一种s波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的方法和装置的制造方法
一种s波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及雷达信号处理领域，特别设及到一种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑 制的方法和装置。
【背景技术】
[0002] 海浪是海面水质点上下起伏形成的一种海面现象，海浪的有效测量对海岸工程建 设、海洋资源勘探W及海洋灾害预防都有着重要意义。微波多普勒雷达W其环境干扰小、测 量精度高、体积轻便、能准确反映海面变化的细节等优点，拓展了海态测量手段，提高了海 洋监测的能力，对海态实时监测和海洋科学研究都有着重要价值。
[0003] 当海洋风浪较大时，海表面波浪经常发生破碎现象，海面水质点运动速度较快，脱 离海表面形成白色的浪花，运种海浪破碎的情况对于微波多普勒雷达回波具有很明显的干 扰，极大的影响了雷达回波的数据质量，导致后续雷达反演过程中的海面径向速度W及海 洋参数反演结果出现误差，影响了雷达的测量精度。
[0004] 破碎波干扰主要有W下特性：（1)破碎形成的过程中，海浪变睹，海浪的雷达散射 截面积增大，回波信号能量增强。（2)破碎发生时，破碎波叠加在一般的海浪上，波峰水质点 运动速度明显变大，雷达回波中渗杂了破碎波干扰，雷达回波多普勒谱中屯、频移变大、带宽 变宽、能量变强。
[0005] 现有的微波多普勒雷达处理破碎波干扰的方法，是把破碎波干扰数据多普勒谱的 中屯、频率从一段时间的频率序列中作为奇异点提取出来，然后对相应位置的频率值舍弃， 相当于破碎波干扰的数据被剔除了，破碎波发生时刻的数据空缺，对雷达提取海态参数的 精度会产生非常大的影响。
【发明内容】
[0006] 本发明针对上述问题，提出一种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的方法和装置， 避免了现有破碎波处理方法对雷达反演精度的不利影响，本发明在降低破碎波干扰的同时 完整保留有用信号，为现有的微波多普勒雷达系统提供一种有效的抑制破碎波干扰方法， 从而能够提高雷达探测精度。
[0007] -种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的方法，包括W下步骤：
[000引步骤1，获取一组雷达回波FT1数据，进行预处理，得到所有距离元多普勒谱的带 宽、中屯、频率和能量，根据能量和中屯、频率得到每一帖数据破碎波的距离元的位置；
[0009] 步骤2,取运组数据中的所有距离元的数据，得到一个带宽阔值范围，其中，所述带 宽阔值范围为除破碎波距离元W外的其他距离元带宽的最小值到最大值；
[0010] 步骤3,取运帖FT1数据中第一个距离元的数据，根据步骤1的结果判断是否为破碎 波干扰数据;如果是破碎波干扰数据，求多普勒谱，计算多普勒谱中屯、频率、带宽左右端点 位置;如果不是破碎波干扰数据，则转到步骤8;
[0011] 步骤4,将多普勒谱平移，使带宽左端点平移到零频处，对平移后的多普勒谱做反 傅里叶变换得到新的FTl数据；
[0012] 步骤5,对该距离元新的FT1数据进行经验模态分解EMD，得到两个W上本征模态函 数IMF和一个趋势函数rn(t);
[0013] 步骤6,去除破碎波干扰所在的高频分量IMF1，重构其余IMF和趋势函数rn(t)得到 新的FT1数据，求多普勒谱W及多普勒谱的带宽；
[0014] 步骤7,判断所述带宽是否在带宽阔值范围内，如果是，则该数据为破碎波处理后 的数据;如果所述带宽大于带宽阔值范围的最大值，则对去除IMF1的数据再剔除次高频分 量IMF2,重构剩余的数据即为破碎波处理后的数据；
[0015] 步骤8,判断当前处理的数据是否为最后一个距离元的数据，如果不是，则取下一 个距离元的数据，转到步骤3,对下一个距离元的数据是否为破碎波干扰数据进行判断；如 果是，表示对本帖所有数据全部处理完毕。
[0016] 其中，所述步骤1中的FT1数据是雷达接收的原始信号做傅里叶变换后的数据，并 且根据多普勒谱的能量和中屯、频率特征判断出发生破碎波的距离元。
[0017]其中，所述步骤5中经验模态分解EMD的步骤如下，
[0018] ①将接收的FT1数据原始时间序列x(t)的极大值和极小值分别做Ξ次样条差值， 得到上下包络曲线；
[0019] ②取上下包络曲线的平均值形成均值mi(t)，然后将x(t)减去mi(t)形成另一曲线 hi(t)，即：
[0020] x(t)-mi(t) =hi(t)
[0021]③对hl(t)重复①、②错12(t)，即：
[0022] hi(t)-m2(t) =h2(t)
[0023] 其中，m2(t)为hi(t)的上下包络曲线的平均值形成的均值曲线；
[0024] ④将上述步骤①、②、③重复下去，直至得到的hk(t)为一IMF,即：
[0025] hk(t)=hk-i(t)-mk(t)
[0026] IMF需满足W下2个条件：1)在整个数据区内，极值点个数与过零点数目至多相差1 个;2)在任意点，信号的上包络和下包络的平均值为零;如此就从x(t)中分解出第一模态hk (t)并记为Ci(t)，即IMF1，运样的处理过程称为筛选过程；
[0027] ⑤将x(t)减去第一模态Ci(t)，形成新的信号ri(t)，即：
[002引 x(t)-Ci(t) =;ri(t)
[0029] 再对ri(t)重复步骤①、②、③、④，计算第二模态C2(t);
[0030] ⑥将ri(t)减去C2(t)又形成新的信号n(t)，即：
[0031] ri(t)-C2(t) =Γ2(?)
[0032] 再对n(t)重复步骤①、②、②、④，计算第Ξ模态C3(t);
[0033] ⑥如此重复步骤①、②、③、④，直到最后的rn(t)为一单调函数，运样就将x(t)分 解出了两个W上的本征模态函数IMF和一个趋势函数rn(t)。
[0034] -种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的装置，包括：
[0035] 破碎波距离元位置获取单元，用于获取一组雷达回波FT1数据，进行预处理，得到 所有距离元多普勒谱的带宽、中屯、频率和能量，根据能量和中屯、频率得到每一帖数据破碎 波的距离元的位置；
[0036] 带宽阔值范围获取单元，用于取运组数据中的所有距离元的数据，得到一个带宽 阔值范围，其中，所述带宽阔值范围为除破碎波距离元W外的其他距离元带宽的最小值到 最大值；
[0037] 第一判断单元，用于取运帖FT1数据中第一个距离元的数据，根据破碎波距离远位 置获取单元的结果判断是否为破碎波干扰数据;如果是破碎波干扰数据，求多普勒谱，计算 多普勒谱中屯、频率、带宽左右端点位置;如果不是破碎波干扰数据，则转到第Ξ判断单元；
[0038] 多普勒谱处理单元，用于将多普勒谱平移，使带宽左端点平移到零频处，对平移后 的多普勒谱做反傅里叶变换得到新的FT1数据；
[0039] EMD处理单元，用于对该距离元新的FT1数据进行经验模态分解EMD，得到两个W上 本征模态函数IMF和一个趋势函数rn(t);
[0040] 高频分量去除单元，用于去除破碎波干扰所在的高频分量IMF1，重构其余IMF和趋 势函数rn(t)得到新的FT1数据，求多普勒谱W及多普勒谱的带宽；
[0041] 第二判断单元，用于判断所述带宽是否在带宽阔值范围内，如果是，则该数据为破 碎波处理后的数据;如果所述带宽大于带宽阔值范围的最大值，则对去除IMF1的数据再剔 除次高频分量IMF2,重构剩余的数据即为破碎波处理后的数据；
[0042] 第Ξ判断单元，用于判断当前处理的数据是否为最后一个距离元的数据，如果不 是，则取下一个距离元的数据，转到第一判断单元，对下一个距离元的数据是否为破碎波干 扰数据进行判断;如果是，表示对本帖所有数据全部处理完毕。
[0043] 其中，所述破碎波距离元位置获取单元中的FT1数据是雷达接收的原始信号做傅 里叶变换后的数据，并且根据多普勒谱的能量和中屯、频率特征判断出发生破碎波的距离 J L· 〇
[0044] 其中，所述EMD处理单元中经验模态分解EMD的步骤如下，
