CN110082729A - 天气雷达补盲平滑处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天气雷达补盲平滑处理系统，天气雷达信号处理器、雷达波产生系统、雷达整机定时控制系统、终端。还公开了天线雷达补盲平滑处理系统的处理方法，步骤为：S1、预设雷达探测范围，终端根据雷达探测得到的参数再利用雷达方程计算宽脉冲参数；S2、预设探测范围中，对于雷达能够探测的范围，确定衔接处的探测能力，即第一次平滑处理；S3、预设探测范围中，对于未探测到的盲区，根据步骤S2所设定的脉宽，计算补盲衔接处的探测能力，即第二次平滑处理。本发明达到的有益效果是：使宽窄脉冲在补盲衔接距离处的探测能力差不大于1dBZ，回波梯度平滑、有效地对盲区进行探测，解决了回波梯度突变的问题。

Description

天气雷达补盲平滑处理系统及方法

技术领域

本发明涉及雷达探测技术领域，特别是天气雷达补盲平滑处理系统及其方法。

背景技术

天气雷达是气象雷达的一种，是监测和预警强对流天气的主要工具，其工作原理是通过发射一系列脉冲电磁波，利用云、雾、雨、雪等降水粒子对电磁波的散射作用，获取降水的空间位置位置、强弱分布、垂直结构等。雷达可以有效地监测暴雨、冰雹、龙卷等灾害性天气的发生、发展；同时具有良好的定量测量回波强度的性能，可以定量估测大范围降水；实现降水预报的定点、定量、定时化，为军民用气象保障提供可靠科学的探测数据。

天气是一定区域短时段内的大气状态及其变化的总称。大气状态，如冷暖、风雨、干湿、阴晴等，经常处在变化之中，因而，天气既是一定时间和空间内的大气状态，也是大气状态在一定时间间隔内的连续变化。天气条件可以影响各种军事行动，从地面后勤供应到军事打击等会受到天气的影响。飞机离开了气象信息就不能在蓝天飞翔，军舰离开了气象信息就会在大海里迷失方向，大炮离开了气象信息就不能精确命中目标，导弹离开了气象信息就不能成为核威慑力量。现代战争多采用长途奔袭、大机群、大舰群作战，要求及时准确地掌握战区及邻近地区的天气情报，现代战争又是各军兵种协同作战，因而气象保障要求多层次、全方位、综合化。现代战争节奏快，因此气象保障要快速、准确。常规战争运用气象就能出奇制胜，以少胜多，现代化战争运用气象就能趋利避害、以弱胜强。

随着科学技术的发展，全固态体制雷达因其可靠性高、大时宽、体积小、效率高、低截获概率、易实现数字波束形成等特点成为雷达领域技术发展趋势。在天气雷达的应用中，以往雷达探测均采用高脉冲功率、窄脉冲的方式全程获得很好的距离分辨率，当采用全固态雷达体制后，雷达的脉冲功率大幅降低，要提高探测能力就必须采用大时宽来实现，该技术的使用将带来雷达的探测盲区，为了获得全量程的探测数据，就必须采用补盲技术，因补盲脉冲在其衔接距离上的探测能力存在差异，补盲衔接处会出现很大的探测强度梯度，影响补盲区域内的天气回波探测和识别。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供回波梯度平滑、有效地对盲区进行探测的天气雷达补盲平滑处理系统及其方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：天气雷达补盲平滑处理系统，包括天气雷达信号处理器、雷达波产生系统、雷达整机定时控制系统、终端；

所述天气雷达信号处理器采集雷达宽、窄脉冲数据，根据终端计算所需的窄脉冲相干积累次数进行窄脉冲数据的相干积累处理，完成宽窄脉冲数据衔接输出；

所述雷达波形产生系统，根据探测要求和终端计算的相应脉宽完成宽窄脉冲的设计，并输出至雷达发射系统；

所述终端，根据雷达性能指标参数和探测方位及探测能力边界条件，通过天气雷达方程，计算雷达天气探测天气的相关时间，输出雷达的相干积累次数、宽窄脉冲宽度及波形格式、脉冲重复频率王成工作模式的设计，实现天气雷达全程补盲平滑处理。

进一步地，终端进行处理时，包括数字波形产生、数字中频接收、多普勒信号处理单元组成(其具体处理框图如图1所示)。数字波形产生单元根据控制命令产生系统补盲所需的宽窄脉冲输出给发射系统，并经天线向空间发射。数字中频接收单元接收来自天线接收的回波信号并经接收系统处理后的中频信号，并对应发射的宽窄脉冲分别接收处理至零中频IQ信号输出给多普勒信号处理单元。多普勒信号处理单元接收数字中频输出的宽窄脉冲零中频IQ 数据进行处理，其中窄脉冲IQ数据按本发明所述方法进行相干积累处理，宽脉冲采用常规处理，即可实现本发明所述气象雷达补盲平滑策略处理。

