例作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。本文中所描述的各个步骤，如果彼此之间没有前后关系的必要性，则本文中作为示例对其进行描述的次序不应视为限制，本领域技术人员应知道可以对其进行顺序调整，只要不破坏其彼此之间的逻辑性导致整个流程无法实现即可。
[0091]
本发明实施例提供一种天气雷达信号处理系统算法标校方法。不同厂家雷达信号处理器系统之间的算法标校流程主要给出了以标准信号处理器或标准iq数据和基本数据为基础，通过网络协议接口，给不同天气雷达信号处理器系统灌入同一iq数据和系统参数，协同控制不同信号处理器进行算法处理工作，以及接收数据进行比对的标定流程；天气雷达信号处理不同算法的标校和比对方法，给出了针对信号处理中的基数据信号处理方法、地物杂波抑制方法的处理要求，采用不同的标校方法及流程。
[0092]
请参阅图1，是本发明实施例的一种应用场景的示意图。信号处理算法标校系统与多个待评估信号处理器系统进行数据交互，例如可以是如图1所示的两个待评估信号处理器系统，待评估信号处理器系统用于对接收的标准iq数据集按照其配置的算法进行处理，并将处理得到的基数据传输至信号处理算法标校系统，将基数据与标准数据进行比对，评估一致性，判断待评估信号处理器系统是否符合要求。
[0093]
具体说来，不同天气雷达信号处理系统算法标校流程和方法主要思路是基于同一标准iq数据，通过以太网通信方式，发送给不同待标校信号处理系统，进行对应算法处理，
并返回处理结果，然后再利用标准基数据，与不同待标校信号处理系统的处理结果进行比对和标校，以衡量待标校信号处理算法的准确性和性能，并反馈信号处理系统进行算法改进，经过多次比对和标校，最终使不同待标校信号处理系统算法的处理性能得到改进和提高，使输出一致性达到业务要求。
[0094]
不同天气雷达信号处理系统算法标校流程和方法分为标准数据集建立、标准协议接口建立、算法标校流程三大部分。
[0095]
标准数据集包括标准iq数据集和标准基本数据集；其中标准iq数据是雷达原始数据，以及和信号处理相关的部分雷达系统参数，其中雷达原始数据包括各个雷达距离库的垂直通道和水平通道原始正交的i和q信号，标准基本数据是iq数据经过标准信号处理器后得到的反射率、速度、谱宽、差分反射率、差分相位、相关系数、信噪比等基本数据；标准iq数据和标准基本数据是一一对应的。
[0096]
根据待标校的不同算法，建立不同的标准iq数据集和基本数据集。对于基数据信号处理算法标校，标准数据集的建立需要选择含有不同snr，不同谱宽的回波。对于地物杂波抑制算法的标校，标准数据集的建立需要选择地物杂波和天气回波空间位置独立，以及地物杂波和天气回波混叠等不同情况的天气回波。
[0097]
标准数据集的建立过程如图2所示。标准iq数据集是通过雷达实际采集或者回波仿真得到，或者经过雷达仿真得到。用来采集iq数据的雷达选择长期性能稳定可靠的雷达，以保证iq数据集的数据质量。标准基数集的建立，则通常采用国内和国外性能优越的信号处理系统进行iq数据处理得到，如目前国内外认可的rvp900天气雷达信号处理系统的输出，以保证基数据集的准确性和具备参考性。
[0098]
标准协议接口建立是指信号处理标校系统与待标校信号处理系统之间建立标校通信接口协议，完成算法标校中的数据通信流程。通信中，信号处理标校系统作为客户端，待标校信号处理系统作为服务端，接口采用tcp/ip作为通信协议，以tlv格式通信(type/length/value)。具体数据协议步骤如下：
[0099]
