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CN105022036A - 风廓线雷达风速测定方法 - Google Patents

风廓线雷达风速测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及风廓线雷达。本发明公开了一种风廓线雷达风速测定方法。本发明的风廓线雷达风速测定方法，包括步骤：a、接收回波信号进行处理，得到中频信号；b、对中频信号进行数据采样；c、对采样信号进行汉明窗加权处理；d、对加权信号进行快速傅里叶变换；e、对傅里叶变换后的信号进行样条函数插值，找到频谱幅度最大值f2；f、根据下式计算平均风速Vr：其中，f1为发射信号与本振频率的差频，λ为发射信号波长，f2-f1＝Δf为多普勒频移。本发明通过基于样条函数的频谱插值，使得信号的频谱信息更加精细，应用样条插值后的频谱进行中心频率估计，比传统的中心频率测量方法精度提高很多，从而可以大大提高风廓线雷达风速测定的精确度。

Description

风廓线雷达风速测定方法
技术领域
本发明涉及风廓线雷达，特别涉及风廓线雷达风速测定方法。
背景技术
风廓线雷达靠发射单频脉冲信号测量风场信息，其中平均风速信息是通过测量发射脉冲的中心频率的多普勒频移来实现，如测得的发射脉冲和接收脉冲的频谱中心移动(多普勒频移)为△f＝f2-f1，其中f1和f2分别是发射信号和接收信号中心频率，则平均风速Vr可以根据风速公式：
V r = Δ f λ 2 = ( f 2 - f 1 ) λ 2 ,
计算得到。式中，λ为发射信号波长。
通常，发射信号的中心频率f1就是发射脉冲与本振频率的差，即固定中频，为风廓线雷达内部设定参数。而接收信号中心频率f2是根据接收的回波脉冲进行处理后，通过一定的运算程序进行估计得到的。
风廓线雷达风速测定流程如图1所示，可以看出，回波脉冲的中心频率f2估计精确度，是决定平均风速测量精确度的关键因素。传统方法是对采样后的信号直接进行傅里叶变换，然后寻找频谱峰值频率作为中心频率f2的估计值，中心频率f2计算流程如图2所示。由于发射脉冲宽度有限，所以傅里叶变换后的信号频谱的分辨率有限，这就限制了信号中心频率估计的精确度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是提供一种风廓线雷达风速测定方法，通过基于样条函数的频谱插值，使得信号的频谱信息更加精细，提高回波脉冲中心频率f2估计精确度。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，风廓线雷达风速测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、接收回波信号进行处理，得到中频信号；
b、对中频信号进行数据采样；
c、对采样信号进行汉明窗加权处理；
d、对加权信号进行快速傅里叶变换；
e、对傅里叶变换后的信号进行样条函数插值，找到频谱幅度最大值f2；
f、根据下式计算平均风速Vr：
V r = ( f 2 - f 1 ) λ 2
其中，f1为发射信号与本振频率的差频，λ为发射信号波长，f2-f1＝Δf为多普勒频移。
具体的，所述步骤a具体为对接收信号进行下变频处理，得到中频信号。
具体的，所述风廓线雷达发射信号波长为1.55μm，且f1＝81.5MHz。
具体的，步骤b中采样频率为400MHz。
具体的，步骤e所述样条函数插值具体为10000倍样条函数插值。
本发明的有益效果是，通过基于样条函数的频谱插值，使得信号的频谱信息更加精细，应用样条插值后的频谱进行中心频率估计，比传统的中心频率测量方法精度提高很多，从而可以大大提高风廓线雷达风速测定的精确度。
附图说明
图1是现有技术风廓线雷达风速测定流程图；
图2是现有技术风廓线雷达回波信号中频计算流程图；
图3是本发明风廓线雷达风速测定流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。
风廓线雷达风速测定方法，首先向探测区发射中心频率已知的电磁脉冲，通过大气散射后回波信号返回风廓线雷达接收单元。该回波信号由于风速的影响产生了多普勒频移，根据多普勒频移可以计算平均风速。本发明的风廓线雷达风速测定方法，主要流程如图3所示，包括步骤：
第一步，风廓线雷达接收回波信号进行处理，获取中频信号。
该步骤主要是对回波信号进行整形滤波等常规处理，以降低各种噪声的影响。然后将回波信号与本振频率信号混频，通过下变频处理得到中频信号。
第二步，对中频信号进行数据采样。
该步骤根据设定的采样频率对连续的中频信号进行数据采样，得到离散的采样信号。
第三步，对采样后的信号进行汉明窗加权处理。
对采样后的信号进行汉明窗加权后，信号的边沿将会更平缓，从而减小信号在快速傅立叶变换后的频谱泄漏，使频谱分辨效果更好。
第四步，对加权信号进行快速傅里叶变换。
该步骤对上述加权信号在频域进行离散变换，得到频谱分布。
第五步，对傅里叶变换后的信号进行样条函数插值，找到频谱幅度最大值f2。
