CN106597404A - 太赫兹云雷达信号处理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太赫兹云雷达信号处理方法及系统，通过数据采集模块采集太赫兹波云雷达回波信号；数据预处理模块对太赫兹云雷达回波信号进行预处理；数据处理模块对预处理信号进行功率谱估计以及谱平均；衰减订正及参数估计。本发明采用时域积累及高性能窗脉冲压缩结合二维FFT变换的方式，可有效发挥脉冲压缩体制大带宽高分辨率功能，且可对杂波进行高效抑制。本发明还采用Liebe大气模型根据太赫兹雷达观测天气状况以及太赫兹衰减特性，对信号处理处的回波功率估算进行有效的订正。因此，充分利用线性调频信号特性，提升了低发射峰值功率太赫兹波云雷达探测能力、降低杂波影响，消除大气对太赫兹波段衰减引起的回波功率估计不准确的问题。

Description

太赫兹云雷达信号处理方法及系统

技术领域

本发明所涉及的是太赫兹主动气象雷达技术领域，适用于收发分离调频体制云雷达的信号处理。

背景技术

在测量云气象要素的气象遥感雷达目前主要集中在X、Ka和W波段，且这些云雷达通常采用简单脉冲体制或脉冲多普勒体制。国际上美国马萨诸塞大学曾研制过215GHz和225GHz频段云雷达，也是采用简单脉冲体制且系统非相参。国内尚未出现实际的太赫兹波段云雷达报道。由于受太赫兹波段发射功率和收发隔离功能器件的限制，采用收发分离方式的宽脉冲线性调频体制的太赫兹云雷达使其在云探测成为可能。

另外，目前常用的毫米波云类信号处理方法，采用数字视频积分处理进行回波功率的估计以及径向速度和速度谱宽的估计。虽然现有的信号处理方式简单，但对于低反射峰值功率和固定直线的太赫兹波云雷达，不能充分利用脉冲积累技术提高雷达探测能力，且尚不能去除太赫兹波段衰减引起的回波估计偏差问题，因此并不适用。

发明内容

本发明提供一种基于收发分离线性调频体制的太赫兹波云雷达回波信号处理方法及系统，充分利用线性调频信号特性以提升低发射峰值功率太赫兹波云雷达探测能力、降低杂波影响以及消除大气对太赫兹波段衰减引起的回波功率估计不准确的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种太赫兹云雷达信号处理方法，包含以下过程：

采集太赫兹波云雷达回波信号，处理得到相应I/Q数据；

对采集的基带时域复信号进行时域积累，提升回波的信噪比；生成与发射信号相同调频参数的线性调频信号，对I/Q数据进行脉冲压缩处理后的信号，依次与相应数学期望进行差运算，去除直流分量，并采用加窗技术降低距离旁瓣带来的影响，得到预处理信号；

对预处理信号进行功率谱估计以及谱平均：通过距离向FFT处理，获取一维距离向上云目标回波强度和相位的距离分布特征；根据所要求的频率分辨率以及脉冲重复频率确定方位向FFT变换点数，并对相应回波同一距离门信号进行FFT变换处理，得到各距离门的回波线性功率谱密度分布；

对于太赫兹频段衰减，进行大气衰减订正获取雷达反射率因子数值：利用Liebe大气衰减模型根据实际观测区域大气温、湿、气压以及降水情况，计算获取剖面衰减订正曲线，并根据功率谱密度分布以及气象雷达方程估算出观测区域剖面雷达反射因子，并利用功率谱一阶矩和二阶矩分别获得观测云平均多普勒频率以及多普勒谱宽。

本发明的另一个技术方案是提供一种太赫兹云雷达回波信号处理系统，包含：数据采集模块，其采集太赫兹波云雷达回波信号，将从中频模拟接收的I和Q两路模拟回波基带信号，通过设置的A/D变换单元进行A/D变换得到回波数字信号，再对回波数字信号进行相位检波，得到I/Q数据；

