CN115166749A - 一种基于单个相控阵天气雷达获取三维风场的方法及设备 - Google Patents

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CN115166749A CN202210732877.4A CN202210732877A CN115166749A CN 115166749 A CN115166749 A CN 115166749A CN 202210732877 A CN202210732877 A CN 202210732877A CN 115166749 A CN115166749 A CN 115166749A
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Abstract

本发明公开了一种基于单个相控阵天气雷达获取三维风场的方法及设备。该方法采用相控阵天气雷达扫描大气中的云雨目标，按距离门读取接收的回波数据，并计算每个距离门的频谱，通过对包括相位偏移的频谱加权求和来形成波束，以进行波束控制；对形成的波束采用快速傅氏变换进行谱矩分析，以计算获得云雨目标的径向速度V；通过对频谱加权求和分别形成呈水平排列和垂直排列的两个接收子阵波束；采用快速傅氏变换分别计算水平排列两个接收子阵和垂直排列的两个接收子阵波束的互相关函数和自相关函数，然后计算水平方向的切向速度分量和垂直方向的切向速度分量，从而获得三维风场信息。本发明具有设备简单、实现费用少和性能优越等优点。

Description

一种基于单个相控阵天气雷达获取三维风场的方法及设备
技术领域
本发明涉及三维风场获取技术领域，具体涉及一种基于单个相控阵天气雷达获取三维风场的方法及设备。
背景技术
随着天气雷达不断应用，天气雷达提供的风场信息越来越受到人们的重视。但是由于单台雷达获得的只是速度的径向分量，所以要确切了解大气的三维风场，就还需要知道风场的切向速度和垂直速度。因此如何获取二维或三维风场成了人们一直关注的问题。
公开号为CN111505596A的发明专利提出一种基于非均匀采样修正VAD技术的三维风场反演方法，这是基于单台抛物面天气雷达的方法，需要假设探测水平面内风场的空间分布模型，按照此模型进行反演计算。实际天气状况复杂多变，难以用一个或几个风场空间分布模型来描述真实情况，因此此方法使用效果难以满足实时使用的要求。
公开号为CN108107434A的发明专利提出基于双多普勒雷达反演的区域三维风场拼图方法，此方法不需要假设风场空间分布模型，但是由于采用两台多普勒雷达进行反演，因此两台雷达需要在时间和空间上同步，并且还需要进行强度订正，将数据从一个雷达传输到另一个雷达以生成实时三维风场，技术上存在一定的复杂性。使用两台多普勒雷达系统观测除了成本高以为，局限性还在于两台雷达只能测量波束扫描重叠区域的三维风场，如果两台雷达距离不够远，就无法直接测量远处风场的水平分量，这些因素限制了雷达的选址。
相控阵天气雷达采用多波束同时探测，与传统天气雷达相比，大大提高了全空域扫描速度，传统天气雷达完成全空域扫描时间需要6分钟左右，相控阵天气雷达则在1分钟以内即可完成，因此相控阵天气雷达已经成为下一代天气雷达的发展方向。相控阵天气雷达所特有的技术特征，为单台雷达获取三维风场提供了新的可用方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种基于单个相控阵天气雷达获取三维风场的方法及设备。
为实现上述目的，在第一方面，本发明提供了一种基于单个相控阵天气雷达获取三维风场的方法，包括：
