[发明专利]基于傅里叶谱分析的天气雷达图像插值方法的装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于傅里叶谱分析的天气雷达图像插值方法的装置，属于天气雷达图像处理技术领域。

背景技术

天气雷达联网观测资料处理中已经有的常用插值方法为：1)最近邻居法；2)线性内插法；3)Cressman权重方法；4)Barnes方法或指数权重方法。雷达在给定仰角观测所得到的图像资料(常称为PPI)网格化中所涉及的插值方法主要为最近邻居法和双线性插值法。其中，最近邻居法直接取距离插值点最近的观测值，耗时最少但最无插值意义；双线性插值法以距离为权重求插值点4个观测值的加权平均，这样的结果使雷达回波平滑。分析以上插值方法，其共性是插出来的值都是居于其附近观测点所取极大值和极小值之间。在实际中，距离雷达较远的区域内可能存在一些强降水中心，由于远距离处雷达分辨率较低而没有被雷达观测到，用这些插值法也不可能插值出来。这就导致在远距离的回波图上缺少可能存在的一些强回波中心，这些强回波中心在进行雷达拼图的时候因显现不出来，而使回波显得更加平滑，进而影响揭示强对流天气并影响在雷达资料在数值预报模式中的同化和灾害预警等应用。

发明内容

本发明提出一种基于傅里叶谱分析的天气雷达图像插值方法的装置，可凸显因波束展宽、分辨率下降而导致雷达探测不到的强回波中心，并将算法程序固化入芯片，制成运算速度快、可满足实时需求的芯片装置。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

基于傅里叶谱分析的天气雷达图像插值方法的装置，其特征在于，包括PC机和FPGA板；

所述PC机用于预处理并实现与FPGA板之间的通信；

所述FPGA板上设有控制模块、计算模块、存储器模块、通信适配模块以及FIFO；其中，所述控制模块负责整个FPGA板的图像算法处理流程的控制执行，协调各个模块间的合作和同步；

所述计算模块从存储器模块中读取原始图象数据，按照基于傅里叶谱分析的天气雷达图像插值方法进行处理，并将处理结果通过通信适配模块发送给主机；

所述存储器模块采用FPGA的片内RAM，采用Verilog HDL语言实现一个片内的8位RAM，可存储4096个单元；所述计算模块从存储器模块RAM中读取数据和往RAM里写入数据；

所述通信适配模块与主机之间的通信协议采用RS232，传输时一位起始位、八位数据位和一位停止位，通信接口采用FPGA板上的串口；

所述计算单元和通信适配模块之间设FIFO，FIFO是一个先进先出的数据缓存器；

所述计算模块按照基于傅里叶谱分析的大气雷达图像插值方法进行处理，包括以下步骤：

1)在给定的雷达观测方向上，以Δt＝1库为采样间隔，得到此方向上N个回波强度，记为：

X₁,X₂,……,X_N (1)

其中，X_t，t＝1,2,……,N，表示第t个位置的回波强度，对于径向数据t表示距离，对于切向数据，t表示方位角；

2)根据傅里叶谱分析，第t个位置的回波强度X_t还可表示为：

其中，A₀为序列的算术平均值，A_i为第i次谐波的振幅，为第i次谐波的相角，ω_i＝2πf_i为第i次谐波圆频率，t为X_t的位置信息，p为谐波分量个数，f_i为第i次谐波频率；

式(2)也可表示为：

其中傅里叶系数a_i和b_i分别为：

由傅里叶系数a_i和b_i得到谐波振幅A_i与相位

3)记实际雷达的某一仰角PPI图有G个方位角，记为：α₁,α₂,……,α_G，每个方位角上有H个距离库，记为：r₁,r₂,……,r_H，因此，一个径向上H个距离库所组成的数据称为径向数据，记为：同一距离上G个方位所组成的一维数据称为切向数据，记为：