[0045] ①将接收的FT1数据原始时间序列x(t)的极大值和极小值分别做Ξ次样条差值， 得到上 下包络曲线；
[0046] ②取上下包络曲线的平均值形成均值mi(t)，然后将x(t)减去mi(t)形成另一曲线 hi(t)，即：
[0047] x(t)-mi(t) =hi(t)
[004引③对hi(t)重复①、②得h2(t)，即：
[0049] hi(t)-m2(t) =h2(t)
[0050] 其中，m2(t)为hi(t)的上下包络曲线的平均值形成的均值曲线；
[0051 ] ④将上述步骤①、②、③重复下去，直至得到的hk(t)为一IMF,即：
[0052] hk(t)=hk-i(t)-mk(t)
[0053] IMF需满足W下2个条件：1)在整个数据区内，极值点个数与过零点数目至多相差1 个;2)在任意点，信号的上包络和下包络的平均值为零;如此就从x(t)中分解出第一模态hk (t)并记为Ci(t)，即IMF1，运样的处理过程称为筛选过程；
[0054] ⑤将x(t)减去第一模态Ci(t)，形成新的信号ri(t)，即：
[0055] x(t)-Ci(t)=ri(t)
[0056] 再对ri(t)重复步骤①、②、③、④，计算第二模态C2(t);
[0057] ⑥将ri(t)减去C2(t)又形成新的信号n(t)，即：
[005引；ri(t)-C2(t) =r2(t)
[0059] 再对η(t)重复步骤①、②、③、④，计算第Ξ模态C3(t);
[0060] ⑦如此重复步骤①、②、③、④，直到最后的rn(t)为一单调函数，运样就将x(t)分 解出了两个W上的本征模态函数IMF和一个趋势函数rn(t)。
[0061] 本发明的优点在于：
[0062] 1.在做EMD处理之前对多普勒谱进行平移，多普勒谱位于X轴正半轴时可W有效分 解破碎波信号且不会影响有效信号。
[0063] 2.在微波多普勒雷达中采用了 EMD算法处理破碎波干扰，通过EMD将雷达回波数据 按频率高低分解出不同的IMF,将破碎波信号和一般海浪回波信号分离，从而在抑制破碎波 干扰的同时，最大程度地保留了有用信号特征。
[0064] 3.EMD算法是一种自适应的时空滤波方法，根据信号的特点将信号自适应的分解 为不同频率的分量，存在破碎波干扰的雷达回波信号中包含了破碎波分量和一般海浪回波 分量，两者均有各自的特点，所WEMD算法可W很好的将两者分离。
[0065] 4.破碎波相对于一般海浪回波为高频分量，在EMD算法的分解结果中，通过多普勒 谱带宽判断需要剔除几个高频IMF分量，重构其余分量能完整的恢复剔除破碎波干扰后的 数据。
[0066] 5.对破碎波干扰的数据进行处理而不是直接舍弃，完整的保留了有用数据，有效 的提高了雷达后续海态参数反演的准确性。
[0067] 本发明通过W上创新点提出了一种新型的S波段微波多普勒雷达破碎波干扰抑制 方法，此方法在实际数据处理中，应用效果很好，在抑制破碎波的同时无损信号，处理效果 显著，提高了雷达海浪探测精度。
【附图说明】
[0068] 图1:本发明提供的一般情况与破碎波发生时的海面情况的雷达系统监测图；
[0069] 图2:本发明提供的一般情况和发生破碎时的雷达回波多普勒谱比较；
[0070] 图3:本发明提供的一种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的方法流程图；
[0071 ]图4:本发明提供的经验模态分解EMD处理流程图；
[0072] 图5:本发明提供的破碎波干扰数据处理前后的多普勒谱；
[0073] 图6:本发明提供的实际回波数据中某一距离元数据处理破碎波干扰前后求得的 中屯、频率和能量序列对比；
[0074] 图7:本发明提供的一种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0075] 下面W具体实例结合附图，对本发明作进一步说明。
[0076] 实施例1:
[0077] 微波多普勒雷达通过天线发射电磁波照射探测海面，根据海浪混合表面散射理论 和线性波理论，海洋表面散射回波中包含了海洋信息，雷达通过对海洋回波数据的一系列 反演算法获得海态参数。
[0078] 如图1所示，A区域为破碎波发生时的海面情况，B区域为一般情况。雷达接收的回 波功率可表示为
[0079]
(1)
[0080] 其中，Pt表示雷达发射功率，R表示雷达探测距离，G表示天线增益，Ae表示天线有效 接收面积，σ表示雷达散射截面积。
[0081] 当波浪破碎时，波浪变睹，入射电磁波的雷达截面积变大，从而使多普勒谱能量增 强，在破碎的过程中，波峰水质点速度增大，导致多普勒谱中屯、频率和带宽都变大。如图2所 示，发生破碎时的多普勒谱可W视为一般情况下的多普勒谱和破碎波分量的多普勒谱的叠 加。
[0082] 本发明利用发生破碎时回波多普勒谱的特性，利用EMD方法自适应分解信号的特 点对破碎波干扰的数据进行处理，去除了破碎波的干扰，最大程度地保留了有用信号。具体 实施步骤参见图3:
[0083] 步骤1，获取一组雷达回波FT1数据，包括一段时间所有距离元的数据，对运组数据 进行预处理，得到所有距离元多普勒谱的带宽、中屯、频率和能量，根据能量和中屯、频率得到 每一帖数据破碎波的距离元位置；
[0084] 在本步骤中，根据破碎波多普勒谱能量和中屯、频率较大的特点进行破碎波检测， 得到各个时刻发生破碎波的距离元的位置。
[0085] 步骤2,取运组数据中的所有距离元的数据，得到一个带宽阔值范围，其中，带宽阔 值范围为除破碎波距离元W外的其他距离元带宽的最小值到最大值；
[0086] 带宽阔值范围为后续步骤判断去除前几个IMF分量提供依据，当处理后的数据多 普勒谱带宽在阔值范围内时，表示处理完成。
[0087] 步骤3,取运帖FT1数据中第一个距离元的数据，根据步骤1的结果判断是否为破碎 波干扰数据;如果是破碎波干扰数据，求多普勒谱，计算多普勒谱中屯、频率、带宽左右端点 位置;如果不是破碎波干扰数据，则转到步骤8;
[0088] 求多普勒谱中屯、频率和带宽左右端点位置可W知道多普勒谱所在的频率范围，W 此来判断是否需要平移多普勒谱到合适的位置。
[0089] 步骤4,平移多普勒谱使带宽左端点平移到零频处，对平移后的多普勒谱做反傅里 叶变换得到平移后的多普勒谱对应的新的FT1数据；
[0090] 当海流方向远离海岸时，有效信号的多普勒谱在X轴的正半轴，而破碎波导致多普 勒谱带宽向X轴正半轴拓宽。当海流方向朝向海岸时，若海流速度较大且发生破碎，则多普 勒谱整体位于X轴正半轴高频部分。运两种情况下，如果不进行多普勒谱平移，则EMD分解的 高频分量中可能包含了有用信号，所W要进行多普勒谱平移，确保有用信号不会被去除。
[0091] 步骤5,对存在破碎波干扰的步骤4中所述的新的FT1数据进行经验模态分解EMD， 得到两个W上本征模态函数IMF和一个趋势函数rn(t);
[0092] 经验模态分解EMD的步骤如下，流程如图4:
[0093] ①将接收的FT1数据原始时间序列x(t)的极大值和极小值分别做Ξ次样条差值， 得到上下包络曲线；
[0094] ②取上下包络曲线的平均值形成均值mi(t)，然后将x(t)减去mi(t)形成另一曲线 hi(t)，即：
[0095] x(t)-mi(t) =hi(t)
[0096] ③对hi(t)重复①、②得h2(t)，即：
[0097] hi(t)-m2(t) =h2(t)
[0098] 其中，m2(t)为hi(t)的上下包络曲线的平均值形成的均值曲线；
[0099] ④将上述步骤①、②、③重复下去，直至得到的hk(t)为一IMF，即：
[0100] hk(t)=hk-i(t)-mk(t)
[0101 ] IMF需满足W下2个条件：1)在整个数据区内，极值点个数与过零点数目至多相差1 个;2)在任意点，信号的上包络和下包络的平均值为零。如此就从x(t)中分解出第一模态hk (t)并记为Ci(t)，即IMF1，运样的处理过程称为筛 选过程；
[0102] ⑤将x(t)减去第一模态Ci(t)，形成新的信号ri(t)，即：
[0103] x(t)-Ci(t) =ri(t)
[0104] 再对ri(t)重复步骤①、②、③、④，计算第二模态C2(t);
[0105] ⑥将ri(t)减去C2(t)又形成新的信号n(t)，即：
[0106] ri(t)-C2(t) =Γ2(?)