数据预处理模块，其设置有时域积累单元对采集的基带时域复信号进行时域积累，来提升回波的信噪比；生成与发射信号相同调频参数的线性调频信号，对I/Q数据通过脉冲压缩单元进行脉冲压缩；对脉冲压缩处理后的信号，依次与相应数学期望进行差运算，并通过去直流单元去除直流分量；进而采用双凯塞窗处理单元来降低距离旁瓣带来的影响，得到预处理信号；

数据处理模块，其对预处理信号进行功率谱估计以及谱平均：通过距离向FFT处理单元进行距离向FFT处理，获取一维距离向上云目标回波强度和相位的距离分布特征；根据所要求的频率分辨率以及脉冲重复频率确定方位向FFT变换点数，通过方位向FFT处理单元对相应回波同一距离门信号进行FFT变换处理，通过谱平均处理单元得到各距离门的回波线性功率谱密度分布；

衰减订正及参数估计模块，其通过衰减订正单元对于太赫兹频段衰减，进行大气衰减订正：利用Liebe大气衰减模型根据实际观测区域大气温、湿、气压以及降水情况，计算获取剖面衰减订正曲线；由雷达反射率因子估计单元根据功率谱密度分布以及气象雷达方程估算出观测区域剖面雷达反射因子；通过平均多普勒频率计算单元及多普勒谱宽计算单元，利用功率谱一阶矩和二阶矩分别获得观测云平均多普勒频率以及多普勒谱宽。

本发明获得的技术优势和应用优势包括：

(1)公开的气象遥感雷达信号处理主要为去斜信号结合二维FFT变换或者脉冲压缩结合FFT变换以及常规距离窗的办法。本方案采用时域积累及高性能窗脉冲压缩结合二维FFT变换的方式，可有效发挥脉冲压缩体制大带宽高分辨率功能，且可对杂波进行高效抑制。

(2)公开的气象遥感雷达信号处理主要集中的Ka及其以下频段的测云和测风等雷达信号处理，由于这些频段衰减远小于太赫兹频段衰减，因此很少考虑到回波衰减订正或衰减订正较为简单。本方案采用Liebe大气模型根据太赫兹雷达观测天气状况以及太赫兹衰减特性，对信号处理处的回波功率估算进行有效的订正。

附图说明

图1为基于收发分离线性调频体制太赫兹云雷达回波信号处理流程图。

图2为一种大气环境下基于Liebe模型计算的高空到地面的双程大气衰减示意图。

具体实施方式

本发明提供一种太赫兹波云雷达信号处理方法，充分利用线性调频信号特性以提升低发射峰值功率太赫兹波云雷达探测能力、降低杂波影响以及消除大气对太赫兹波段衰减引起的回波功率估计不准确的问题。

如图1所示，基于收发分离线性调频体制太赫兹云雷达回波信号处理系统，包括：数据采集模块、数据预处理模块、数据处理模块、衰减订正及参数估计模块。

本发明所述信号处理方法的具体步骤如下：

第一步，数据采集模块采集太赫兹波云雷达回波信号；

数据采集模块对从中频模拟接收的I和Q两路模拟回波基带信号进行A/D变换，得到回波数字信号，再对回波数字信号进行相位检波，得到I/Q数据。其中，该I/Q数据作为信号处理系统的原始输入信息。

第二步，数据预处理模块对太赫兹云雷达回波信号进行预处理；

对采集的基带时域复信号进行时域积累，以提升回波的信噪比。时域积累脉冲个数需要根据回波自相关时间以及脉冲重复频率共同决定。然后，再生成与发射信号相同调频参数的线性调频信号对获得的I/Q数据进行脉冲压缩进行处理。然后对脉压处理后的信号依次与相应数学期望进行差运算，去除直流分量，并采用加窗技术降低距离旁瓣带来的影响。

