CN109061648A - 基于频率分集的速度/距离解模糊雷达波形设计方法 - Google Patents

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Abstract

基于频率分集的速度/距离解模糊雷达波形设计方法属于脉冲多普勒天气雷达系统技术领域。其作用是设计天气雷达发射信号，降低天气雷达体扫周期。本发明包括四个部分：①选择合适的测距雷达波形；②选择合适的测速波形；③利用频率分集方法，将测距波形和测速波形以相参脉冲串的形式拼接起来，并经过雷达发射机发射出去；④对天气回波信号进行信道化处理，分离出相应的测速和测距回波，通过对分离出的测速和测距波形进行处理，得到天气目标的散射率、速度、谱宽、偏振变量。

Description

基于频率分集的速度/距离解模糊雷达波形设计方法
技术领域
本发明属于脉冲多普勒天气雷达系统(包括具有天气回波脉冲多普勒处理能力的空中交通管理雷达系统、警戒雷达系统、制导雷达系统、相控阵雷达系统)技术领域。其作用是设计天气雷达发射信号，降低天气雷达体扫周期。
背景技术
天气回波的速度/距离解模糊是脉冲多普勒天气雷达、空中交通管理雷达、警戒制导雷达等领域的关键技术问题。对于脉冲重复周期为T、波长为λ的脉冲多普勒天气雷达来说，其最大不模糊距离为 ra＝cT/2，最大不模糊速度va＝λ/(4T)，其中c为光速。其中最大不模糊速度va和最大不模糊距离ra之积为常数，即有式vara＝cλ/8，该约束关系即所谓的脉冲多普勒雷达的距离/多普勒困局。这意味着，给定的雷达波形，在特定的天气条件下，天气回波要么会产生距离模糊、要么会产生速度模糊。
为满足天气雷达的性能要求，现有技术通常采用多种发射波形和相应的信号处理技术来实现距离/速度解模糊。常用的方法包括：在特定的仰角上，进行①连续监视测量和多普勒测量、②轮流监视测量和多普勒测量、③参差PRT测量、④参差PRF测量和⑤周期/非周期相位编码测量等[1][2][3]。
在特定的天气态势和空间切面上，上述技术能够较好实现天气信号的速度/距离测量，输出满足天气雷达技术要求的气象产品数据。然而上述方法也存在着无法回避的两个问题，即①测速和测距波形的时空不同步会引入天气雷达产品测量误差，②测速波形和测距波形的切换制约了天线的扫描策略，增加了扫描时间[2][4][5]。比如，美国的 WSR-88D天气雷达和终端区多普勒雷达TDWR在较低仰角上采用一圈连续监视扫描和一圈连续多普勒扫描，在中等仰角上采用轮流监视扫描和多普勒扫描的模式[2][5]。
利用频率分集技术，本发明提出了一种脉冲多普勒雷达的测速和测距波形准同时发射技术，避免了测速/测距信号时空不同步问题，有效提高了天线扫描方式的灵活性，并能够兼容现有的天气雷达信号处理技术。
发明内容
对于C波段和更高波段的脉冲多普勒天气雷达来说，距离/速度模糊问题是制约数据质量、天线扫描灵活性的关键问题。本发明的目的是提供一种基于频率分集的距离/速度解模糊波形和雷达回波预处理方法，以提升脉冲多普勒天气雷达的数据质量和天线扫描灵活性，满足大气科学研究和危害天气实时探测和临近预报对天气雷达探测的需求。
本发明采取的技术方案包括四个部分：①选择合适的测距雷达波形；②选择合适的测速波形；③利用频率分集方法，将测距波形和测速波形以相参脉冲串(Coherent pulsetrains)的形式拼接起来，并经过雷达发射机发射出去；④对天气回波信号进行信道化处理，分离出相应的测速和测距回波，通过对分离出的测速和测距波形进行处理，得到天气目标的散射率、速度、谱宽、偏振变量。
(一)测距波形选择
测距波形的脉冲重复周期(PRT)应确保天气回波不会出现距离混叠，其影响因素包括最大可能的雨顶高度和雷达仰角。
设雷达仰角为θ，脉冲重复周期PRT设为Tr(下标r为距离range 的简写)，则测距波形的最大不模糊距离Lmax可以表示为：
其中c为光速，大气中光速的取值为2.997×108m/s。设地球半径为R，地球半径通常取6371km。当考虑大气折射时，地球的曲率可以等效于Re＝4R/3，最大不模糊距离Lmax处雷达波束的实际高度H可以表示为