[0107] 再对n(t)重复步骤①、②、③、④，计算第Ξ模态C3(t);
[0108] ⑦如此重复步骤①、②、③、④，直到最后的rn(t)为一单调函数，运样就将x(t)分 解出了两个W上的IMF和一个趋势函数rn(t)。
[0109] 步骤6,去除破碎波干扰所在的高频分量IMF1，重构其余IMF和趋势函数rn(t)得到 新的FT1数据，求多普勒谱W及多普勒谱的带宽；
[0110] 因为破碎波分量在多普勒谱中位于高频部分，所W在对FT1数据进行处理时，通过 去除高频分量来进行破碎波抑制处理，去除高频分量重构其余分量即可去除破碎波的干扰 并且保留有用信号。
[0111] 步骤7，判断带宽是否在步骤1所述的带宽阔值范围内，如果是，则该数据为破碎波 处理后的数据;如果带宽大于带宽阔值范围的最大值，则对去除IMF1的数据再剔除次高频 分量IMF2,重构剩余的数据即为破碎波处理后的数据。
[0112] 通过判断处理后的数据多普勒谱带宽是否在带宽阔值范围来确定处理是否完成， 当去掉IMF1的数据多普勒谱带宽仍然大于带宽阔值范围的最大值时，表示破碎波分量没有 被完全去除，所W要继续去除IMF2确保有效抑制破碎波干扰。
[0113] 步骤8，判断当前处理的数据是否为最后一个距离元的数据，如果不是，则取下一 个距离元的数据，转到步骤3,对下一个距离元的数据是否为破碎波干扰数据进行判断；如 果是，表示对本帖所有数据全部处理完毕。
[0114] 对抑制破碎波干扰后的数据求多普勒谱便可得到抑制破碎波干扰的多普勒谱，如 图5所示，处理后的多普勒谱与处理前相比，能量、带宽和中屯、频率均有所减小，并且完整保 留了海浪的有效多普勒信息。
[0115] 处理破碎波干扰得到正确的多普勒谱，从而得到正常的中屯、频率，保证了后续海 态参数反演的准确性。由多普勒谱求中屯、频率的方法如公式(2)所示，其中f为多普勒频率， P为多普勒谱幅度。
[0116]
W
[0117]图5中发生海浪破碎的位置原本的中屯、频率非常大，破坏了中屯、频率序列的变化 规律，在处理破碎波干扰的数据后，得到了更加准确的中屯、频率。图6中实线部分都是由于 破碎波干扰导致中屯、频率偏差，在处理后数据都恢复正常，如虚线部分所示，消除了破碎波 的干扰。
[0118] 所述步骤1中的FT1数据是雷达接收的原始信号做傅里叶变换后的数据，并且根据 多普勒谱的能量和中屯、频率特征判断出发生破碎波的距离元。
[0119] 所述步骤2中的带宽阔值范围为步骤7的处理提供依据，使处理后的多普勒带宽在 正常范围内。
[0120] 所述步骤4中将多普勒谱平移使带宽左端点位于零频，使多普勒谱整体位于X轴的 正半轴，因为破碎波都是伴随着海浪朝向海岸，导致多普勒谱带宽向X轴正半轴方向拓宽， 平移多普勒谱能保证EMD分解可W将破碎波作为高频分量分解而不影响有用信号。
[0121] 所述步骤6中FT1数据进行经验模态分解EMD得到的本征模态函数中，破碎波分量 作为高频分量可能存在于第一个本征模态函数即IMF1中或者存在于前两个本征模态函数 IMF1 和 IMF2 中；
[0122] 所述步骤7根据多普勒谱带宽来判断应该去除IMF1还是剔除IMF1和IMF2,保证处 理后的FT1数据多普勒谱带宽正常即消除了破碎波干扰并且不影响有用信号。
[0123] 实施例2:
[0124] 本发明所述的装置实施例2与方法实施例1属于同一技术构思，在装置实施例2中 未详尽描述的内容，请参见方法实施例1。
[0125] 如图7所示，本发明所述的一种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的装置，包括： [01%]破碎波距离元位置获取单元，用于获取一组雷达回波FT1数据，进行预处理，得到 所有距离元多普勒谱的带宽、中屯、频率和能量，根据能量和中屯、频率得到每一帖数据破碎 波的距离元的位置；
[0127]带宽阔值范围获取单元，用于取运组数据中的所有距离元的数据，得到一个带宽 阔值范围，其中，所述带宽阔值范围为除破碎波距离元W外的其他距离元带宽的最小值到 最大值；
[01%]第一判断单元，用于取运帖FT1数据中第一个距离元的数据，根据破碎波距离远位 置获取单元的结果判断是否为破碎波干扰数据;如果是破碎波干扰数据，求多普勒谱，计算 多普勒谱中屯、频率、带宽左右端点位置;如果不是破碎波干扰数据，则转到第Ξ判断单元；
[0129] 多普勒谱处理单元，用于将多普勒谱平移，使带宽左端点平移到零频处，对平移后 的多普勒谱做反傅里叶变换得到新的FT1数据；
[0130] EMD处理单元，用于对该距离元新的FT1数据进行经验模态分解EMD，得到两个W上 本征模态函数IMF和一个趋势函数rn(t);
[0131] 高频分量去除单元，用于去除破碎波干扰所在的高频分量IMF1，重构其余IMF和趋 势函数rn(t)得到新的FT1数据，求多普勒谱W及多普勒谱的带宽；
[0132] 第二判断单元，用于判断所述带宽是否在带宽阔值范围内，如果是，则该数据为破 碎波处理后的数据;如果所述带宽大于带宽阔值范围的最大值，则对去除IMF1的数据再剔 除次高频分量IMF2,重构剩余的数据即为破碎波处理后的数据；
[0133] 第Ξ判断单元，用于判断当前处理的数据是否为最后一个距离元的数据，如果不 是，则取下一个距离元的数据，转到第一判断单元，对下一个距离元的数据是否为破碎波干 扰数据进行判断;如果是，表示对本帖所有数据全部处理完毕。
[0134] 其中，所述破碎波距离元位置获取单元中的FT1数据是雷达接收的原始信号做傅 里叶变换后的数据，并且根据多普勒谱的能量和中屯、频率特征判断出发生破碎波的距离 J L· 〇
[0135] 其中，所述EMD处理单元中经验模态分解EMD的步骤如下，
[0136] ①将接收的FT1数据原始时间序列x(t)的极大值和极小值分别做Ξ次样条差值， 得到上下包络曲线；
[0137] ②取上下包络曲线的平均值形成均值mi(t)，然后将x(t)减去mi(t)形成另一曲线 hi(t)，即：
[013 引 x(t)-mi(t) =hi(t)
[0139] ③对hi(t)重复①、②得h2(t)，即：
[0140] hi(t)-m2(t) =h2(t)
[0141] 其中，m2(t)为hi(t)的上下包络曲线的平均值形成的均值曲线；
[0142] ④将上述步骤①、②、③重复下去，直至得到的hk(t)为一IMF，即：
[0143] hk(t)=hk-i(t)-mk(t)
[0144] IMF需满足W下2个条件：1)在整个数据区内，极值点个数与过零点数目至多相差1 个;2)在任意点，信号的上包络和下包络的平均值为零;如此就从x(t)中分解出第一模态hk (t)并记为Ci(t)，即IMF1，运样的处理过程称为筛选过程；
[0145] ⑤将x(t)减去第一模态Ci(t)，形成新的信号ri(t)，即：
[0146] x(t)-Ci(t) =ri(t)
[0147] 再对ri(t)重复步骤①、②、③、④，计算第二模态C2(t);
[014引⑥将ri(t)减去C2(t)又形成新的信号n(t)，即：
[0149] ri(t)-C2(t) =Γ2(?)
