專利名稱：天氣雷達(dá)波束銳化和逆量化的制作方法
天氣雷達(dá)波束銳化和逆量化
背景技術(shù)：
由于機(jī)載天氣雷達(dá)天線的最大物理尺寸限制，經(jīng)常無法獲得期望的窄天線波束， 由此導(dǎo)致顯示的天氣數(shù)據(jù)沒有預(yù)期的詳細(xì)。這在垂直顯示方面(在該行業(yè)相對較新)特別明顯且與(例如那些用在商用噴氣機(jī)上的)較小天線一起時更差。著名的多普勒波束銳化技術(shù)在飛行器的直前向或垂直方向上效果不好。而且，天氣的自然多普勒噪聲可能是另一個挑戰(zhàn)。小型飛行器只能適合小型的、寬波束天線，因此限制了它們的波束銳化能力。圖I和2示出了由于15 I的垂直比例放大而導(dǎo)致的在垂直顯示時展現(xiàn)的一些問題。問題如下-由于天線波束寬度引起的低分辨率；-由于立體數(shù)據(jù)的量化引起的塊狀外觀；和-平滑顯示輸出的嘗試導(dǎo)致在平滑度和進(jìn)一步的分辨率損失之間的折衷。直接的方法是轉(zhuǎn)換到頻域，并乘以波束圖(可以是真的或“軟化的”概念天線)的反轉(zhuǎn)，這種方法對真實數(shù)據(jù)不適用，因為它需要除以很小的數(shù)并由此導(dǎo)致數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
處理器從雷達(dá)系統(tǒng)接收與天線相關(guān)的一列量化反射率數(shù)據(jù)。該處理器基于估計的量化反射率數(shù)據(jù)調(diào)整該列量化反射率數(shù)據(jù)，該估計的量化率反射數(shù)據(jù)與比該接收的一列量化反射數(shù)據(jù)相關(guān)的天線更大的天線的波束圖相關(guān)。本發(fā)明利用了概念上的“期望天線”來解除限制(例如，模擬具有更窄波束的“大天線”)。這使得算法能夠更快收斂至最優(yōu)解，同時降低了存儲器需求。本發(fā)明還利用了與期望的天線響應(yīng)匹配的平滑(例如高斯)擾動函數(shù)。這提供了最佳平滑輸出，有助于算法更快地收斂，降低了存儲器需求，并且可在不影響(smear)輸出的情況下進(jìn)行量化。


以下將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選和替換實施例圖I和2示出了由現(xiàn)有技術(shù)的機(jī)載天氣雷達(dá)天線產(chǎn)生的結(jié)果；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明形成的示例性系統(tǒng)；圖4示出了來自立體緩存器的一垂直列的理想數(shù)據(jù)；圖5示出了圖4中示出的數(shù)據(jù)的反射率值；圖6說明了現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的模型；圖7說明了根據(jù)本發(fā)明形成的系統(tǒng)的模型；圖8說明了根據(jù)本發(fā)明形成的示例性過程的流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明是一種系統(tǒng)、方法和計算機(jī)程序，用于在距離上提高天氣雷達(dá)顯示的細(xì)節(jié)。圖I說明了根據(jù)本發(fā)明形成的示例性系統(tǒng)30。該系統(tǒng)30包括天氣雷達(dá)系統(tǒng)40、處理器42、 存儲器43、顯示設(shè)備44、其它飛行器系統(tǒng)46和用戶接口 48。處理器42電耦合至該天氣雷達(dá)系統(tǒng)40、顯示設(shè)備44、其它系統(tǒng)46、用戶接口 48和存儲器43。示例性的天氣雷達(dá)系統(tǒng)40 包括雷達(dá)控制器50、發(fā)送器52、接收器54和天線56。該雷達(dá)控制器50控制發(fā)送器52和接收器54基于從一個或多個其它飛行器系統(tǒng)46接收的飛行器數(shù)據(jù)(例如位置、航向、滾轉(zhuǎn)、偏航、傾斜度等)通過天線56來執(zhí)行發(fā)送和接收信號。