设天气回波最大可能高度设为Hmax，为使雷达最大不模糊距离之外无天气回波，需满足：
将式(1)带入式(3)并化简可得：
图1给出了最大雨顶高度为16km时，不同仰角上的最小PRT的值。
图2给出了对应的最大PRF值。
(二)测速波形选择
均匀PRT的脉冲雷达波形的最大不模糊速度va取决于雷达波长λ和脉冲重复周期Tv(或脉冲重复频率fv，其中下标v表示速度，即 velocity)，即有：
通常情况下，天气雷达的最大不模糊速度指标需要达32m/s以上。图 3以机场终端区多普勒雷达为例，给出了va＝40m/s时不同频率雷达的最小脉冲重复频率。
当给定va时，根据式(5)可得，测速波形的PRT应满足：
当采用均匀PRF的测速波形时，在较低的仰角上，测速信号存在着严重的距离混叠。为了有效获得天气回波的速度场，需要利用测距波形获得的天气信号态势分布，对测速波形回波进行解模糊处理。为了获得多程回波的速度场，通常需要对发射测速波形进行SZ-2编码或者非周期编码处理，并在回波中进行波程分离。
为降低测速波形的解模糊难度、提升测速性能，测速波形可采用双PRF或者参差PRT波形，其PRT之比设为M/N，其中M、N为互质数，M/N的常用值为2/3、3/4、4/5或7/9等质数比。图4给出了PRF之比为2/3的双PRT的信号；图5给出了参差比为2/3的参差PRT测速波形，其中Tu为两种波形的PRT的最小公倍数。当给定最大不模糊速度va时，Tu应满足：
此时测速波形的两个PRT分别为MTu和NTu。与均匀PRF信号相比，在同等的速度模糊情况下，参差PRT和双PRF信号的因距离模糊引起的多程信号叠加大为降低。
(三)基于频率分集的距离/速度解模糊波形
公式(4)给出了距离不混叠情况下的最小测距信号的PRT，公式(6) 和(7)给出了测速波形条件。为保证测距波形与测速波形同步，测距波形的PRT应等于测速波形的整数倍。具体地说，①当测速波形为均匀PRT信号时，测距PRT由(6)式确定，此时Tr和Tv应满足：
其中n为大于1的自然数。
②当测速波形为参差PRT信号时，测速信号的周期为(M+N)Tu，此时测距信号的周期应等于测速信号周期的整数倍，即有：
其中n为自然数。
③当测速波形为双PRF信号时，测速波形两种PRF信号的最小公倍数周期为MNTu，此时测距信号的周期应满足MNTu的整数倍，即有：
表1给出了不同测速波形情况下，测速波形和测距之间的关系，其中n为自然数。
表1测速波形和测距波形PRT之间的关系
测速波形 PRT1 PRT2 T<sub>r</sub>与测距波形参数之间的关系
等PRT T<sub>v</sub> T<sub>v</sub> T<sub>r</sub>＝nT<sub>v</sub>，n＝2,3,……
参差PRT MT<sub>u</sub> NT<sub>u</sub> T<sub>r</sub>＝n(M+N)T<sub>u</sub>，n＝1,2,3,……
双PRF MT<sub>u</sub> NT<sub>u</sub> T<sub>r</sub>＝nMNT<sub>u</sub>，n＝1,2,3,……
在确定测距波形和测速波形的PRT参数之后，①将测距信号和测速信号分别调制在不同的频率上[6]；②经上变频、滤波、放大处理发射出去。图6～图8给出了典型的测速脉冲和测距脉冲之间的时序关系。
在确定了测速波形的PRT之后，可以选择对测速波形进行脉间周期相位编码和非周期相位编码，进一步提高天气雷达速度产品的有效输出范围。
(四)回波信道化处理及天气信号矩估计
天气雷达天线接收到的回波信号经过低噪声放大器、混频、滤波之后，得到的中频信号输入数字接收机。数字接收机对输入信号进行信道化处理，将测距和测速信号进行分离，通过对分离出的测速和测距波形进行处理，得到天气目标的散射率、速度、谱宽、偏振变量特征。信道化处理及测距测速信号分离的原理图如图9所示。
本发明提出的天气雷达波形产生方法可以将测距波形和测速波形进行拼接，将天气雷达低仰角(0度到1.6度)扫描时2圈扫描压缩为1圈扫描，降低扫描时间50％左右。在中等仰角(1.6°～7°) 上，能够将Batch模式中的长PRT信号测距波形与短PRT信号测速波形合并，降低扫描时间30～50％(具体降低时间与体扫模式有关)。