采用相控阵天气雷达的天线阵面发射电磁波扫描大气中的云雨目标，并接收从云雨目标返回的回波数据，所述天线阵面包括多个阵元；
按距离门读取接收的回波数据，并计算每个距离门的频谱，通过对包括相位偏移的频谱加权求和来形成波束，以进行波束控制；
对形成的波束采用快速傅氏变换进行谱矩分析，以计算获得云雨目标的径向速度V；
基于对多个阵元划分，将形成的波束处理形成分别呈水平排列和垂直排列的两个接收子阵波束，所述两个接收子阵波束的原点位置不同；
采用快速傅氏变换分别计算水平排列两个子阵和垂直排列的两个接收子阵波束的互相关函数和自相关函数；
根据水平排列的接收子阵波束的互相关函数及自相关函数和垂直排列的接收子阵波束的互相关函数及自相关函数上的参数τ′、τx分别计算水平方向的切向速度分量和垂直方向的切向速度分量，其中，τ′为互相关函数为最大值时对应的互相关延迟时间，τx为自相关函数下降到互相关函数的最大值时对应的自相关延迟时间；
按照每一距离门对云雨目标的径向速度V、水平方向的切向速度分量、垂直方向的切向速度分量进行融合，以获得三维风场信息；
根据三维风场信息生成并显示三维风场图。
进一步的，所述两个接收子阵波束的互相关函数表示为：
|ρi2(τ)|＝αexp[-4(Vτ-D cosθ/2)2/(L cosθ)2]
其中，|ρ12(τ)|为两个子接收子阵波束的互相关函数，α为相控阵天气雷达的幅度调制系数，exp[·]以自然常数e为底的指数函数，τ为互相关函数的互相关延迟时间，D为两个子接收子阵波束的原点之间的距离，θ为形成的波束的指向角，L为每个接收子阵波束对应的接收子阵在排列方向上的尺寸。
进一步的，所述切向速度分量的计算方式如下：
Figure BDA0003714281240000031
其中，v为计算出的切向速度分量。
进一步的，所述两个接收子阵为完全分开的不同阵元构成的接收子阵或阵元有重叠的接收子阵。
在第二方面，本发明提供了一种基于单个相控阵天气雷达获取三维风场的设备，包括：
天线阵面，包括多个阵元，用以发射电磁波扫描大气中的云雨目标，并接收从云雨目标返回的回波数据；
数字波束形成单元，按距离门读取接收的回波数据，并计算每个距离门的频谱，通过对包括相位偏移的频谱求和来形成波束，以进行波束控制；
信号处理单元，用以对形成的波束采用快速傅氏变换进行谱矩分析，以计算获得云雨目标的径向速度V；所述信号处理单元基于对多个阵元划分，通过对频谱加权求和分别形成呈水平排列和垂直排列的两个接收子阵波束，所述两个接收子阵波束的原点位置不同；并采用快速傅氏变换分别计算水平排列两个子阵和垂直排列的两个子接收子阵波束的互相关函数和自相关函数；根据水平排列的接收子阵波束的互相关函数及自相关函数和垂直排列的接收子阵波束的互相关函数及自相关函数上的参数τ′、τx分别计算水平方向的切向速度分量和垂直方向的切向速度分量，其中，τ′为互相关函数为最大值时对应的互相关延迟时间，τx为自相关函数下降到互相关函数的最大值时对应的自相关延迟时间；
数据处理单元，按照每一距离门对云雨目标的径向速度V、水平方向的切向速度分量、垂直方向的切向速度分量进行融合，以获得三维风场信息；
显示单元，用以根据三维风场信息生成并显示三维风场图。
进一步的，所述两个接收子阵波束的互相关函数表示为：
|ρ12(τ)|＝αexp[-4(Vτ-D cosθ/2)2/(Lcosθ)2]
其中，|ρ12(τ)|为两个子接收子阵波束的互相关函数，α为相控阵天气雷达的幅度调制系数，exp[·]以自然常数e为底的指数函数，τ为互相关函数的互相关延迟时间，D为两个子接收子阵波束的原点之间的距离，θ为形成的波束的指向角，L为每个接收子阵波束对应的接收子阵在排列方向上的尺寸。
进一步的，所述切向速度分量的计算方式如下：
