CN103645477B - 气象雷达信号处理方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了气象雷达信号处理方法和系统。气象雷达信号处理方法包括以下步骤：发射步骤，其用于通过天线向目标区发射雷达波的主波束，主波束具有预定照射功率、预定波束宽度、和预定数量的脉冲，每一个脉冲均具有预定脉冲宽度和预定照射功率；接收步骤，其用于通过天线接收来自目标区的回波；以及回波处理步骤，其用于对回波进行处理，以获得包括回波的回波功率和与目标区的方位角、俯仰角和距离相关的信息的气象雷达信号；其中，将主波束按方位角角度等分为n个子波束，并且/或者将主波束按俯仰角角度等分为q个子波束，并且/或者将每一个脉冲按脉冲宽度等分为m个子脉冲来对目标区进行探测以获得超分辨率的气象雷达信号。

Description

气象雷达信号处理方法和系统
技术领域
本发明涉及气象雷达领域，尤其涉及气象雷达信号处理方法和系统。
背景技术
气象雷达是用来探测大气中的降水类型(雨、雪、冰雹等)、分布、移动和演变，并可对其未来分布和强度做出预测的一种雷达设备。近年来，随着气候环境的变化，尤其是灾害性天气的增多，气象雷达的应用变得越来越重要。
图15示出了气象雷达探测目标区的示意图。
如图15所示，在气象雷达应用中，空间任一目标所在位置可用下列三个坐标确定：
(1)距离R：雷达到目标的直线距离OP；
(2)方位角α：距离R在水平面上的投影OB与正北方向在水平面上的夹角；以及
(3)俯仰角β：距离R与它在水平面上的投影OB在铅垂面上的夹角，有时也称为倾角或高低角。
当前，如果想要提高气象雷达的探测信号(方位角、俯仰角和距离)的分辨率，尤其是获得具有超分辨率的探测信号，传统的手段是提高气象雷达系统硬件的性能来获得高分辨率的信号。即，传统的手段是通过减小雷达波主波束的波束宽度和/或脉冲宽度来提高气象雷达信号的分辨率。但是，由于当前技术手段的限制，难以通过提高气象雷达硬件的性能来提高探测信号的分辨率。这是因为，当前气象雷达信号的分辨率取决于雷达波的主波束的波束宽度和主波束内的脉冲的脉冲宽度，波束宽度决定了气象雷达所探测到的目标区的方位角和俯仰角的分辨率，而脉冲宽度决定了目标区的距离的分辨率。例如，如果气象雷达的雷达波的主波束具有3dB的波束宽度并且主波束内的脉冲具有1ms的脉冲宽度，则目标区的方位角和俯仰角的分辨率受限于该3dB的波束宽度并且距离的分辨率受限于1ms的脉冲宽度，因此无法提高。
而且，现有的气象雷达信号处理系统无法对气象雷达所探测到的与方位角、俯仰角和距离有关的信息进行处理来获得超分辨率的高精度数据，所述超分辨率指的是经过处理得到的数据的分辨率超过回波信号的受限于波束宽度和脉冲宽度的分辨率。
发明内容
本发明提供的气象雷达信号处理方法针对的是气象雷达对目标区沿方位角、俯仰角和距离中的至少一者进行探测所获得的部分卷积结果，即，针对所获得的作为部分卷积结果的观测值进行处理，实现了反卷积功能，并获得了超分辨率的高精度数据。
本发明提供了气象雷达信号处理方法和系统。
一方面，本发明实施方式提供了气象雷达信号处理方法，其特征在于包括以下步骤：发射步骤，其用于通过天线向目标区发射雷达波的主波束，所述主波束具有预定照射功率、预定波束宽度、和预定数量的脉冲，所述预定数量的脉冲中的每一个脉冲均具有预定脉冲宽度和预定照射功率；接收步骤，其用于通过所述天线接收来自所述目标区的回波；以及回波处理步骤，其用于对所述回波进行处理，以获得包括所述回波的回波功率和与所述目标区的方位角、俯仰角和距离相关的信息的气象雷达信号；其中，将所述主波束按方位角角度等分为n个子波束来对所述目标区进行探测以获得方位角超分辨率的气象雷达信号，并且/或者将所述主波束按俯仰角角度等分为q个子波束来对所述目标区进行探测以获得俯仰角超分辨率的气象雷达信号，并且/或者将所述每一个脉冲按脉冲宽度等分为m个子脉冲来对所述目标区进行探测以获得距离超分辨率的气象雷达信号，其中，n为大于等于2的整数，q为大于等于2的整数，并且m为大于等于2的整数。
根据本发明的一方面，在将所述主波束按方位角角度等分为n个子波束来对所述目标区进行探测的情况下，将所述目标区划分为多个方位角分辨元，每个方位角分辨元所对应的方位角角度等于一个子波束宽度，并且所述n个子波束的照射功率之和等于所述主波束的预定照射功率，在将所述主波束按俯仰角角度等分为q个子波束来对所述目标区进行探测的情况下，将所述目标区划分为多个俯仰角分辨元，每个俯仰角分辨元所对应的俯仰角角度等于一个子波束宽度，并且所述q个子波束的照射功率之和等于所述主波束的预定照射功率，在将所述每一个脉冲按脉冲宽度等分为m个子脉冲来对所述目标区进行探测的情况下，将所述目标区划分为多个距离分辨元，每个距离分辨元的距离跨度与一个子脉冲的脉冲宽度的1/2相对应，并且所述m个子脉冲的照射功率之和等于所述每一个脉冲的预定照射功率。
根据本发明的一方面，在将所述主波束按方位角角度等分为n个子波束来对所述目标区进行探测的情况下，所述n个子波束依次对每一个方位角分辨元进行照射，并且每一个方位角分辨元均具有反射系数，每一个方位角分辨元的反射系数均为照射到该方位角分辨元的波束的回波功率与该波束的照射功率之比，在将所述主波束按俯仰角角度等分为q个子波束来对所述目标区进行探测的情况下，所述q个子波束依次对每一个俯仰角分辨元进行照射，并且每一个俯仰角分辨元均具有反射系数，每一个俯仰角分辨元的反射系数均为照射到该俯仰角分辨元的波束的回波功率与该波束的照射功率之比，在将所述每一个脉冲按脉冲宽度等分为m个子脉冲来对所述目标区进行探测的情况下，所述m个子脉冲依次对每一个距离分辨元进行照射，并且每一个距离分辨元均具有反射系数，每一个距离分辨元的反射系数均为照射到该距离分辨元的脉冲的回波功率与该脉冲的照射功率之比。
根据本发明的一方面，在将所述主波束按方位角角度等分为n个子波束来对所述目标区进行探测的情况下，所述回波处理步骤还包括：利用所述主波束的预定照射功率和回波功率以及所述n个子波束的照射功率计算所述多个方位角分辨元之一的反射系数，在将所述主波束按俯仰角角度等分为q个子波束来对所述目标区进行探测的情况下，所述回波处理步骤还包括：利用所述主波束的预定照射功率和回波功率以及所述q个子波束的照射功率计算所述多个俯仰角分辨元之一的反射系数，在将所述每一个脉冲按脉冲宽度等分为m个子脉冲来对所述目标区进行探测的情况下，所述回波处理步骤还包括：利用所述脉冲的预定照射功率和回波功率以及所述m个子脉冲的照射功率计算所述多个距离分辨元之一的反射系数。
根据本发明的一方面，计算所述多个方位角分辨元之一的反射系数的步骤包括：对所述n个子波束照射同一个方位角分辨元所获得的回波功率求和，计算所述多个俯仰角分辨元之一的反射系数的步骤包括：对所述q个子波束照射同一个俯仰角分辨元所获得的回波功率求和，计算所述多个距离分辨元之一的反射系数的步骤包括：对所述m个子脉冲照射同一个距离分辨元所获得的回波功率求和。
根据本发明的一方面，计算所述多个方位角分辨元之一的反射系数的步骤包括：当所述n个子波束同时照射到n个方位角分辨元时，用所述n个子波束的回波功率之和除以所述主波束的预定照射功率所获得的值作为所述主波束中线所在的方位角分辨元的反射系数的估计初值，计算所述多个俯仰角分辨元之一的反射系数的步骤包括：当所述q个子波束同时照射到q个俯仰角分辨元时，用所述q个子波束的回波功率之和除以所述主波束的预定照射功率所获得的值作为所述主波束中线所在的俯仰角分辨元的反射系数的估计初值，计算所述多个距离分辨元之一的反射系数的步骤包括：当所述m个子脉冲同时照射到m个距离分辨元时，用所述m个子脉冲的回波功率之和除以所述脉冲的预定照射功率所获得的值作为所述脉冲的脉冲宽度中线所在的距离分辨元的反射系数的估计初值。
根据本发明的一方面，计算所述多个方位角分辨元之一的反射系数的步骤包括：在所述n个方位角分辨元的反射系数在所述预定波束宽度内沿方位角呈线性变化的情况下，所述主波束中线所在的方位角分辨元的反射系数的估计初值等于该方位角分辨元的反射系数的实际值，计算所述多个俯仰角分辨元之一的反射系数的步骤包括：在所述q个俯仰角分辨元的反射系数在所述预定波束宽度内沿俯仰角呈线性变化的情况下，所述主波束中线所在的俯仰角分辨元的反射系数的估计初值等于该俯仰角分辨元的反射系数的实际值，计算所述多个距离分辨元之一的反射系数的步骤包括：在所述m个距离分辨元的反射系数在所述预定脉冲宽度内沿距离呈线性变化的情况下，所述脉冲的脉冲宽度中线所在的距离分辨元的反射系数的估计初值等于该距离分辨元的反射系数的实际值。