天气雷达补盲平滑处理系统的处理法，其处理步骤为：

S1、预设雷达探测范围，终端根据雷达探测得到的参数再利用雷达方程计算宽脉冲参数，宽脉冲参数包括重频、脉冲宽度、波形格式和探测能力；

S2、预设探测范围中，对于雷达能够探测的范围，确定衔接处的探测能力，即根据步骤S1 的计算得到探测能力，通过终端计算获取窄脉冲的脉宽和波形格式，通过相关时间分析确定相干积累次数和脉冲重复频率，即第一次平滑处理；

S3、预设探测范围中，对于未探测到的盲区，根据步骤S2所设定的脉宽，计算补盲衔接处的探测能力，即计算获取更窄脉冲的脉宽和波形格式，即第二次平滑处理。

进一步地，所述的平滑处理的计算方法：

S1、根据雷达波长和探测目标特性，确定参数λ，根据公式τ_0.01＝1.71λ×10^-3计算雷达相干积累实时间τ_0.01；

S2、根据雷达相干积累时间τ_0.01确定选择适合的相关积累次数；

S3、若采用宽脉冲进行探测时，在雷达接受的回波数据中，取样体积充塞有盲区内的目标，则延迟宽脉冲回波的接受时刻，要求延迟时刻大于1倍的脉冲宽度，确保宽脉冲后沿完全经过经过盲区，从而避免回波的取样体积充塞有盲区的目标，并同时采用窄脉冲补盲，要求窄脉冲的补盲区域在宽脉冲的盲区范围基础上至少扩大1倍；若采用宽窄脉冲组合进行探测时，在距离组合线的前后分别取3个重合距离单元数据进行加权平滑处理，加权平滑处理后的数据作为最终的回波数据。

进一步地，所述的步骤S3中，窄脉冲进行补盲时，采用时分补盲方式或频分补盲方式补盲；

采用时分补盲方式；是采用脉间交替发射宽窄脉冲组来解决探测盲区，即宽脉冲探测远区回波，窄脉冲对宽脉冲探测盲区进行补盲处理，利用两侧探测数据进行拼接(如图2所示)；

采用频分补盲方式或，发射不同频率宽窄脉冲来探测盲区，即脉内发射双频数字波形，先发宽脉冲再发窄脉冲，宽窄脉冲在脉内采用不同的频率，数字接收通道通过不同的数字滤波器进行分离，分离后的窄脉冲回波信号和经数字脉冲压缩处理后的宽脉冲回波信号输出至多普勒信号处理单元进行处理，脉内频分方式实现探测距离补盲(如图3所示)。

为了平滑衔接处探测梯度并确保探测数据的质量和平滑的有效，需对相干积累数，宽窄脉冲宽度、脉冲重复频率进行有效关联设计，在保证雷达探测能力和平滑效果的前提下，对探测能力要求高的天气雷达，必要时需采取二次补盲设计，实现天气雷达全程补盲平滑处理。

补充地，对于步骤S3中，由于脉压的作用，宽脉冲的最小可探测强度dBz_min大于补盲脉宽的最小可探测强度，当盲区范围内，存在两个脉冲最小可探测强度之间的数据，则利用插值法，结合相邻径向及距离库上有效的雷达数据对空值区域进行差值填补，其计算公式为

其中：

R_ij：第i个方位，第j个距离格点的降水信息；

K_az：插值有效方位宽度；

K_bin：插值有效距离库宽度。

本发明具有以下优点：为了平滑回波梯度，确保补盲衔接距离天气探测与识别，本方案中，雷达根据相关时间，确定窄脉冲相干积累次数，并根据相干积累次数增益，合理设计宽窄脉冲脉冲宽度，使宽窄脉冲在补盲衔接距离处的探测能力差不大于1dBZ，使得回波梯度平滑，解决了补盲窄脉冲盲区内探测能力不足和盲区衔接处因宽窄脉冲探测能力不同带来的回波梯度问题，从而对保证了对盲区探测和识别的效果。