Figure BDA0003714281240000041
其中，v为计算出的切向速度分量。
进一步的，所述两个接收子阵为完全分开的不同阵元构成的接收子阵或阵元有重叠的接收子阵。
有益效果：本发明通过频谱计算，可以得到云雨目标相对于雷达的切向速度，从而得到三维风场；相对于现有技术中依靠天气雷达获取的径向速度，再按照一定的数学模型通过VAD技术反演出三维风场，本发明得到的三维风场更精确；相对于采用两个或多个多普勒雷达测量得到三维风场，本发明具有设备简单、实现费用少和性能优越等优点。
附图说明
图1是基于单个相控阵天气雷达获取三维风场的方法的流程示意图；
图2是水平排列接收子阵的划分结构示意图；
图3是垂直排列接收子阵的划分结构示意图；
图4是通过相控阵天气雷达测量切向风原理示意图；
图5是根据自相关函数和互相关函数求得τ′、τx的示意图；
图6是基于单个相控阵天气雷达获取三维风场的设备的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1至图4所示，本发明实施例提供了一种基于单个相控阵天气雷达获取三维风场的方法，包括：
采用相控阵天气雷达的天线阵面发射电磁波扫描大气中的云雨目标，并接收从云雨目标返回的回波数据，天线阵面包括多个阵元。相控阵天气雷达可以是在天气雷达常用的S、C、X波段脉冲单基地雷达，也可以工作在其他频段。
按距离门读取接收的回波数据，并计算每个距离门的频谱，通过对包括相位偏移的频谱求和来形成波束，以进行波束控制。
对形成的波束采用快速傅氏变换进行谱矩分析，以计算获得云雨目标的径向速度V。具体的，需要将上述读取的波束数据输入到处理软件中完成信号积累和定相，再对每个接收机的信号时间序列进行傅里叶变换。进而对得到的频谱进行谱矩分析，得到功率谱、测量径向速度分量。
基于对多个阵元划分，通过对频谱加权求和分别形成呈水平排列和垂直排列的两个接收子阵波束，两个接收子阵波束的原点位置不同。多个阵元共经两次划分，每次划分形成两个接收子阵，每个接收子阵均包括多个阵元，两次划分形成的接收子阵分别呈水平排列和垂直排列。具体可参见图2，其示意出了水平排列时接收子阵划分结构，其中，图2(a)是阵元有重叠时的示意图，图2(b)是阵元无重叠时的示意图，实际使用中，接收子阵的选择是可变的，可以由任意位置和数量的阵元组成一个接收子阵。用于计算处理切向速度的两个接收子阵波束原点必须不在同一位置。图2(a)与图2(b)相比，接收子阵波束原点的间距不同，接收子阵的增益也不同，具体选择方法需要根据雷达安装地点实际使用情况决定。图3示出垂直排列时接收子阵划分结构，具体的划分方法与图2相同。上述两个接收子阵可以是完全分开的不同阵元构成的接收子阵，也可以是阵元有重叠的接收子阵。每个接收子阵都有自己的数字接收机，也可以在雷达的数字波束形成模块(DBF)中形成接收子阵波束。各个接收子阵波束的原点在空间上有间隔，如果没有间隔，则无法计算互相关函数。优选采用DBF形成接收子阵波束，利用DBF可以控制接收子阵波束指向，可以更加灵活。
采用快速傅氏变换分别计算水平排列两个子阵和垂直排列的两个接收子阵波束的互相关函数和自相关函数。具体可参见图4，其中，图4(a)示出了发射波束，发射波束采用全天线口径发射，发射波束较宽，覆盖接收子阵接收波束的范围，这样得到的信噪比最强，更有利于后续处理，当然不采用全口径发射也是可以使用的，只要发射波束宽度能覆盖接收波束就可用。图4(b)示出了两个接收子阵波束，分别是由接收子阵合成的。云雨目标在相对于雷达运动时，穿过发射波束和接收波束，得到的回波信号经过谱矩分析，计算出自相关函数和互相关函数。根据大气中云雨目标的特点，相控阵天气雷达接收到的信号以云雨目标瑞利散射为主，同时也包含布拉格散射。