CN109541603A - 基于全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测方法及系统 - Google Patents

基于全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测方法及系统，所述方法包括：S1：控制雷达按指定的工作模式进行风场探测，并通过天线发射与接收射频信号；S2：对所述S1中得到的射频回波信号进行采集，得到探测数据；S3：对探测数据进行全相关分析，生成相关函数数据；S4：对相关函数数据进行分析处理，得到风廓线结果。采用本发明的基于全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测方法，能够有效缩短探测的时间，提高风廓线数据的时效性，同时能够有效的提高观测效率，进而充分满足气象研究、气象保证等实际应用的需求。

Description

基于全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测方法及系统
技术领域
本发明涉及无线电波的反射或再辐射的定位或存在监测、信号处理和数据分析领域，尤其涉及基于全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测方法及系统。
背景技术
风廓线探测主要依靠风廓线雷达、声探测雷达、激光雷达、大气雷达(中频雷达、MST雷达等)、探空气球等高空气象探测装备实现，而风廓线数据能够实时反馈测试点上空风场信息，被广泛应用于大气科学研究、天气预报预警、人工影响天气、机场气象保障、军事气象保障等方面和领域。
原有的风廓线探测方法主要通过多普勒波束扫描方法获取，每次探测需要控制天线产生3至5个不同指向的探测波束，每个波束都要停留相应的驻留时间后才能切换下一个波束指向进行探测。采用这种风廓线探测方法时，由于无法从单个波束获取风场信息，导致探测时间较长，风廓线数据时效性变差，观测效率不高。这种单一的观测方法对变化较快的天气过程无法准确的获取其全部风场信息，不能充分满足气象研究、气象保障等应用需求。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种基于全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测方法及系统，提高风廓线数据探测的时效性，解决传统方法中不能充分满足气象研究、气象保障等应用需求的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：第一方面，本发明提供了一种基于全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测方法，包括：
S1：控制雷达按指定的工作模式进行风场探测，并通过天线发射与接收射频信号；
S2：对所述S1中得到的射频回波信号进行采集，得到探测数据；
S3：对探测数据进行全相关分析，生成相关函数数据；
S4：对相关函数数据进行分析处理，得到风廓线结果。
进一步，所述S1中通过光纤发射控制信号、接收控制信号的信息；
所述S2中所述射频回波信号通过光纤传递；将采集到的所述探测数据通过光纤进行输送；
所述S3中将所述分析处理后的数据通过光纤进行输送。
进一步，其特征在于，在所述S1中，所述天线发射垂直探测所述射频信号，在接收射频信号中的回波信号时分成独立的3个子天线阵，将3个子天线阵接收到的所述回波信号进行数据传输。
进一步，所述天线阵列为多边形或圆形分布，3个子天线阵以所述天线
阵列的中心，沿阵列的周边呈等分设置，构成三等分结构分布。
进一步，所述S2中接收到得射频回波信号的具体实现为：
对所述雷达中的数字收发组件进行参数控制，对射频回波信号进行采样，得到3个子天线阵的时域数字信号作为所述相关函数数据。
进一步，所述S4中的得到所述风廓线数据提取处理过程的具体实现为：
S4.1：对接收到所述相关函数数据中的离散相关函数数据进行先行插值处理，分别提取出自相关函数、互相关函数各自特征点的横纵坐标数值；
S4.2：将所述相关函数特征点的横纵坐标数值带入风向、风速计算公式，以得到探测水平风场的风速风向信息；
S4.3：将所述水平风速风向信息进行数据处理，生成风廓线数据并输出。
进一步，所述S3中的全相关分析包括如下约束条件：
约束条件1：所述时域数字信号的信号噪声比不低于第一阈值，且所述时域数据信号经过了不少于第二阈值的时域积累；
约束条件2：接收子天线阵的间距的选取与所测量的对应高度层风场形成的衍射图尺度成正比。
进一步，所述第一阈值为-3dB，所述第二阈值为100次。
第二方面，本发明提供了基于全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测系统，包括：
天线、数字收发模块、信号处理模块、数据处理模块和控制模块；
所述天线，用于集中发射垂直探测射频信号，并形成3个独立接收子天线阵接收回波射频信号，将所述回波射频信号传输给所述数字收发模块；
所述数字收发模块，用于产生所述天线发射所述的射频信号，并采集3个独立的子天线阵的回波信号，并将采集到的探测数据通过光纤传输给所述信号处理模块进行存储；
所述信号处理模块，用于对存储在其中的探测数据进行信号处理，并将处理结果通过光纤传输给所述数据处理模块进行存储；
所述数据处理模块，用于对存储在其中的信号处理结果进行数据处理，以得到风廓线数据。
进一步，所述天线由384个天线单元组成近似圆形的天线阵面，所述天线单元之间以三等分结构排布。
进一步，所述天线阵面划分成多个六边形天线子阵，每个子阵由7个所述天线单元组成，所述六边形天线子阵能够独立或集成工作。
本发明的有益效果是：