[0150] 再对n(t)重复步骤①、②、③、④，计算第Ξ模态C3(t);
[0151] ⑦如此重复步骤①、②、③、④，直到最后的rn(t)为一单调函数，运样就将x(t)分 解出了两个W上的本征模态函数IMF和一个趋势函数rn(t)。
[0152] 本发明避免了现有破碎波处理方法对雷达反演精度的不利影响，本发明在降低 破 碎波干扰的同时完整保留有用信号，为现有的微波多普勒雷达系统提供一种有效的抑制破 碎波干扰方法，从而能够提高雷达探测精度。
[0153] W上所述实施例及应用场景仅为本发明的较佳实施例及应用场景而已，并不用W 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进及其在其他 领域及场景的应用，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的方法，其特征在于:包括以下步骤： 步骤1，获取一组雷达回波FT1数据，进行预处理，得到所有距离元多普勒谱的带宽、中 心频率和能量，根据能量和中心频率得到每一帧数据破碎波的距离元的位置； 步骤2,取这组数据中的所有距离元的数据，得到一个带宽阈值范围，其中，所述带宽阈 值范围为除破碎波距离元以外的其他距离元带宽的最小值到最大值； 步骤3,取这帧FT1数据中第一个距离元的数据，根据步骤1的结果判断是否为破碎波干 扰数据;如果是破碎波干扰数据，求多普勒谱，计算多普勒谱中心频率、带宽左右端点位置； 如果不是破碎波干扰数据，则转到步骤8; 步骤4,将多普勒谱平移，使带宽左端点平移到零频处，对平移后的多普勒谱做反傅里 叶变换得到新的FT1数据； 步骤5,对该距离元新的FT1数据进行经验模态分解EMD，得到两个以上本征模态函数 頂F和一个趋势函数rn(t); 步骤6,去除破碎波干扰所在的高频分量頂F1，重构其余頂F和趋势函数rn(t)得到新的FT1数据，求多普勒谱以及多普勒谱的带宽； 步骤7,判断所述带宽是否在带宽阈值范围内，如果是，则该数据为破碎波处理后的数 据；如果所述带宽大于带宽阈值范围的最大值，则对去除IMF1的数据再剔除次高频分量 頂F2，重构剩余的数据即为破碎波处理后的数据； 步骤8,判断当前处理的数据是否为最后一个距离元的数据，如果不是，则取下一个距 离元的数据，转到步骤3,对下一个距离元的数据是否为破碎波干扰数据进行判断;如果是， 表示对本帧所有数据全部处理完毕。2. 如权利要求1所述的一种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的方法，其特征在于:所 述步骤1中的FT1数据是雷达接收的原始信号做傅里叶变换后的数据，并且根据多普勒谱的 能量和中心频率特征判断出发生破碎波的距离元。3. 如权利要求1所述的一种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的方法，其特征在于:所 述步骤5中经验模态分解EMD的步骤如下， ① 将接收的FT1数据原始时间序列x(t)的极大值和极小值分别做三次样条差值，得到 上下包络曲线； ② 取上下包络曲线的平均值形成均值nu(t)，然后将x(t)减去nu(t)形成另一曲线hi ⑴，即： x(t)-mi(t) =hi(t) ③ 对hKt)重复①、②得h2(t)，即： hi(t)-m2(t) =h2(t) 其中，m2 (t)为lu(t)的上下包络曲线的平均值形成的均值曲线； ④ 将上述步骤①、②、③重复下去，直至得到的hk(t)为一頂F，即： hk(t) =hk-i(t)-mk(t) IMF需满足以下2个条件：1)在整个数据区内，极值点个数与过零点数目至多相差1个； 2)在任意点，信号的上包络和下包络的平均值为零;如此就从x(t)中分解出第一模态hk(t) 并记为CMt)，即頂F1，这样的处理过程称为筛选过程； ⑤ 将x(t)减去第一模态CKt)，形成新的信号n(t)，即： x(t)-Ci(t) =ri(t) 再对ri(t)重复步骤①、②、③、④，计算第二模态C2(t); ⑥ 将n(t)减去C2(t)又形成新的信号^(〇，即： ri(t)_C2(t) =r2(t) 再对r2(t)重复步骤①、②、③、④，计算第三模态C3(t); ⑦ 如此重复步骤①、②、③、④，直到最后的rn(t)为一单调函数，这样就将x(t)分解出了 两个以上的本征模态函数頂F和一个趋势函数化(〇。4. 一种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的装置，其特征在于:包括： 破碎波距离元位置获取单元，用于获取一组雷达回波FT1数据，进行预处理，得到所有 距离元多普勒谱的带宽、中心频率和能量，根据能量和中心频率得到每一帧数据破碎波的 距离元的位置； 带宽阈值范围获取单元，用于取这组数据中的所有距离元的数据，得到一个带宽阈值 范围，其中，所述带宽阈值范围为除破碎波距离元以外的其他距离元带宽的最小值到最大 值； 第一判断单元，用于取这帧FT1数据中第一个距离元的数据，根据破碎波距离远位置获 取单元的结果判断是否为破碎波干扰数据;如果是破碎波干扰数据，求多普勒谱，计算多普 勒谱中心频率、带宽左右端点位置;如果不是破碎波干扰数据，则转到第三判断单元； 多普勒谱处理单元，用于将多普勒谱平移，使带宽左端点平移到零频处，对平移后的多 普勒谱做反傅里叶变换得到新的FT1数据； EMD处理单元，用于对该距离元新的FT1数据进行经验模态分解EMD，得到两个以上本征 模态函数IMF和一个趋势函数rn(t); 高频分量去除单元，用于去除破碎波干扰所在的高频分量頂F1，重构其余MF和趋势函 数化(t)得到新的FT1数据，求多普勒谱以及多普勒谱的带宽； 第二判断单元，用于判断所述带宽是否在带宽阈值范围内，如果是，则该数据为破碎波 处理后的数据;如果所述带宽大于带宽阈值范围的最大值，则对去除IMF1的数据再剔除次 高频分量MF2,重构剩余的数据即为破碎波处理后的数据； 第三判断单元，用于判断当前处理的数据是否为最后一个距离元的数据，如果不是，则 取下一个距离元的数据，转到第一判断单元，对下一个距离元的数据是否为破碎波干扰数 据进行判断;如果是，表示对本帧所有数据全部处理完毕。5. 如权利要求4所述的一种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的装置，其特征在于:所 述破碎波距离元位置获取单元中的FT1数据是雷达接收的原始信号做傅里叶变换后的数 据，并且根据多普勒谱的能量和中心频率特征判断出发生破碎波的距离元。6. 如权利要求4所述的一种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的装置，其特征在于:所 述EMD处理单元中经验模态分解EMD的步骤如下， ① 将接收的FT1数据原始时间序列x(t)的极大值和极小值分别做三次样条差值，得到 上下包络曲线； ② 取上下包络曲线的平均值形成均值nu(t)，然后将x(t)减去nu(t)形成另一曲线hi ⑴，即： x(t)-mi(t) =hi(t) ③ 对hKt)重复①、②得h2(t)，即： hi(t)-m2(t) =h2(t) 其中，m2 (t)为lu(t)的上下包络曲线的平均值形成的均值曲线； ④ 将上述步骤①、②、③重复下去，直至得到的hk(t)为一頂F，即： hk(t) =hk-i(t)-mk(t) IMF需满足以下2个条件：1)在整个数据区内，极值点个数与过零点数目至多相差1个； 2)在任意点，信号的上包络和下包络的平均值为零;如此就从x(t)中分解出第一模态hk(t) 并记为CMt)，即頂F1，这样的处理过程称为筛选过程； ⑤ 将x(t)减去第一模态CKt)，形成新的信号n(t)，即： x(t)-Ci(t) =ri(t) 再对ri(t)重复步骤①、②、③、④，计算第二模态C2(t); ⑥ 将n(t)减去C2(t)又形成新的信号^(〇，即： ri(t)_C2(t) =r2(t) 再对r2(t)重复步骤①、②、③、④，计算第三模态C3(t); ⑦ 如此重复步骤①、②、③、④，直到最后的rn(t)为一单调函数，这样就将x(t)分解出了 两个以上的本征模态函数頂F和一个趋势函数化(〇。