天氣雷達(dá)系統(tǒng)40接收由來自外部環(huán)境的發(fā)射脈沖的散射而產(chǎn)生的信號，外部環(huán)境主要包括天氣和地形。該接收到的信號被送至處理器42，處理器42使用接收到的信號來更新在存儲器43 (例如立體(3-D)緩存器)中存儲的天氣反射率估計。處理器42基于從用戶接口 48發(fā)送的任何控制信號或基于處理器42內(nèi)的設(shè)置來產(chǎn)生呈現(xiàn)在顯示設(shè)備44上的圖象。本發(fā)明重點在于來自于立體天氣緩存器的一維的反射率的垂直列和與該列數(shù)據(jù)相關(guān)的最優(yōu)曲線；參考圖4和5。圖6示出了現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的模型。立體緩存器的最優(yōu)輸出是“未處理”反射率數(shù)據(jù)(波束函數(shù)Hx))，該反射率數(shù)據(jù)是高度的函數(shù)。該未處理反射率數(shù)據(jù)r(x)與波束圖函數(shù)B(X)進(jìn)行卷積。然后與噪聲相加以創(chuàng)建a(x)。a(x)信號被量化以產(chǎn)生高度上量化的反射率，q(n)。高度上量化的反射率q(n)是可測量的且被存儲到存儲器43的3_D緩存器中。圖7說明了由本發(fā)明設(shè)想的波束銳化模型。實際天線的波束函數(shù)B(X)被分割成兩部分Bl(X)，Bc(X)，使得
-這兩個部分的卷積等于原始波束函數(shù)B(X);并且 -第一部分相當(dāng)于波束銳化的期望量(例如，“60英寸”天線)。將“真實的真”未處理反射率數(shù)據(jù)(最優(yōu))r(x)和對應(yīng)于具有該波束寬度一半 (或者等同地，為其直徑兩倍)的天線的波束形狀加權(quán)函數(shù)BJx)進(jìn)行卷積來確定偽真信號 t(x)。也可以使用對應(yīng)于其它尺寸的天線的加權(quán)函數(shù)。BJx)是具有更小(但不是無限小) 波束寬度的概念上“更大”天線的波束寬度函數(shù)。當(dāng)該“未處理”反射率與BJx)卷積時，產(chǎn)生“更平滑”(較不詳細(xì))的函數(shù)。銳化過程(圖8)試圖來收斂于這個卷積函數(shù)t(x)。這使得收斂更迅速。Hx)是基于理論反射率數(shù)據(jù)的。然后，圖7中的模型與圖6中的模型執(zhí)行的相同。Be(X)是“補(bǔ)償”波束寬度函數(shù)， 它從該“更大”(例如60英寸)天線中取出數(shù)據(jù)并在卷積時提供更加“較不詳細(xì)”的函數(shù)， 其理論上等同于從更小的“真實”(例如30英寸)天線獲得的函數(shù)。如圖8所示，使用迭代均方差(MSE)技術(shù)來使模型輸出和立體緩存器中的實際量化數(shù)據(jù)之間的MSE最小。如圖7所示，為t(x)產(chǎn)生連續(xù)“猜測” (χ)。f(x)以三種不同方式與Be(X)進(jìn)行卷積
B(x)函數(shù)的例子一般起作用為
Ba(x)=e_鉍病”
其中 k=4ln_%/^
Θ a =波束寬度
0 30 = 3 度
9 60= 9L=l-5 度Θ c = 2. 6 度
-第一種方式具有加法偏移擾動函數(shù)；
-第二種方式具有減法偏移擾動函數(shù)；和 -第三種方式不具有任何偏移擾動函數(shù)。每個卷積被量化成N個高度水平以得到漢《)。N的選擇取決于設(shè)計決定，該設(shè)計決定在體元(存儲單元)的數(shù)量和“光滑度”之間進(jìn)行折。對于Honeywell公司生產(chǎn)的 RDR-4000，N是距離的函數(shù)并且將N個高度水平擬合到O至60，OOOOft的范圍內(nèi)，例如20NM 緩存器N = 3240NM 緩存器N = 1680NM 緩存器N = 8160NM 緩存器N = 4320NM 緩存器N = 2然后，確定每個量化結(jié)果如《)和反射率信號q(n)的MSE?；谀膫€猜測漢《)具有最低MSE，高斯擾動函數(shù)被移位。該移位的高斯函數(shù)與Λ因子組合。該組合在下一次迭代調(diào)整增加到 >)或從減去的值。在已經(jīng)達(dá)到預(yù)定次數(shù)的迭代或“目標(biāo)”MSE后，該過程完成。采用了經(jīng)驗變分法的方式，概括如下