1)信号处理标校系统，以prt时间间隔，或大于prt时间间隔，按照脉冲顺序，连续发送sweep数据包；即发完第1组sweep数据后，然后发送第2组sweep数据，依次类推，直至发送第m组sweep数据，总共组合起来为1个径向sweep数据；依次类似，信号处理标校系统在发送下一个径向的sweep数据，直至iq文件中所有数据发送完，最后附加发送一个结束标识包，才停止发送。
[0100]
2)待标校信号处理系统，收集一个径向的最后一个脉冲之后，进行信号处理流程后，应该返回该径向的“基数据流回传”数据包，把处理后的基数据，返回给“算法评估平台”。发送完所有基数据以后，附加一个结束标识包。如果处理失败，则待标校信号处理系统反馈失败包。信号处理标校系统如果接收到错误的反馈信息。重发该径向数据；如果重发超过三次，则断开连接，本次任务失败，并记录失败原因。
[0101]
3)信号处理标校系统使用长连接的方式和待标校信号处理系统通信，建立连接后，信号处理标校系统和待标校信号处理系统采用保活机制，如果网络断开，则算法评估平台通知显示断开连接信息。
[0102]
4)信号处理标校系统，发送一个ppi iq文件中的最后数据流和重发发送第1-4个径向数据流后，将待标校信号处理系统返回基数据流存为基数据文件，同时与标准数据进
行对应算法标校处理流程，输出标校结果。同时断开本次连接。结束本次文件的数据传输流程。
[0103]
算法标校流程是在标准数据集建立和标准通信协议建立基础上，信号处理标校系统与待标校信号处理实现标校控制流程的过程，具体步骤如下：
[0104]
1)信号处理标校系统，通过以太网连接不同的待标校信号处理系统，由信号处理标校系统从标准数据集中取出基数据信号处理算法的标准iq文件，并读取标准iq数据，进行协议包形式。
[0105]
2)信号处理标校系统，以径向数据流的形式，把iq数据和信号处理参数，发送不同待标校信号处理系统，然后标校信号处理系统，根据信号处理参数，解析数据和参数，对iq数据进行基数据信号处理算法处理，处理完成后，以基数据流形式反馈给信号处理标校系统。
[0106]
3)信号处理标校系统接收基数据流后，对基数据进行协议解析，并从标准数据集取出标准iq数据对应的标准基数据，然后进行基数据预处理；
[0107]
4)信号处理标校系统按照算法标校流程。算法标校系统对不同待标校信号处理系统处理的结果，执行算法标校方法及流程。如果标校输出指标都小于一定范围，如反射率因子标准偏差应小于1db，则满足要求，说明不同厂家的待标校信号处理系统一致性较好，否则，将要求差异不满足要求的信号处理系统进行算法改进和参数修改，以达到指标要求。
[0108]
下面本发明实施例将详细介绍基数据信号处理算法标校方法以及地物杂波抑制信号处理算法标校方法。
[0109]
请参阅图3，是基数据信号处理算法标校方法的流程图。基数据信号处理算法标校方法的流程为：首先选择标准i/q数据作为不同信号处理系统的基数据信号处理算法的输入，并将处理后的基数据与标准基数据进行比对，主要围绕着不同算法处理后基数据与标准基数据的一致性展开，一致性越好的算法性能越好。其具体包括如下步骤：
[0110]
1)首先，读取标准基数据和待标校信号处理系统处理后的基数据，并对这些基数据进行预处理。基数据包括天气雷达水平通道反射率因子，单位为dbz；天气雷达径向速度，单位为m/s；谱宽，单位为m/s；差分反射率因子，单位为db；差分传播相位，单位为
°
；零滞后相关系数,信噪比，dbt滤波前的反射率因子，单位为dbz。
[0111]
基数据预处理分为径向数匹配、距离库数匹配和有效值匹配，目的是使相同仰角层的基数据具有相同的径向数和距离库数，同时，每个参与对比的距离库存在一一对应的关系且均为有效值。
[0112]
方位角匹配：由于不同算法对实际采集的i/q数据中方位角的处理方式不同，得到的基数据存在着径向没对齐(错位)或径向数不一致的情况，在这种情况下就需要对基数据进行方位角匹配，方位角匹配方法如图4所示。
[0113]