第六步，根据下式计算平均风速Vr：
V r = ( f 2 - f 1 ) λ 2
其中，f1为发射信号与本振频率的差频，λ为发射信号波长，f2-f1＝Δf为多普勒频移。
与现有技术风速测定流程图1比较，本发明的风速测定方法的区别就在于回波脉冲的中频计算方法不同。根据图2现有技术风廓线雷达回波信号中频计算流程图可知，现有技术是对采样后的信号直接进行傅里叶变换，然后在频率-振幅图中寻找振幅最大的频率作为中心频率f2的值。而本发明回波信号中频计算方法是，对采样后的信号先进行汉明窗加权，然后进行FFT(快速傅里叶变换)运算，并通过样条函数插值展宽频谱图，最后根据频谱峰值得到回波信号中频f2。
实施例
设定发射脉冲为固定频率的高频激光脉冲，其波长λ＝1.55μm，发射脉冲与本振频率的差，即f1为81.5MHz，假设发射脉冲发射出去后由于风速的影响产生了1MHz的频移，因此接收脉冲下变频后的中心频率f2为82.5MHz，即△f＝f2-f1＝82.5-81.5＝1MHz，风速为 V r = Δ f . λ 2 = 1 × 10 6 × 1.55 × 10 - 6 2 = 0.775 m / s . 为了验证本发明提出的算法的有效性，仿真产生一个频率为82.5MHz的正弦信号，代表经过下变频后的回波脉冲信号，为了模拟真实的探测环境，在脉冲信号中加入了高斯噪声，信号采样频率为400MHz，采样后分别用传统方法和本发明提出的方法进行中心频率求取，求取过程与结果如下：
传统方法：
(1)对82.5MHz的接收信号进行快速傅里叶变换
(2)找到频谱幅度最大的位置，即谱峰位置，就是中心频率，为81.25MHz
(3)计算发射脉冲信号与回波脉冲信号的频率差，即多普勒频移81.25-81.5＝-0.25MHz
(4)计算风速 V r = Δ f . λ 2 = - 0.25 × 10 6 × 1.55 × 10 - 6 2 = - 0.19375 m / s .
本发明提出的方法：
(1)对82.5MHz的接收信号进行汉明窗加权。汉明窗函数为：
w ( n ) = 0.54 - 0.46 c o s ( 2 π n N ) , 0 ≤ n ≤ N
其中N是窗函数的样点数目，称为窗函数的长度。
(2)对加权后的信号进行快速傅里叶变换
(3)对信号频谱进行10000倍样条函数插值
(4)找到频谱幅度最大的位置，即谱峰位置，就是中心频率，为82.41MHz
(5)计算发射脉冲信号与接收脉冲信号的频率差，即多普勒频移82.41-81.5＝0.91MHz
(6)计算风速 V r = Δ f . λ 2 = 0.91 × 10 6 × 1.55 × 10 - 6 2 = 0.70525 m / s .
从上述中心频率和风速估计结果可以看出，传统方法对脉冲中心频率的估计结果误差较大，所以导致风速估计的误差较大，而本发明提出的方法较为准确的估计出了回波脉冲的中心频率和风速。
为了进一步验证算法的有效性，参照实施例，仿真产生一组接收脉冲下变频后的脉冲信号，加入高斯噪声，对其中心频率进行估计，并由此计算出多普勒频移和计算风速。
仿真时，发射脉冲频率固定为波长λ＝1.55μm的激光脉冲，它与本振的频率差即固定中频为81.5MHz，设定一些与实际风速对应的多普勒频移，得到接收脉冲下变频后的中频脉冲信号，然后对中频脉冲中心频率进行估计。真实中心频率、估计中心频率以及对应的真实风速和估计风速如表1所示。
表1
从表1可以看出，对于两个中心频率间隔较近的接收脉冲，下变频后传统的中心频率估计方法根本无法将它们区分开来，测得的风速不准确，而且分辨率低，存在模糊。而本发明提出的方法可以较为准确的测出风速，而且对于中心频率间隔比较小的脉冲也能区分出来，所以测风的分辨率也较高。

Claims (5)

1.风廓线雷达风速测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、接收回波信号进行处理，得到中频信号；
b、对中频信号进行数据采样；
c、对采样信号进行汉明窗加权处理；
d、对加权信号进行快速傅里叶变换；
e、对傅里叶变换后的信号进行样条函数插值，找到频谱幅度最大值f2；
f、根据下式计算平均风速Vr：
V r = ( f 2 - f 1 ) λ 2
其中，f1为发射信号与本振频率的差频，λ为发射信号波长，f2-f1＝Δf为多普勒频移。
2.根据权利要求1所述的风廓线雷达风速测定方法，其特征在于，所述步骤a具体为对接收信号进行下变频处理，得到中频信号。
3.根据权利要求1或2所述的风廓线雷达风速测定方法，其特征在于，所述风廓线雷达发射信号波长为1.55μm，且f1＝81.5MHz。
4.根据权利要求3所述的风廓线雷达风速测定方法，其特征在于，步骤b中采样频率为400MHz。
5.根据权利要求3所述的风廓线雷达风速测定方法，其特征在于，步骤e所述样条函数插值具体为10000倍样条函数插值。
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