[发明专利]基于粒子滤波的双偏振雷达差分传播相移的估计方法

说明书

一种基于粒子滤波的双偏振雷达差分传播相移的估计方法。其包括利用雷达偏振参量间相互关系，建立状态和观测方程；在单个距离门中，进行初始化采样，利用状态方程计算重要性密度函数，将初始化采样数据和重要性密度函数结合得到状态预测值；在单个距离门中，利用观测方程求取似然函数，并实现重要性权值的迭代更新；将全部粒子的状态向量与重要性权值求取均值，由此实现对差分传播相移与差分传播相移率的估计。本发明方法不仅可准确估计差分传播相移，使滤波处理后的数据具有更好的连续性、平滑性和准确性，且由于以雷达偏振参量的不模糊范围为依据进行采样，还可以有效地抑制差分传播相移率的负值，保留真实的气象数据，使用的条件更加广泛。

技术领域

本发明属于气象雷达信号处理技术领域，特别是涉及一种基于粒子滤波的双偏振雷达差分传播相移的估计方法。

背景技术

为了解决气象灾害为我国经济和生活带来的严重影响，气象雷达已经广泛地应用于预防气象灾害、恶劣天气预报与人工影响天气等方面。气象雷达通过发射电磁波探测气象环境，根据回波的变化来评估气象目标的特性，当路径上存在降雨区时，会造成反射率的衰减，为了准确分析气象目标的真实特性，提高降水估测的精度，需要对反射率进行衰减订正。双偏振雷达通过发射水平和垂直极化电磁波不仅能探测到常规的多普勒参量，而且还能获取表征粒子相态和微物理特性的偏振参量，因此在识别粒子相态、定量估测降水等方面较常规多普勒雷达有很大的优势。对于双偏振多普勒雷达而言，差分传播相移率与降雨率之间不仅具有比较高的相关性，而且差分传播相移还具有不受波束传播阻碍效应、雷达校准、传播路径衰减影响的特性，因此可以使用差分传播相移与差分传播相移率进行反射率的衰减订正。

在实际检测中，气象环境的多样性、雷达系统的噪声以及由后向散射引起的差分散射相移都会影响差分传播相移的估计精度。差分传播相移率是由差分传播相移估算得到的，因此差分传播相移率的估算精度受差分传播相移测量值以及估算方法的影响。当差分传播相移估计不准时，会影响后续的雨衰订正结果的准确性，与真实的气象数据不符。因此，对受到污染的差分传播相移进行准确的估计对反射率的衰减订正尤其重要。

传统低通滤波器估计差分传播相移的方法是当连续多个距离门存在非零的差分散射相移时，并不能有效地对差分传播相移进行平滑处理，估计效果不好。通过迭代滤波既可以自动检测到差分散射相移，还能够达到剔除干扰的目的，但是迭代次数难以确定，因此数据处理时间较长。近期国内也开展了在差分传播相移方面的研究，引入卡尔曼滤波方法求取差分传播相移，该方法可以同步估计差分传播相移与差分传播相移率，有效地减小了差分传播相移的波动，但估计得到的差分传播相移率存在负值，与实际气象环境不符。通过小波分析估计得到的差分传播相移具有良好的平滑度，并且减少了差分传播相移率的负值，但是该方法在强降雨区容易受到衰减的偏振参量的影响，使估计结果不准确。综上，上述原因制约了差分传播相移在气象雷达信号处理中的应用与推广。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能够保证偏振参量的估计精度，同时在激励噪声的先验信息未知的情况下也能保留真实的气象信息的基于粒子滤波的双偏振雷达差分传播相移的估计方法。

为了达到上述目的，本发明提供的基于粒子滤波的双偏振雷达差分传播相移的估计方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)利用雷达偏振参量之间的相互关系，建立状态方程和观测方程；

2)在单个距离门中，根据雷达偏振参量的不模糊范围进行初始化采样,然后利用上述状态方程计算重要性密度函数，之后将初始化采样数据和重要性密度函数结合起来共同完成状态预测，得到状态预测值；

3)在单个距离门中，利用步骤1)中得到的观测方程求取似然函数，并实现重要性权值的迭代更新；

4)根据步骤3)获得的重要性权值判定是否符合继续迭代的要求，若不符合要求，进行重采样并重复步骤3)，重新进行状态预测和重要性权值更新，否则进入下一步；