每个基数据可当作一个二维数组来进行处理，数组的行代表径向，数组的列代表距离位置。对于雷达天线旋转一周的体扫数据，理论最大方位角不会超过360
°
，由于仿真中设置的波束宽度(角度分辨率)为1
°
，故最大径向数为360，新建的空白二维数组为360行，而数组的列数则需要根据具体距离库数进行设定。根据读基数据时从径向头块中获得的方位角，按照规则将径向填入空白数组的相应行中，填入规则如下：
[0114]
i.方位角向零取整后仅存在一根径向，此时只需要将该条径向填入空白数组的相
应行中即可。例如，设当前径向的方位角为80.5
°
，后一条径向的方位角为81.5
°
，经过取整后分别为80
°
和81
°
，分别将这两条径向填入空白数组的第80行和第81行；
[0115]
ii.方位角向零取整后存在多根径向，将后一条径向填入空白数组的相应行中。例如，设当前径向的方位角为100.1
°
，后一条径向的方位角为100.9
°
，经过取整后均为100
°
，则取后一条径向填入空白数组的第100行；
[0116]
iii.方位角向零取整后存在方位角缺失，将前一条径向填入空白数组的相应行中。例如，设当前径向的方位角为120.9
°
，后一条径向的方位角为122.1
°
，经过取整后分别为120
°
和122
°
，方位角121
°
出现缺失，则取当前径向填入空白数组的第121行。
[0117]
距离库数匹配：将通过从参考基数据读出的参数计算出来的最大距离库数b
max
作为基准距离库数，计算公式为：
[0118][0119]
其中τ为脉冲宽度，prf为脉冲重复频率。如果某基数据最大距离库数大于该基准，则将其大于该基准的部分删除；如果某基数据最大距离库数小于该基准，则需要添加无效值区域，使得最大距离库数等于该基准。
[0120]
有效值匹配：如果参考基数据和不同算法处理后基数据中某距离库为无效值，则其他基数据中对应距离库也被赋为无效值，不参与后续对比。
[0121]
2)将不同信号处理系统基数据信号处理算法处理后的基数据与标准基数据ppi进行逐库对比，从回波面积、轮廓和空间结构进行定性比对。然后对比基数据ppi差值图，结合色标，通过颜色定性判断偏差哪些回波区域的偏差较大。
[0122]
3)将不同信号处理系统基数据信号处理算法处理后的基数据与标准基数据的某径向或某距离位置的廓线图进行对比通过观察两者是否重合来判断一致性的好坏，同时对比一致性随距离位置或方位角变化的趋势。
[0123]
4)将不同信号处理系统基数据信号处理算法处理后的基数据与标准基数据的某径向或某距离位置的散点图进行对比散点图描绘的是两基数据点对点之间的直接对比，从散点图的发散程度中可以看出基数据一致性的好坏，还可以对散点图进行线性拟合，通过拟合后直线的斜率进行一致性评估。
[0124]
5)由于基数据信号处理算法性能受信噪比影响较大，强、弱回波处理精度往往不同，需要分开进行标校和分析。由于信噪比过低、谱宽过大的回波为杂散点的概率较大，在分析中需要将这部分距离库忽略。因此，设计定义满足snr＞10db,w《4m/s的回波区域为有效回波区域，在此基础上定义满足snr＞30db,w《4m/s的回波区域为强回波区域；定义满足0db《snr《10db,w《4m/s的回波区域为弱回波区域。通过绘制表格，分别对比这三个区域中不同算法处理后基数据与参考基数据之间的平均偏差bias、标准偏差std和相关系数ρ，这三个统计量分别定义为：
[0125][0126]
[0127][0128]
其中xi表示第i个距离库的标准基数据，yi表示待标校算法处理后第i个距离的基数据，|x
i-yi|表示基数据与标准基本数据集之间的绝对偏差，n为数据有效样本数，i为样本序列号，为n个标准基数据xi的平均值，为n个标准基数据yi的平均值。
[0129]