采用本发明的基于全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测方法，能够有效缩短探测的时间，提高风廓线数据的时效性，同时能够有效的提高观测效率，进而充分满足气象研究、气象保证等实际应用的需求。
附图说明
图1为本发明的一种基于全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测方法的流程示意图；
图2-1为本发明的一种基于全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测系统的天线阵面的结构示意图；
图2-2为本发明的一种基于全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测系统的天线阵面的结构示意图；
图2-3为本发明的一种基于全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测系统的天线阵面的结构示意图；
图3为本发明的一种基于全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测系统的3个子天线阵的结构示意图；
图4为本发明的一种基于全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测系统的平均自相关函数值示意图；
以及图5为本发明的一种基于全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测系统的结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定装备结构、接口、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
如图1所示，本发明公开了一种基于全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测方法，包括：
S1：控制雷达按指定的工作模式进行风场探测，并通过天线发射与接收射频信号；
S2：对所述S1中得到的射频回波信号进行采集，得到探测数据；
S3：对探测数据进行全相关分析，生成相关函数数据；
S4：对相关函数数据进行分析处理，得到风廓线结果。
在一些说明性实施例中，所述S1中通过光纤发射控制信号、接收控制信号的信息；
所述S2中所述射频回波信号通过光纤传递；将采集到的所述探测数据通过光纤进行输送；
所述S3中将所述分析处理后的数据通过光纤进行输送。
如图2-1、图2-2、图2-3和图3所示，步骤2中所述天线发射与接收射频信号，天线集中发射垂直探测射频信号，垂直探测信号发射时可以选用全部天线单元进行发射，也能够以中心天线小型六边形为中心，外围环绕2～4层小六边形的天线子阵进行发射；在接收回波信号时分成独立的3个子天线阵，将3个子阵接收到的射频信号输送至数字收发模块，接收子阵也由数个小型六边形组成，3个子阵的间距与对应高度层风场天线衍射图成正比。
在一些说明性实施例中，如图3所示，所述天线阵列为多边形或圆形分布，3个子天线阵以所述天线阵列的中心，沿阵列的周边呈等分设置，构成三等分结构分布。
在一些说明性实施例中：
S2.1：通过控制模块对数字收发组件进行参数控制，对射频回波信号进行采样，得到3个子天线阵的时域数字信号Sig.1、Sig.2、Sig.3，并通过光纤输送至信号处理模块，信号处理模块接收时域数字信号，结束此次探测的时域数字信号传输过程；
S2.2：通过控制模块对信号处理模块进行参数控制，以配置雷达工作参数，所述雷达工作参数包括：波长、脉冲宽度、脉冲重复频率/周期、发射峰值功率、发射平均功率和接收机灵敏度。对收到的时域数字信号进行相关运算，得到Sig.1的自相关函数ρ11、Sig.2的自相关函数ρ22、Sig.3的自相关函数ρ33，然后求取三个自相关函数的平均值ρ1，以平均值作为后续数据处理中的自相关函数。此外还求取Sig.1与Sig.2的互相关函数ρ12、Sig.2与Sig.3的互相关函数ρ23、Sig.1与Sig.3的互相关函数ρ13，并将数据通过光纤输送至数据处理模块，数据处理模块接收相关函数数据，结束此次探测的相关函数数据传输过程，并将数据通过光纤输送至所述数据处理模块进行风廓线数据提取处理。
在一些说明性实施例中：
S4.1：通过所述控制模块对数据处理模块进行参数控制，提取如图4所示平均自相关函数ρ1与各互相关函数ρ12、ρ23、ρ13之间的特征点。特征点分别是1)互相关函数时延为0时的函数值在自相关函数上对应的正延时τij；2)互相关函数极大值点对应的延时τ′ij；3)自相关函数值等于互相关函数极大值ρijmax时对应的正延时τ″ij，其中i、j为天线子阵的编号，τij表示第i、第j个天线子阵接收信号的时延，ρij表示第i、第j个天线子阵接收信号的互相关函数，同理(ξ,η)表示天线间的距离。由于通过采样点获取的相关函数数据是离散的，不能准确的定位特征值点在平相关函数上的对应数值。在这种情况下，本发明通过对相关函数进行线性插值，得到准确的特征点用于后续的计算。
S4.2：根据全相关分析理论，接收天线之间的相关函数ρ与天线间距(ξ,η)和信号时延τ有关，关系式以椭圆方程近似表示为：
ρ(ζ,η,τ)＝ρ(aζ2+bη2+τ2+2fζτ+2gητ+2hζη) (1)
其中a、b、f、g、h表示相关函数ρ以椭圆方程形式展开后，方程式中天线间距、信号时延等参数的系数值。根据S4.1中各特征点的关系与特性可以得到：
ρij(ζij,ηij,0)＝ρ(0,0,τij) (2)
ρij(ζij,ηij,τ′ij)＝ρ(0,0,τ″ij)
根据公式2可以得到：τ′ij＝-fξij-gηij、 同时可以得到
根据3个天线接收子阵的间距参数，即可求出a、b、f、g、h参数，其中a、b、f、g、h为常数项参数值，随后根据椭圆方程式与风场的数值关系可以计算得到风场信息：