【专利摘要】本发明公开了一种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的方法和装置，属于雷达信号处理领域。本发明在原有S波段多普勒雷达信号处理的基础上，利用经验模态分解方法将破碎波干扰的雷达回波信号分解为多个本征模态函数，根据破碎波信号相对一般海洋回波信号频率较大的特点，对所有本征模态函数中频率较高的分量去除，重构其余的本征模态函数得到破碎波抑制处理后的信号。本发明在实际数据处理中，应用效果很好，在抑制破碎波干扰的同时无损有用信号，处理效果显著，提高了雷达探测精度。
【IPC分类】G01S7/36
【公开号】CN105487056
【申请号】CN201610011315
【发明人】陈泽宗, 易盛, 张龙刚, 赵晨, 陈曦, 陈溯
【申请人】武汉大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月8日
【技术领域】
[0001] 本发明设及雷达信号处理领域，特别设及到一种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑 制的方法和装置。
【背景技术】
[0002] 海浪是海面水质点上下起伏形成的一种海面现象，海浪的有效测量对海岸工程建 设、海洋资源勘探W及海洋灾害预防都有着重要意义。微波多普勒雷达W其环境干扰小、测 量精度高、体积轻便、能准确反映海面变化的细节等优点，拓展了海态测量手段，提高了海 洋监测的能力，对海态实时监测和海洋科学研究都有着重要价值。
[0003] 当海洋风浪较大时，海表面波浪经常发生破碎现象，海面水质点运动速度较快，脱 离海表面形成白色的浪花，运种海浪破碎的情况对于微波多普勒雷达回波具有很明显的干 扰，极大的影响了雷达回波的数据质量，导致后续雷达反演过程中的海面径向速度W及海 洋参数反演结果出现误差，影响了雷达的测量精度。
[0004] 破碎波干扰主要有W下特性：（1)破碎形成的过程中，海浪变睹，海浪的雷达散射 截面积增大，回波信号能量增强。（2)破碎发生时，破碎波叠加在一般的海浪上，波峰水质点 运动速度明显变大，雷达回波中渗杂了破碎波干扰，雷达回波多普勒谱中屯、频移变大、带宽 变宽、能量变强。
[0005] 现有的微波多普勒雷达处理破碎波干扰的方法，是把破碎波干扰数据多普勒谱的 中屯、频率从一段时间的频率序列中作为奇异点提取出来，然后对相应位置的频率值舍弃， 相当于破碎波干扰的数据被剔除了，破碎波发生时刻的数据空缺，对雷达提取海态参数的 精度会产生非常大的影响。
【发明内容】
[0006] 本发明针对上述问题，提出一种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的方法和装置， 避免了现有破碎波处理方法对雷达反演精度的不利影响，本发明在降低破碎波干扰的同时 完整保留有用信号，为现有的微波多普勒雷达系统提供一种有效的抑制破碎波干扰方法， 从而能够提高雷达探测精度。
[0007] -种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的方法，包括W下步骤：
[000引步骤1，获取一组雷达回波FT1数据，进行预处理，得到所有距离元多普勒谱的带 宽、中屯、频率和能量，根据能量和中屯、频率得到每一帖数据破碎波的距离元的位置；
[0009] 步骤2,取运组数据中的所有距离元的数据，得到一个带宽阔值范围，其中，所述带 宽阔值范围为除破碎波距离元W外的其他距离元带宽的最小值到最大值；
[0010] 步骤3,取运帖FT1数据中第一个距离元的数据，根据步骤1的结果判断是否为破碎 波干扰数据;如果是破碎波干扰数据，求多普勒谱，计算多普勒谱中屯、频率、带宽左右端点 位置;如果不是破碎波干扰数据，则转到步骤8;
[0011] 步骤4,将多普勒谱平移，使带宽左端点平移到零频处，对平移后的多普勒谱做反 傅里叶变换得到新的FTl数据；
[0012] 步骤5,对该距离元新的FT1数据进行经验模态分解EMD，得到两个W上本征模态函 数IMF和一个趋势函数rn(t);
[0013] 步骤6,去除破碎波干扰所在的高频分量IMF1，重构其余IMF和趋势函数rn(t)得到 新的FT1数据，求多普勒谱W及多普勒谱的带宽；
[0014] 步骤7,判断所述带宽是否在带宽阔值范围内，如果是，则该数据为破碎波处理后 的数据;如果所述带宽大于带宽阔值范围的最大值，则对去除IMF1的数据再剔除次高频分 量IMF2,重构剩余的数据即为破碎波处理后的数据；
[0015] 步骤8,判断当前处理的数据是否为最后一个距离元的数据，如果不是，则取下一 个距离元的数据，转到步骤3,对下一个距离元的数据是否为破碎波干扰数据进行判断；如 果是，表示对本帖所有数据全部处理完毕。
[0016] 其中，所述步骤1中的FT1数据是雷达接收的原始信号做傅里叶变换后的数据，并 且根据多普勒谱的能量和中屯、频率特征判断出发生破碎波的距离元。
[0017]其中，所述步骤5中经验模态分解EMD的步骤如下，
[0018] ①将接收的FT1数据原始时间序列x(t)的极大值和极小值分别做Ξ次样条差值， 得到上下包络曲线；
[0019] ②取上下包络曲线的平均值形成均值mi(t)，然后将x(t)减去mi(t)形成另一曲线 hi(t)，即：
[0020] x(t)-mi(t) =hi(t)
[0021]③对hl(t)重复①、②错12(t)，即：
[0022] hi(t)-m2(t) =h2(t)
[0023] 其中，m2(t)为hi(t)的上下包络曲线的平均值形成的均值曲线；
[0024] ④将上述步骤①、②、③重复下去，直至得到的hk(t)为一IMF,即：
[0025] hk(t)=hk-i(t)-mk(t)
[0026] IMF需满足W下2个条件：1)在整个数据区内，极值点个数与过零点数目至多相差1 个;2)在任意点，信号的上包络和下包络的平均值为零;如此就从x(t)中分解出第一模态hk (t)并记为Ci(t)，即IMF1，运样的处理过程称为筛选过程；
[0027] ⑤将x(t)减去第一模态Ci(t)，形成新的信号ri(t)，即：
[002引 x(t)-Ci(t) =;ri(t)
[0029] 再对ri(t)重复步骤①、②、③、④，计算第二模态C2(t);
[0030] ⑥将ri(t)减去C2(t)又形成新的信号n(t)，即：
[0031] ri(t)-C2(t) =Γ2(?)
[0032] 再对n(t)重复步骤①、②、②、④，计算第Ξ模态C3(t);
[0033] ⑥如此重复步骤①、②、③、④，直到最后的rn(t)为一单调函数，运样就将x(t)分 解出了两个W上的本征模态函数IMF和一个趋势函数rn(t)。
[0034] -种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的装置，包括：
[0035] 破碎波距离元位置获取单元，用于获取一组雷达回波FT1数据，进行预处理，得到 所有距离元多普勒谱的带宽、中屯、频率和能量，根据能量和中屯、频率得到每一帖数据破碎 波的距离元的位置；
[0036] 带宽阔值范围获取单元，用于取运组数据中的所有距离元的数据，得到一个带宽 阔值范围，其中，所述带宽阔值范围为除破碎波距离元W外的其他距离元带宽的最小值到 最大值；
[0037] 第一判断单元，用于取运帖FT1数据中第一个距离元的数据，根据破碎波距离远位 置获取单元的结果判断是否为破碎波干扰数据;如果是破碎波干扰数据，求多普勒谱，计算 多普勒谱中屯、频率、带宽左右端点位置;如果不是破碎波干扰数据，则转到第Ξ判断单元；
[0038] 多普勒谱处理单元，用于将多普勒谱平移，使带宽左端点平移到零频处，对平移后 的多普勒谱做反傅里叶变换得到新的FT1数据；
[0039] EMD处理单元，用于对该距离元新的FT1数据进行经验模态分解EMD，得到两个W上 本征模态函数IMF和一个趋势函数rn(t);
[0040] 高频分量去除单元，用于去除破碎波干扰所在的高频分量IMF1，重构其余IMF和趋 势函数rn(t)得到新的FT1数据，求多普勒谱W及多普勒谱的带宽；
[0041] 第二判断单元，用于判断所述带宽是否在带宽阔值范围内，如果是，则该数据为破 碎波处理后的数据;如果所述带宽大于带宽阔值范围的最大值，则对去除IMF1的数据再剔 除次高频分量IMF2,重构剩余的数据即为破碎波处理后的数据；
[0042] 第Ξ判断单元，用于判断当前处理的数据是否为最后一个距离元的数据，如果不 是，则取下一个距离元的数据，转到第一判断单元，对下一个距离元的数据是否为破碎波干 扰数据进行判断;如果是，表示对本帖所有数据全部处理完毕。
[0043] 其中，所述破碎波距离元位置获取单元中的FT1数据是雷达接收的原始信号做傅 里叶变换后的数据，并且根据多普勒谱的能量和中屯、频率特征判断出发生破碎波的距离 J L· 〇
