Ruido, resta de ruido y umbrales de censura¶

Qué resuelve¶

Toda celda de rango contiene, además del eco, ruido térmico del receptor. A SNR alta es irrelevante; a SNR baja domina, y si no se resta explícitamente sesga la reflectividad hacia arriba —una celda vacía reporta la potencia del ruido como si fuera señal— y sesga el ancho espectral, porque el ruido es blanco y ensancha el espectro aparente. La consecuencia operativa es un radar que «ve» lluvia donde no la hay en los bordes del alcance, que es el artefacto más visible que puede tener un producto.

El problema tiene dos mitades: conocer la potencia de ruido con precisión suficiente, y decidir qué celdas tienen señal bastante para publicarse y cuáles se censuran.

Cómo funciona¶

Estimación del suelo de ruido. Hay tres vías, y un procesador serio usa las tres en distintos momentos. La primera es la medida directa en un intervalo pasivo: celdas de rango más allá del alcance útil, o un dwell con el transmisor inhibido, donde por construcción sólo hay ruido; es la más limpia y la que alimenta el valor de referencia del arranque. La segunda es el método objetivo de Hildebrand & Sekhon (1974), que separa la parte de ruido del espectro Doppler sin necesidad de saber a priori dónde está: ordena las líneas espectrales por potencia y busca el umbral a partir del cual el conjunto de líneas por debajo se comporta como ruido blanco, comprobando la relación esperada entre media y varianza de un espectro de ruido. La tercera, para operación continua, es la estimación por radial de Ivić, Curtis & Torres (2013), pensada para seguir la deriva del receptor sin interrumpir el escaneo.

Resta. Una vez conocida la potencia de ruido N, la potencia de señal es S = R(0) − N, con R(0) la potencia total medida. La resta se hace en lineal, no en dB, y el resultado se recorta a cero: por debajo del suelo, la estimación de una realización finita da valores negativos con probabilidad apreciable, y propagarlos a un logaritmo produce NaN o infinitos. Esa celda no es «potencia negativa», es «sin señal detectable», y se marca como tal.

Umbrales. El contrato expone cuatro y cada uno censura por un motivo distinto, que es la razón de que no se colapsen en uno. sig_threshold censura por SNR insuficiente. log_threshold censura por potencia logarítmica absoluta, independientemente del ruido. sqi_threshold censura por coherencia insuficiente de la serie temporal, que detecta el caso en que hay potencia pero no es un eco meteorológico coherente. ccor_threshold censura por corrección de clutter excesiva, es decir, celdas donde lo que quedó tras el filtro es tan poco frente a lo que se quitó que el residuo no es fiable. Una celda censurada se codifica como NaN en el bloque de momento —el contrato lo prevé con moment_flag.has_missing— y el radial se marca con ray_flag.censored.

La decisión de diseño que conviene fijar explícitamente: se censura el momento publicado, no la muestra de entrada, y los cuatro umbrales se evalúan sobre cantidades ya calculadas. Censurar antes de estimar impide reportar el índice de calidad que explicaría por qué la celda se descartó.

Configuraciones cubiertas¶

Es independiente del tipo de transmisor y de la polarimetría, con dos matices. Con dos canales, cada canal tiene su propio suelo de ruido —el contrato dedica noise_floor_dbm_0 a noise_floor_dbm_3 a eso— y la resta se hace por canal antes de calcular cualquier variable polarimétrica; usar un único valor promediado sesga ZDR de forma proporcional a la diferencia entre canales, que es justamente lo que el ZDR mide. Con magnetrón, la deriva de frecuencia mueve la señal dentro de la banda del filtro receptor, así que la estimación del suelo de ruido debe repetirse tras cualquier corrección de AFC significativa.

Parámetros del contrato que consume¶

De config: noise_floor_dbm, sig_threshold, log_threshold, sqi_threshold, ccor_threshold. Publica en status el suelo de ruido vigente por canal (noise_floor_dbm_0..3) y el offset de continua por canal, y en cada radial el noise_floor_dbm con el que se procesó.

Criterio de aceptación¶

Sobre escenarios simulados con potencia de señal conocida y ruido conocido, la reflectividad estimada debe seguir a la verdad-terreno sin sesgo apreciable hasta SNR ≈ 0 dB, y el sesgo residual por debajo de ese punto debe quedar acotado y documentado. Sobre celdas puramente de ruido, la tasa de falsos positivos —celdas que superan los umbrales sin haber señal— debe quedar por debajo del valor declarado para cada configuración de umbrales. El estimador de Hildebrand & Sekhon se contrasta contra el valor inyectado en el simulador, que es conocido exactamente.

Coste de cómputo¶

La resta y los umbrales son O(1) por celda y despreciables. La estimación objetiva del suelo de ruido requiere ordenar las líneas espectrales, O(M log M) por celda, pero no hace falta hacerla en cada radial: es una cantidad de evolución lenta y basta refrescarla cada cierto número de radiales o por dwell dedicado.

Referencias abiertas / implementaciones libres¶

Hildebrand, P. H. & Sekhon, R. S. (1974), «Objective Determination of the Noise Level in Doppler Spectra», Journal of Applied Meteorology.
Ivić, I. R., Curtis, C. & Torres, S. M. (2013), «Radial-Based Noise Power Estimation for Weather Radars», Journal of Atmospheric and Oceanic Technology.
Doviak, R. J. & Zrnić, D. S., Doppler Radar and Weather Observations, 2ª ed., 1993 — capítulo 6: efecto del ruido sobre los estimadores de momentos.
Py-ART — pyart.retrieve y sus utilidades de SNR y de censura por umbral, útiles como contraste del criterio de censura.
LROSE — implementación abierta en C++ de la estimación de ruido por el método objetivo, aplicable como oráculo directo.