其中Vx表示风场的水平信息，Vy表示风场的垂直信息。
S4.3：将所述水平风速风向信息通过所述数据处理模块进行处理，生成风廓线数据并输出。
在一些说明性实施例中，所述S3中的全相关分析包括如下约束条件：
约束条件1：所述时域数字信号的信号噪声比不低于第一阈值，且所述时域数据信号经过了不少于第二阈值的时域积累；
约束条件2：接收子天线阵的间距的选取与所测量的对应高度层风场形成的衍射图尺度成正比。
优选地，所述第一阈值为-3dB，所述第二阈值为100次。
本发明还提供了一种基于全相关分析的数字雷达风廓线探测系统，包括：
天线、数字收发模块、信号处理模块、数据处理模块和控制模块；
所述天线，用于集中发射垂直探测射频信号，并形成3个独立接收子天线阵接收回波射频信号，将所述回波射频信号传输给所述数字收发模块；
所述数字收发模块，用于产生所述天线发射所述的射频信号，并采集3个独立的子天线阵的回波信号，并将采集到的探测数据通过光纤传输给所述信号处理模块进行存储；
所述信号处理模块，用于对存储在其中的探测数据进行信号处理，并将处理结果通过光纤传输给所述数据处理模块进行存储；
所述数据处理模块，用于对存储在其中的信号处理结果进行数据处理，以得到风廓线数据。
在一些说明性实施例中，所述天线由384个天线单元组成近似圆形的天线阵面，所述天线单元之间以三等分结构排布。
在一些说明性实施例中，所述天线阵面划分成多个六边形天线子阵，每个子阵由7个所述天线单元组成，所述六边形天线子阵能够独立或集成工作。
读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测方法，其特征在于，包括：
S1：控制雷达按指定的工作模式进行风场探测，并通过天线发射与接收射频信号；
S2：对所述S1中得到的射频回波信号进行采集，得到探测数据；
S3：对探测数据进行全相关分析，生成相关函数数据；
S4：对相关函数数据进行分析处理，得到风廓线结果。
2.根据权利要求1中所述的的一种基于全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测方法，其特征在于，
所述S1中通过光纤发射控制信号、接收控制信号的信息；
所述S2中所述射频回波信号通过光纤传递；将采集到的所述探测数据通过光纤进行输送；
所述S3中将所述分析处理后的数据通过光纤进行输送。
3.根据权利要求1或2中所述的一种全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测方法，其特征在于，在所述S1中，所述天线发射垂直探测所述射频信号，在接收射频信号中的回波信号时分成独立的3个子天线阵，将3个子天线阵接收到的所述回波信号进行数据传输。
4.根据权利要求3中所述的一种全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测方法，其特征在于，所述天线阵列为多边形或圆形分布，3个子天线阵以所述天线阵列的中心，沿阵列的周边呈等分设置，以三等分结构分布。
5.根据权利要求3中所述的一种全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测方法，其特征在于，所述S2中接收到得射频回波信号的具体实现为：
对所述雷达中的数字收发组件进行参数控制，对射频回波信号进行采样，得到3个子天线阵的时域数字信号作为所述相关函数数据。
6.根据权利要求5中所述的一种全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测方法，其特征在于，所述S4中的得到所述风廓线数据提取处理过程的具体实现为：
S4.1：对接收到所述相关函数数据中的离散相关函数数据进行先行插值处理，分别提取出自相关函数、互相关函数各自特征点的横纵坐标数值；
S4.2：将所述相关函数特征点的横纵坐标数值带入风向、风速计算公式，以得到探测水平风场的风速风向信息；
S4.3：将所述水平风速风向信息进行数据处理，生成风廓线数据并输出。
7.根据权利要求5或6中所述的一种基于全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测方法，其特征在于，所述S3中的全相关分析包括如下约束条件：
约束条件1：所述时域数字信号的信号噪声比不低于第一阈值，且所述时域数据信号经过了不少于第二阈值的时域积累；
约束条件2：接收子天线阵的间距的选取与所测量的对应高度层风场形成的衍射图尺度成正比。
8.根据权利要求7中所述的一种基于全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测方法，其特征在于，所述第一阈值为-3dB，所述第二阈值为100次。
9.一种基于全相关分析的数字雷达风廓线探测系统，其特征在于，包括：
天线、数字收发模块、信号处理模块、数据处理模块和控制模块；
所述天线，用于集中发射垂直探测射频信号，并形成3个独立接收子天线阵接收回波射频信号，将所述回波射频信号传输给所述数字收发模块；
所述数字收发模块，用于产生所述天线发射所述的射频信号，并采集3个独立的子天线阵的回波信号，并将采集到的探测数据通过光纤传输给所述信号处理模块进行存储；
所述信号处理模块，用于对存储在其中的探测数据进行信号处理，并将处理结果通过光纤传输给所述数据处理模块进行存储；
所述数据处理模块，用于对存储在其中的信号处理结果进行数据处理，以得到风廓线数据。
10.根据权利要求9中所述的一种基于全相关分析的数字阵列雷达风廓线探测系统，其特征在于，所述天线由384个天线单元组成近似圆形的天线阵面，所述天线单元之间以三等分结构排布。
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