[0044] 其中，所述EMD处理单元中经验模态分解EMD的步骤如下，
[0045] ①将接收的FT1数据原始时间序列x(t)的极大值和极小值分别做Ξ次样条差值， 得到上 下包络曲线；
[0046] ②取上下包络曲线的平均值形成均值mi(t)，然后将x(t)减去mi(t)形成另一曲线 hi(t)，即：
[0047] x(t)-mi(t) =hi(t)
[004引③对hi(t)重复①、②得h2(t)，即：
[0049] hi(t)-m2(t) =h2(t)
[0050] 其中，m2(t)为hi(t)的上下包络曲线的平均值形成的均值曲线；
[0051 ] ④将上述步骤①、②、③重复下去，直至得到的hk(t)为一IMF,即：
[0052] hk(t)=hk-i(t)-mk(t)
[0053] IMF需满足W下2个条件：1)在整个数据区内，极值点个数与过零点数目至多相差1 个;2)在任意点，信号的上包络和下包络的平均值为零;如此就从x(t)中分解出第一模态hk (t)并记为Ci(t)，即IMF1，运样的处理过程称为筛选过程；
[0054] ⑤将x(t)减去第一模态Ci(t)，形成新的信号ri(t)，即：
[0055] x(t)-Ci(t)=ri(t)
[0056] 再对ri(t)重复步骤①、②、③、④，计算第二模态C2(t);
[0057] ⑥将ri(t)减去C2(t)又形成新的信号n(t)，即：
[005引；ri(t)-C2(t) =r2(t)
[0059] 再对η(t)重复步骤①、②、③、④，计算第Ξ模态C3(t);
[0060] ⑦如此重复步骤①、②、③、④，直到最后的rn(t)为一单调函数，运样就将x(t)分 解出了两个W上的本征模态函数IMF和一个趋势函数rn(t)。
[0061] 本发明的优点在于：
[0062] 1.在做EMD处理之前对多普勒谱进行平移，多普勒谱位于X轴正半轴时可W有效分 解破碎波信号且不会影响有效信号。
[0063] 2.在微波多普勒雷达中采用了 EMD算法处理破碎波干扰，通过EMD将雷达回波数据 按频率高低分解出不同的IMF,将破碎波信号和一般海浪回波信号分离，从而在抑制破碎波 干扰的同时，最大程度地保留了有用信号特征。
[0064] 3.EMD算法是一种自适应的时空滤波方法，根据信号的特点将信号自适应的分解 为不同频率的分量，存在破碎波干扰的雷达回波信号中包含了破碎波分量和一般海浪回波 分量，两者均有各自的特点，所WEMD算法可W很好的将两者分离。
[0065] 4.破碎波相对于一般海浪回波为高频分量，在EMD算法的分解结果中，通过多普勒 谱带宽判断需要剔除几个高频IMF分量，重构其余分量能完整的恢复剔除破碎波干扰后的 数据。
[0066] 5.对破碎波干扰的数据进行处理而不是直接舍弃，完整的保留了有用数据，有效 的提高了雷达后续海态参数反演的准确性。
[0067] 本发明通过W上创新点提出了一种新型的S波段微波多普勒雷达破碎波干扰抑制 方法，此方法在实际数据处理中，应用效果很好，在抑制破碎波的同时无损信号，处理效果 显著，提高了雷达海浪探测精度。
【附图说明】
[0068] 图1:本发明提供的一般情况与破碎波发生时的海面情况的雷达系统监测图；
[0069] 图2:本发明提供的一般情况和发生破碎时的雷达回波多普勒谱比较；
[0070] 图3:本发明提供的一种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的方法流程图；
[0071 ]图4:本发明提供的经验模态分解EMD处理流程图；
[0072] 图5:本发明提供的破碎波干扰数据处理前后的多普勒谱；
[0073] 图6:本发明提供的实际回波数据中某一距离元数据处理破碎波干扰前后求得的 中屯、频率和能量序列对比；
[0074] 图7:本发明提供的一种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0075] 下面W具体实例结合附图，对本发明作进一步说明。
[0076] 实施例1:
[0077] 微波多普勒雷达通过天线发射电磁波照射探测海面，根据海浪混合表面散射理论 和线性波理论，海洋表面散射回波中包含了海洋信息，雷达通过对海洋回波数据的一系列 反演算法获得海态参数。
[0078] 如图1所示，A区域为破碎波发生时的海面情况，B区域为一般情况。雷达接收的回 波功率可表示为
[0079]
(1)
[0080] 其中，Pt表示雷达发射功率，R表示雷达探测距离，G表示天线增益，Ae表示天线有效 接收面积，σ表示雷达散射截面积。
[0081] 当波浪破碎时，波浪变睹，入射电磁波的雷达截面积变大，从而使多普勒谱能量增 强，在破碎的过程中，波峰水质点速度增大，导致多普勒谱中屯、频率和带宽都变大。如图2所 示，发生破碎时的多普勒谱可W视为一般情况下的多普勒谱和破碎波分量的多普勒谱的叠 加。
[0082] 本发明利用发生破碎时回波多普勒谱的特性，利用EMD方法自适应分解信号的特 点对破碎波干扰的数据进行处理，去除了破碎波的干扰，最大程度地保留了有用信号。具体 实施步骤参见图3:
[0083] 步骤1，获取一组雷达回波FT1数据，包括一段时间所有距离元的数据，对运组数据 进行预处理，得到所有距离元多普勒谱的带宽、中屯、频率和能量，根据能量和中屯、频率得到 每一帖数据破碎波的距离元位置；
[0084] 在本步骤中，根据破碎波多普勒谱能量和中屯、频率较大的特点进行破碎波检测， 得到各个时刻发生破碎波的距离元的位置。
[0085] 步骤2,取运组数据中的所有距离元的数据，得到一个带宽阔值范围，其中，带宽阔 值范围为除破碎波距离元W外的其他距离元带宽的最小值到最大值；
[0086] 带宽阔值范围为后续步骤判断去除前几个IMF分量提供依据，当处理后的数据多 普勒谱带宽在阔值范围内时，表示处理完成。
[0087] 步骤3,取运帖FT1数据中第一个距离元的数据，根据步骤1的结果判断是否为破碎 波干扰数据;如果是破碎波干扰数据，求多普勒谱，计算多普勒谱中屯、频率、带宽左右端点 位置;如果不是破碎波干扰数据，则转到步骤8;
[0088] 求多普勒谱中屯、频率和带宽左右端点位置可W知道多普勒谱所在的频率范围，W 此来判断是否需要平移多普勒谱到合适的位置。
[0089] 步骤4,平移多普勒谱使带宽左端点平移到零频处，对平移后的多普勒谱做反傅里 叶变换得到平移后的多普勒谱对应的新的FT1数据；
[0090] 当海流方向远离海岸时，有效信号的多普勒谱在X轴的正半轴，而破碎波导致多普 勒谱带宽向X轴正半轴拓宽。当海流方向朝向海岸时，若海流速度较大且发生破碎，则多普 勒谱整体位于X轴正半轴高频部分。运两种情况下，如果不进行多普勒谱平移，则EMD分解的 高频分量中可能包含了有用信号，所W要进行多普勒谱平移，确保有用信号不会被去除。
[0091] 步骤5,对存在破碎波干扰的步骤4中所述的新的FT1数据进行经验模态分解EMD， 得到两个W上本征模态函数IMF和一个趋势函数rn(t);
[0092] 经验模态分解EMD的步骤如下，流程如图4:
[0093] ①将接收的FT1数据原始时间序列x(t)的极大值和极小值分别做Ξ次样条差值， 得到上下包络曲线；
[0094] ②取上下包络曲线的平均值形成均值mi(t)，然后将x(t)减去mi(t)形成另一曲线 hi(t)，即：
[0095] x(t)-mi(t) =hi(t)
[0096] ③对hi(t)重复①、②得h2(t)，即：
[0097] hi(t)-m2(t) =h2(t)
[0098] 其中，m2(t)为hi(t)的上下包络曲线的平均值形成的均值曲线；
[0099] ④将上述步骤①、②、③重复下去，直至得到的hk(t)为一IMF，即：
[0100] hk(t)=hk-i(t)-mk(t)
[0101 ] IMF需满足W下2个条件：1)在整个数据区内，极值点个数与过零点数目至多相差1 个;2)在任意点，信号的上包络和下包络的平均值为零。如此就从x(t)中分解出第一模态hk (t)并记为Ci(t)，即IMF1，运样的处理过程称为筛 选过程；
[0102] ⑤将x(t)减去第一模态Ci(t)，形成新的信号ri(t)，即：
[0103] x(t)-Ci(t) =ri(t)
[0104] 再对ri(t)重复步骤①、②、③、④，计算第二模态C2(t);
[0105] ⑥将ri(t)减去C2(t)又形成新的信号n(t)，即：
[0106] ri(t)-C2(t) =Γ2(?)