本发明采用收发双Kaiser窗方式有效降低距离旁瓣而降低杂波的影响。线性调频信号具有特殊的时频特性，时间与瞬时频率成线性关系，时域加窗与频域加窗具有等效性。雷达发射信号u(t)为加Kaiser窗的理想Chirp信号。

其中，f₀表示载波频率，t表示脉冲调制时间，μ表示线性调频率。

接收端利用线性调频信号频率和时间的线性关系，采用滤波的方法，完成凯塞加窗。这样可以避免发射端时域加窗带来的能量损失。经频域加权的接收信号再与加凯塞窗的匹配滤波器做匹配滤波，即可得到超低副瓣脉冲压缩信号。

其中，r(t)表示接收回波，u*(t)表示u(t)的复共轭，h(t)为具有频域凯塞窗响应的16阶FIR滤波器(用来等效发射端加Kaiser窗)，Kaiser()表示Kaiser窗函数，T_p表示脉冲调制宽度，PRI表示脉冲周期，k表示Kaiser窗系数。

第三步，数据处理模块对预处理信号进行功率谱估计以及谱平均；

距离向FFT处理用于获取一维距离向上云目标回波强度和相位的距离分布特征。然后，根据所要求的频率分辨率以及脉冲重复频率确定方位向FFT变换点数，并对相应回波同一距离门信号进行FFT变换处理，得到各距离门的回波线性功率谱密度分布。

第四步，衰减订正及参数估计模块；

由于太赫兹频段衰减在靠近地面几公里范围衰减较大，需要进行大气衰减订正才能够获取较为真实的雷达反射率因子数值。利用1987年Liebe大气衰减模型根据实际观测区域大气温、湿、气压以及降水情况，计算获取剖面衰减订正曲线。对回波功率估算的最后一步，即将获取的功率谱平均值在考虑衰减订正的情况下可工作气象雷达方程换算求得。

气象雷达方程可表示为：

其中，R是雷达到目标的作用距离，P_r是该距离处的回波功率，C是雷达常数，Z_r(R)是在距离R处的雷达反射率因子真值，τ(R)是在雷达与距离R处之间云或云区的双程衰减。因此，利用Liebe大气衰减模型计算的结果代入(3)方程即可求得雷达反射率率因子数值(图2给出一种大气环境下基于Liebe模型获得的从高空到地面的双程大气衰减结果，左图Y＝7处时线条从左至右对应35GHz、94GHz、238GHz、340GHz；右图分别为温度廓线、水蒸气压力、大气压压力)。所以，根据功率谱密度分布以及气象雷达方程估算出观测区域剖面雷达反射因子，并利用功率谱一阶矩和二阶矩分别获得观测云平均多普勒频率以及多普勒谱宽。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种太赫兹云雷达信号处理方法，其特征在于，包含以下过程：

采集太赫兹波云雷达回波信号，处理得到相应I/Q数据；

对采集的基带时域复信号进行时域积累，提升回波的信噪比；生成与发射信号相同调频参数的线性调频信号，对I/Q数据进行脉冲压缩处理后的信号，依次与相应数学期望进行差运算，去除直流分量，并采用加窗技术降低距离旁瓣带来的影响，得到预处理信号；

对预处理信号进行功率谱估计以及谱平均：通过距离向FFT处理，获取一维距离向上云目标回波强度和相位的距离分布特征；根据所要求的频率分辨率以及脉冲重复频率确定方位向FFT变换点数，并对相应回波同一距离门信号进行FFT变换处理，得到各距离门的回波线性功率谱密度分布；

对于太赫兹频段衰减，进行大气衰减订正获取雷达反射率因子数值：利用Liebe大气衰减模型根据实际观测区域大气温、湿、气压以及降水情况，计算获取剖面衰减订正曲线，并根据功率谱密度分布以及气象雷达方程估算出观测区域剖面雷达反射率因子，并利用功率谱一阶矩和二阶矩分别获得观测云平均多普勒频率以及多普勒谱宽。