6)通过绘制柱状图，统计不同算法处理后基数据的平均偏差随基数据数值大小分布，即将基数据从小到大按区间划分，分别计算每个区间的平均偏差。
[0130]
7)以标准数据snr的平均偏差来衡量待标校信号处理器系统原始功率和噪声的计算是否准确。当典型标校区snr的平均偏差小于0.5db,标准偏差小于1db，相关系数大于0.99,表示待标校信号处理器原始功率和噪声是准确的，否则待标校信号处理器需要调整噪声和功率。然后，在snr标校基础上，检测滤波前dbt和z,在同一雷达标定常数、脉冲积累数、大气常数等条件下，检测dbt和z的平均偏差小于0.2db,标准偏差小于1db，相关系数大于0.99，否则需要调整dbt和z算法中的数据取样方式、计算常数和算法公式，使dbt和z的误差满足要求。在snr、dbt和z标定准确前提下，检查差分反射率z
dr
的平均偏差小于0.1db,标准偏差小于0.2db，相关系数大于0.99，否则需要调整z
dr
算法中的偏移常数offset和算法公式，使z
dr
的误差满足要求。速度v、w和差分相位是与雷达相位相关的基本参量，速度v、w平均偏差需要小于0.5m/s,标准偏差小于1m/s，相关系数大于0.99，差分相位需要小于1
°
,标准偏差小于3
°
，相关系数大于0.99，否则需要调整算法中的数据取样方式和计算方法。
[0131]
请参阅图5所示，天气雷达地物杂波抑制算法标校方法的流程图。地物杂波抑制算法标校方法的流程为：首先选择包含天气回波和地物杂波回波的标准i/q数据作为待标校信号处理系统的地物杂波抑制处理算法的输入，并将抑制后处理后的基数据与标准基数据进行比对，主要围绕着待标校地物杂波抑制处理后基数据与标准基数据的地物杂波抑制能力，和地物杂波对天气回波的损失等方面展开，地物杂波抑制越低，对天气回波损失越小，地物杂波抑制天气回波前后一致性越好，说明算法性能越好。其具体包括如下步骤：
[0132]
1)读取不同算法抑制前后的基数据文件，并对这些基数据进行预处理。预处理流程与基数据信号处理算法流程相同。
[0133]
2)对地物杂波和天气回波区域进行判断，根据判断的结果分别对这两个区域的基数据进行定性比对和定量比对。判断方法分为地物杂波和天气回波独立的简单判断方法和cmd识别判断方法。
[0134]
i.地物杂波区域简单判断方法
[0135]
该方法是利用地物杂波抑制前后的反射率因子之间差异和地物杂波特征来进行判断的。
[0136]
对于已经进行过地物杂波抑制的基数据，若某个距离库的滤抑制前的反射率因子dbt和抑制后的反射率因子z均为有效值，且满足：
[0137]
dbt-z》thr
[0138]
即可判断该距离库为地物杂波，其中thr为判决门限。当地物杂波抑制程度较好，thr可以设置得更大，以避免更多的天气回波被错误识别。
[0139]
对于没有进行过地物杂波抑制的基数据，此时dbt＝z，可以利用地物杂波反射率因子较大，且速度接近于零的特征来实现地物杂波的识别。设thrz和thrv分别为反射率因子和径向速度的判决门限，若某个距离库的z和v均为有效值，且满足：
[0140]
dbz》thrz,abs(v)《thrv[0141]
即可判断该距离库为地物杂波。
[0142]
该地物杂波区域简单判断方法易于实现，但对于地物杂波功率抑制程度较小且天气回波功率损失较大的基数据，判断准确度较差。
[0143]
ii.cmd判断法
[0144]
cmd判断法的原理可以简单概括为：利用隶属函数将各种特征场转换到0～1上的权值，然后将各种权值利用判决标准和加权综合，最终将结果归一化到0～1之间，并利用一个门限作为地物杂波判决的边界。特征场分为单偏振特征场和双偏振特征场，主要有：
[0145]
a.反射率纹理(tdbz)
[0146]
