CN109828276A - 一种基于干涉算法的风廓线雷达 - Google Patents

Abstract

一种基于干涉算法的风廓线雷达，包括发射天线和接收天线；所述发射天线独立设置，所述接收天线为多组，每组所述接收天线均按三角形排列；对每组天线接收的回波信号正交采样，获得I、Q正交信号；采取以下步骤：步骤一：采用干涉算法，得到大气湍流移动速度的两个水平分量；步骤二：采用傅里叶变换处理，求取多普勒频谱，得到大气湍流垂直运动速度及方向。本发明利用信号的相位信息进行处理，波束无需扫描，明显缩短了风场获取的时间周期，只有现有风廓线雷达时间周期的20％；由于波束无需扫描，也不需要现有风廓线雷达的波束控制系统及大量的移相器，简化了天线制造成本，降低了天线安装要求。

Description

一种基于干涉算法的风廓线雷达

技术领域

本发明属于气象探测中风的测量技术领域，涉及一种基于干涉算法的风廓线雷达。

背景技术

风廓线雷达是通过向高空发射电磁波束，接收并处理电磁波束因大气垂直结构不均匀而返回的信息进行高空风场探测的一种遥感设备。风廓线雷达已经成为连续、实时遥感大气风场的有效工具，特别适合需要无球测风的场合，如机场、伞兵训练等，能满足诸如机场测风设备布网和重要设施气象保障方面的需求。

风廓线雷达能够探测其上空风向、风速等气象要素随高度的变化情况，具有探测时空分辨率高、自动化程度高等优点。大气中折射率的不均匀能够引起对电磁波的散射，其中大气中的湍流活动导致折射率涨落而引起的散射(即湍流散射)，散射层的运动和湍流块的运动都可造成返回电磁波信号特征的变化，测量这种变化就可以分析风的运动参量，在一定的假定条件下可估测出回波信号所在高度上的风向、风速和垂直运动，从而获取大气风廓线资料。

现有的风廓线雷达多采用相控阵天线和多普勒处理方法。天线波束通过控制相位依次指向5个不同的方向，雷达发射电磁波后，接收信号采用傅里叶变换进行处理，获得在此波束方向上大气湍流相对于雷达的径向速度，综合不同方向上的径向速度就可以得到水平风向、水平风速、垂直速度、垂直风向等参数。以此方法实现的风廓线雷达功能强大，不同规模可以探测边界层、对流层、平流层，甚至中间层。但这种方法用在探测边界层以下时，存在工艺复杂、重量体积大、价格昂贵等缺点，而且由于采用5个指向的波束分别探测后再综合演算的方法，完成一个探测周期的时间较长，一般需要5分钟以上，因此对低层局部风速突变的情况探测效果较差。

本发明针对现有的风廓线雷达探测低空能力的不足，提出一种基于干涉算法的风廓线雷达，利用信号的相位信息进行处理，波束无需扫描，缩短了风场获取的时间周期，简化了天线制造成本，降低了天线安装要求。

发明内容

为克服上述现有技术中在测量边界层以下时，存在工艺复杂、重量体积大、价格昂贵、探测周期长的不足，本发明目的在于提供一种基于干涉算法的风廓线雷达，该风廓线雷达测量边界层以下时，具有工艺简单、重量体积小、价格低廉、探测周期短的特点。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于干涉算法的风廓线雷达，包括发射天线和接收天线；所述发射天线独立设置，所述接收天线为多组，每组所述接收天线均按三角形排列；对每组天线接收的回波信号正交采样，获得I、Q正交信号；然后采取以下步骤：

步骤一：采用干涉算法，得到大气湍流移动速度的两个水平分量；

步骤二：采用傅里叶变换处理，求取多普勒频谱，得到大气湍流垂直运动速度及方向。

进一步地，所述步骤一中采用干涉算法求解大气湍流运动模型；包括以下步骤：

步骤101，任选2组接收天线定义为x轴，定义2组接收天线信号的互相关系数函数；

求导，令得到最大时移值：

根据两组接收天线之间的距离ξ₀，计算出F/C值；

步骤102，另选2组天线，计算对应的接收信号的互相关系数函数：

求导，令得到最大时移值：

根据两组接收天线之间的距离η₀，计算出G/C值；

步骤103，求出x轴上的两组接收信号的互相关系数函数在时移τ为零时的函数值，计算出与位于x轴上的接收机接收信号的自相关系数函数相等时对应的自相关系数函数的时移值τ_x：

