【气象行业标准(QX)】 风廓线雷达信号处理规范

200—8 /
ICS 07.060
中华人民共和国气象行业标准
QX/T78—2007
风廓线雷达信号处理规范
Specification for wind profile radar signal processing2007-06-22发布
中国气象局
2007-10-01实施
中华人民共和国
气象行业标
风廓线雷达信号处理规范
QX/T78—2007
气象出版社出版发行
北京市中关村南大街46号
邮政编码：100081
网址：http：//ctmp.cma.gov.cn发行部：010-68409198
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开本：880×1230
印张：0.75
字数：19千字
反2007年9月第一次印刷
2007年9月第一版
统一书号：135029-5390
定价：10.00元
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1范围
2规范性引用文件
3术语和定义
4信号处理要求
附录A（规范性附录）
相关参数的计算方法
附录B（资料性附录）
参考性技术指标与谱参数典型计算流程表B.1
风廊线雷达信号处理器参考性技术参数表，谱参数计算流程
谱参数含义图
：接收信号流程图
QX/T78—2007
QX/T78—2007
本标准由中国气象局提出。
本标准由中国气象局政策法规司归口。前言
本标准附录A为规范性附录，附录B为资料性附录。本标准起草单位是中国气象科学研究院，主要起草人：何平、孟青、阮征、朱小燕、张文娟等。本标准是首次发布。
1范围
风廓线雷达信号处理规范
本标准规定了风廓线雷达信号处理的术语、基本方法与要求。QX/T78—2007
本标准适用于探测高度在中性大气范围内的各类脉冲多普勒体制风廓线雷达的信号处理，各类脉冲多普勒天气雷达的信号处理也可参照使用。2规范性引用文件
下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注明日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注明日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。GB/T3784一1983雷达名词术语
GB/T12506-1990
GB/T12648—1990
GB/T12649—1990
3术语和定义
测风雷达通用技术条件
天气雷达通用技术条件
气象雷达参数测试方法
下列术语和定义适用于本标准。3.1
coherentintegration
相干积累
相干积分
相参积累
在返信号之间满足相干的条件下，将多个连续返同信号进行累加平均的过程。3.2
相干积累数
numberofcoherentintegration
相干积分数
在返回信号之间满足相干的条件下，对返回信号所进行的累加次数。3.3
返回信号相干时间
echocoherenttime
返向信号序列的自相关系数由1降到1/e的时间。3.4
number of spectral line
谱点数
用FFT算法对时域回波信号进行频率变换，转换后频谱范围内所包含的离散谱线数。3.5
Jtimeof coherentprocessing
相干处理时间
经过对返回信号的相干积累、频谱变换得到回波信号功率谱密度函数的用时。3.6
spectral average
谱平均
对多个向波信号功率谱密度函数的平均。1
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谱平均数numberof spectrum
平均的回波信号功率谱密度函数的个数。3.8
探测周期period of observation风廓线雷达获得一次完整探测数据的用时。3.9
回波信号功率
echopower
在回波信号频宽范围内，对回波信号功率谱密度函数的积分。注：本定义是在频域内对回波信导功率的定义。3.10
多普勒频移Dopplershift
谱平均后的回波信号功率谱密度函数的一阶矩，即（在信号频宽内）回波信号功率谱密度函数与频率乘积的积分平均值。
Dopplervelocity
多普勒速度
径向速度
根据多普勒效应，与多普勒频移相对应的速度值3.12
多普勒频谱宽度Dopplerspectralwidth谱平均后的回波信号功率谱密度函数的二阶中心矩。3.13
速度方差velocityvariance
根据多普勒效应，由多普勒频谱宽度折算成的速度范围值。3.14
refractivity structure parameter折射率结构常数
描述折射率结构函数特征的系数。记为：C%，单位：m-2/3。3.15
基础数据elementarydata
信号处理器输出的数据。
相干积累得益
gain of coherentintegration
相干积累后，功率信噪比提高的倍数，以分贝（dB)值表示。3.17
谱平均得益gainof spectral integration谱平均后，功率信噪比提高的倍数，以分贝（dB)值表示。4信号处理要求
a）在谱矩参数提取过程中，需要进行相干积累、谱变换和谱平均处理。经过相干积累、谱变换和谱平均的处理后，功率信噪比得益应不小于40dB；b）
相于积累数、谱点数和谱平均数要有一定的可选择范围，供实际探测中选择；相干积累数的确定要考虑大气返回信号的自相关时间。大气返回信号的自相关时间与大气状c）
况和风廓线雷达选用的波长有关。低层（3km左右），返回信号相干时间t。<0.2s；高层（10km2
左右），返回信号相干时间t。<2s；QX/T78—2007