根据本发明的一方面，计算所述多个方位角分辨元之一的反射系数的步骤包括：在所述n个方位角分辨元的反射系数在所述预定波束宽度内沿方位角呈正弦波变化和/或类正弦波变化和/或分段线性变化的情况下，通过对所述估计初值进行至少一级加权求和运算，以计算出每一级加权求和运算前后反射系数的变化，用所述反射系数的变化进行外推计算以得到所述主波束实际照射所述目标区引起的反射系数变化，从而得到校正因子，之后用所述校正因子对所述估计初值进行校正以得到所述反射系数的最终估计值，计算所述多个俯仰角分辨元之一的反射系数的步骤包括：在所述q个俯仰角分辨元的反射系数在所述预定波束宽度内沿俯仰角呈正弦波变化和/或类正弦波变化和/或分段线性变化的情况下，通过对所述估计初值进行至少一级加权求和运算，以计算出每一级加权求和运算前后反射系数的变化，用所述反射系数的变化进行外推计算以得到所述主波束实际照射所述目标区引起的反射系数变化，从而得到校正因子，之后用所述校正因子对所述估计初值进行校正以得到所述反射系数的最终估计值，计算所述多个距离分辨元之一的反射系数的步骤包括：在所述m个距离分辨元的反射系数在所述预定脉冲宽度内沿距离呈正弦波变化和/或类正弦波变化和/或分段线性变化的情况下，通过对所述估计初值进行至少一级加权求和运算，以计算出每一级加权求和运算前后反射系数的变化，用所述反射系数的变化进行外推计算以得到所述脉冲实际照射所述目标区引起的反射系数变化，从而得到校正因子，之后用所述校正因子对所述估计初值进行校正以得到所述反射系数的最终估计值。
根据本发明的一方面，计算所述多个方位角分辨元之一的反射系数的步骤包括：在所述n个方位角分辨元的反射系数在所述预定波束宽度内沿方位角呈随机变化的情况下，通过对所述估计初值进行至少一级加权求和运算，以计算出每一级加权求和运算前后反射系数的变化，用所述反射系数的变化进行外推计算以得到所述主波束实际照射所述目标区引起的反射系数变化，从而得到校正因子，根据所述估计初值和所述校正因子利用预测算法求得预测值，通过对所述预测值进行加权求和运算来得到检验值，并将所述估计初值与所述检验值进行比较以获得比较误差，如果所述比较误差小于或等于预设误差值，则将所述预测值用作所述方位角分辨元的反射系数的最终估计值，并且如果所述比较误差大于所述预设误差值，则根据所述比较误差来校正所述校正因子，计算所述多个俯仰角分辨元之一的反射系数的步骤包括：在所述q个俯仰角分辨元的反射系数在所述预定波束宽度内沿俯仰角呈随机变化的情况下，通过对所述估计初值进行至少一级加权求和运算，以计算出每一级加权求和运算前后反射系数的变化，用所述反射系数的变化进行外推计算以得到所述主波束实际照射所述目标区引起的反射系数变化，从而得到校正因子，根据所述估计初值和所述校正因子利用预测算法求得预测值，通过对所述预测值进行加权求和运算来得到检验值，并将所述估计初值与所述检验值进行比较以获得比较误差，如果所述比较误差小于或等于预设误差值，则将所述预测值用作所述俯仰角分辨元的反射系数的最终估计值，并且如果所述比较误差大于所述预设误差值，则根据所述比较误差来校正所述校正因子，计算所述多个距离分辨元之一的反射系数的步骤包括：在所述m个距离分辨元的反射系数在所述预定脉冲宽度内沿距离呈随机变化的情况下，通过对所述估计初值进行至少一级加权求和运算，以计算出每一级加权求和运算前后反射系数的变化，用所述反射系数的变化进行外推计算以得到所述脉冲实际照射所述目标区引起的反射系数变化，从而得到校正因子，根据所述估计初值和所述校正因子利用预测算法求得预测值，通过对所述预测值进行加权求和运算来得到检验值，并将所述估计初值与所述检验值进行比较以获得比较误差，如果所述比较误差小于或等于预设误差值，则将所述预测值用作所述距离分辨元的反射系数的最终估计值，并且如果所述比较误差大于所述预设误差值，则根据所述比较误差来校正所述校正因子。
根据本发明的一方面，n等于主波束内的脉冲的预定数量，并且/或者q等于主波束内的脉冲的预定数量。
另一方面，本发明实施方式提供了一种气象雷达信号处理系统，其包括：发射机，其用于通过天线向目标区发射雷达波的主波束，所述主波束具有预定照射功率、预定波束宽度、和预定数量的脉冲，所述预定数量的脉冲中的每一个脉冲均具有预定脉冲宽度和预定照射功率；接收机，其用于通过所述天线接收来自所述目标区的回波；以及回波处理器，其用于对所述回波进行处理，以获得包括所述回波的回波功率和与所述目标区的方位角、俯仰角和距离相关的信息的气象雷达信号；其中，将所述主波束按方位角角度等分为n个子波束来对所述目标区进行探测以获得方位角超分辨率的气象雷达信号，并且/或者将所述主波束按俯仰角角度等分为q个子波束来对所述目标区进行探测以获得俯仰角超分辨率的气象雷达信号，并且/或者将所述每一个脉冲按脉冲宽度等分为m个子脉冲来对所述目标区进行探测以获得距离超分辨率的气象雷达信号，其中，n为大于等于2的整数，q为大于等于2的整数，并且m为大于等于2的整数。
上述气象雷达信号处理方法和系统具有如下有益效果：本发明针对气象雷达的观测值(部分卷积)进行反卷积处理。因此，可按方位角将波束宽度压缩至1/n(n为大于等于2的整数，优选地为子波束数或波束内脉冲数)，并且/或者可按俯仰角将波束宽度压缩至1/q(q为大于等于2的整数，优选地为子波束数或波束内脉冲数)，并且/或者可按距离将脉冲宽度压缩至1/m(m为子脉冲数)。具体而言，根据本发明实施方式的气象雷达信号处理方法和系统可将气象目标区的方位角分辨率、俯仰角分辨率和距离分辨率各提高一个数量级，能够使基于波束宽度和脉冲宽度的体积分辨元缩小至千分之一。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明第一实施方式的气象雷达信号处理方法的流程图。
图2是根据本发明第二实施方式的针对方位角的气象雷达信号处理方法中的卷积过程(即，线性时不变系统的响应是冲击响应的迭加)的示意图。
图3是根据本发明第二实施方式的针对方位角的气象雷达信号处理方法中的部分卷积过程的示意图。
图4是各个分辨元的反射系数沿方位角呈分段线性(三角波形)变化的样本值xn和归一化的反射系数的估计初值x0n示图。
图5是各个分辨元的反射系数沿方位角呈正弦波变化的样本值xn和归一化的估计初值x0n的示图。
图6是根据本发明第二实施方式的对反射系数的估计初值x0n采用外推搜索算法来进行校正的方法的示意图。
图7是图5中所示的各个分辨元的反射系数沿方位角呈正弦波变化的样本值xn和对图5中所示的估计初值x0n进行图6中所示的外推搜索算法校正后得到的预测值的示图。
图8是各个分辨元的反射系数沿方位角呈类正弦波变化的样本值xn和归一化的估计初值x0n的示图。
图9是图8中所示的各个分辨元的反射系数沿方位角呈类正弦波变化的样本值xn和对图8中所示的估计初值x0n进行图6中所示的外推搜索算法校正后得到的预测值的示图。
图10是根据本发明第二实施方式的针对按方位角随机变化的分辨元的反射系数进行处理的方法的示意图，其中的处理过程采用了线性估计、外推搜索和循环递推算法。
图11(a)和图11(b)示出了通过根据本发明第二实施方式的各种算法对所采集的某气象雷达的观测数据进行处理所获得的结果的示例。
图12是根据本发明第四实施方式的针对距离的气象雷达信号处理方法中的卷积过程(即，线性时不变系统的响应是冲击响应的迭加)的示意图。
图13是根据本发明第四实施方式的针对距离的气象雷达信号处理方法中的部分卷积过程的示意图。
图14是根据本发明第九实施方式的气象雷达信号处理系统的示意性框图。
图15是根据现有技术的气象雷达探测目标区的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了可以实现超分辨率信号的气象雷达信号处理方法和系统。所述气象雷达信号处理方法和系统针对的是沿方位角、沿俯仰角和/或沿距离分布的目标区。气象雷达波束扫描目标区获得回波功率的过程是一个卷积过程，或称完全卷积。若除去波束进入和退出目标区的过程(此时波束与目标区部分重叠)，其余部分称之为“部分卷积”过程。本发明分析了此“部分卷积”过程，提出了可按方位角将波束宽度压缩至1/n(n为大于等于2的整数，优选地为子波束数或波束内脉冲数)、按俯仰角将波束宽度压缩至1/q(q为大于等于2的整数，优选地为子波束数或波束内脉冲数)、和/或按距离将脉冲宽度压缩至1/m(m为子脉冲数)的气象雷达信号处理方法和系统。本发明能够使得方位角、俯仰角和距离分辨率各提高一个数量级，使基于波束宽度和脉冲宽度的体积分辨元缩小至千分之一。
第一实施方式
本发明第一实施方式是如图1所示的根据本发明的气象雷达信号处理方法100。