[0107] 再对n(t)重复步骤①、②、③、④，计算第Ξ模态C3(t);
[0108] ⑦如此重复步骤①、②、③、④，直到最后的rn(t)为一单调函数，运样就将x(t)分 解出了两个W上的IMF和一个趋势函数rn(t)。
[0109] 步骤6,去除破碎波干扰所在的高频分量IMF1，重构其余IMF和趋势函数rn(t)得到 新的FT1数据，求多普勒谱W及多普勒谱的带宽；
[0110] 因为破碎波分量在多普勒谱中位于高频部分，所W在对FT1数据进行处理时，通过 去除高频分量来进行破碎波抑制处理，去除高频分量重构其余分量即可去除破碎波的干扰 并且保留有用信号。
[0111] 步骤7，判断带宽是否在步骤1所述的带宽阔值范围内，如果是，则该数据为破碎波 处理后的数据;如果带宽大于带宽阔值范围的最大值，则对去除IMF1的数据再剔除次高频 分量IMF2,重构剩余的数据即为破碎波处理后的数据。
[0112] 通过判断处理后的数据多普勒谱带宽是否在带宽阔值范围来确定处理是否完成， 当去掉IMF1的数据多普勒谱带宽仍然大于带宽阔值范围的最大值时，表示破碎波分量没有 被完全去除，所W要继续去除IMF2确保有效抑制破碎波干扰。
[0113] 步骤8，判断当前处理的数据是否为最后一个距离元的数据，如果不是，则取下一 个距离元的数据，转到步骤3,对下一个距离元的数据是否为破碎波干扰数据进行判断；如 果是，表示对本帖所有数据全部处理完毕。
[0114] 对抑制破碎波干扰后的数据求多普勒谱便可得到抑制破碎波干扰的多普勒谱，如 图5所示，处理后的多普勒谱与处理前相比，能量、带宽和中屯、频率均有所减小，并且完整保 留了海浪的有效多普勒信息。
[0115] 处理破碎波干扰得到正确的多普勒谱，从而得到正常的中屯、频率，保证了后续海 态参数反演的准确性。由多普勒谱求中屯、频率的方法如公式(2)所示，其中f为多普勒频率， P为多普勒谱幅度。
[0116]
W
[0117]图5中发生海浪破碎的位置原本的中屯、频率非常大，破坏了中屯、频率序列的变化 规律，在处理破碎波干扰的数据后，得到了更加准确的中屯、频率。图6中实线部分都是由于 破碎波干扰导致中屯、频率偏差，在处理后数据都恢复正常，如虚线部分所示，消除了破碎波 的干扰。
[0118] 所述步骤1中的FT1数据是雷达接收的原始信号做傅里叶变换后的数据，并且根据 多普勒谱的能量和中屯、频率特征判断出发生破碎波的距离元。
[0119] 所述步骤2中的带宽阔值范围为步骤7的处理提供依据，使处理后的多普勒带宽在 正常范围内。
[0120] 所述步骤4中将多普勒谱平移使带宽左端点位于零频，使多普勒谱整体位于X轴的 正半轴，因为破碎波都是伴随着海浪朝向海岸，导致多普勒谱带宽向X轴正半轴方向拓宽， 平移多普勒谱能保证EMD分解可W将破碎波作为高频分量分解而不影响有用信号。
[0121] 所述步骤6中FT1数据进行经验模态分解EMD得到的本征模态函数中，破碎波分量 作为高频分量可能存在于第一个本征模态函数即IMF1中或者存在于前两个本征模态函数 IMF1 和 IMF2 中；
[0122] 所述步骤7根据多普勒谱带宽来判断应该去除IMF1还是剔除IMF1和IMF2,保证处 理后的FT1数据多普勒谱带宽正常即消除了破碎波干扰并且不影响有用信号。
[0123] 实施例2:
[0124] 本发明所述的装置实施例2与方法实施例1属于同一技术构思，在装置实施例2中 未详尽描述的内容，请参见方法实施例1。
[0125] 如图7所示，本发明所述的一种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的装置，包括： [01%]破碎波距离元位置获取单元，用于获取一组雷达回波FT1数据，进行预处理，得到 所有距离元多普勒谱的带宽、中屯、频率和能量，根据能量和中屯、频率得到每一帖数据破碎 波的距离元的位置；
[0127]带宽阔值范围获取单元，用于取运组数据中的所有距离元的数据，得到一个带宽 阔值范围，其中，所述带宽阔值范围为除破碎波距离元W外的其他距离元带宽的最小值到 最大值；
[01%]第一判断单元，用于取运帖FT1数据中第一个距离元的数据，根据破碎波距离远位 置获取单元的结果判断是否为破碎波干扰数据;如果是破碎波干扰数据，求多普勒谱，计算 多普勒谱中屯、频率、带宽左右端点位置;如果不是破碎波干扰数据，则转到第Ξ判断单元；
[0129] 多普勒谱处理单元，用于将多普勒谱平移，使带宽左端点平移到零频处，对平移后 的多普勒谱做反傅里叶变换得到新的FT1数据；
[0130] EMD处理单元，用于对该距离元新的FT1数据进行经验模态分解EMD，得到两个W上 本征模态函数IMF和一个趋势函数rn(t);
[0131] 高频分量去除单元，用于去除破碎波干扰所在的高频分量IMF1，重构其余IMF和趋 势函数rn(t)得到新的FT1数据，求多普勒谱W及多普勒谱的带宽；
[0132] 第二判断单元，用于判断所述带宽是否在带宽阔值范围内，如果是，则该数据为破 碎波处理后的数据;如果所述带宽大于带宽阔值范围的最大值，则对去除IMF1的数据再剔 除次高频分量IMF2,重构剩余的数据即为破碎波处理后的数据；
[0133] 第Ξ判断单元，用于判断当前处理的数据是否为最后一个距离元的数据，如果不 是，则取下一个距离元的数据，转到第一判断单元，对下一个距离元的数据是否为破碎波干 扰数据进行判断;如果是，表示对本帖所有数据全部处理完毕。
[0134] 其中，所述破碎波距离元位置获取单元中的FT1数据是雷达接收的原始信号做傅 里叶变换后的数据，并且根据多普勒谱的能量和中屯、频率特征判断出发生破碎波的距离 J L· 〇
[0135] 其中，所述EMD处理单元中经验模态分解EMD的步骤如下，
[0136] ①将接收的FT1数据原始时间序列x(t)的极大值和极小值分别做Ξ次样条差值， 得到上下包络曲线；
[0137] ②取上下包络曲线的平均值形成均值mi(t)，然后将x(t)减去mi(t)形成另一曲线 hi(t)，即：
[013 引 x(t)-mi(t) =hi(t)
[0139] ③对hi(t)重复①、②得h2(t)，即：
[0140] hi(t)-m2(t) =h2(t)
[0141] 其中，m2(t)为hi(t)的上下包络曲线的平均值形成的均值曲线；
[0142] ④将上述步骤①、②、③重复下去，直至得到的hk(t)为一IMF，即：
[0143] hk(t)=hk-i(t)-mk(t)
[0144] IMF需满足W下2个条件：1)在整个数据区内，极值点个数与过零点数目至多相差1 个;2)在任意点，信号的上包络和下包络的平均值为零;如此就从x(t)中分解出第一模态hk (t)并记为Ci(t)，即IMF1，运样的处理过程称为筛选过程；
[0145] ⑤将x(t)减去第一模态Ci(t)，形成新的信号ri(t)，即：
[0146] x(t)-Ci(t) =ri(t)
[0147] 再对ri(t)重复步骤①、②、③、④，计算第二模态C2(t);
[014引⑥将ri(t)减去C2(t)又形成新的信号n(t)，即：
[0149] ri(t)-C2(t) =Γ2(?)
