用于偏振天气雷达的非对角线元素回波功率估计量的制作方法
【专利摘要】一种用于偏振天气雷达的非对角线元素回波功率估计量。本发明的实施例旨在改进气象雷达数据中的灵敏度。具体地，本发明的实施例采用改进的后处理技术改进了这样的系统的灵敏度。可以通过在功率和/或反射率确定中使用协方差矩阵的共极元素（非对角线元素）来改进灵敏度。这不仅可以改进灵敏度而且还可以增强识别和改进降水的定量估计。
【专利说明】用于偏振天气雷达的非对角线元素回波功率估计量
【背景技术】
[0001]气象雷达系统的基本目的之一是对围绕地球的大气进行采样以提供降水的定量测量。传统气象雷达提供了在大范围(常常为数百千米的级别)的覆盖。在图1中提供了这样的传统雷达系统如何运行的概括示意图。在此图示中，雷达布置在高出来的地理特征(诸如，山丘或山脉104)的顶点处。雷达生成了随着距离近似线性离散的电磁波束108，附图示出了波束108的宽度如何随着离开雷达的距离而因此增加。在地球表面112上方的不同位置中示出了可能存在的并且系统100企图采样的天气模式116的各种示例。雷达数据的收集可能受制于各种参数，并且由于噪声可能发生损耗。
【发明内容】
[0002]本发明的实施例改进了偏振雷达数据的灵敏度。这可以在后处理期间进行或在数据收集期间实时地进行。可以通过根据偏振协方差矩阵的共极(co-polar)元素(非对角线元素)计算反射率来改进灵敏度，其中，根据投影在水平偏振态和垂直偏振态中的复数(complex)天线电压来计算该偏振协方差矩阵。
【专利附图】
【附图说明】
[0003]本专利或申请文件包含至少一个以彩色绘制的附图。基于请求并支付必要的费用，专利局将提供具有彩色附图的本专利或专利申请公开的副本。
[0004]图1提供了传统的雷达系统的操作的示意图(从国家科学院报告“Flash floodforecasting over complex terrain，，中复制)。
[0005]图2示出了可以被用来实施本发明的实施例的计算系统的简化框图。
[0006]图3是根据本发明的一些实施例的用于确定降水回波功率和/或反射率的处理的流程图。
[0007]图4是示出可以通过实施本发明的实施例而导致的平均灵敏度改进的图。
[0008]图5是示出来自使用传统的技术的单一辐射和来自本发明的实施例的所观测的平均反射率和噪声期望值的图。
[0009]图6是使用传统的技术和本发明的实施例所分析的雷达剖面(profile)的并排比较。
[0010]图7示出了使用本发明的实施例和各种传统的技术的回波检测剖面的比较。【具体实施方式】
[0011]本发明的实施例改进了偏振雷达数据的灵敏度。特别地，本发明的实施例通过改进的后处理技术改进了该种系统的灵敏度。这可以通过使用协方差矩阵的共极元素(非对角线元素)来估计感兴趣区域的功率和/或反射率而完成。这样的实践还可以增强回波识别(identification)并且改进降水的定量估计。本发明的一些实施例已经示出了至少3dB的信号改进。[0012]可以以多种方式实施本发明的实施例。例如，可以通过偏振雷达系统实时地使用本发明的实施例，或可以在对之前收集的偏振雷达I/Q数据进行后处理期间使用本发明的实施例。本发明的实施例可以通过软件来实施。
[0013]图2示出了可以与双偏振雷达系统耦接以用于使用本发明的各种实施例进行环境参数的计算的计算机系统200的简化框图。计算机系统200可以被用来执行图3中所示的计算和/或在本文中所描述的等式中的任一个或所有。附图示出了可以如何以分离的或更加集成的方式实现各个系统元件。示出了具有经由总线226电耦接的硬件元件的计算机200。网络接口 252可以例如通过诸如互联网的网络将计算装置200与其他计算机以可通信方式耦接。硬件元件可以包括处理器202、输入装置204、输出装置206、存储装置208、计算机可读存储介质读取器210a、通信系统214、诸如DPS或专用处理器的处理加速单元216、以及存储器218。计算机可读存储介质读取器210a还可以连接到计算机可读存储介质210b，该组合总体性地代表附加用于临时和/或更加持久地包含计算机可读信息的存储介质的远程的、本地的、固定的和/或可移除的存储装置。
[0014]雷达接口 250与总线226耦接。在一些实施例中，雷达接口 250可以是任意类型的通信接口。例如，雷达接口 250可以是USB接口、UART (通用非同步接收/发射器)接口、串行接口、并行接口等。雷达接口 250可以被配置成与任意类型的雷达系统(诸如双偏振雷达系统)直接地耦接。