图1所示的气象雷达信号处理方法100包括以下步骤：发射步骤S101，其用于通过天线向目标区发射雷达波的主波束，所述主波束具有预定照射功率、预定波束宽度、和预定数量的脉冲，所述预定数量的脉冲中的每一个脉冲均具有预定脉冲宽度和预定照射功率；接收步骤S102，其用于通过所述天线接收来自所述目标区的回波；以及回波处理步骤S103，其用于对所述回波进行处理，以获得包括所述回波的回波功率和与所述目标区的方位角、俯仰角和距离相关的信息的气象雷达信号，其中，将所述主波束按方位角角度等分为n个子波束来对所述目标区进行探测以获得方位角超分辨率的气象雷达信号，并且/或者将所述主波束按俯仰角角度等分为q个子波束来对所述目标区进行探测以获得俯仰角超分辨率的气象雷达信号，并且/或者将所述每一个脉冲按脉冲宽度等分为m个子脉冲来对所述目标区进行探测以获得距离超分辨率的气象雷达信号，n为大于等于2的整数，q为大于等于2的整数，并且m为大于等于2的整数。
应该注意，在本发明中，可以针对方位角、俯仰角和距离中的至少一者进行信号处理来相应获得目标区的方位角超分辨率的气象雷达信号、俯仰角超分辨率的气象雷达信号和距离超分辨率的气象雷达信号中的至少一者。即，根据本发明，本领域技术人员可仅针对方位角、俯仰角和距离中的一者进行反卷积处理以相应地获得方位角、俯仰角和距离之一的超分辨率气象雷达信号，还可以针对其中的二者进行处理以获得针对这二者的超分辨率气象雷达信号，还可以针对这三者都进行处理以获得针对这三者的超分辨率气象雷达信号。
以下，来在不同的实施方式中对本发明的分别针对方位角，俯仰角和/或距离的气象雷达信号处理方法进行讨论。
第二实施方式
第二实施方式是在第一实施方式的基础上针对方位角的气象雷达信号处理方法。
2.1气象雷达的天线方位角扫描时的卷积与反卷积
为便于讨论，先将气象雷达的雷达波的主波束及观测的目标区离散化。把主波束的波束宽度按方位角角度等分为n个子波束，其中，n为大于等于2的整数。优选地，n为主波束内脉冲数。主波束的波束宽度可以根据需要设置，例如，可以被设置为2.8dB波束宽度、2.9dB波束宽度、3dB波束宽度等。每个子波束的波束宽度等于所述主波束的波束宽度的1/n，各子波束的照射功率按方向(例如，顺时针方向)分别命名为h1、h2、h3...hn。
在将所述主波束按方位角角度等分为n个子波束来对所述目标区进行探测的情况下，将所述目标区划分为多个方位角分辨元(以下简称分辨元)，每个分辨元所对应的方位角角度等于一个子波束宽度，并且所述n个子波束的照射功率h1、h2、h3...hn之和等于所述主波束的预定照射功率(或称为总照射功率)h。具体而言，在目标区，从某一方向(例如，正北方向)开始，沿某一方向(例如，顺时针方向)将目标区等分为多个分辨元，并且令每个分辨元对应的方位角度与子波束的宽度相等。
而且，n个子波束依次对每一个分辨元进行照射，并且每一个分辨元均具有反射系数，并且每一个分辨元的反射系数均为照射到该分辨元的波束的回波功率与照射功率之比。即，每个分辨元的反射系数不仅等于照射到该分辨元的各个子波束的回波功率与照射功率之比，还在数值上等于轮流照射到该分辨元的各个子波束的回波功率之和与主波束的总照射功率之比。而且，可以利用主波束的总照射功率和回波功率以及各个子波束的照射功率计算所述多个分辨元之一的反射系数。
在本实施方式中，将各个分辨元的反射系数依次命名为x1、x2、x3...等。气象雷达的天线在进行方位角扫描时，所得到的回波功率是各子波束的照射功率hi(其中，i为子波束序号，i＝1,2,3…n)与对应分辨元的反射系数xj(其中，j为分辨元序号，j＝1,2,3…)相乘之后相加的结果。即，天线扫描目标区获得回波功率的过程是一个卷积过程。
从系统分析的观点来看，可把气象目标区各分辨元的反射系数视为此系统的输入信号，各子波束的照射功率视为此系统的单位冲击响应，而气象雷达的接收机的输出功率(例如，视频输出功率)就是此系统的输出信号。由于各子波束的照射功率是固定不变的，所以，此系统是一个有限冲击响应的线性时不变系统。在这个物理模型中，输出信号和单位冲击响应已知，需要求输入信号，即，各分辨元的反射系数。因此，求解各分辨元的反射系数的问题的性质是一个反卷积问题。
要注意的是，此实施方式中提及的系统不是本发明的气象雷达信号处理系统，而是所述线性时不变系统。
图2是根据本发明第二实施方式的针对方位角的气象雷达信号处理方法中的卷积过程(即，线性时不变系统的响应是冲击响应的迭加)的示意图。
图2以5个子波束为例描述了天线沿某一方向(例如，顺时针方向)扫描时的卷积过程。根据线性系统的迭加原理，系统响应是各输入信号响应的迭加。对于离散序列，一个输入数据就是一个冲击，因此，系统响应就是各分辨元冲击响应的迭加，如图2所示。图2中第1行h1、h2、h3、h4和h5代表5个子波束的照射功率，第2行为各个分辨元的反射系数x1、x2、x3...等。第1列为时间t1、t2、t3...，对应雷达脉冲重复周期，第2列的P3、P4、P5、P6和P7对应于接收机的输出功率(例如，视频输出功率)。每个小方格以hixj代表子波束照射对应分辨元的回波功率。
在图2中，第1分辨元的反射系数x1下方的序列h5x1、h4x1、h3x1、h2x1和h1x1是第5子波束、第4子波束、第3子波束、第2子波束和第1子波束分别照射第1分辨元所产生的回波功率，即，第1分辨元的冲击响应序列。第2分辨元的反射系数x2下方的序列h5x2、h4x2、h3x2、h2x2和h1x2是第5子波束、第4子波束、第3子波束、第2子波束和第1子波束分别照射第2分辨元所产生的回波功率，即，第2分辨元的冲击响应序列。其余分辨元的反射系数下方的序列以此类推。
相邻的两个分辨元的冲击响应序列，在时间上相差一个雷达重复周期。时间t5对应的时刻得到的回波功率P3，是第1子波束、第2子波束、第3子波束、第4子波束和第5子波束同时照射对应的第1分辨元、第2分辨元、第3分辨元、第4分辨元和第5分辨元得到的回波功率h1x1、h2x2、h3x3、h4x4和h5x5之和。此时，主波束的中线位于第3分辨元(即，与第3分辨元的中线重合)，故命名为P3。在时间t6，当各子波束同时照射第2分辨元、第3分辨元、第4分辨元、第5分辨元和第6分辨元时，得到的回波功率P4等于回波功率h1x2、h2x3、h3x4、h4x5和h5x6之和。时间t7、t8，t9等的情况以此类推。
天线扫描目标区的卷积过程，从主波束进入目标区开始，到主波束离开目标区结束，这一卷积过程叫线性卷积或完整卷积，简称卷积。如果略去波束进入和退出目标区(此时，主波束与目标区部分重叠)的卷积过程，则其余的称之为“部分卷积”过程。在图2中，从时间t5开始，5个子波束与5个分辨元重合，就是“部分卷积”过程的开始。部分卷积是加权求和运算，由子波束的权向量对目标区的反射系数加权求和，得到观测值，即目标区回波的输出功率(例如，视频输出功率)。本发明主要讨论“部分卷积”的反卷积问题。
2.2反卷积与波束压缩
气象雷达通常取波束内脉冲数进行(视频)处理，波束内脉冲数定义为：主波束中线扫过一个波束宽度的时间内发射的脉冲数，其优选地等于子波束数。
图3是根据本发明第二实施方式的针对方位角的气象雷达信号处理方法中的部分卷积过程的示意图。
波束内脉冲数等于5的部分卷积过程如图3所示。图3所示的部分卷积过程取5个回波功率P3、P4、P5、P6和P7进行处理。而且，此部分卷积过程共涉及到共9个分辨元，它们的反射系数分别为x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8和x9。在这9个分辨元中，只有反射系数为x5的第5分辨元被每个子波束分别照射过一次，其余8个分辨元都是不完全照射。在此情况下，用5个回波功率进行反卷积处理，只能求得一个分辨元的反射系数。这是因为只有一个分辨元x5符合完全照射(与图2中实际扫描情况相同)或波束压缩的条件，而不完全照射不能实现所需要的波束压缩。因此，用5个回波功率只能求得一个分辨元的反射系数，可以称之为部分反卷积。
只要能从P3中提取h5x5，从P4中提取h4x5，从P5中提取h3x5，从P6中提取h2x5，从P7中提取h1x5，便可求得第5个分辨元的反射系数x5。公式推导如下。式(1)示出了各子波束的照射功率h1、h2、h3、h4和h5之和等于主波束的照射功率h：
h＝h1+h2+h3+h4+h5           (1)
式(1)两边乘以第5分辨元的反射系数x5便得到式(2)：
hx5＝h1x5+h2x5+h3x5+h4x5+h5x5           (2)