与天气回波区域相比，地物杂波区域距离库之间反射率因子差异较大，tdbz是反射率因子距离库之间变化程度的度量，定义为：
[0147][0148]
其中z为反射率因子,i为所选径向的索引号，j为起始距离库的索引号，m为计算tdbz时所选的距离库个数。
[0149]
b.反射率梯度旋转变化(spin)
[0150]
spin是某条径向上反射率因子梯度符号改变频繁程度的度量，如果相邻距离库反射率因子满足如下两个条件：
[0151]
sign{z
i,j-z
i,j-1
}＝-sign{z
i,j 1-z
i,j
}
[0152][0153]
则该距离库的spin为1，统计m个距离库中有多少个满足spin为1的距离库，并计算百分比。
[0154]
c.杂波相位抑制性(cpa)
[0155]
cpa的定义式为：
[0156][0157]
其中xn为某距离库的第n个采样i/q序列。由于地物杂波目标基本不动，且相对雷达的距离是一定的，因此，对于不同采样脉冲而言，相位基本不变；而气象目标脉冲间的相位随着径向速度呈现规律变化；噪声脉冲间的相位是随机的。基于以上特征，杂波的cpa一
般很大，气象目标和噪声的cpa接近于0。由于零速度、窄谱宽的天气回波cpa较高，可能与地物杂波的cpa相混淆，一般采用中值滤波来解决这个问题。
[0158]
d.差分反射率纹理(σ
zdrn
)和差分相位纹理(σ
φdpn
)
[0159]
在地物杂波中，zdr和φdp是非常杂噪的，距离库之间差异很大。
[0160]
利用隶属函数将上述特征场的信息转换为0～1上的权值，有：
[0161][0162][0163][0164][0165][0166]
e.杂波可能性(cp)
[0167]
杂波可能性(cp)表达式为：
[0168][0169]
cp的值在0～1之间，一般认为当cp＞0.5时，将该距离库看作地物杂波。
[0170]
3)根据地物杂波区域的判断结果，分别将不同算法抑制前后的地物杂波区域和天气回波区域的反射率因子单独保留下来。对于地物杂波区域和天气回波区域，分别计算基数据ppi差值图，直接分析残留的地物杂波情况和天气回波的损失情况。
[0171]
4)计算地物杂波抑制定量化指标：地物杂波抑制比(cfsr,clutter filter suppression ratio)和回波功率损失比(welr,weather echo loss ratio)，并且分别计算不同归一化谱宽和径向速度变化的cfsr和welr，进行曲线之间的对比，两者分别定义为：
[0172]
cfsr＝10log
10
(pc/p
cf
)＝dbz
c-dbz
cf
[0173]
welr＝10log
10
(pw/p
wf
)＝dbz
w-dbz
wf
[0174]
其中pc为单独地物杂波区域抑制前的地物杂波功率，p
cf
为单独地物杂波区域抑制后的地物杂波功率，pw为单独天气回波区域抑制前的天气回波功率，p
wf
为单独天气回波区域抑制后的天气回波功率。为了便于判断地物杂波抑制效果，通常dbzc选择大于60dbz的区域。
[0175]
5)地物杂波抑制算法通常对零速度天气回波影响较大，因此，将天气回波区域进
一步划分为零速度区域和非零速度区域，分别计算这两个区域内不同算法抑制前后基数据的平均偏差bias、标准偏差std和相关系数ρ。
[0176]
6)用地物杂波抑制比cfsr来衡量地物杂波抑制算法的优劣，一般cfsr应大于50db，而地物抑制算法对天气回波的损失比应小于1db以内，基本达到了标校的目标。
[0177]
下面本发明实施例将结合具体的实施案例来进一步说明本发明的可行性和进步性。
[0178]
实施案例1：
[0179]
本实施例为不同厂家信号处理系统之间基数据算法信号处理标校方法及流程，图1为不同信号处理系统的算法标定方法。图6为不同厂家信号处理系统标校流程，其具体步骤为：
