Staggered-PRT

Qué resuelve

Es la segunda vía para romper el compromiso entre rango no ambiguo y velocidad no ambigua, alternativa al dual-PRF. La diferencia está en el grano: dual-PRF alterna el PRF entre radiales o entre bloques de pulsos, mientras que staggered-PRT alterna el periodo entre pulsos consecutivos dentro del mismo radial, según un patrón T1, T2, T1, T2…

Esa diferencia tiene dos consecuencias prácticas de signo opuesto. A favor: como las dos muestras que se comparan están separadas por milisegundos y no por el tiempo de un radial completo, el eco no ha cambiado entre ellas, y desaparece el error de dealiasing por decorrelación que sufre el dual-PRF en presencia de cizalladura o turbulencia fuerte. En contra: el filtrado de clutter se vuelve mucho más difícil, porque un muestreo no uniforme no tiene una FFT ordinaria detrás y las técnicas espectrales estándar dejan de aplicarse tal cual.

Cómo funciona

Con dos periodos T1 y T2 en razón simple —2/3 y 3/4 son las habituales— se calculan las autocovarianzas a los dos retardos correspondientes. Cada una da una estimación de velocidad plegada con su propia velocidad de Nyquist. La diferencia de las dos fases es proporcional a la velocidad verdadera con una velocidad de Nyquist extendida igual a la que correspondería al periodo diferencia T2 − T1, que es mucho menor que cualquiera de los dos y por tanto da un intervalo no ambiguo mucho mayor. En la práctica no se usa la diferencia cruda, que es muy ruidosa, sino como índice para elegir el número de pliegues correcto de la estimación individual más precisa: se calcula el par de enteros que reconcilia las dos medidas mediante una tabla de búsqueda indexada por la diferencia de fases, y se aplica ese desdoblado a la estimación de mejor varianza. Torres, Dubel & Zrnić (2004) describen esa implementación con la tabla de reglas y su análisis de errores.

El problema del clutter. Con muestreo uniforme, el clutter está en cero Hertz y se filtra en frecuencia. Con muestreo escalonado, el espectro de una señal muestreada de forma no uniforme presenta réplicas que ensucian la banda, y un filtro de muesca ingenuo destruye señal meteorológica que no debería tocar. La solución publicada por Sachidananda & Zrnić (2000) separa el problema: descompone la serie escalonada en las dos subsecuencias uniformes que la componen, filtra en un dominio donde el clutter sí está localizado, y reconstruye. Es el trabajo más pesado de esta técnica y la razón principal por la que el staggered-PRT es más caro de implementar bien que el dual-PRF.

Configuraciones cubiertas

Requiere que el DRx sepa generar el patrón de disparo escalonado —el contrato DRx↔DSP lo permite mediante los cuatro pares de trigger_delay_N y trigger_width_N— y no depende del tipo de transmisor ni de la polarimetría. En configuración polarimétrica alternante, sin embargo, la combinación de alternancia de polarización y alternancia de periodo genera un patrón de muestreo cuya estadística hay que analizar antes de comprometerla: no se recomienda ofrecer las dos a la vez en Stage 1, y la restricción se declara vía dealias_mask y capability_flags.

Parámetros del contrato que consume

De config: dealias_mode = staggered_prt, y prf_ratio_num/prf_ratio_den para la razón T1:T2 —los mismos campos que el dual-PRF, con el significado que fija el modo—. Publica en cada radial la nyquist_velocity extendida resultante y marca ray_flag.dealias_failed cuando el desdoblado no converge. La disponibilidad se declara en dealias_mask; si se pide y no está, el rechazo es dealias_unsupported.

Criterio de aceptación

Sobre una matriz de escenarios con velocidad verdadera barrida más allá de la Nyquist de cada periodo individual y hasta la Nyquist extendida, la velocidad recuperada debe coincidir con la verdad-terreno; el criterio se expresa como tasa de aciertos del número de pliegues, no como error medio, porque un fallo de desdoblado es un error de varios múltiplos de la Nyquist y promediarlo con aciertos oculta el problema. Esa tasa debe medirse en función de la SNR y del ancho espectral, y degradarse de forma suave. Con clutter inyectado, la reflectividad y la velocidad tras el filtrado escalonado deben mantenerse dentro del mismo margen que el caso uniforme, que es la prueba de que el filtro específico está bien implementado.

Coste de cómputo

Las dos autocovarianzas cuestan aproximadamente el doble que el pulse-pair ordinario, más la búsqueda en tabla, que es despreciable. El filtrado de clutter escalonado es lo caro y su coste depende de la variante que se implemente; en Stage 1 es razonable ofrecer staggered-PRT sin filtro de clutter y declararlo explícitamente en las capacidades, en vez de ofrecer las dos cosas mal combinadas.

Referencias abiertas / implementaciones libres

• Torres, S. M., Dubel, Y. F. & Zrnić, D. S. (2004), «Design, Implementation, and Demonstration of a Staggered PRT Algorithm for the WSR-88D», Journal of Atmospheric and Oceanic Technology.
• Sachidananda, M. & Zrnić, D. S. (2000), «Clutter Filtering and Spectral Moment Estimation for Doppler Weather Radars Using Staggered Pulse Repetition Time (PRT)», Journal of Atmospheric and Oceanic Technology.
• Doviak, R. J. & Zrnić, D. S., Doppler Radar and Weather Observations, 2ª ed., 1993 — fundamentos de ambigüedad rango-velocidad.
• LROSE — incluye utilidades de procesamiento de series temporales con PRT escalonado, la referencia abierta más cercana a una implementación completa.