式(1)左边的h代表主波束处于预定波束宽度(例如，3dB波束宽度)时的总照射功率，右边为各子波束照射功率h1、h2、h3、h4和h5之和。式(2)体现了波束压缩的概念，因为右边是各子波束轮流照射反射系数为x5的第5分辨元的回波功率之和，而左边是主波束的总照射功率h一次照射反射系数为x5的第5分辨元的回波功率。注意，此时主波束的总照射功率h对应的波束宽度等于子波束宽度。由于式(2)左边的总照射功率h对应于子波束宽度，若能求出式(2)右边各子波束照射反射系数为x5的第5分辨元的回波功率之和，就能实现波束压缩。若对主波束的照射功率及回波功率进行归一化处理，即令h＝1，则得到式(3)：
x5＝h1x5+h2x5+h3x5+h4x5+h5x5           (3)
式(3)表明：每个子波束对反射系数为x5的第5分辨元分别照射一次的归一化回波功率之和，在数值上等于第5个分辨元的反射系数x5。所以，反卷积处理或波束压缩就是要求出各子波束分别照射同一个分辨元的回波功率之和。由于不知道各子波束照射第5分辨元时的回波功率在对应的观测值P3、P4、P5、P6和P7中所占的比例(见图3)，故用待定常数C表示，于是得到式(4)：
x5＝C1P3+C2P4+C3P5+C4P6+C5P7           (4)
式(4)中，C1P3代表从P3中提取h5x5，C2P4代表从P4中提取h4x5，C3P5代表从P5中提取h3x5，C4P6代表从P6中提取h2x5，并且C5P7代表从P7中提取h1x5。
以下描述解决反卷积问题的具体方式。
2.3线性估计、外推搜索和循环递推算法
下面尝试从空域进行分析。
2.3.1线性估计算法：假设各个分辨元的反射系数沿方位角呈线性变化
若反射系数在一个波束宽度内沿方位角呈线性变化，则分辨元x1、x2、x3、x4和x5之间的关系如式(5)所示：
x1+x5＝x2+x4＝2x3           (5)
图3中的主波束的回波功率和子波束的回波功率之间的关系如以下式(6)所示：
P3＝h1x1+h2x2+h3x3+h4x4+h5x5           (6)
而且，根据雷达波的特性可知，各个子波束的照射功率h1、h2、h3、h4和h5之间是关于主波束的中线对称的，即，h1＝h5并且h2＝h4，
将各个分辨元的反射系数x1、x2、x3、x4和x5之间的关系以及各个子波束的照射功率h1、h2、h3、h4和h5之间的关系代入式(6)得到式(7)：
x3＝P3/h                     (7)
即，用主波束照射总功率对观测值P3进行归一化处理，就得到第3分辨元的反射系数x3。类似地，用同样的方法分别处理图2中所示的回波功率P4、P5、P6和P7，则可相应地得到第4分辨元的反射系数x4、第5分辨元的反射系数x5、第6分辨元的反射系数x6和第7分辨元的反射系数x7。
在本发明中，当n个子波束同时照射n个分辨元时，用所述n个子波束的回波功率之和除以所述主波束的预定照射功率所获得的值作为所述主波束中线所在的分辨元的反射系数的估计初值。在所述n个分辨元的反射系数xn在所述预定波束宽度内沿方位角呈线性变化的情况下，此估计初值就等于该分辨元的反射系数的实际值，如上述式(7)所示。以此方式，实现了将主波束的宽度压缩为1/n，从而获得了方位角超分辨率。
图4是各个分辨元的反射系数沿方位角呈分段线性(三角波形)变化的样本值xn和归一化的反射系数的估计初值x0n示图。
以图4中的分段线性(三角波形)变化为例：反射系数样本值xn(如图4中的所示的圆点)沿方位角呈分段线性(三角波形)变化，利用以上方式计算出的值(估计初值x0n)(如图4中所示的圆圈)在线性部分能很好地逼近。
2.3.2外推搜索算法：假设各个分辨元的反射系数沿方位角呈分段线性、正弦波及类正弦波变化
在n个分辨元的反射系数在预定波束宽度内沿方位角呈正弦波变化和/或类正弦波变化和/或分段线性变化的情况下，通过对所述估计初值进行至少一级加权求和运算，以计算出每一级加权求和运算前后反射系数的变化，用所述反射系数的变化进行外推计算以得到所述主波束实际照射所述目标区引起的反射系数变化，从而得到校正因子，之后用所述校正因子对所述估计初值进行校正以得到所述反射系数的最终估计值。
如图4所示，在三角波形中的线性部分，各个反射系数之间有线性关系，而在三角波形中的拐点部分，各个反射系数之间无线性关系。在此情况下，按与2.3.1节中同样方法处理回波功率，便得到各个分辨元的反射系数xn的估计初值序列x0n，其中，n＝1…N，N是所处理的分辨元数。例如，在各个反射系数之间无线性关系的情况下，以上的式(7)得到值为x03＝P3/h，即，第3分辨元的反射系数x3的估计初值。
由xn得到x0n的过程可视为加权求和运算，即，用归一化照射函数(即，各个子波束照射功率除以主波束的照射功率)与输入xn进行“部分卷积”，得到输出x0n。可将x0n视为反射系数的未知样本序列xn的估计初值。
对图4所示的分段线性(三角波形)变化的拐点处的反射系数的估计初值的处理参照以下对呈正弦波或类正弦波变化的反射系数的估计初值的处理进行。
图5是各个分辨元的反射系数沿方位角呈正弦波变化的样本值xn和归一化的估计初值x0n的示图。
若各个分辨元的反射系数xn按正弦波规律变化，则对其进行加权求和运算得到的x0n还是正弦波形。由图5可见，反射系数的样本值xn(如图5中的所示的圆点)与估计初值x0n(如图5中所示的圆圈)在极大值和极小值处误差明显，而在中间值处误差最小。
图6是根据本发明第二实施方式的对反射系数的估计初值x0n采用外推搜索算法来进行校正的方法的示意图。
在图6中，x0n为反射系数xn的估计初值。加权求和运算为加权系数与输入序列进行部分卷积。△0n为主波束照射目标区引起的反射系数变化率(校正因子)。
为减小误差，采用如图6所示的搜索算法：对初值序列x0n进行三级加权求和运算，得到x1n、x2n和x3n三个序列。求出每一级加权求和运算前后反射系数的变化，再用外推算法求得第一次照射(雷达波束实际照射目标区)引起的反射系数变化，得到校正因子△0n，用△0n对x0n逐点进行预测校正，得到反射系数的样本序列xn的预测值。
图7是图5中所示的各个分辨元的反射系数沿方位角呈正弦波变化的样本值xn和对图5中所示的估计初值x0n进行图6中所示的外推搜索算法校正后得到的预测值的示图。
若对此预测值满意，可将其作为最终估计值，如图7中所示的圆圈，其逼近反射系数的样本值xn，如图7中的所示的圆点。若对此预测值不满意，则采用循环递推处理，见图10。
图5所示的估计初值x0n与样本值xn的均方误差为6.4×10-3。图7所示的经外推搜索算法校正后的预测值更接近样本值xn，均方误差为3.5×10-4。
图8是各个分辨元的反射系数沿方位角呈类正弦波变化的样本值xn(如图8中所示的圆点)和归一化的估计初值x0n(如图8中所示的圆圈)的示图。
图9是图8中所示的各个分辨元的反射系数沿方位角呈类正弦波变化的样本值xn(如图9中所示的圆点)和对图8中所示的估计初值x0n进行图6中所示的外推搜索算法校正后得到的预测值(如图9中所示的圆圈)的示图。
反射系数沿方位角呈类正弦波变化时的处理方法与反射系数沿方位角呈正弦波变化时的处理方法相同。
图8中所示的估计初值x0n与样本值xn的均方误差为6.9×10-4。图9中所示的经外推搜索算法校正后的预测值更接近样本值xn，均方误差为1.3×10-4。
另外，在采用外推搜索算法来对各个分辨元的沿方位角呈分段线性、正弦波及类正弦波变化的反射系数的估计值进行校正时，该方法尤其适合于各分辨元的反射系数在所述主波束宽度内只有一个极大值或一个极小值的情况。
需要注意的是，本发明的外推搜索算法不限于对估计初值序列x0n进行三级加权求和运算。根据实际情况，本领域技术人员可以在采用本发明的外推搜索算法时进行更少或更多级的加权求和运算。
2.3.3循环递推算法：假设各个分辨元的反射系数沿方位角呈随机变化
在反射系数随机变化的情况下，仅用图6中所示的外推搜索算法进行处理得到的结果不能令人满意，还需采用循环递推算法进一步减小误差。
图10是根据本发明第二实施方式的针对按方位角随机变化的分辨元的反射系数进行处理的方法的示意图，其中的处理过程采用了线性估计、外推搜索和循环递推算法。
如图10所示，在n个分辨元的反射系数在主波束的波束宽度内沿方位角呈随机变化的情况下，可以通过对反射系数的估计初值进行至少一级加权求和运算，以计算出每一级加权求和运算前后反射系数的变化，用所述反射系数的变化进行外推计算以得到所述主波束实际照射所述目标区引起的反射系数变化，从而得到校正因子，根据所述估计初值和所述校正因子利用预测算法求得预测值，通过对所述预测值进行加权求和运算来得到检验值，并将估计初值与检验值进行比较以获得比较误差，如果所述比较误差小于或等于预设误差值，则将所述预测值用作所述分辨元的反射系数的最终估计值，并且如果比较误差大于预设误差值，则根据比较误差来校正校正因子。