在目标的相关时间内，可以假设接收子阵波束接收到的目标回波信号是满足各向历经平稳随机过程，则在波束径向上存在多普勒分量，此分量可以利用FFT算法获取。而信号的切向相关长度大约是相控阵天线发射阵的横向尺寸。根据互易性原理，接收天线收到信号的相关长度是接收天线横向尺寸。假设两个接收波束的原点之间间距是D，则云雨目标后向散射将以速度2v平移穿过接收天线，其中v是云雨目标散射区域中的切向速度。如果由波束原点间隔距离为D的两个天线检测的信号的互相关函数峰值不变，则时间延迟为D/2v。因此，只需要测量出峰值延迟，就可以得到切向速度。为了避免峰值出现小于D/2v的延迟，则必须利用自相关函数来校正。
如果接收天线的方向图是高斯形，可以认为辐射场不变，当云雨目标在雷达分辨率区域内均匀分布，则两个接收子阵波束的互相关函数表示为：
|ρ12(τ)|＝αexp[-4(Vτ-D cosθ/2)2/(L cosθ)2]
其中，|ρ12(τ)|为两个子接收子阵波束的互相关函数，α为相控阵天气雷达的幅度调制系数，exp[·]以自然常数e为底的指数函数，τ为互相关函数的互相关延迟时间，D为两个子接收子阵波束的原点之间的距离，θ为形成的波束的指向角，L为每个接收子阵波束对应的接收子阵在排列方向上的尺寸，即接收子阵为水平排列时，每个接收子阵波束对应的接收子阵在水平方向上的尺寸，接收子阵为垂直排列时，每个接收子阵波束对应的接收子阵在垂直方向上的尺寸。另外，当令上述公式中的D为0时，上述公式即为两个接收子阵波束的自相关函数。
根据水平排列的接收子阵波束的互相关函数及自相关函数和垂直排列的接收子阵波束的互相关函数及自相关函数上的参数τ′、τx分别计算水平方向的切向速度分量和垂直方向的切向速度分量，其中，τ′为互相关函数为最大值时对应的互相关延迟时间，即互相关函数为最大值时τ的取值，τx为自相关函数下降到互相关函数的最大值时对应的自相关延迟时间，即自相关函数下降到互相关函数的最大值时τ的取值。具体可参见图5，图5示意出了根据自相关函数和互相关函数求得τ′、τx，其中，x轴表示时间，y轴表示自相关函数和互相关函数的取值。在计算自相关函数时，只需计算一个接收子阵波束的自相关函数即可，优选计算先获取到的接收子阵波束，以划分形成的水平排列的两个接收子阵为例，如云雨目标从左向右移动，则左侧的接收子阵先接收到返回的回波数据，也就先获得接收子阵波束，然后根据自相关函数计算得到τx即可，待两个接收子阵均接收到回波数据时，再根据互相关函数计算得到τ′。
如果云雨目标随时间变化，则互相关函数的最大值减小，最大相关的位置将偏向零延迟，尽管式上述的基本形式仍然存在，但是估计会偏大。此时可以利用自相关函数来校正随机变化。为了实现速度估计修正，可按以下方式计算切向速度分量：
Figure BDA0003714281240000071
其中，v为计算出的切向速度分量，如果随机变化可以忽略，则τx＝0，τ′＝1。如果τ′值随延迟值的增加而不断减小，超过阈值后，则应返回零速度，而不是非常大的速度。
按照每一距离门对云雨目标的径向速度V、水平方向的切向速度分量、垂直方向的切向速度分量进行融合，以获得三维风场信息。
根据三维风场信息生成并显示三维风场图。此外还可控制对三维风场信息进行存储和传输。
结合图1至图6，基于以上实施例，本领域技术人员可以轻易理解，本发明还提供了一种基于单个相控阵天气雷达获取三维风场的设备，包括天线阵面1、数字波束形成单元2、信号处理单元3、数据处理单元4、显示单元5、雷达控制单元6、频率综合器7、子阵放大单元8、伺服机构9和天线座10等。