附图说明
图1最大雨顶高度为16km时，不同仰角上测距波形的最小脉冲重复周期值
图2最大雨顶高度为16km时，不同仰角上测距波形的最大脉冲重复频率值
图3当va＝40m/s时，雷达频率与脉冲重复频率的关系
图4PRF之比为2/3的双PRF测速波形
图5PRT之比为2/3的参差PRT测速波形
图6测距波形和等PRT测速波形之间的相对时序关系(测距与测速信号的PRT之比为2)
图7测速波形与参差PRT波形之间的时序关系(M/N＝2/3，n＝1)
图8测速波形与双PRF波形之间的时序关系(M/N＝2/3，n＝1)
图9回波信道化处理及天气信号矩估计
图10当PRT之比为2/3的参差PRT信号时的雷达波形，其中 M＝2、N＝3、n＝5
图11当PRT之比为2/3的双PRF信号时的雷达波形，其中M＝2、 N＝3、n＝4
具体实施方式
根据上述的背景技术和发明内容，本发明的具体实施方案如下：
1.根据最大雨顶高度、雷达波束仰角确定测距雷达波形的PRF范围。
2.根据雷达工作频率、最大不模糊速度，确定测速雷达波形的PRF 范围。
3.根据测速波形和测距波形的PRF范围，确定测速和测距波形 PRF/PRT的倍数关系。
4.对回波信号进行信道化处理，实现测速和测距波形回波的分离，为解模糊和矩数据估计提供数据支持。
下面分别以①参差PRT波形/测距波形设计和②双PRF波形/测距波形为例，介绍该发明的实现。
举例一：测距波形与参差PRT测速波形设计
以X波段天气雷达为例，设雷达频率f0＝9.5×109Hz。已知①雷达作用距离内最大雨顶高度设为Hmax＝16千米，②波束仰角设为θ＝0.5度，③令最大不模糊速度为va＝60m/s，④雷达测速波形采用2/3的参差 PRT脉冲。以上述指标为例，设计测距信号与参差PRT测速波形。
首先，将最大雨顶高度Hmax、波束仰角θ、等效地球半径Re、光速c带入公式(9)可得：
Tr≥3.02×10-3秒
其次，将最大不模糊速度va、雷达工作频率f0、光速c带入公式(9) 可得，参差PRT信号的PRT的最大公约数Tu应满足Tu≤1.315×10-4秒。
再次，令Tu＝1.315×10-4，由表1可得，当测速波形为参差PRT波形时，测距波形应满足：
因为n为自然数，应取n＝5。此时参差PRT波形的两个周期分别为 MTu＝2.629×10-4秒和NTu＝3.943×10-4秒。测距波形的周期为 Tr＝n(M+N)Tu＝3.286×10-3秒，总的雷达发射波形如图10所示。
举例二：测距信号与参差PRT测速信号设计
以X波段天气雷达为例，设雷达频率f0＝9.5×109Hz。已知①雷达作用距离内最大雨顶高度设为Hmax＝16千米，②波束仰角设为θ＝0.5度，③令最大不模糊速度为va＝60m/s，④雷达测速波形采用2/3的参差 PRT脉冲。以上述指标为例，设计测距信号与双PRF测速波形。
首先，将最大雨顶高度Hmax、波束仰角θ、等效地球半径Re、光速c带入公式(10)可得：
Tr≥3.02×10-3秒
其次，将最大不模糊速度va、雷达工作频率f0、光速c带入公式(10) 可得，参差PRT信号的PRT的最大公约数Tu应满足Tu≤1.315×10-4秒。
再次，令Tu＝1.315×10-4，由表1可得，当测速波形为双PRF波形时，测距波形应满足：
因为n为自然数，最小可取n＝4。此时双PRF波形的两个周期分别为 MTu＝2.629×10-4秒和NTu＝3.943×10-4秒。测距波形的周期为 Tr＝nMNTu＝3.154×10-3秒，总的雷达发射波形如图11所示。
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[6]kumar vijay mishr,2012:Frequency diversity wideband digitalreceiver and signal processor for solid-state dual-polarimetric weatherradars.Master’s thesis,Colorado State University.