对图10中符号的说明：
xn为分辨元的反射系数,n＝1,2…N，其中，N为所处理的目标区分辨元数；
x0n为分辨元的反射系数xn的估计初值；
△0n为来自外推搜索算法的校正因子；
△in为用比较误差ein对校正因子△0n校正所得到的校正因子；
yin为根据所述估计初值x0n和所述校正因子△0n或△in利用预测算法求得的预测值，其中i＝0,1…K；例如，其中，y0n为由x0n和△0n得到的预测值，而y1n为由x0n和△1n得到的预测值；
zin为对预测值yin进行加权求和运算而得到的检验值，其中i＝0,1…K；
ein＝x0n-yin，即，所述估计初值x0n与所述检验值zin进行比较所获得的比较误差或检验误差，其中i＝0,1,…K；以及
ε为按所要求的计算精度预设的误差值，当ein＞ε时，继续循环递推，直到经K次循环递推使得eKn≤ε时，结束循环递推，预测值yKn即为满足给定误差要求的最终估值xEn，即yKn＝xEn。
图10中执行的处理的具体说明：
1)气象雷达的总照射功率为h的主波束照射目标区xn获得回波功率Pn，对其进行归一化处理得到估计初值x0n。此过程等效于对xn进行加权求和运算得到x0n，n＝1…N，N为处理的分辨元数。
2)对估计初值x0n进行三级加权求和运算，得到x1n、x2n和x3n，对每一个分辨元利用外推算法求得校正因子△0n。需要注意的是，本发明的外推搜索算法不限于对估计初值x0n进行三级加权求和运算。根据实际情况，本领域技术人员可以在执行外推搜索算法时进行更少或更多级的加权求和运算。
3)根据估计初值x0n和校正因子△0n，利用预测算法求得反射系数xn的预测值y0n。为了对预测值y0n进行检验，对预测值y0n进行加权求和运算得到检验值z0n。
4)用估计初值x0n和检验值z0n比较以得到比较误差或检验误差e0n。若检验误差e0n小于或等于预设误差值ε，则y0n即为最终估计值。若检验误差e0n大于预设误差值ε，则用比较误差e0n对校正因子△0n进行校正，以得到校正后的校正因子△1n，之后用△1n代替△0n执行预测处理。
5)重复步骤3)和4)直到第K次，使得x0n和zKn之间的误差小于或等于预设误差值ε，则终止循环，此时的yKn即为满足给定误差的最终估计值xEn，即yKn＝xEn。
图11(a)和图11(b)示出了通过根据本发明第二实施方式的各种算法对所采集的某气象雷达的观测数据进行处理所获得的结果的示例。
图11(a)示出了利用线性估计算法对观测数据进行处理的结果。在图11(a)中，横坐标为分辨元序号，纵坐标为归一化反射系数的幅度。在该示例中，分辨元的宽度与子波束宽度相等，子波束数目为5。在图11(a)中，圆点对应的纵坐标值代表分辨率为3dB波束宽度的归一化反射系数，而圆圈对应的纵坐标值代表分辨率为子波束宽度的归一化反射系数。
图11(b)示出了利用线性估计、外推搜索和循环递推算法对观测数据进行处理的结果。在图11(b)中，横坐标为分辨元序号，纵坐标为反射系数的幅度。在图11(b)中，圆点对应的纵坐标值代表分辨元的反射系数的观测值或估计初值，圆圈对应的纵坐标值代表分辨元的反射系数的预测值。
在根据本发明第二实施方式的对气象雷达信号的观测值(部分卷积)进行反卷积处理的气象雷达信号处理方法中，利用线性估计、外推搜索和/或循环递推算法实现了反卷积功能。因此，可按方位角将波束宽度压缩至1/n(n为子波束数或波束内脉冲数)。具体而言，根据本发明第二实施方式的气象雷达信号处理方法可将气象目标区的方位角分辨率提高一个数量级。
第三实施方式
第三实施方式是在第一实施方式的基础上针对俯仰角的气象雷达信号处理方法。
在本发明第三实施方式中，除了把主波束的波束宽度按俯仰角角度等分为q个子波束(其中，q为大于等于2的整数)之外，本发明第三实施方式与第二实施方式相同。
在根据本发明第三实施方式的对气象雷达信号的观测值(部分卷积)进行反卷积处理的气象雷达信号处理方法中，利用线性估计、外推搜索和/或循环递推算法实现了反卷积功能。因此，可按俯仰角将波束宽度压缩至1/q(q为子波束数或波束内脉冲数)。具体而言，根据本发明第三实施方式的气象雷达信号处理方法可将气象目标区的俯仰角分辨率提高一个数量级。
第四实施方式
第四实施方式是在第一实施方式的基础上针对距离的气象雷达信号处理方法。
4.1气象雷达的天线距离扫描时的卷积与反卷积
为便于讨论，先将气象雷达的雷达波的主波束内的各个脉冲及观测的目标区离散化。把每个脉冲的脉冲宽度等分为m个子脉冲，其中，m为大于等于2的整数。每个子脉冲的脉冲宽度等于所述脉冲的脉冲宽度的1/m。对子脉冲沿传播方向的逆向顺序命名为第1子脉冲、第2子脉冲、第3子脉冲...第m子脉冲(发射脉冲和回波脉冲均如此)，各子脉冲的照射功率分别命名为h1、h2、h3...hm。
在将所述每一个脉冲按脉冲宽度等分为m个子脉冲来对所述目标区进行探测的情况下，将所述目标区划分为多个距离分辨元(以下简称分辨元)，每个分辨元的距离跨度与一个子脉冲的脉冲宽度的1/2相对应，并且所述m个子脉冲的照射功率h1、h2、h3...hm之和等于所述每一个脉冲的预定照射功率(总照射功率)h。具体而言，在目标区，沿发射脉冲的传播方向将距离划分为连续的分辨元，并且令每个分辨元的距离跨度与子脉冲宽度的1/2相对应。
而且，m个子脉冲依次对每一个分辨元进行照射，并且每一个分辨元均具有反射系数，每一个分辨元的反射系数均为照射到该分辨元的脉冲的回波功率与照射功率之比。即，每个分辨元的反射系数不仅等于照射到该分辨元的各个子脉冲的回波功率与照射功率之比，还在数值上等于轮流照射到该分辨元的各个子脉冲的回波功率之和与脉冲的总照射功率之比。而且，可以利用该脉冲的照射功率和回波功率以及各个子脉冲的照射功率计算所述多个分辨元之一的反射系数。
在本实施方式中，每个分辨元的反射特性等效为点目标，其反射系数命名为x1、x2、x3...等。发射脉冲向前传播的过程中，照射目标区所产生的回波功率，是子脉冲序列照射各分辨元所产生的冲击响应序列的迭加，如图12所示。换言之，气象雷达的天线在进行距离扫描时，所得到的每个脉冲的回波功率是各子脉冲的照射功率hi(其中，i为子脉冲序号，i＝1,2,3…m)与对应分辨元的反射系数xj(其中，j为分辨元序号，j＝1,2,3…)相乘之后相加的结果。即，天线扫描目标区获得回波功率的过程是一个卷积过程。
从系统分析的观点来看，可把气象目标区各分辨元的反射系数视为此系统的输入信号，各子脉冲的照射功率视为此系统的单位冲击响应，而气象雷达的接收机的输出功率(例如，视频输出功率)就是此系统的输出信号。由于各子脉冲的照射功率是固定不变的，所以，此系统是一个有限冲击响应的线性时不变系统。在这个物理模型中，输出信号和单位冲击响应已知，需要求输入信号，即，各分辨元的反射系数。因此，求解各分辨元的反射系数的问题的性质是一个反卷积问题。
要注意的是，此实施方式中提及的系统不是本发明的气象雷达信号处理系统，而是所述线性时不变系统。
图12是根据本发明第四实施方式的针对距离的气象雷达信号处理方法中的卷积过程(即，线性时不变系统的响应是冲击响应的迭加)的示意图。
图12以5个子脉冲照射9个分辨元为例来说明此卷积过程。根据线性系统的迭加原理，系统响应是各输入信号响应的迭加。对于离散序列，一个输入数据就是一个冲击，因此，系统响应就是各分辨元冲击响应的迭加，如图12所示。图12中第1行h5、h4、h3、h2和h1代表5个子脉冲的照射功率，第2行为各个分辨元的反射系数x1、x2、x3...等。第1列为时间t1、t2、t3...，对应雷达脉冲重复周期，第2列P3、P4、P5、P6和P7对应于接收机的输出功率(例如，视频输出功率)。每个小方格以hixj代表子脉冲照射对应分辨元的回波功率。
在图12中，当子脉冲序列向前传播照射第1分辨元时，第1分辨元的反射系数x1下方的序列h1x1、h2x1、h3x1、h4x1和h5x1是第1子脉冲、第2子脉冲、第3子脉冲、第4子脉冲和第5子脉冲分别照射第1分辨元所产生的回波功率，即，第1分辨元的冲击响应序列。当子脉冲序列向前传播照射第2分辨元时，第2分辨元的反射系数x2下方的序列h1x2、h2x2、h3x2、h4x2和h5x2是第1子脉冲、第2子脉冲、第3子脉冲、第4子脉冲和第5子脉冲分别照射第2分辨元所产生的回波功率，即，第2分辨元的冲击响应序列。其余分辨元的反射系数下方的序列以此类推。