[0015]计算机系统200还包括所示出的当前位于工作存储器220内的软件元件，该软件元件包括操作系统224、以及诸如被设计成实施在本文中所描述的方法和/或处理的程序的其他代码222。在一些实施例中，其他代码222可以包括提供用于根据在本文中所公开的各种实施例接收双偏振雷达数据并且操纵该数据的指令的软件。在一些实施例中，其他代码222可以包括可以预测或预报天气事件，并且/或提供实时天气报告和/或警告的软件。可以依照具体的需求使用各种变型。例如，还可以使用定制的硬件，和/或可以以硬件、软件(包括便携软件，诸如小型应用程序)、或硬件和软件两者来实施特定的元件。此外，可以采用到其他计算装置(诸如网络输入/输出装置)的连接。
[0016]本发明的实施例可以用来通过使用偏振协方差矩阵的非对角线元素、根据双偏振雷达数据来估计感兴趣区域的降水回波功率和/或反射率。图3是用于使用这些非对角线元素来估计反射率的处理300的流程图。在块304处，可以将偏振数字雷达信号、代表来自水平(H)接收器信道和垂直(V)接收器信道的复数天线电压的I/Q输入到系统。可以从以电子格式所存储的数字雷达数据或从雷达所收集的实时形式的数据中输入这些信号。然后，在块308处可以计算协方差矩阵R。在块312处可以确定共极协方差元素。协方差矩阵
的共极元素(非对角线元素)可以被标记为氣,或4。这两个元素通常是相等的，并且可以
根据在水平(H)偏振和垂直(V)偏振两者中所接收到的复数信号而估计。因此，Ifct被用来代表在本发明的实施例中任意非对角线元素的使用。
[0017]例如，在块316处可以使用共极协方差元素来估计反射率。例如，可以使用
【权利要求】
1.一种方法，包括: 使用双偏振雷达发射器将雷达信号传播到感兴趣区域中； 收集从所述感兴趣区域中所散射的双偏振雷达回波数据，其中，所述雷达回波数据包括水平复数电压和垂直复数电压； 根据所述雷达回波数据计算协方差矩阵；以及 根据所述协方差矩阵估计降水剖面。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据所述协方差矩阵的非对角线元素来估计所述降水剖面。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述协方差矩阵是所述水平复数电压与所述垂直复数电压的乘积。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，根据所述协方差矩阵的非对角线元素的绝对功率来估计所述降水剖面。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括根据所述协方差矩阵来估计反射率。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，使用
7.一种方法，包括: 使用双偏振雷达发射器将雷达信号传播到感兴趣区域中； 收集从所述感兴趣区域中所散射的双偏振雷达数据，其中，所述雷达数据包括水平复数电压和垂直复数电压； 根据所述双偏振雷达数据计算协方差矩阵；以及 根据所述协方差矩阵来估计反射率。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，根据所述协方差矩阵的非对角线元素来计算所述反射率。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，根据
10.一种雷达系统,包括: 发射器，被配置成将偏振雷达信号发射到感兴趣区域中； 接收器，被配置成接收从所述感兴趣区域散射的偏振数据，其中，所述偏振数据包括水平复数电压和垂直复数电压；以及 至少与所述接收器耦接的计算机系统，其中，所述计算机系统被配置成计算所述偏振数据的协方差矩阵，并且使用所述协方差矩阵来估计所述感兴趣区域的反射率。
11.根据权利要求10所述的雷达系统，其中，使用所述协方差矩阵的非对角线元素来估计所述反射率。
12.根据权利要求10所述的雷达系统，其中，根据所述协方差矩阵的非对角线元素的绝对功率来估计所述反射率。
13.根据权利要求10所述的雷达系统，其中，使用
【文档编号】G01S13/95GK103827691SQ201180071908
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2011年6月28日 优先权日:2011年6月28日
【发明者】雷诺·凯雷宁, 钱德拉塞克兰·文卡塔查拉姆 申请人:芬兰维萨拉有限公司