d）谱平均数影响探测周期的长短。谱平均数不宜过多，否则会增加探测周期。边界层风廓线雷达的探测周期采用三波束工作方式时不应超过3min；采用五波束工作方式时不应超过6min。对流层风廓线雷达的探测周期采用三波束.T作方式时不应超过6min，采用五波束T作方式时不应超过10min
谱点数影响径向速度测量的分辨率。风廊线雷达径向速度的探测精度要达到厘米量级以上的e
精度；
f）风廓线雷达信号处理器输出的基础数据包括：（离散)功率谱密度函数、信噪比（可导出回波功率、折射率结构常数）、径向速度、速度谱宽。数据长度不小于16位；g）噪声功率的确定
噪声功率（P，）用远距离无气象回波信号距离库的数据确定，也可以用接收系统的噪声带宽B，和系统噪声温度T。估计，其值表示，计算方法见附录A；h）信噪比的计算
信噪比的计算，首先由远距离无气象回波信号的数据与有气象回波信号的数据的比值计算出经过信号处理后的信噪比，然后扣除信号处理的相干积累得益和谱平均得益，信噪比以dB表示，计算方法见附录A；
i）关于折射率结构常数的计算要求计算折射率结构常数时，采用弥散目标雷达气象方程，其向波功率用未经过相干处理和谱平均处理前的回波功率值计算；j）信号处理器应具有杂波抑制、谱对称性判断、野点剔除、多峰识别等多种质量控制功能，QX/T78—2007
A1相干处理时间T。
附录Abzxz.net
(规范性附录）
相关参数的计算方法
在信号相干的前提下，若脉冲重复周期为PRT,相干积累数为N。，谱点数为N，则相干处理时间的理论值为：
T。= PRT× N。× N,
T。应大于实际返向信号的相干时间。A.2探测周期
若脉冲重复周期为PRT、相干积累数为N。，谱点数为Nt，谱平均数为N，波束个数为N,，则探测周期为：
T~ PRT × N× N× N,× N,
A.3相干积累得益
若相干积累数为N。、谱点数为N，则相干积累得益为：10lg(N.× N）dB
A.4谱平均得益
若谱平均数为N.，则谱平均得益为：10lgN，dB
信号处理后，信噪比得益为信号处理相干积累得益与谱平均得益之和。A.5SNR、噪声功率、回波功率的计算(A.2)
某距离库的SNR由该距离库的谱数据与远距离无气象回波距离库的谱数据的比值R来计算：P.+P
SNR=R-1
噪声功率P，用远距离无气象回波信号距离库的数据确定，也可以用接收系统的噪声带宽B，和系统噪声温度T。估计：
Pn=kT,Bn
式中：
波尔兹曼常数。
回波功率由SNR和噪声功率求出：P,= SNR × P,
·（A.7)
B。1参考性技术指标
附录B
（资料性附录）
参考性技术指标与谱参数典型计算流程风廓线雷达信号处理器的参考性技术指标见表B.1。表B.1风廓线雷达信号处理器参考性技术参数表参考性技术指标
A/D速率*
A/D位数
相干积累数
谱点数
谱平均数
边界层风廊线雷达
>3 MHz
128～512
256、512、1024
功率谱分布、S/N、
径向速度、谱宽
注：表中×符导表示视频信导的模数转换率。B.2谱参数典型计算流程
低对流层风廊线雷达
>2 MHz
128~512
256、512、
功率谱分布、S/N、
径向速度、谱宽
QX/T78—2007
对流层风廊线雷达
128~512
256、512、1024
功率谱分布、S/N、
径向速度、谱宽
按处理顺序，谱矩参量的计算分别是相干积累（时域平均）、谱变换、谱平均（频域平均）、谱参数估计，相干积累是风廊线雷达信号处理主要步骤之一。风廊线雷达对信号的相干积累处理在时域中进行。在时域工，风廓线雷达信号处理器将多个连续脉冲的返回信号进行累加平均，理论上要求这些脉冲的返回信号是相干的。
如图B.1所示。针对每个数据库，首先进行若干次相干积累，再将多个相干积累后的数据进行谱变换，得到功率谱密度函数，再将多个功率谱密度函数进行平均（谱平均），最后利用谱平均后的功率谱时间—
时间序列
相一平均
谱变换
谱平均
谱矩计算
谱参数计算流程
QX/T78—2007
密度函数计算回波功率、多普勒频移和多普勒谱宽，并根据多普勒定理fa士2,/入，计算出多普勒速度和速度谱宽。
每次脉冲后对回波的取样，看上去犹如杂乱无章的噪声信号。经过多次的相干积累处理，噪声信号被压低，有用的气象信号显露出来。相干积累具有提高信噪比和滤波的作用，对于微弱信号的检测起着重要作用。相干积累之后信噪比得到有效提高才能进行频谱分析。将相干积累后的时域信号进行频谱变换后，得到气象回波信号的频谱特征。不同于点目标的回波信号，气象回波信号是取样体积内流微团综合作用的结果，所以回波信号不是单一的谱线，而是具有一定宽度的谱线分布。功率谱密度函数一般呈高斯分布。
由于大气端流的作用，一次的功率谱密度函数测量结果仍然具有较强的脉动性。多次功率谱密度的平均后，才能得到相对平稳的结果。B.3谱参数含义图
谱矩参量的含义如图B.2所示。其中P。是回波功率，于。是平均多普勒频移，0-.是谱宽，P，是平均噪声功率。
P。平均噪声功率
P，信号功率
“多普勒谱宽
平均多普勤额移
Af频率间隔
功率谱密度
图B.2谱参数含义图
B。4接收信号流程
雷达返回信号被天线接收后送至接收机。为了提高雷达系统的动态范围，目前大部分风廊线雷达采用数字中频接收机。接收信号经混频后由射频信号变成中频信号，然后对中频信号进行A/D变换：变成数字中频信号送入数字中频接收机。数字中频信号分两路，分别与相位相差元/2的两路本振信号进行混频（又称为鉴相），得到正交I、Q两路信号。I、Q信号经过取样、滤波等处理送至信号处理单元。图B.3是目前风廓线雷达比较普遍的接收信号流程图相于
信号处理单元
接收信号流程图
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