相邻的两个分辨元的冲击响应序列在时间上相差一个子脉冲宽度。由于各子脉冲的照射将空间的一个点扩展为一个冲击响应序列，相邻分辨元的冲击响应序列错开一个子脉冲宽度的间隔，彼此迭加在一起，其结果是：系统响应的每一个采样值，都是5个冲击响应序列的迭加，每个冲击响应序列贡献一个子脉冲照射一个分辨元的回波功率。例如，时间t5对应的时刻得到的回波功率P3是由第1个冲击响应序列贡献的h5x1、第2个冲击响应序列贡献的h4x2、第3个冲击响应序列贡献h3x3、第4个冲击响应序列贡献h2x4和第5个冲击响应序列贡献h1x5所构成的。回波功率P3在数值上是第5子脉冲、第4子脉冲、第3子脉冲、第2子脉冲和第1子脉冲同时照射对应的第1分辨元、第2分辨元、第3分辨元、第4分辨元和第5分辨元得到的回波功率h5x1、h4x2、h3x3、h2x4和h1x5之和。此时，脉冲宽度的中线位于第3分辨元(即，与第3分辨元的中线重合)，故命名为P3。在时间t6，当各子脉冲同时照射第2分辨元、第3分辨元、第4分辨元、第5分辨元和第6分辨元时，得到的回波功率P4在数值上等于回波功率h5x2、h4x3、h3x4、h2x5和h1x6之和...。时间t7、t8，t9等的情况以此类推。此时，图12也可以理解为是各子脉冲照射各分辨元的一个线性卷积过程。
4.2反卷积与波束压缩
在处理方位角超分辨率的问题时，(视频)处理的脉冲数可以等于子波束的数目n。在这里，(视频)处理的脉冲数等于子脉冲的数目m。例如，子脉冲数等于5的部分卷积过程如图13所示。
图13是根据本发明第四实施方式的针对距离的气象雷达信号处理方法中的部分卷积过程的示意图。
图13所示的部分卷积过程取5个回波功率P3、P4、P5、P6和P7进行处理。而且，此部分卷积过程共涉及到共9个分辨元，它们的反射系数分别为x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8和x9。在这9个分辨元中，只有反射系数为x5的第5分辨元被每个子脉冲分别照射过一次，其余8个分辨元都是不完全照射。在此情况下，用5个回波功率进行反卷积处理，只能求得一个分辨元的反射系数。这是因为只有一个分辨元x5符合完全照射(与图12中实际照射情况相同)或脉冲压缩的条件，而不完全照射不可能实现所需要的脉冲压缩。用5个回波功率只能求得一个分辨元的反射系数，可以称之为部分反卷积。
脉冲压缩的概念推理如下。式(8)示出了各子脉冲的照射功率h1、h2、h3、h4和h5之和等于脉冲的总照射功率h：
h＝h1+h2+h3+h4+h5           (8)
式(8)两边乘以第5分辨元的反射系数x5便得到式(9)：
hx5＝h1x5+h2x5+h3x5+h4x5+h5x5           (9)
式(9)左边的h代表脉冲的总照射功率，右边为各子脉冲照射功率h1、h2、h3、h4和h5之和。式(9)体现了脉冲压缩的概念，因为右边是各子脉冲轮流照射反射系数为x5的第5分辨元的回波功率之和，而左边是脉冲的总照射功率h一次照射反射系数为x5的第5分辨元的回波功率。注意，此时脉冲的总照射功率h对应的脉冲宽度等于子脉冲宽度。由于式(9)左边的h对应于子脉冲宽度，若能求出式(9)右边各子脉冲照射反射系数为x5的第5分辨元的回波功率之和，就能实现脉冲压缩。若对脉冲的总照射功率及回波功率进行归一化处理，即令h＝1，则得到式(10)：
x5＝h1x5+h2x5+h3x5+h4x5+h5x5           (10)
式(10)表明：每个子脉冲对反射系数为x5的第5分辨元分别照射一次的归一化回波功率之和，在数值上等于第5个分辨元的反射系数x5。所以，反卷积或脉冲压缩就是要求出各子脉冲分别照射同一个分辨元的回波功率之和。从图13中可以看出：只要能从P3中提取h1x5，从P4中提取h2x5，从P5中提取h3x5，从P6中提取h4x5，从P7中提取h5x5，便可求得第5个分辨元的反射系数x5。由于不知道各子脉冲照射第5分辨元时的回波功率在对应的观测值P3、P4、P5、P6和P7中所占的比例(见图13)，故用待定常数C表示，于是得到式(11)：
x5＝C1P3+C2P4+C3P5+C4P6+C5P7           (11)
式(11)中，C1P3代表从P3中提取h1x5，C2P4代表从P4中提取h2x5，C3P5代表从P5中提取h3x5，C4P6代表从P6中提取h4x5，并且C5P7代表从P7中提取h5x5。
本发明第四实施方式中的解决该反卷积问题的具体方式与第二实施方式中的2.3节中的利用线性估计、外推搜索和循环递推算法解决该反卷积问题的方式相同。
在根据本发明第四实施方式的对气象雷达信号的观测值(部分卷积)进行反卷积处理的气象雷达信号处理方法中，利用线性估计、外推搜索和/或循环递推算法实现了反卷积功能。因此，可按距离将脉冲宽度压缩至1/m。具体而言，根据本发明第四实施方式的气象雷达信号处理方法可将气象目标区的距离分辨率提高一个数量级。
第五实施方式
第五实施方式是在第一实施方式的基础上针对方位角和俯仰角的气象雷达信号处理方法。该气象雷达信号处理方法可分别通过使用第二实施方式中的针对方位角的处理方法和第三实施方式中的针对俯仰角的处理方法来进行相应的处理实现波束压缩。
在根据本发明第五实施方式的对气象雷达信号的观测值(部分卷积)进行反卷积处理的气象雷达信号处理方法中，利用线性估计、外推搜索和/或循环递推算法实现了反卷积功能。因此，可按方位角将波束宽度压缩至1/n而且可按俯仰角将波束宽度压缩至1/q。具体而言，根据本发明第五实施方式的气象雷达信号处理方法可将气象目标区的方位角分辨率和俯仰角分辨率各提高一个数量级。
第六实施方式
第六实施方式是在第一实施方式的基础上针对方位角和距离的气象雷达信号处理方法。该气象雷达信号处理方法可分别通过使用第二实施方式中的针对方位角的处理方法和第四实施方式中的针对距离的处理方法来进行相应的处理实现波束压缩和脉冲压缩。
在根据本发明第六实施方式的对气象雷达信号的观测值(部分卷积)进行反卷积处理的气象雷达信号处理方法中，利用线性估计、外推搜索和/或循环递推算法实现了反卷积功能。因此，可按方位角将波束宽度压缩至1/n而且可按距离将脉冲宽度压缩至1/m。具体而言，根据本发明第六实施方式的气象雷达信号处理方法可将气象目标区的方位角分辨率和距离分辨率各提高一个数量级。
第七实施方式
第七实施方式是在第一实施方式的基础上针对俯仰角和距离的气象雷达信号处理方法。该气象雷达信号处理方法可分别通过使用第三实施方式中的针对俯仰角的处理方法和第四实施方式中的针对距离的处理方法来进行相应的处理实现波束压缩和脉冲压缩。
在根据本发明第七实施方式的对气象雷达信号的观测值(部分卷积)进行反卷积处理的气象雷达信号处理方法中，利用线性估计、外推搜索和/或循环递推算法实现了反卷积功能。因此，可按俯仰角将波束宽度压缩至1/q而且可按距离将脉冲宽度压缩至1/m。具体而言，根据本发明第七实施方式的气象雷达信号处理方法可将气象目标区的俯仰角分辨率和距离分辨率各提高一个数量级。
第八实施方式
第八实施方式是在第一实施方式的基础上针对方位角、俯仰角和距离的气象雷达信号处理方法。该气象雷达信号处理方法可分别通过使用第二实施方式中的针对方位角的处理方法、第三实施方式中的针对俯仰角的处理方法和第四实施方式中的针对距离的处理方法来进行相应的处理实现波束压缩和脉冲压缩。
在根据本发明第八实施方式的对气象雷达信号的观测值(部分卷积)进行反卷积处理的气象雷达信号处理方法中，利用线性估计、外推搜索和/或循环递推算法实现了反卷积功能。因此，可按方位角将波束宽度压缩至1/n，可按俯仰角将波束宽度压缩至1/q，而且可按距离将脉冲宽度压缩至1/m。具体而言，根据本发明第八实施方式的气象雷达信号处理方法可将气象目标区的方位角分辨率、俯仰角分辨率和距离分辨率各提高一个数量级，能够使基于波束宽度和脉冲宽度的体积分辨元缩小至千分之一。
第九实施方式
图14是根据本发明第九实施方式的气象雷达信号处理系统200的示意性框图。
图14所示的气象雷达信号处理系统200包括：发射机201，其用于通过天线向目标区发射雷达波的主波束，所述主波束具有预定照射功率、预定波束宽度、和预定数量的脉冲，所述预定数量的脉冲中的每一个脉冲均具有预定脉冲宽度和预定照射功率；接收机202，其用于通过所述天线接收来自所述目标区的回波；以及回波处理器203，其用于对所述回波进行处理，以获得包括所述回波的回波功率和与所述目标区的方位角、俯仰角和距离相关的信息的气象雷达信号；其中，将所述主波束按方位角角度等分为n个子波束来对所述目标区进行探测以获得方位角超分辨率的气象雷达信号，并且/或者将所述主波束按俯仰角角度等分为q个子波束来对所述目标区进行探测以获得俯仰角超分辨率的气象雷达信号，并且/或者将所述每一个脉冲按脉冲宽度等分为m个子脉冲来对所述目标区进行探测以获得距离超分辨率的气象雷达信号，其中，n为大于等于2的整数，q为大于等于2的整数，并且m为大于等于2的整数。