计算出自相关系数函数最大值对应的τ_x，计算出A/C的值

步骤104，求出另外的两组接收信号的互相关系数函数在时移τ为零时的函数值和y轴上接收机单路信号的自相关系数函数相等时对应的自相关系数函数的时移值τ_y，计算出B/C：

步骤105，根据位于(ξ₀,0)和(0,η₀)的一对接收机的两组信号的互相关系数函数和位于原点处的接收机单路信号的自相关系数函数相等时对应的自相关系数函数的时移值τ_xy，计算出H/C的值：

步骤106，建立方程式：

AV_x+HV_y＝-F

BV_y+HV_x＝-G

方程式均除以C，联立求解出目标移动速度的两个分量V_x和V_y：

V_x＝(HG-BF)/(AB-H²)

V_y＝(HF-AG)/(AB-H²)

步骤107，矢量合成，得到目标的水平速度V及移动的方向：

进一步地，所述步骤二中采用傅里叶变换处理，求取多普勒频谱，得到大气湍流垂直运动速度及方向；包括以下步骤：

步骤201，分别得到三组接收天线的回波信号I、Q正交信号，在信号处理器中对同一距离上的I、Q正交信号同相相加，合成为同一距离的一组I、Q正交信号；

步骤202，对合成后的I、Q正交信号按距离进行时域积累，再进行傅里叶变换，得到多普勒频谱分布；

步骤203，对多普勒频谱进行谱矩识别，计算零阶矩、一阶矩、二阶矩，换算得到垂直方向上的风的运动速度和方向。

进一步地，所述发射天线采用八木天线，所述八木天线为单根八木天线或由多根八木天线组成天线阵。

进一步地，所述接收天线为间隔天线布局，即为三组天线阵子组成的天线阵，三组天线阵子呈等边三角形排列，天线阵子采用八木天线，每组接收天线可以是单根八木天线、三根八木天线或九根八木天线，八木天线阵子之间为等边三角形排列。

进一步地，所述风廓线雷达包括发射机、接收机、信号处理单元、数据处理单元；所述接收机包括频率源、低噪声放大器、A/D转换单元、混频滤波单元、正交处理单元，所述频率源用于产生脉冲信号，提供发射机放大及混频滤波；所述信号处理单元用于进行干涉处理和傅里叶变换；所述数据处理单元用于将信号处理单元处理的结果进行速度解算，得到风场的速度、方向数据。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明的雷达具有设备简单、工作可靠、性能优秀的特点。本发明利用信号的相位信息进行处理，波束无需扫描，明显缩短了风场获取的时间周期，只有现有风廓线雷达时间周期的20％；由于波束无需扫描，也不需要现有风廓线雷达的波束控制系统及大量的移相器，简化了天线制造成本，降低了天线安装要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为本发明实施例中的采用干涉算法的风廓线雷达原理框图；

图2为本发明风廓线雷达3根接收天线排列示意图；

图3为本发明风廓线雷达9根接收天线排列示意图。

具体实施方式

以下结合附图，由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

实施例一：

如图1、图2所示，一种基于干涉算法的风廓线雷达，该风廓线雷达工作在P波段；包括发射天线1、接收天线2、综合机柜9、电源模块3及通讯模块12。其中，所述综合机箱9包括发射机4、接收机6、信号处理单元7、数据处理单元5。风廓线雷达垂直于地面安装，向上发射电磁波，测量从地面到1km以上风的参数，输出按高度分布的水平风向、水平风速、垂直风速、垂直风向等。

进一步地，雷达工作时，首先由数据处理单元5按照确定的工作模式控制信号处理单元，信号处理单元7控制接收机6的频率源产生相应的调制信号，调制信号放大后成为激励信号，输出到发射机4，固态发射机4将激励信号放大，通过发射天线7发射信号，回波信号通过接收天线8到接收机6中的低噪声放大器，放大后，直接进行数字采样，得到原始回波数据；原始回波数据输出到信号处理单元，进行滤波、干涉算法处理后，得到谱分布；数据处理单元对谱分布进行识别，得到按高度给出的速度数据。