2.如权利要求1所述的太赫兹云雷达信号处理方法，其特征在于，

采集太赫兹波云雷达回波信号，包含将从中频模拟接收的I和Q两路模拟回波基带信号进行A/D变换，得到回波数字信号，再对回波数字信号进行相位检波，得到I/Q数据。

3.如权利要求1所述的太赫兹云雷达信号处理方法，其特征在于，

采用的加窗技术是收发双凯塞窗方式；

雷达发射信号u(t)为加凯塞窗的理想Chirp信号：

$u\left(t\right)=\exp \[i2\mathrm{\π}(f_0+\frac{\mathrm{\μ}}{2}{t}^2)\]$

其中，f₀表示载波频率，t表示脉冲调制时间，μ表示线性调频率；

接收端利用线性调频信号频率和时间的线性关系，采用滤波方式完成凯塞加窗；经频域加权的接收信号再与加凯塞窗的匹配滤波器做匹配滤波，得到超低副瓣脉冲压缩信号：

$r\left(t\right)=u\left(t\right)\×h\left(t\right)\×\[u^{*}\left(t\right)\·Kaiser(\frac{T_p}{PRI},k)\]$

其中，r(t)表示接收回波，u*(t)表示u(t)的复共轭，h(t)为具有频域凯塞窗响应的16阶FIR滤波器用来等效发射端加凯塞窗，Kaiser()表示凯塞窗函数，T_p表示脉冲调制宽度，PRI表示脉冲周期，k表示凯塞窗系数。

4.如权利要求1所述的太赫兹云雷达信号处理方法，其特征在于，

气象雷达方程表示为：

$P_r\left(R\right)=\frac{C}{R^2}{Z}_r\left(R\right)\mathrm{\τ}\left(R\right)$

其中，R是雷达到目标的作用距离，P_r是该距离处的回波功率，C是雷达常数，Z_r(R)是在距离R处的雷达反射率因子真值，τ(R)是在雷达与距离R处之间云或云区的双程衰减；利用Liebe大气衰减模型计算的结果代入该方程来求得雷达反射率率因子数值。

5.一种太赫兹云雷达回波信号处理系统，其特征在于，包含：

数据采集模块，其采集太赫兹波云雷达回波信号，将从中频模拟接收的I和Q两路模拟回波基带信号，通过设置的A/D变换单元进行A/D变换得到回波数字信号，再对回波数字信号进行相位检波，得到I/Q数据；

数据预处理模块，其设置有时域积累单元对采集的基带时域复信号进行时域积累，来提升回波的信噪比；生成与发射信号相同调频参数的线性调频信号，对I/Q数据通过脉冲压缩单元进行脉冲压缩；对脉冲压缩处理后的信号，依次与相应数学期望进行差运算，并通过去直流单元去除直流分量；进而采用双凯塞窗处理单元来降低距离旁瓣带来的影响，得到预处理信号；

数据处理模块，其对预处理信号进行功率谱估计以及谱平均：通过距离向FFT处理单元进行距离向FFT处理，获取一维距离向上云目标回波强度和相位的距离分布特征；根据所要求的频率分辨率以及脉冲重复频率确定方位向FFT变换点数，通过方位向FFT处理单元对相应回波同一距离门信号进行FFT变换处理，通过谱平均处理单元得到各距离门的回波线性功率谱密度分布；

衰减订正及参数估计模块，其通过衰减订正单元对于太赫兹频段衰减，进行大气衰减订正：利用Liebe大气衰减模型根据实际观测区域大气温、湿、气压以及降水情况，计算获取剖面衰减订正曲线；由雷达反射率因子估计单元根据功率谱密度分布以及气象雷达方程估算出观测区域剖面雷达反射率因子；通过平均多普勒频率计算单元及多普勒谱宽计算单元，利用功率谱一阶矩和二阶矩分别获得观测云平均多普勒频率以及多普勒谱宽。