根据本发明第九实施方式的气象雷达信号处理系统200能够实现上述第二实施方式至第八实施方式中所述的气象雷达信号处理方法。
第十实施方式
本发明第十实施方式提供一种存储有用于执行根据第一实施方式至第八实施方式中的气象雷达信号处理方法的指令的计算机可读存储装置。软件模块可以存储于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域中其它任意形式的存储媒介中。示例性地，存储媒介可以与处理器连接，以使得处理器可以从存储媒介中读取信息，并可以向存储媒介存写信息。可选地，存储媒介还可以集成到处理器中。处理器和存储媒介可以设置于ASIC中，ASIC可以设置于用户终端中。可选地，处理器和存储媒介也可以设置于用户终端中的不同的部件中。
本发明针对气象雷达的观测值(部分卷积)进行反卷积处理。因此，可按方位角将波束宽度压缩至1/n(n为大于等于2的整数，优选地为子波束数或波束内脉冲数)，按俯仰角将波束宽度压缩至1/q(q为大于等于2的整数，优选为子波束数或波束内脉冲数)，并且/或者按距离将脉冲宽度压缩至1/m(m为子脉冲数)。具体而言，根据本发明实施方式的气象雷达信号处理方法和系统可将气象目标区的方位角分辨率、俯仰角分辨率和距离分辨率各提高一个数量级，能够使基于波束宽度和脉冲宽度的体积分辨元缩小至千分之一。
本领域技术人员还可以了解到本发明实施方式列出的各种说明性逻辑块，单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性，上述的各种说明性部件，单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。在一个或多个示例性的设计中，本发明实施方式所描述的上述功能可以在硬件、软件、固件或这三者的任意组合来实现。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施方式保护的范围。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种气象雷达信号处理方法，其特征在于包括以下步骤：
发射步骤，其用于通过天线向目标区发射雷达波的主波束，所述主波束具有预定照射功率、预定波束宽度、和预定数量的脉冲，所述预定数量的脉冲中的每一个脉冲均具有预定脉冲宽度和预定照射功率；
接收步骤，其用于通过所述天线接收来自所述目标区的回波；以及
回波处理步骤，其用于对所述回波进行处理，以获得包括所述回波的回波功率和与所述目标区的方位角、俯仰角和距离相关的信息的气象雷达信号；
其中，将所述主波束按方位角角度等分为n个子波束来对所述目标区进行探测以获得方位角超分辨率的气象雷达信号，并且/或者将所述主波束按俯仰角角度等分为q个子波束来对所述目标区进行探测以获得俯仰角超分辨率的气象雷达信号，并且/或者将所述每一个脉冲按脉冲宽度等分为m个子脉冲来对所述目标区进行探测以获得距离超分辨率的气象雷达信号，
其中，n为大于等于2的整数，q为大于等于2的整数，并且m为大于等于2的整数。
2.根据权利要求1所述的气象雷达信号处理方法，其特征在于，
在将所述主波束按方位角角度等分为n个子波束来对所述目标区进行探测的情况下，将所述目标区划分为多个方位角分辨元，每个方位角分辨元所对应的方位角角度等于一个子波束宽度，并且所述n个子波束的照射功率之和等于所述主波束的预定照射功率，
在将所述主波束按俯仰角角度等分为q个子波束来对所述目标区进行探测的情况下，将所述目标区划分为多个俯仰角分辨元，每个俯仰角分辨元所对应的俯仰角角度等于一个子波束宽度，并且所述q个子波束的照射功率之和等于所述主波束的预定照射功率，
在将所述每一个脉冲按脉冲宽度等分为m个子脉冲来对所述目标区进行探测的情况下，将所述目标区划分为多个距离分辨元，每个距离分辨元的距离跨度与一个子脉冲的脉冲宽度的1/2相对应，并且所述m个子脉冲的照射功率之和等于所述每一个脉冲的预定照射功率。
3.根据权利要求2所述的气象雷达信号处理方法，其特征在于，
在将所述主波束按方位角角度等分为n个子波束来对所述目标区进行探测的情况下，所述n个子波束依次对每一个方位角分辨元进行照射，并且每一个方位角分辨元均具有反射系数，每一个方位角分辨元的反射系数均为照射到该方位角分辨元的波束的回波功率与该波束的照射功率之比，
在将所述主波束按俯仰角角度等分为q个子波束来对所述目标区进行探测的情况下，所述q个子波束依次对每一个俯仰角分辨元进行照射，并且每一个俯仰角分辨元均具有反射系数，每一个俯仰角分辨元的反射系数均为照射到该俯仰角分辨元的波束的回波功率与该波束的照射功率之比，
在将所述每一个脉冲按脉冲宽度等分为m个子脉冲来对所述目标区进行探测的情况下，所述m个子脉冲依次对每一个距离分辨元进行照射，并且每一个距离分辨元均具有反射系数，每一个距离分辨元的反射系数均为照射到该距离分辨元的脉冲的回波功率与该脉冲的照射功率之比。
4.根据权利要求3所述的气象雷达信号处理方法，其特征在于，
在将所述主波束按方位角角度等分为n个子波束来对所述目标区进行探测的情况下，所述回波处理步骤还包括：利用所述主波束的预定照射功率和回波功率以及所述n个子波束的照射功率计算所述多个方位角分辨元之一的反射系数，
在将所述主波束按俯仰角角度等分为q个子波束来对所述目标区进行探测的情况下，所述回波处理步骤还包括：利用所述主波束的预定照射功率和回波功率以及所述q个子波束的照射功率计算所述多个俯仰角分辨元之一的反射系数，
在将所述每一个脉冲按脉冲宽度等分为m个子脉冲来对所述目标区进行探测的情况下，所述回波处理步骤还包括：利用所述脉冲的预定照射功率和回波功率以及所述m个子脉冲的照射功率计算所述多个距离分辨元之一的反射系数。
5.根据权利要求4所述的气象雷达信号处理方法，其特征在于，
计算所述多个方位角分辨元之一的反射系数的步骤包括：对所述n个子波束照射同一个方位角分辨元所获得的回波功率求和，
计算所述多个俯仰角分辨元之一的反射系数的步骤包括：对所述q个子波束照射同一个俯仰角分辨元所获得的回波功率求和，
计算所述多个距离分辨元之一的反射系数的步骤包括：对所述m个子脉冲照射同一个距离分辨元所获得的回波功率求和。
6.根据权利要求4所述的气象雷达信号处理方法，其特征在于，
计算所述多个方位角分辨元之一的反射系数的步骤包括：当所述n个子波束同时照射到n个方位角分辨元时，用所述n个子波束的回波功率之和除以所述主波束的预定照射功率所获得的值作为所述主波束中线所在的方位角分辨元的反射系数的估计初值，
计算所述多个俯仰角分辨元之一的反射系数的步骤包括：当所述q个子波束同时照射到q个俯仰角分辨元时，用所述q个子波束的回波功率之和除以所述主波束的预定照射功率所获得的值作为所述主波束中线所在的俯仰角分辨元的反射系数的估计初值，
计算所述多个距离分辨元之一的反射系数的步骤包括：当所述m个子脉冲同时照射到m个距离分辨元时，用所述m个子脉冲的回波功率之和除以所述脉冲的预定照射功率所获得的值作为所述脉冲的脉冲宽度中线所在的距离分辨元的反射系数的估计初值。
7.根据权利要求6所述的气象雷达信号处理方法，其特征在于，
计算所述多个方位角分辨元之一的反射系数的步骤包括：在所述n个方位角分辨元的反射系数在所述预定波束宽度内沿方位角呈线性变化的情况下，所述主波束中线所在的方位角分辨元的反射系数的估计初值等于该方位角分辨元的反射系数的实际值，
计算所述多个俯仰角分辨元之一的反射系数的步骤包括：在所述q个俯仰角分辨元的反射系数在所述预定波束宽度内沿俯仰角呈线性变化的情况下，所述主波束中线所在的俯仰角分辨元的反射系数的估计初值等于该俯仰角分辨元的反射系数的实际值，
计算所述多个距离分辨元之一的反射系数的步骤包括：在所述m个距离分辨元的反射系数在所述预定脉冲宽度内沿距离呈线性变化的情况下，所述脉冲的脉冲宽度中线所在的距离分辨元的反射系数的估计初值等于该距离分辨元的反射系数的实际值。
8.根据权利要求6所述的气象雷达信号处理方法，其特征在于，
计算所述多个方位角分辨元之一的反射系数的步骤包括：在所述n个方位角分辨元的反射系数在所述预定波束宽度内沿方位角呈正弦波变化和/或类正弦波变化和/或分段线性变化的情况下，通过对所述估计初值进行至少一级加权求和运算，以计算出每一级加权求和运算前后反射系数的变化，用所述反射系数的变化进行外推计算以得到所述主波束实际照射所述目标区引起的反射系数变化，从而得到校正因子，之后用所述校正因子对所述估计初值进行校正以得到所述反射系数的最终估计值，