进一步地，所述发射天线与接收天线分别安装在地面或其他支撑基础上，接收天线2与发射天线4之间间距一般在1-2m之间。所述综合机柜9安装在天线阵旁，天线阵与综合机柜9采用馈线电缆连接。

一种基于干涉算法的风廓线雷达，包括发射天线和接收天线；所述发射天线独立设置，所述接收天线为多组，每组所述接收天线均按三角形排列；在前述采用干涉算法处理的风廓线雷达中，3根天线单元组成接收天线阵的形式如图2所示。单个天线阵子采用八木天线，天线阵子之间的间距为0.7λ(λ为雷达波长)，此处间距为0.5m。进一步地，对每组天线接收的回波信号正交采样，获得I、Q正交信号；然后采取以下步骤：

步骤一：采用干涉算法，得到大气湍流移动速度的两个水平分量；

步骤二：采用傅里叶变换处理，求取多普勒频谱，得到大气湍流垂直运动速度及方向。

进一步地，所述步骤一中采用干涉算法求解大气湍流运动模型；包括以下步骤：

步骤101，任选2组接收天线定义为x轴，定义2组接收天线信号的互相关系数函数；

求导，令得到最大时移值：

根据两组接收天线之间的距离ξ₀，计算出F/C值；

步骤102，另选2组天线，计算对应的接收信号的互相关系数函数：

求导，令得到最大时移值：

根据两组接收天线之间的距离η₀，计算出G/C值；

步骤103，求出x轴上的两组接收信号的互相关系数函数在时移τ为零时的函数值，计算出与位于x轴上的接收机接收信号的自相关系数函数相等时对应的自相关系数函数的时移值τ_x：

计算出自相关系数函数最大值对应的τ_x，计算出A/C的值

步骤104，求出另外的两组接收信号的互相关系数函数在时移τ为零时的函数值和y轴上接收机单路信号的自相关系数函数相等时对应的自相关系数函数的时移值τ_y，计算出B/C：

步骤105，根据位于(ξ₀,0)和(0,η₀)的一对接收机的两组信号的互相关系数函数和位于原点处的接收机单路信号的自相关系数函数相等时对应的自相关系数函数的时移值τ_xy，计算出H/C的值：

步骤106，建立方程式：

AV_x+HV_y＝-F

BV_y+HV_x＝-G

方程式均除以C，联立求解出目标移动速度的两个分量V_x和V_y：

V_x＝(HG-BF)/(AB-H²)

V_y＝(HF-AG)/(AB-H²)

步骤107，矢量合成，得到目标的水平速度V及移动的方向：

进一步地，所述步骤二中采用傅里叶变换处理，求取多普勒频谱，得到大气湍流垂直运动速度及方向；包括以下步骤：

步骤201，分别得到三组接收天线的回波信号I、Q正交信号，在信号处理器中对同一距离上的I、Q正交信号同相相加，合成为同一距离的一组I、Q正交信号；

步骤202，对合成后的I、Q正交信号按距离进行时域积累，再进行傅里叶变换，得到多普勒频谱分布；

步骤203，对多普勒频谱进行谱矩识别，计算零阶矩、一阶矩、二阶矩，换算得到垂直方向上的风的运动速度和方向。

如图1所示，

进一步地，所述发射天线1采用八木天线10，所述八木天线10为单根八木天线或由多根八木天线组成天线阵。

进一步地，所述接收天线2为间隔天线布局，即为三组天线阵子组成的天线阵，三组天线阵子呈等边三角形排列，天线阵子采用八木天线，每组接收天线2可以是单根八木天线、三根八木天线或九根八木天线，八木天线阵子之间为等边三角形排列。

进一步地，所述风廓线雷达包括发射机4、接收机5、信号处理单元7、数据处理单元5；所述接收机包括频率源8、低噪声放大器13、A/D转换单元14、混频滤波单元15、正交处理单元16，所述频率源8用于产生脉冲信号，提供发射机4放大及混频滤波；所述信号处理单元7用于进行干涉处理和傅里叶变换；所述数据处理单元5用于将信号处理单元7处理的结果进行速度解算，得到风场的速度、方向数据。

本实施例中未披露的部分均采用的是现有技术。

实施例二：

本实施例中接收天线数量为9个，如图3所示，三个天线组内的天线阵子之间的间距仍为0.7λ，间距为0.5m。三组之间的间距为1.3λ，间距为0.92m。本实施例的其他内容与实施例1相同，这里不再赘述。