[0180]
(1)不同信号处理系统的算法标定方法为：信号处理标校系统，通过以太网连接待标校信号处理系统1和待标校信号处理系统2；由信号处理标校系统从标准数据集中取出基数据信号处理算法的标准iq文件，并读取标准iq数据，进行协议包形式
[0181]
(2)信号处理标校系统，以径向数据流的形式，把iq数据和信号处理参数，发送待标校信号处理系统1和2，然后标校信号处理系统1和2根据信号处理参数，解析数据和参数，对iq数据进行基数据信号处理算法处理，处理完成后，以基数据流形式反馈给信号处理标校系统。
[0182]
(3)信号处理标校系统接收基数据流后，对基数据进行协议解析，并从标准数据集取出标准iq数据对应的标准基数据，然后进行基数据预处理；
[0183]
(4)信号处理标校系统按照基数据信号处理算法标校流程。算法标校系统对待标校信号处理系统1和待标校信号处理系统2处理的结果，分别给标准基数据进行比对和标校，标出待标校信号处理系统1和待标校信号处理系统2与标准数据集之间的差异。如果两个信号处理系统差异都小于一定范围，如反射率因子标准偏差应小于1db，则满足要求，说明不同厂家的待标校信号处理系统一致性较好，否则，将要求差异不满足要求的信号处理系统进行算法改进和参数修改，以达到指标要求。
[0184]
图7a-c是给出了一次基数据信号处理标校过程的反射率因子比对ppi图，其中图7a，图7b，图7c分别为标准基数据文件的ppi图，待标校信号处理系统1和待标校信号处理系统2的ppi图。从图中对比可以看出，三个图的回波结构和轮廓是一致的，说明标校信号处理系统1和待标校信号处理系统2的基本处理结果是正确的。
[0185]
图8a和图8b分别为标准基数据和待标校信号处理系统1，标准基数据和待标校信号处理系统2之间每个距离库对应的反射率差值图。从图中可以看出，待标校信号处理系统2与标准基数据的反射率差异都在0.5db以内，满足业务要求1db，而待标校信号处理系统1与标准数据集的反射率差异在1-3db之间波动，说明待标校信号处理系统1需要进一步调整参数，以满足要求。
[0186]
图9a和图9b分别为标准基数据和待标校信号处理系统1，标准基数据和待标校信号处理系统2之间每个距离库对应的反射率散点图比对。从图中可以看出，待标校信号处理系统2与标准基数据的反射率差异较小；而待标校信号处理系统1与标准数据集的反射率差异较大。
[0187]
表1给出标准基数据和待标校信号处理系统1，标准基数据和待标校信号处理系统
2在强回波区域和弱回波区域的标准偏差射率因子的平均偏差bias、标准偏差std和相关系数ρ计算值，从表中可以看出，待标校信号处理系统2和标准数平均偏差和标准偏差均为0.005db，与标准数据完全一致；而待标校信号处理系统1的标准偏差达到2db以上，不满足1db以内的要求，需要进一步改进处理算法。
[0188]
表1.两种不同信号处理系统基数据信号处理算法处理后的反射率因子的bias、std和ρ对比
[0189][0190]
实施案例2：
[0191]
本实施例为不同厂家信号处理系统之间地物杂波抑制算法信号处理标校方法及流程，不同信号处理系统的算法标定方法参见图1。不同厂家信号处理系统标校流程参见图2，其具体步骤为：
[0192]
(1)不同信号处理系统的算法标定方法为：信号处理标校系统，通过以太网连接待标校信号处理系统1和待标校信号处理系统2；由信号处理标校系统从标准数据集中取出地物杂波抑制信号处理算法的标准iq文件，并读取标准iq数据，进行协议包形式。
[0193]
(2)信号处理标校系统，以径向数据流的形式，把iq数据和信号处理参数，发送待标校信号处理系统1和2，然后标校信号处理系统1和2根据信号处理参数，解析数据和参数，对iq数据进行地物杂波抑制算法处理，处理完成后，以基数据流形式反馈给信号处理标校系统。