-擾動t(x)的最新猜測；和
-如果MSE降低，則保持?jǐn)_動函數(shù)，否則回到之前低的MSE。使用平滑擾動函數(shù)，該平滑擾動函數(shù)匹配反射率數(shù)據(jù)的期望波束形狀(參考圖 5)，即高斯的。該高斯函數(shù)沿著連續(xù)猜測上的獨立變量而移位。雖然估計值 (X)并不完全與理想值r(x)匹配，該估計值f(X)當(dāng)然比該量化結(jié)果或非量化結(jié)果更接近真值。可使用類似的最優(yōu)化。在不需要進(jìn)一步從移動、平均或者插值型平滑中“擴(kuò)展”的情況下，本發(fā)明還提供最優(yōu)平滑輸出。在圖8所不的過程被確定完成之后,基于具有最低MSE的的7)來改變q(η)(存儲在 3D緩存器)。當(dāng)根據(jù)新的q(n)數(shù)據(jù)產(chǎn)生用于垂直側(cè)視圖顯示的圖像時，該圖像將可與產(chǎn)生自更大天線的圖像進(jìn)行比較。這樣，當(dāng)t (X)與更大的60英寸天線相關(guān)時,具有30英寸天線的系統(tǒng)表現(xiàn)得更接近于60英寸天線的系統(tǒng)。在一個實施例中，只將圖8所示的迭代過程應(yīng)用到超過預(yù)定義距離的q(n)數(shù)據(jù)。 該預(yù)定義距離可以基于天線的尺寸。例如，如果該系統(tǒng)包括30英寸天線，則只對超過40nm 的數(shù)據(jù)應(yīng)用該迭代過程。然而，如果該系統(tǒng)包括20英寸天線，則只對超過更近距離的數(shù)據(jù)應(yīng)用該迭代過程。要求了排他屬性或特權(quán)的本發(fā)明的實施例被定義如下。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括在處理器(42)處，接收由天線(56)采樣的一列量化反射率數(shù)據(jù)；并且基于估計的反射率數(shù)據(jù)調(diào)整該列量化反射率數(shù)據(jù)，該估計的反射率數(shù)據(jù)與比該接收的一列量化反射率數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的天線更大的天線的波束圖相關(guān)聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中調(diào)整包括a)基于估計的最優(yōu)未處理反射率信號和與該較大天線相關(guān)聯(lián)的第一波束寬度函數(shù)的卷積來提供估計的大天線反射率信號，該估計的大天線未處理反射率信號作為第一值；b)通過向該估計的大天線未處理反射率信號加上預(yù)定義調(diào)整值來創(chuàng)建第二值；c)通過從該估計的大天線未處理反射率信號減去預(yù)定義調(diào)整值來創(chuàng)建第三值；d)將該第一至第三值和與該較小天線相關(guān)聯(lián)的第二波束寬度函數(shù)進(jìn)行卷積；e)通過將該第一至第三值的卷積結(jié)果量化成預(yù)先定義數(shù)目的高度水平來生成第一、第二和第三量化的估計反射率數(shù)據(jù)；f)將該第一、第二和第三量化的估計反射率數(shù)據(jù)與該接收的量化反射率值進(jìn)行比較；g)確定哪個比較結(jié)果具有最佳結(jié)果；h)基于該確定的結(jié)果調(diào)整該第一、第二和第三值；i)重復(fù)d)_h)直到獲得最優(yōu)結(jié)果；和 j)將該最佳結(jié)果存儲到三維存儲器內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中比較包括計算第一、第二和第三量化的估計反射率值中的每一個與該接收的量化反射率值之間的均方差(MSE)，其中確定包括確定哪個 MSE計算會導(dǎo)致最小的MSE值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中該最優(yōu)結(jié)果包括低于預(yù)定義水平的MSE結(jié)果。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中該最優(yōu)結(jié)果包括步驟d)-h)的預(yù)定義次數(shù)的重復(fù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中調(diào)整包括僅調(diào)整超過預(yù)定義范圍的量化反射率數(shù)據(jù)。
