350 rub
Journal Achievements of Modern Radioelectronics №8 for 2012 г.
Article in number:
Estimation of Doppler velocities spectrum width of meteorological formations in coherent pulsed weather radars with arbitrary intervals of sounding
Authors:
D.I. Lekhovytskiy, D.S. Rachkov, A.V. Semeniaka, D.V. Atamanskiy, A.A. Pushkov
Abstract:
We define and compare the accuracy characteristics of both well-known and a number of new algorithms for estimation of Doppler velocities spectrum (DVS) width of meteorological formations (MF) in pulsed Doppler weather radars (PDWR). The main attention is paid to this problem solution under widely used assumption about Gaussian (bell) shape of the DVS, and for different estimates of moduluses of correlation coefficients of samples of reflections from MF out of adjacent intervals of sounding. On the results of extensive theoretical-experimental investigation of different estimation algorithms there are proven the recommendations for their choice and practical implementation. It is shown, that on a number of criteria both for constant and varying intervals of sounding the estimate of unimodal DVS width based on averaged Burg estimate of correlation coefficient modulus is more preferable than the known and overall used width estimate based on moduluses of two correlation coefficients of samples of reflections from MF separated by the different time intervals. We evaluate numerically the errors conditioned by distinctions of shape of unimodal spectrum of finite order autoregressive (AR) process, approximating the reflections, from the Gaussian one. It is shown, that the Gaussian approximation of DVS leads to the upper width estimate for such spectrum. The measurement error is greater the greater the correlation coefficient and the lower the order of approximating AR-process. It can be decreased at the expense of complexification of DVS width estimation algorithm and use of additional procedure for order estimation of approximating AR-process. There are proven the recurrent procedures and schemes for DVS width estimation in specified range resolution cells for two variants of data updating periodicity - in each azimuth direction, and in directions, angular distance between which exceeds the beam width of pencil-beam directional pattern of antenna of all-round looking PDWR. It is shown, that the basic elements of developed schemes are suitable for width estimation of arbitrary-shaped unimodal spectra as well as reflectivity and mean radial velocity of MF.
Pages: 47-68
References
  1. Базлова Т.А., Бочарников Н.В., Брылев Г.Б. и др. Метеорологические автоматизированные радиолокационные сети / отв. ред. Г.Б. Брылев. СПб.: Гидрометеоиздат. 2002.
  2. Бочарников Н.В., Брылев Г.Б., Кузнецова Л.И. и др. Автоматизированные метеорологические радиолокационные комплексы «Метеоячейка» / отв. ред. Н.В. Бочарников и А.С. Солонин. СПб.: Гидрометеоиздат. 2007.
  3. Довиак Р.Дж., Зрнич Д.С. Доплеровские радиолокаторы и метеорологические наблюдения. Л.: Гидрометеоиздат. 1988.
  4. DoviakR.J., ZrnicD.S., SirmansD.S. Dopplerweatherradar // IEEEProc. Nov. 1979. V. 67. № 11. Р. 1522-1553.
  5. Мельников В.М. Обработка информации в доплеровских МРЛ // Зарубежная радиоэлектроника. 1993. № 4. С. 35-42.
  6. Рыжков А.В. Характеристики метеорологических РЛС // Зарубежная радиоэлектроника. 1993. № 4. С. 29-34.
  7. Weber M.E. Advances in operational weather radar technology // Lincoln Laboratory Journal. 2006. V. 16. № 1. P. 9-30.
  8. Фридландер Б. Решетчатые фильтры для адаптивной обработки данных // ТИИЭР. 1982. Т. 70. № 8. С. 54-97.
  9. Воеводин В.В., Кузнецов Ю.А. Матрицы и вычисления. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. литературы. 1984.
  10. Goodman N.R. Statistical analysis based on a certain multivariate complex Gaussian distribution (An introduction) // Annals of Mathematical Statistics. 1963. V. 34. № 1. P. 152-177.
  11. Бартенев В.Г.Применение распределения Уишарта для анализа эффективности адаптивных систем селекции движущихся целей // Радиотехника и электроника. 1981. Т. 26. № 2. С. 356-360.
  12. Пикаев И.К.Плотность распределения оценки комплексного коэффициента корреляции // Радиотехника и электроника. 1990. Т. 35. № 5. С. 1092-1094.
  13. Леховицкий Д.И., Флексер П.М., Атаманский Д.В., Бурковский С.И. Статистические характеристики различения гаусcовских коррелированных и некоррелированных случайных сигналов по обучающим выборкам конечного объема // Антенны. 2001. № 7. C. 3-9.
  14. Прудников А.П., Брычков Ю.А., Маричев О.И. Интегралы и ряды. Дополнительные главы. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1986.
  15. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Кн. 1. М.: Советское радио. 1969.
  16. Dias J.M.B., Leitão J.M.N. Nonparametric estimation of mean Doppler and spectral width // IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing. Jan. 2000. V. 38. № 1. P. 271-282.
  17. Efremov V., Laurukevich U., Lekhovytskiy D., Vylegzhanin I., Vovshin B. Results of theoretical and experimental investigations of meteorological formations power spectrum using «super­resolution» methods // Proceedings IRS. 2009. P. 777-784.
  18. Дженкинс Г., Ваттс Д. Спектральный анализ и его приложения. Т. 2. М.: Мир. 1972.
  19. Леховицкий Д.И., Кириллов И.Г. Моделирование пассивных помех импульсным РЛС на основе процессов авторегрессии произвольного порядка // Системи обробки інформації. 2008. №3(70). С. 90-101.
  20. Бакут П.А., Большаков И.А., Герасимов Б.М. и др. Вопросы статистической теории радиолокации Т. 1. / под ред. Г.П. Тартаковского. М.: Советское радио. 1963.
  21. Abramovich Y.I., Spencer N.K., Turley M.D.E. Order estimation and discrimination between stationary and time-varying autoregressive (TVAR) models // IEEE Trans. Sig. Proc. Jun. 2007. V.55. № 6. P. 2861-2876.
  22. Леховицкий Д.И., Жуга Г.А., Вовшин Б.М., Лаврукевич В.В. Извлечение метеоинформации на основе спектрального и корреляционного анализа отражений в импульсных доплеровских метеорологических РЛС // Прикладная радиоэлектроника. 2007. Т. 6. № 4. С. 491-510.
  23. Справочник по специальным функциям. С формулами, графиками и математическими таблицами / под ред. М. Абрамовица и И. Стиган. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1979.