[0194]
(3)信号处理标校系统接收基数据流后，对基数据进行协议解析，并从标准数据集取出地物杂波标校标准iq数据对应的标准基数据，然后进行基数据预处理。
[0195]
(4)信号处理标校系统按照地物杂波抑制算法标校流程。算法标校系统对待标校信号处理系统1和待标校信号处理系统2处理的结果，分杂波区域和天气回波区域两种不同情况进行标校和比对，分别计算出杂波抑制比和天气回波损失比。如果杂波抑制比在50db以上，说明杂波抑制能力满足要求；天气回波损失比越小越好，系统指标要求在1db以内，则可满足设计要求。
[0196]
图10a-c是给出了一次地物杂波抑制算法标校过程的杂波区域的反射率因子比对ppi图，其中图10a，图10b，图10c分别为标准基数据杂波区域反射率子的ppi图，待标校信号处理系统1和待标校信号处理系统2的杂波区域反射率子ppi图。从图中对比可以看出，标校信号处理系统1和待标校信号处理系统2都具有一定的杂波抑制能力。但待标校信号处理系统2抑制能力相对较差，明细残留较多地物回波。
[0197]
表2给出标准基数据和待标校信号处理系统1，标准基数据和待标校信号处理系统2的地物杂波抑制比的计算结果，待标校信号处理系统1抑制比高于50db,满足业务要求。而标校信号处理系统2地物抑制比在40db左右，不满足业务要，需要改进地物抑制算法。
[0198]
表2.两种不同信号处理系统地物杂波算法的杂波抑制比cfsr
[0199] 系统1系统2杂波抑制比cfsr(db)54.8740.08
[0200]
图11a和图11b分别为标准基数据和待标校信号处理系统1，标准基数据和待标校信号处理系统2之间每个距离库对应的反射率差值图。其中右下椭圆部分为天气回波区域，从图中可看出，待标校信号处理系统1与标准数据在抑制前后对天气回波损失小，而待标校信号处理系统2与标准数据在抑制前后对天气回波损失大。
[0201]
表3给出标准基数据和待标校信号处理系统1，标准基数据和待标校信号处理系统2的天气回波损失比的计算结果，待标校信号处理系统1抑制比低于1db,满足业务要求。而标校信号处理系统2地物抑制比在2db以上，不满足业务要，需要改进地物抑制算法。
[0202]
表3.两种不同信号处理系统地物杂波算法的天气回波比welr
[0203] 系统1系统2天气回波损失比welr(db)0.022.34
[0204]
此外，尽管已经在本文中描述了示例性实施例，其范围包括任何和所有基于本发明的具有等同元件、修改、省略、组合(例如，各种实施例交叉的方案)、改编或改变的实施例。权利要求书中的元件将被基于权利要求中采用的语言宽泛地解释，并不限于在本说明书中或本技术的实施期间所描述的示例，其示例将被解释为非排他性的。因此，本说明书和示例旨在仅被认为是示例，真正的范围和精神由以下权利要求以及其等同物的全部范围所指示。
[0205]
以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。例如，上述示例(或其一个或更多方案)可以彼此组合使用。例如本领域普通技术人员在阅读上述描述时可以使用其它实施例。另外，在上述具体实施方式中，各种特征可以被分组在一起以简单化本发明。这不应解释为一种不要求保护的发明的特征对于任一权利要求是必要的意图。相反，本发明的主题可以少于特定的发明的实施例的全部特征。从而，以下权利要求书作为示例或实施例在此并入具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例，并且考虑这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本发明的范围应参照所附权利要求以及这些权利要求赋权的等同形式的全部范围来确定。