其中，天线阵面1包括多个阵元，用以发射电磁波扫描大气中的云雨目标，并接收从云雨目标返回的回波数据。相控阵天气雷达可以是在天气雷达常用的S、C、X波段脉冲单基地雷达，也可以工作在其他频段。雷达发射时，由雷达控制单元6产生控制信号，输出到频率综合器7中，频率综合器7产生射频信号，馈送到子阵放大单元8，子阵放大单元8再将信号放大馈送到天线子阵上的各阵元中，形成发射波束。伺服机构9用来实现探测方向控制，天线座10用来安装天线阵面1。
数字波束形成单元2用以按距离门读取接收的回波数据，并计算每个距离门的频谱，通过对包括相位偏移的频谱求和来形成波束，以进行波束控制。
信号处理单元3用以对形成的波束采用快速傅氏变换进行谱矩分析，以计算获得云雨目标的径向速度V。具体的，需要将上述读取的波束数据输入到处理软件中完成信号积累和定相，再对每个接收机的信号时间序列进行傅里叶变换。进而对得到的频谱进行谱矩分析，得到功率谱、测量径向速度分量。
信号处理单元3还用来基于对多个阵元划分，通过对频谱加权求和分别形成呈水平排列和垂直排列的两个接收子阵波束，两个接收子阵波束的原点位置不同。多个阵元共经两次划分，每次划分形成两个接收子阵，每个子阵均包括多个阵元，两次划分形成的接收子阵分别呈水平排列和垂直排列。具体可参见图2，其示意出了水平排列时接收子阵划分结构，其中，图2(a)是阵元有重叠时的示意图，图2(b)是阵元无重叠时的示意图，实际使用中，接收子阵的选择是可变的，可以由任意位置和数量的阵元组成一个接收子阵。用于计算处理切向速度的两个接收子阵波束原点必须不在同一位置。图2(a)与图2(b)相比，接收子阵波束原点的间距不同，接收子阵的增益也不同，具体选择方法需要根据雷达安装地点实际使用情况决定。图3示出垂直排列时接收子阵划分结构，具体的划分方法与图2相同。上述两个接收子阵可以是完全分开的不同阵元构成的接收子阵，也可以是阵元有重叠的接收子阵。每个接收子阵都有自己的数字接收机，也可以在雷达的数字波束形成模块(DBF)中形成接收子阵波束。各个接收子阵波束的原点在空间上有间隔，如果没有间隔，则无法计算互相关函数。优选采用DBF形成接收子阵波束，利用DBF可以控制接收子阵波束指向，可以更加灵活。
信号处理单元3还采用快速傅氏变换分别计算水平排列两个子阵和垂直排列的两个接收子阵波束的互相关函数和自相关函数。具体可参见图4，其中，图4(a)示出了发射波束，发射波束采用全天线口径发射，发射波束较宽，覆盖接收子阵接收波束的范围，这样得到的信噪比最强，更有利于后续处理，当然不采用全口径发射也是可以使用的，只要发射波束宽度能覆盖接收波束就可用。图4(b)示出了两个接收子阵波束，分别是由接收子阵合成的。云雨目标在相对于雷达运动时，穿过发射波束和接收波束，得到的回波信号经过谱矩分析，计算出自相关函数和互相关函数。根据大气中云雨目标的特点，相控阵天气雷达接收到的信号以云雨目标瑞利散射为主，同时也包含布拉格散射。在目标的相关时间内，可以假设接收子阵波束接收到的目标回波信号是满足各向历经平稳随机过程，则在波束径向上存在多普勒分量，此分量可以利用FFT算法获取。而信号的切向相关长度大约是相控阵天线发射阵的横向尺寸。根据互易性原理，接收天线收到信号的相关长度是接收天线横向尺寸。假设两个接收波束的原点之间间距是D，则云雨目标后向散射将以速度2v平移穿过接收天线，其中v是云雨目标散射区域中的切向速度。如果由波束原点间隔距离为D的两个天线检测的信号的互相关函数峰值不变，则时间延迟为D/2v。因此，只需要测量出峰值延迟，就可以得到切向速度。为了避免峰值出现小于D/2v的延迟，则必须利用自相关函数来校正。
如果接收天线的方向图是高斯形，可以认为辐射场不变，当云雨目标在雷达分辨率区域内均匀分布，则两个接收子阵波束的互相关函数表示为：