[0150] 再对n(t)重复步骤①、②、③、④，计算第Ξ模态C3(t);
[0151] ⑦如此重复步骤①、②、③、④，直到最后的rn(t)为一单调函数，运样就将x(t)分 解出了两个W上的本征模态函数IMF和一个趋势函数rn(t)。
[0152] 本发明避免了现有破碎波处理方法对雷达反演精度的不利影响，本发明在降低 破 碎波干扰的同时完整保留有用信号，为现有的微波多普勒雷达系统提供一种有效的抑制破 碎波干扰方法，从而能够提高雷达探测精度。
[0153] W上所述实施例及应用场景仅为本发明的较佳实施例及应用场景而已，并不用W 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进及其在其他 领域及场景的应用，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的方法，其特征在于:包括以下步骤： 步骤1，获取一组雷达回波FT1数据，进行预处理，得到所有距离元多普勒谱的带宽、中 心频率和能量，根据能量和中心频率得到每一帧数据破碎波的距离元的位置； 步骤2,取这组数据中的所有距离元的数据，得到一个带宽阈值范围，其中，所述带宽阈 值范围为除破碎波距离元以外的其他距离元带宽的最小值到最大值； 步骤3,取这帧FT1数据中第一个距离元的数据，根据步骤1的结果判断是否为破碎波干 扰数据;如果是破碎波干扰数据，求多普勒谱，计算多普勒谱中心频率、带宽左右端点位置； 如果不是破碎波干扰数据，则转到步骤8; 步骤4,将多普勒谱平移，使带宽左端点平移到零频处，对平移后的多普勒谱做反傅里 叶变换得到新的FT1数据； 步骤5,对该距离元新的FT1数据进行经验模态分解EMD，得到两个以上本征模态函数 頂F和一个趋势函数rn(t); 步骤6,去除破碎波干扰所在的高频分量頂F1，重构其余頂F和趋势函数rn(t)得到新的FT1数据，求多普勒谱以及多普勒谱的带宽； 步骤7,判断所述带宽是否在带宽阈值范围内，如果是，则该数据为破碎波处理后的数 据；如果所述带宽大于带宽阈值范围的最大值，则对去除IMF1的数据再剔除次高频分量 頂F2，重构剩余的数据即为破碎波处理后的数据； 步骤8,判断当前处理的数据是否为最后一个距离元的数据，如果不是，则取下一个距 离元的数据，转到步骤3,对下一个距离元的数据是否为破碎波干扰数据进行判断;如果是， 表示对本帧所有数据全部处理完毕。2. 如权利要求1所述的一种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的方法，其特征在于:所 述步骤1中的FT1数据是雷达接收的原始信号做傅里叶变换后的数据，并且根据多普勒谱的 能量和中心频率特征判断出发生破碎波的距离元。3. 如权利要求1所述的一种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的方法，其特征在于:所 述步骤5中经验模态分解EMD的步骤如下， ① 将接收的FT1数据原始时间序列x(t)的极大值和极小值分别做三次样条差值，得到 上下包络曲线； ② 取上下包络曲线的平均值形成均值nu(t)，然后将x(t)减去nu(t)形成另一曲线hi ⑴，即： x(t)-mi(t) =hi(t) ③ 对hKt)重复①、②得h2(t)，即： hi(t)-m2(t) =h2(t) 其中，m2 (t)为lu(t)的上下包络曲线的平均值形成的均值曲线； ④ 将上述步骤①、②、③重复下去，直至得到的hk(t)为一頂F，即： hk(t) =hk-i(t)-mk(t) IMF需满足以下2个条件：1)在整个数据区内，极值点个数与过零点数目至多相差1个； 2)在任意点，信号的上包络和下包络的平均值为零;如此就从x(t)中分解出第一模态hk(t) 并记为CMt)，即頂F1，这样的处理过程称为筛选过程； ⑤ 将x(t)减去第一模态CKt)，形成新的信号n(t)，即： x(t)-Ci(t) =ri(t) 再对ri(t)重复步骤①、②、③、④，计算第二模态C2(t); ⑥ 将n(t)减去C2(t)又形成新的信号^(〇，即： ri(t)_C2(t) =r2(t) 再对r2(t)重复步骤①、②、③、④，计算第三模态C3(t); ⑦ 如此重复步骤①、②、③、④，直到最后的rn(t)为一单调函数，这样就将x(t)分解出了 两个以上的本征模态函数頂F和一个趋势函数化(〇。4. 一种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的装置，其特征在于:包括： 破碎波距离元位置获取单元，用于获取一组雷达回波FT1数据，进行预处理，得到所有 距离元多普勒谱的带宽、中心频率和能量，根据能量和中心频率得到每一帧数据破碎波的 距离元的位置； 带宽阈值范围获取单元，用于取这组数据中的所有距离元的数据，得到一个带宽阈值 范围，其中，所述带宽阈值范围为除破碎波距离元以外的其他距离元带宽的最小值到最大 值； 第一判断单元，用于取这帧FT1数据中第一个距离元的数据，根据破碎波距离远位置获 取单元的结果判断是否为破碎波干扰数据;如果是破碎波干扰数据，求多普勒谱，计算多普 勒谱中心频率、带宽左右端点位置;如果不是破碎波干扰数据，则转到第三判断单元； 多普勒谱处理单元，用于将多普勒谱平移，使带宽左端点平移到零频处，对平移后的多 普勒谱做反傅里叶变换得到新的FT1数据； EMD处理单元，用于对该距离元新的FT1数据进行经验模态分解EMD，得到两个以上本征 模态函数IMF和一个趋势函数rn(t); 高频分量去除单元，用于去除破碎波干扰所在的高频分量頂F1，重构其余MF和趋势函 数化(t)得到新的FT1数据，求多普勒谱以及多普勒谱的带宽； 第二判断单元，用于判断所述带宽是否在带宽阈值范围内，如果是，则该数据为破碎波 处理后的数据;如果所述带宽大于带宽阈值范围的最大值，则对去除IMF1的数据再剔除次 高频分量MF2,重构剩余的数据即为破碎波处理后的数据； 第三判断单元，用于判断当前处理的数据是否为最后一个距离元的数据，如果不是，则 取下一个距离元的数据，转到第一判断单元，对下一个距离元的数据是否为破碎波干扰数 据进行判断;如果是，表示对本帧所有数据全部处理完毕。5. 如权利要求4所述的一种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的装置，其特征在于:所 述破碎波距离元位置获取单元中的FT1数据是雷达接收的原始信号做傅里叶变换后的数 据，并且根据多普勒谱的能量和中心频率特征判断出发生破碎波的距离元。6. 如权利要求4所述的一种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的装置，其特征在于:所 述EMD处理单元中经验模态分解EMD的步骤如下， ① 将接收的FT1数据原始时间序列x(t)的极大值和极小值分别做三次样条差值，得到 上下包络曲线； ② 取上下包络曲线的平均值形成均值nu(t)，然后将x(t)减去nu(t)形成另一曲线hi ⑴，即： x(t)-mi(t) =hi(t) ③ 对hKt)重复①、②得h2(t)，即： hi(t)-m2(t) =h2(t) 其中，m2 (t)为lu(t)的上下包络曲线的平均值形成的均值曲线； ④ 将上述步骤①、②、③重复下去，直至得到的hk(t)为一頂F，即： hk(t) =hk-i(t)-mk(t) IMF需满足以下2个条件：1)在整个数据区内，极值点个数与过零点数目至多相差1个； 2)在任意点，信号的上包络和下包络的平均值为零;如此就从x(t)中分解出第一模态hk(t) 并记为CMt)，即頂F1，这样的处理过程称为筛选过程； ⑤ 将x(t)减去第一模态CKt)，形成新的信号n(t)，即： x(t)-Ci(t) =ri(t) 再对ri(t)重复步骤①、②、③、④，计算第二模态C2(t); ⑥ 将n(t)减去C2(t)又形成新的信号^(〇，即： ri(t)_C2(t) =r2(t) 再对r2(t)重复步骤①、②、③、④，计算第三模态C3(t); ⑦ 如此重复步骤①、②、③、④，直到最后的rn(t)为一单调函数，这样就将x(t)分解出了 两个以上的本征模态函数頂F和一个趋势函数化(〇。
【专利摘要】本发明公开了一种S波段多普勒雷达破碎波干扰抑制的方法和装置，属于雷达信号处理领域。本发明在原有S波段多普勒雷达信号处理的基础上，利用经验模态分解方法将破碎波干扰的雷达回波信号分解为多个本征模态函数，根据破碎波信号相对一般海洋回波信号频率较大的特点，对所有本征模态函数中频率较高的分量去除，重构其余的本征模态函数得到破碎波抑制处理后的信号。本发明在实际数据处理中，应用效果很好，在抑制破碎波干扰的同时无损有用信号，处理效果显著，提高了雷达探测精度。
【IPC分类】G01S7/36
【公开号】CN105487056
【申请号】CN201610011315
【发明人】陈泽宗, 易盛, 张龙刚, 赵晨, 陈曦, 陈溯
【申请人】武汉大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月8日
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