一種基于傅里葉譜分析的大氣雷達(dá)圖像插值方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于傅里葉譜分析的大氣雷達(dá)圖像插值方法及裝置，屬于天氣雷 達(dá)圖像處理技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 天氣雷達(dá)聯(lián)網(wǎng)觀測資料處理中已經(jīng)有的常用插值方法為：1)最近鄰居法；2)線性 內(nèi)插法；3) Cressman權(quán)重方法；4) Barnes方法或指數(shù)權(quán)重方法。雷達(dá)在給定仰角觀測所得 到的圖像資料（常稱為PPI)網(wǎng)格化中所涉及的插值方法主要為最近鄰居法和雙線性插值 法。其中，最近鄰居法直接取距離插值點最近的觀測值，耗時最少但最無插值意義；雙線性 插值法以距離為權(quán)重求插值點4個觀測值的加權(quán)平均，這樣的結(jié)果使雷達(dá)回波平滑。分析 以上插值方法，其共性是插出來的值都是居于其附近觀測點所取極大值和極小值之間。在 實際中，距離雷達(dá)較遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)可能存在一些強降水中心，由于遠(yuǎn)距離處雷達(dá)分辨率較低 而沒有被雷達(dá)觀測到，用這些插值法也不可能插值出來。這就導(dǎo)致在遠(yuǎn)距離的回波圖上缺 少可能存在的一些強回波中心，這些強回波中心在進行雷達(dá)拼圖的時候因顯現(xiàn)不出來，而 使回波顯得更加平滑，進而影響揭示強對流天氣并影響在雷達(dá)資料在數(shù)值預(yù)報模式中的同 化和災(zāi)害預(yù)警等應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提出一種基于傅里葉譜分析的天氣雷達(dá)圖像插值方法及裝置，可凸顯因波 束展寬、分辨率下降而導(dǎo)致雷達(dá)探測不到的強回波中心，并將算法程序固化入芯片，制成運 算速度快、可滿足實時需求的芯片裝置。
[0004] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0005] -種基于傅里葉譜分析的大氣雷達(dá)圖像插值方法，包括以下步驟：
[0006] 1)在給定的雷達(dá)觀測方向上，以A t = 1庫為采樣間隔，得到此方向上N個回波強 度，記為：
[0007] X1, X2,……，XN (1)
[0008] 其中，Xt，t = 1，2,……，N，表示第t個位置的回波強度，對于徑向數(shù)據(jù)t表示距 離，對于切向數(shù)據(jù)，t表示方位角；
[0009] 2)根據(jù)傅里葉譜分析，第t個位置的回波強度Xt還可表示為：
[0010]
[0011] 其中，Al^XuX2,……，XN序列的算術(shù)平均值，A 1為第i次諧波的振幅，灼為第i 次諧波的相角，《 ,= 2 f i為第i次諧波圓頻率，t為X t的位置信息，p為諧波分量個數(shù)， ^為第i次諧波頻率；
[0012] 式（2)也可表示為：
[0020]3)記實際雷達(dá)的某一仰角PPI圖有G個方位角，記為：a a2,......，as，每個方 位角上有H個距離庫，記為：ri，r2,……，rH，因此，一個徑向上H個距離庫所組成的數(shù)據(jù)稱為 徑向數(shù)據(jù)，記為：夂，同一距離上G個方位所組成的一維數(shù)據(jù)稱為切向數(shù)據(jù)，
[0021] 4)利用公式（4)和（5)對第1個切向上的G個數(shù)據(jù)計算傅里葉系數(shù)、諧波振幅與 相位；第1個切向指的是距離雷達(dá)最近的距離庫，即^位置處，在計算中，令式（4)中的N等 于G，同時式⑷中X t，t = 1，2,……，1取6位置處的6個切向數(shù)據(jù)尤1，^，"""，:式%,;
[0022]5)將步驟4)計算得到的諧波振幅與相位代入公式（2)，并令式（2)中的t等于 a，計算出第1個切向上、方位a處的回波值，其中，a為插值點的方位角；
[0023] 6)依次取式⑷中的Xt，t = 1，2,……，N^r2，r3，……，rH位置處的G個切向 數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟4)和步驟5)，計算出第2個切向上，即，r 2位置處、方位a處的回波值，第 3個切向上，即r3位置處、方位a處的回波值，……，直至計算得到所有H個切向上，方位 角為a時的回波值，將這H個切向回波值作為一組徑向數(shù)據(jù)；