Claims (6)

1.基于频率分集的速度/距离解模糊雷达波形设计方法，其特征在于：
①选择合适的测距雷达波形；②选择合适的测速波形；③利用频率分集方法，将测距波形和测速波形以相参脉冲串的形式拼接起来，并经过雷达发射机发射出去；④对天气回波信号进行信道化处理，分离出相应的测速和测距回波，通过对分离出的测速和测距波形进行处理，得到天气目标的散射率、速度、谱宽、偏振变量。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：
(一)测距波形选择
设雷达仰角为θ，脉冲重复周期PRT设为Tr，则测距波形的最大不模糊距离Lmax表示为：
其中c为光速，设地球半径为R当考虑大气折射时，地球的等效曲率半径为Re＝4R/3，最大不模糊距离Lmax处雷达波束的实际高度H表示为
设天气回波最大可能高度设为Hmax，为使雷达最大不模糊距离之外无天气回波，需满足：
将式(1)带入式(3)并化简得：
(二)测速波形选择
当均匀PRT的脉冲雷达波形的最大不模糊速度va取决于雷达波长λ和脉冲重复周期Tv，或脉冲重复频率fv，其中下标v表示速度，即velocity，即有：
当给定va时，根据式(5)得，测速波形的PRT应满足：
测速波形采用双PRF或者参差PRT波形，其PRT之比设为M/N，其中M、N为互质数，Tu为两种波形的PRT的最小公倍数；当给定最大不模糊速度va时，Tu应满足：
此时测速波形的两个PRT分别为MTu和NTu；
(三)基于频率分集的距离/速度解模糊波形
公式(4)给出了距离不混叠情况下的最小测距信号的PRT，公式(6)和(7)给出了测速波形的条件；为保证测距波形与测速波形同步，测距波形的PRT应等于测速波形的整数倍；
具体地说，①当测速波形为均匀PRT信号时，测距PRT由(6)式确定，此时Tr和Tv应满足：
其中n为大于1的自然数；
②当测速波形为参差PRT信号时，测速信号的周期为(M+N)Tu，此时测距信号的周期应等于测速信号周期的整数倍，即有：
其中n为自然数；
③当测速波形为双PRF信号时，测速波形两种PRF信号的最小公倍数周期为MNTu，此时测距信号的周期应满足MNTu的整数倍，即有：
在确定测距波形和测速波形的PRT参数之后，①将测距信号和测速信号分别调制在不同的频率上；②经上变频、滤波、放大处理发射出去；
(四)回波信道化处理及天气信号矩估计
天气雷达天线接收到的回波信号经过放大、混频、滤波后，得到的中频信号输入数字接收机；数字接收机对输入信号进行信道化处理，将测距和测速信号进行分离，通过对分离出的测速和测距波形进行处理，得到天气目标的散射率、速度、谱宽、偏振变量特征。
3.根据根据权利要求2所述方法，其特征在于：
M/N的常用值为2/3、3/4、4/5或7/9。
4.根据根据权利要求1所述方法，其特征在于：
测速波形采用双PRF波形。
5.根据根据权利要求1所述方法，其特征在于：
测速波形采用参差PRT波形。
6.根据根据权利要求1所述方法，其特征在于：
测速波形采用均匀PRT波形。
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