7.一種系統(tǒng),包括雷達(dá)系統(tǒng)(40)，被配置為產(chǎn)生由天線采樣的一列量化反射率數(shù)據(jù)；存儲器(43)包括三維緩存器；和處理器(42)，與該雷達(dá)系統(tǒng)和該存儲器進(jìn)行信號通信，該處理器被配置為基于估計的反射率數(shù)據(jù)調(diào)整該列量化反射率數(shù)據(jù)，該估計的反射率數(shù)據(jù)與比該接收的一列量化反射率數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的天線更大的天線的波束圖相關(guān)聯(lián)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中該處理器進(jìn)一步被配置為a)基于估計的最優(yōu)未處理反射率信號和與該較大天線相關(guān)聯(lián)的第一波束寬度函數(shù)的卷積提供估計的大天線反射率信號，該估計的大天線未處理反射率信號作為第一值；b)通過向該估計的大天線未處理反射率信號加上預(yù)定義調(diào)整值來創(chuàng)建第二值；c)通過從該估計的大天線未處理反射率信號減去預(yù)定義調(diào)整值來創(chuàng)建第三值；d)將該第一至第三值和與該較小天線相關(guān)聯(lián)的第二波束寬度函數(shù)進(jìn)行卷積；e)通過將該第一至第三值的卷積結(jié)果量化成預(yù)定義數(shù)目的高度水平來生成第一、第二和第三量化的估計反射率數(shù)據(jù)；f)將該第一、第二和第三量化的估計反射率數(shù)據(jù)與該接收的量化反射率值進(jìn)行比較；g)確定哪個比較結(jié)果具有最佳結(jié)果；h)基于該確定的結(jié)果調(diào)整該第一、第二和第三值；i)重復(fù)d)_h)直到獲得最優(yōu)結(jié)果；和i)將該最佳結(jié)果存儲到三維存儲器內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中該處理器通過計算第一、第二和第三量化的估計反射率值中的每一個與該接收的量化反射率值之間的均方差(MSE)來進(jìn)行比較，其中該處理器通過確定該哪個MSE計算會導(dǎo)致最小的MSE值來進(jìn)行確定。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中該最優(yōu)結(jié)果包括低于預(yù)定義水平的MSE結(jié)果或步驟d)-h)的預(yù)定義次數(shù)的重復(fù)，其中該處理器通過僅調(diào)整超過預(yù)定義范圍的量化的反射率數(shù)據(jù)來進(jìn)行調(diào)整。
全文摘要
用于在距離上提高較小天線尺寸雷達(dá)天氣系統(tǒng)的天氣數(shù)據(jù)的顯示質(zhì)量的方法和系統(tǒng)。處理器(42)從雷達(dá)系統(tǒng)(40)接收與天線關(guān)聯(lián)的一列量化的反射率數(shù)據(jù)。該處理器基于估計的量化反射率數(shù)據(jù)來調(diào)整該列量化反射率數(shù)據(jù)，該估計的量化反射率數(shù)據(jù)與比該接收的一列量化反射率數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的天線更大的天線的波束圖相關(guān)聯(lián)。
文檔編號G01S13/95GK102608607SQ20121004146
公開日2012年7月25日 申請日期2012年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月5日
發(fā)明者B·P·班奇 申請人:霍尼韋爾國際公司