[0024]7)利用公式⑷和（5)，計算步驟6)所得到的這組徑向數(shù)據(jù)的傅里葉系數(shù)、諧波 振幅與相位；在計算中，令式（4)中的N等于H，同時式（4)中Xt，t = 1,2,......，N，取步驟 6)所得到的這組徑向數(shù)據(jù)；
[0025] 8)將步驟7)計算得到的諧波振幅與相位代入公式（2)，并令式⑵中的t等于r， 計算出方位角為a且距離為r處的回波值，即得到插值點P(r，a)的回波值，其中，r為插 值點的距離。
[0026] 前述的改變所述步驟8)中的r，即可得到方位角為a任意距離處的回波值。
[0027]前述的改變所述步驟5)中的a，即可得到任意方位角距離為r處的回波值。
[0028] 基于傅里葉譜分析的大氣雷達(dá)圖像插值方法的裝置，包括PC機和FPGA板；
[0029] 所述PC機用于預(yù)處理并實現(xiàn)與FPGA板之間的通信；
[0030]所述FPGA板上設(shè)有控制模塊、計算模塊、存儲器模塊、通信適配模塊以及FIFO;其 中，所述控制模塊負(fù)責(zé)整個FPGA板的圖像算法處理流程的控制執(zhí)行，協(xié)調(diào)各個模塊間的合 作和同步；
[0031] 所述計算模塊從存儲器模塊中讀取原始圖象數(shù)據(jù)，按照基于傅里葉譜分析的大氣 雷達(dá)圖像插值方法進行處理，并將處理結(jié)果通過通信適配模塊發(fā)送給主機；
[0032] 所述存儲器模塊采用FPGA的片內(nèi)RAM，采用Verilog HDL語言實現(xiàn)一個片內(nèi)的8 位RAM，可存儲4096個單元；所述計算模塊從存儲器模塊RAM中讀取數(shù)據(jù)和往RAM里寫入 數(shù)據(jù)；
[0033] 所述通信適配模塊與主機之間的通信協(xié)議采用RS232,傳輸時一位起始位、八位數(shù) 據(jù)位和一位停止位，通信接口采用FPGA板上的串口；
[0034] 所述計算單元和通信適配模塊之間設(shè)FIFO, FIFO是一個先進先出的數(shù)據(jù)緩存器。
[0035] 本發(fā)明方法在處理對流區(qū)強回波中心特征突出的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)時，能凸顯強回波 區(qū)的結(jié)構(gòu)特征，尤其是能夠在距離雷達(dá)較遠(yuǎn)處插值出因雷達(dá)分辨率低而探測不到的強回波 中心，為進一步精確識別強回波中心位置和強度提供參考，并且可以把本發(fā)明方法的算法 程序固化入芯片，制成運算速度快、可滿足實時需求的芯片裝置。
【附圖說明】
[0036] 圖1為本發(fā)明的傅里葉插值示意圖；
[0037] 圖2為本發(fā)明的芯片裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038] 圖3為本發(fā)明的實施例中福州雷達(dá)0. 5°仰角PPI回波分布（雷達(dá)回波強度單位： dBZ)；
[0039] 圖4為圖3的雷達(dá)回波插值效果對比，其中，
[0040]圖4(a)高分辨率雷達(dá)回波，圖4(b)低分辨率雷達(dá)回波，圖4(c)是圖4(b)的雙線 性插值結(jié)果，圖4(d)是圖4(b)的傅里葉插值結(jié)果；
[0041] 圖5為圖4的像素群插值平均值對比，其中，
[0042] 圖5 (a)為真值范圍40. 5-51dBZ，圖5 (b)為真值范圍30. 5-40dBZ，圖5 (c)為真值 范圍 10. 5-30dBZ。
【具體實施方式】
[0043] 現(xiàn)結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。
[0044] 本發(fā)明方法的本質(zhì)是利用傅里葉譜分析獲得回波強度時空變化的譜特征并進一 步將譜特征用于觀測數(shù)據(jù)離散點擬合、再進行重采樣。因此有利于顯出一些因雷達(dá)分辨率 低而探測不到的強回波中心。
[0045] 傅里葉譜分析是數(shù)據(jù)信號分析中常用的一種方法，利用頻率、幅值和相位來描述 時域或空域中的振動波形，進而分析數(shù)據(jù)的規(guī)律和特征，并且在氣象上已經(jīng)得到了廣泛的 應(yīng)用。本發(fā)明將雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)看成時間序列，如，在給定的雷達(dá)觀測方向上，以At = 1庫 為采樣間隔，到采樣點的最大距離處共有T = 460庫，則在此方向上獲得N = T/ A t = 460 個回波強度，記為：
[0046] X1, X2,……，XN (1)
[0047] 其中，Xt (t = 1，2,……，N)，表示第t個位置的回波強度，對于徑向數(shù)據(jù)t表示距 離，對于