|ρ12(τ)I＝αexp[-4(Vτ-Dcosθ/2)2/(Lcosθ)2]
其中，|ρ12(τ)|为两个子接收子阵波束的互相关函数，α为相控阵天气雷达的幅度调制系数，exp[·]以自然常数e为底的指数函数，τ为互相关函数的互相关延迟时间，D为两个子接收子阵波束的原点之间的距离，θ为形成的波束的指向角，L为每个接收子阵波束对应的接收子阵在排列方向上的尺寸，即接收子阵为水平排列时，每个接收子阵波束对应的接收子阵在水平方向上的尺寸，接收子阵为垂直排列时，每个接收子阵波束对应的接收子阵在垂直方向上的尺寸。另外，当令上述公式中的D为0时，上述公式即为两个接收子阵波束的自相关函数。
根据水平排列的接收子阵波束的互相关函数及自相关函数和垂直排列的接收子阵波束的互相关函数及自相关函数上的参数τ′、τx分别计算水平方向的切向速度分量和垂直方向的切向速度分量，其中，τ′为互相关函数为最大值时对应的互相关延迟时间，即互相关函数为最大值时τ的取值，τx为自相关函数下降到互相关函数的最大值时对应的自相关延迟时间，即自相关函数下降到互相关函数的最大值时τ的取值。具体可参见图5，图5示意出了根据自相关函数和互相关函数求得τ′、τx，其中，x轴表示时间，y轴表示自相关函数和互相关函数的取值。在计算自相关函数时，只需计算一个接收子阵波束的自相关函数即可，优选计算先获取到的接收子阵波束，以划分形成的水平排列的两个接收子阵为例，如云雨目标从左向右移动，则左侧的接收子阵先接收到返回的回波数据，也就先获得接收子阵波束，然后根据自相关函数计算得到τx即可，待两个接收子阵均接收到回波数据时，再根据互相关函数计算得到τ′。
如果云雨目标随时间变化，则互相关函数的最大值减小，最大相关的位置将偏向零延迟，尽管式上述的基本形式仍然存在，但是估计会偏大。此时可以利用自相关函数来校正随机变化。为了实现速度估计修正，可按以下方式计算切向速度分量：
Figure BDA0003714281240000101
其中，v为计算出的切向速度分量，如果随机变化可以忽略，则τx＝0，τ′＝1。如果τ′值随延迟值的增加而不断减小，超过阈值后，则应返回零速度，而不是非常大的速度。
数据处理单元4按照每一距离门对云雨目标的径向速度V、水平方向的切向速度分量、垂直方向的切向速度分量进行融合，以获得三维风场信息。
显示单元5用以根据三维风场信息生成并显示三维风场图。此外还可控制对三维风场信息进行存储和传输。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，其它未具体描述的部分，属于现有技术或公知常识。在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于单个相控阵天气雷达获取三维风场的方法，其特征在于，包括：
采用相控阵天气雷达的天线阵面发射电磁波扫描大气中的云雨目标，并接收从云雨目标返回的回波数据，所述天线阵面包括多个阵元；
按距离门读取接收的回波数据，并计算每个距离门的频谱，通过对包括相位偏移的频谱加权求和来形成波束，以进行波束控制；
对形成的波束采用快速傅氏变换进行谱矩分析，以计算获得云雨目标的径向速度V；
基于对多个阵元划分，通过对频谱加权求和分别形成呈水平排列和垂直排列的两个接收子阵波束，所述两个接收子阵波束的原点位置不同；
采用快速傅氏变换分别计算水平排列两个接收子阵和垂直排列的两个接收子阵波束的互相关函数和自相关函数；
根据水平排列的接收子阵波束的互相关函数及自相关函数和垂直排列的接收子阵波束的互相关函数及自相关函数上的参数τ′、τx分别计算水平方向的切向速度分量和垂直方向的切向速度分量，其中，τ′为互相关函数为最大值时对应的互相关延迟时间，τx为自相关函数下降到互相关函数的最大值时对应的自相关延迟时间；