计算所述多个俯仰角分辨元之一的反射系数的步骤包括：在所述q个俯仰角分辨元的反射系数在所述预定波束宽度内沿俯仰角呈正弦波变化和/或类正弦波变化和/或分段线性变化的情况下，通过对所述估计初值进行至少一级加权求和运算，以计算出每一级加权求和运算前后反射系数的变化，用所述反射系数的变化进行外推计算以得到所述主波束实际照射所述目标区引起的反射系数变化，从而得到校正因子，之后用所述校正因子对所述估计初值进行校正以得到所述反射系数的最终估计值，
计算所述多个距离分辨元之一的反射系数的步骤包括：在所述m个距离分辨元的反射系数在所述预定脉冲宽度内沿距离呈正弦波变化和/或类正弦波变化和/或分段线性变化的情况下，通过对所述估计初值进行至少一级加权求和运算，以计算出每一级加权求和运算前后反射系数的变化，用所述反射系数的变化进行外推计算以得到所述脉冲实际照射所述目标区引起的反射系数变化，从而得到校正因子，之后用所述校正因子对所述估计初值进行校正以得到所述反射系数的最终估计值。
9.根据权利要求6所述的气象雷达信号处理方法，其特征在于，
计算所述多个方位角分辨元之一的反射系数的步骤包括：在所述n个方位角分辨元的反射系数在所述预定波束宽度内沿方位角呈随机变化的情况下，通过对所述估计初值进行至少一级加权求和运算，以计算出每一级加权求和运算前后反射系数的变化，用所述反射系数的变化进行外推计算以得到所述主波束实际照射所述目标区引起的反射系数变化，从而得到校正因子，根据所述估计初值和所述校正因子利用预测算法求得预测值，通过对所述预测值进行加权求和运算来得到检验值，并将所述估计初值与所述检验值进行比较以获得比较误差，如果所述比较误差小于或等于预设误差值，则将所述预测值用作所述方位角分辨元的反射系数的最终估计值，并且如果所述比较误差大于所述预设误差值，则根据所述比较误差来校正所述校正因子，
计算所述多个俯仰角分辨元之一的反射系数的步骤包括：在所述q个俯仰角分辨元的反射系数在所述预定波束宽度内沿俯仰角呈随机变化的情况下，通过对所述估计初值进行至少一级加权求和运算，以计算出每一级加权求和运算前后反射系数的变化，用所述反射系数的变化进行外推计算以得到所述主波束实际照射所述目标区引起的反射系数变化，从而得到校正因子，根据所述估计初值和所述校正因子利用预测算法求得预测值，通过对所述预测值进行加权求和运算来得到检验值，并将所述估计初值与所述检验值进行比较以获得比较误差，如果所述比较误差小于或等于预设误差值，则将所述预测值用作所述俯仰角分辨元的反射系数的最终估计值，并且如果所述比较误差大于所述预设误差值，则根据所述比较误差来校正所述校正因子，
计算所述多个距离分辨元之一的反射系数的步骤包括：在所述m个距离分辨元的反射系数在所述预定脉冲宽度内沿距离呈随机变化的情况下，通过对所述估计初值进行至少一级加权求和运算，以计算出每一级加权求和运算前后反射系数的变化，用所述反射系数的变化进行外推计算以得到所述脉冲实际照射所述目标区引起的反射系数变化，从而得到校正因子，根据所述估计初值和所述校正因子利用预测算法求得预测值，通过对所述预测值进行加权求和运算来得到检验值，并将所述估计初值与所述检验值进行比较以获得比较误差，如果所述比较误差小于或等于预设误差值，则将所述预测值用作所述距离分辨元的反射系数的最终估计值，并且如果所述比较误差大于所述预设误差值，则根据所述比较误差来校正所述校正因子。
10.根据权利要求1所述的气象雷达信号处理方法，其特征在于，n等于所述主波束内的脉冲的预定数量，并且/或者q等于所述主波束内的脉冲的预定数量。
11.一种气象雷达信号处理系统，其特征在于包括：
发射机，其用于通过天线向目标区发射雷达波的主波束，所述主波束具有预定照射功率、预定波束宽度、和预定数量的脉冲，所述预定数量的脉冲中的每一个脉冲均具有预定脉冲宽度和预定照射功率；
接收机，其用于通过所述天线接收来自所述目标区的回波；以及
回波处理器，其用于对所述回波进行处理，以获得包括所述回波的回波功率和与所述目标区的方位角、俯仰角和距离相关的信息的气象雷达信号；
其中，将所述主波束按方位角角度等分为n个子波束来对所述目标区进行探测以获得方位角超分辨率的气象雷达信号，并且/或者将所述主波束按俯仰角角度等分为q个子波束来对所述目标区进行探测以获得俯仰角超分辨率的气象雷达信号，并且/或者将所述每一个脉冲按脉冲宽度等分为m个子脉冲来对所述目标区进行探测以获得距离超分辨率的气象雷达信号，
其中，n为大于等于2的整数，q为大于等于2的整数，并且m为大于等于2的整数。
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Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015081519A1 (zh) * 2013-12-04 2015-06-11 中国气象局气象探测中心 气象雷达信号处理方法和系统
CN103869309B (zh) * 2014-03-24 2015-11-11 上海航天电子通讯设备研究所 方位旋转相控阵雷达目标监视与气象探测兼容方法及系统
CN105487076B (zh) * 2016-01-06 2018-09-11 北京无线电测量研究所 一种毫米波云雷达大雾能见度反演方法及系统
JP6571545B2 (ja) * 2016-01-19 2019-09-04 パナソニック株式会社 物体検出装置および物体検出方法
CN107976677B (zh) * 2017-10-26 2021-12-28 广州中南民航空管技术装备工程有限公司 一种弱气象目标的探测方法、电子设备及存储介质
CN107993215A (zh) * 2017-11-27 2018-05-04 象辑知源（武汉）科技有限公司 一种天气雷达图像处理方法及系统
CN108594235B (zh) * 2018-04-16 2020-10-23 青海大学 一种提高方位向雷达反射率系数分辨率的方法和系统
CN109581384B (zh) * 2019-01-28 2021-09-17 中国气象局气象探测中心 基于多普勒天气雷达的晴空垂直风廓线探测方法及系统
CN110163189B (zh) * 2019-06-10 2020-12-25 哈尔滨工业大学 一种带宽受限信号动态外推方法
CN112748433A (zh) * 2020-12-28 2021-05-04 成都信息工程大学 一种天气雷达回波垂直结构超分辨率重建方法
CN113687360B (zh) * 2021-10-26 2022-02-18 南京恩瑞特实业有限公司 一种适合民航空管气象保障的相控阵天气雷达扫描策略

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3269441B2 (ja) * 1997-12-22 2002-03-25 三菱電機株式会社 気象レーダ装置
JP3463734B2 (ja) * 1998-03-30 2003-11-05 三菱電機株式会社 気象観測レーダシステム
JP2000227471A (ja) * 1999-02-03 2000-08-15 Nec Corp レーダ装置
JP2004279146A (ja) * 2003-03-14 2004-10-07 Toshiba Corp アンテナ装置
JP4244993B2 (ja) * 2003-11-18 2009-03-25 株式会社村田製作所 レーダ
EP2278353B1 (en) * 2009-07-24 2018-02-14 Kabushiki Kaisha Toshiba Weather radar apparatus and rainfall rate calculation method
JP5284230B2 (ja) * 2009-09-11 2013-09-11 株式会社東芝 気象レーダシステムとその信号処理方法
JP5586292B2 (ja) * 2010-03-25 2014-09-10 株式会社東芝 気象レーダ装置及び気象観測方法
CN101915920B (zh) * 2010-07-02 2012-09-05 北京航空航天大学 一种地球同步轨道合成孔径雷达卫星的高分辨率成像方法
CN103267968A (zh) * 2013-04-02 2013-08-28 南京中网卫星通信股份有限公司 一种气象雷达信号处理控制装置和控制方法

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