实施例三：

本实施例的接收天线数量为27个，图中未示出，三个天线组内的天线阵子之间的间距仍为0.7λ，间距为0.5m。三组之间的间距为2.0λ，间距为1.4m。由于天线阵的面积比较大，因此接收天线阵与发射天线阵可以合用一个。本实施例的其他内容与实施例1相同，这里不再赘述。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种基于干涉算法的风廓线雷达，其特征在于：包括发射天线和接收天线；所述发射天线独立设置，所述接收天线为多组，每组所述接收天线均按三角形排列；对每组天线接收的回波信号正交采样，获得I、Q正交信号；然后采取以下步骤：

步骤一：采用干涉算法，得到大气湍流移动速度的两个水平分量；

步骤二：采用傅里叶变换处理，求取多普勒频谱，得到大气湍流垂直运动速度及方向。

2.根据权利要求1所述的基于干涉算法的风廓线雷达，其特征在于：所述步骤一中采用干涉算法求解大气湍流运动模型；包括以下步骤：

步骤101，任选2组接收天线定义为x轴，定义2组接收天线信号的互相关系数函数；

求导，令得到最大时移值：

根据两组接收天线之间的距离ξ₀，计算出F/C值；

步骤102，另选2组天线，计算对应的接收信号的互相关系数函数：

求导，令得到最大时移值：

根据两组接收天线之间的距离η₀，计算出G/C值；

步骤103，求出x轴上的两组接收信号的互相关系数函数在时移τ为零时的函数值，计算出与位于x轴上的接收机接收信号的自相关系数函数相等时对应的自相关系数函数的时移值τ_x：

计算出自相关系数函数最大值对应的τ_x，计算出A/C的值

步骤104，求出另外的两组接收信号的互相关系数函数在时移τ为零时的函数值和y轴上接收机单路信号的自相关系数函数相等时对应的自相关系数函数的时移值τ_y，计算出B/C：

步骤105，根据位于(ξ₀,0)和(0,η₀)的一对接收机的两组信号的互相关系数函数和位于原点处的接收机单路信号的自相关系数函数相等时对应的自相关系数函数的时移值τ_xy，计算出H/C的值：

步骤106，建立方程式：

AV_x+HV_y＝-F

BV_y+HV_x＝-G

方程式均除以C，联立求解出目标移动速度的两个分量V_x和V_y：

V_x＝(HG-BF)/(AB-H²)

V_y＝(HF-AG)/(AB-H²)

步骤107，矢量合成，得到目标的水平速度V及移动的方向：

3.根据权利要求1所述的基于干涉算法的风廓线雷达，其特征在于：所述步骤二中采用傅里叶变换处理，求取多普勒频谱，得到大气湍流垂直运动速度及方向；包括以下步骤：

步骤201，分别得到三组接收天线的回波信号I、Q正交信号，在信号处理器中对同一距离上的I、Q正交信号同相相加，合成为同一距离的一组I、Q正交信号；

步骤202，对合成后的I、Q正交信号按距离进行时域积累，再进行傅里叶变换，得到多普勒频谱分布；

步骤203，对多普勒频谱进行谱矩识别，计算零阶矩、一阶矩、二阶矩，换算得到垂直方向上的风的运动速度和方向。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于干涉算法的风廓线雷达，其特征在于：所述发射天线采用八木天线，所述八木天线为单根八木天线或由多根八木天线组成天线阵。

5.根据权利要求1-3任一所述的基于干涉算法的风廓线雷达，其特征在于：所述接收天线为间隔天线布局，即为三组天线阵子组成的天线阵，三组天线阵子呈等边三角形排列，天线阵子采用八木天线，每组接收天线可以是单根八木天线、三根八木天线或九根八木天线，八木天线阵子之间为等边三角形排列。

6.根据权利要求1所述的基于干涉算法的风廓线雷达，其特征在于：所述风廓线雷达包括发射机、接收机、信号处理单元、数据处理单元；所述接收机包括频率源、低噪声放大器、A/D转换单元、混频滤波单元、正交处理单元，所述频率源用于产生脉冲信号，提供发射机放大及混频滤波；所述信号处理单元用于进行干涉处理和傅里叶变换；所述数据处理单元用于将信号处理单元处理的结果进行速度解算，得到风场的速度、方向数据。