按照每一距离门对云雨目标的径向速度V、水平方向的切向速度分量、垂直方向的切向速度分量进行融合，以获得三维风场信息；
根据三维风场信息生成并显示三维风场图。
2.根据权利要求1所述的一种基于单个相控阵天气雷达获取三维风场的方法，其特征在于，所述两个接收子阵波束的互相关函数表示为：
|ρ12(τ)|＝αexp[-4(Vτ-D coSθ/2)2/(L cosθ)2]
其中，|ρ12(τ)|为两个子接收子阵波束的互相关函数，α为相控阵天气雷达的幅度调制系数，exp[·]以自然常数e为底的指数函数，τ为互相关函数的互相关延迟时间，D为两个子接收子阵波束的原点之间的距离，θ为形成的波束的指向角，L为每个接收子阵波束对应的接收子阵在排列方向上的尺寸。
3.根据权利要求2所述的一种基于单个相控阵天气雷达获取三维风场的方法，其特征在于，所述切向速度分量的计算方式如下：
Figure FDA0003714281230000021
其中，v为计算出的切向速度分量。
4.根据权利要求1所述的一种基于单个相控阵天气雷达获取三维风场的方法，其特征在于，所述两个接收子阵为完全分开的不同阵元构成的接收子阵或阵元有重叠的接收子阵。
5.一种基于单个相控阵天气雷达获取三维风场的设备，其特征在于，包括：
天线阵面，包括多个阵元，用以发射电磁波扫描大气中的云雨目标，并接收从云雨目标返回的回波数据；
数字波束形成单元，按距离门读取接收的回波数据，并计算每个距离门的频谱，通过对包括相位偏移的频谱加权求和来形成波束，以进行波束控制；
信号处理单元，用以对形成的波束采用快速傅氏变换进行谱矩分析，以计算获得云雨目标的径向速度V；所述信号处理单元基于对多个阵元划分，通过对频谱加权求和分别形成呈水平排列和垂直排列的两个接收子阵波束，所述两个接收子阵波束的原点位置不同；并采用快速傅氏变换分别计算水平排列两个子阵和垂直排列的两个子接收子阵波束的互相关函数和自相关函数；根据水平排列的接收子阵波束的互相关函数及自相关函数和垂直排列的接收子阵波束的互相关函数及自相关函数上的参数τ′、τx分别计算水平方向的切向速度分量和垂直方向的切向速度分量，其中，τ′为互相关函数为最大值时对应的互相关延迟时间，τx为自相关函数下降到互相关函数的最大值时对应的自相关延迟时间；
数据处理单元，按照每一距离门对云雨目标的径向速度V、水平方向的切向速度分量、垂直方向的切向速度分量进行融合，以获得三维风场信息；
显示单元，用以根据三维风场信息生成并显示三维风场图。
6.根据权利要求5所述的一种基于单个相控阵天气雷达获取三维风场的设备，其特征在于，所述两个接收子阵波束的互相关函数表示为：
|ρ12(τ)|＝αexp[-4(Vτ-D cosθ/2)2/(L cosθ)2]
其中，|ρ12(τ)|为两个子接收子阵波束的互相关函数，α为相控阵天气雷达的幅度调制系数，exp[·]以自然常数e为底的指数函数，τ为互相关函数的互相关延迟时间，D为两个子接收子阵波束的原点之间的距离，θ为形成的波束的指向角，L为每个接收子阵波束对应的接收子阵在排列方向上的尺寸。
7.根据权利要求6所述的一种基于单个相控阵天气雷达获取三维风场的设备，其特征在于，所述切向速度分量的计算方式如下：
Figure FDA0003714281230000031
其中，v为计算出的切向速度分量。
8.根据权利要求5所述的一种基于单个相控阵天气雷达获取三维风场的设备，其特征在于，所述两个接收子阵为完全分开的不同阵元构成的接收子阵或阵元有重叠的接收子阵。
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