附图说明

图1为终端平滑补盲的框图；

图2为时针补盲交替发射宽窄脉组示意图；

图3为频分补盲宽窄脉冲发射示意图；

图4为1μs处理回波图；

图5为20μs+1μs补盲处理回波图；

图6为100μs+20μs补盲处理回波图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

天气雷达补盲平滑处理系统，包括天气雷达信号处理器、雷达波产生系统、雷达整机定时控制系统、终端。

具体地，所述天气雷达信号处理器采集雷达宽、窄脉冲数据，根据终端计算所需的窄脉冲相干积累次数进行窄脉冲数据的相干积累处理，完成宽窄脉冲数据衔接输出；雷达波形产生系统，根据探测要求和终端计算的相应脉宽完成宽窄脉冲的设计，并输出至雷达发射系统；终端，根据雷达性能指标参数和探测方位及探测能力边界条件，通过天气雷达方程，计算雷达天气探测天气的相关时间，输出雷达的相干积累次数、宽窄脉冲宽度及波形格式、脉冲重复频率王成工作模式的设计，实现天气雷达全程补盲平滑处理。

天气雷达补盲平滑处理系统的处理方法，其步骤为：

S1、系统将预设雷达探测范围，终端根据雷达参数和雷达方程进行宽脉冲参数计算；包括重频、脉冲宽度与波形格式、探测能力的计算；

S2、终端根据探测宽脉冲探测能力的计算，确定衔接处的探测能力；通过分析计算获取窄脉冲的脉宽和波形格式；通过相关时间分析确定相干积累次数和脉冲重复频率，确保雷达探测能力在衔接处补盲窄脉冲与宽脉冲探测能力相当，实现天气雷达的全程补盲平滑处理。

S3、如S2后还存在不可接受的探测盲区时，将进行二次补盲平滑处理，即根据S2所设定的脉宽进行补盲衔接处的探测能力计算，通过分析计算获取更窄脉冲的脉宽和波形格式；通过相关时间分析确定相干积累次数和脉冲重复频率，实现雷达探测能力在二次衔接处二次补盲脉冲探测能力相当，实现天气雷达的全程补盲平滑处理。

利用终端进行平滑处理时，需要先进行计算，即先根据雷达波长和探测目标特性，确定参数λ，根据公式τ_0.01＝1.71λ×10^-3计算雷达相干积累实时间τ_0.01；再根据雷达相干积累时间τ_0.01确定选择适合的相关积累次数。在计算时需注意，在信号相干和噪声非相干的条件下，相干积累对信噪比的改善与积累次数M成正比，在理想情况下，M点相干积累可使信噪比提高M倍。

终端的平滑处理包括两种方式：

其一，在天气雷达实际工作中，当脉冲后沿被发射出去时，接收机保护器恢复导通状态，雷达便开始接收回波数据。此刻回波的取样体积充塞有盲区内的目标，经脉冲压缩处理会造成直接强度与相位的估测误差，考虑到采用窄脉冲进行补盲处理，因此可以延迟宽脉冲回波的接收时刻，确保宽脉冲后沿完全经过盲区，从而避免回波的取样体积内充塞有盲区内的目标。经过推导与计算，延迟时刻应大于1倍的脉冲宽度，所以窄脉冲的补盲区域应该在宽脉冲的盲区范围基础上至少扩大一倍。采用这种方式补盲，具体的补盲方式，选用时分补盲或频分补盲的方式。

其二，在对宽窄脉冲探测数据进行组合时，在距离组合线前后分别取3个重合距离单元数据进行加权平滑处理，解决宽窄脉冲数据组合时的台阶问题。

具体事例为：主探测脉冲宽度为100μs的天气的天气雷达测盲区为15km，因此必须采取窄脉冲补盲，通过100μs+1μs实现补盲探测，在补盲衔接(15km)处窄脉冲1μs的探测能力将比探测脉冲100μs的探测能力弱20dB，需要通过补盲平滑处理，提高窄脉冲的探测能力，确保全程探测能力相当或相近。以X波段天气雷达为例，波长λ为3.2cm，通过相干积累时间公式计算相干积累时间为5.472ms，在理想情况下1us的脉冲需要相干积累点数20次，当1μs的重复频率为10000Hz(0.1ms)时，1μs理论相干积累次数可达54次。

终端进行处理时，包括数字波形产生、数字中频接收、多普勒信号处理单元组成(其具体处理框图如图1所示)。

将方案进行补充，由于脉压作用，宽脉冲的最小可探测强度dBz_min大于补盲脉宽的最小可探测强度，如果盲区范围内，存在两个脉冲最小可探测强度之间的数据，补盲脉宽将无法探测，有可能导致相邻盲区外有数据，而相邻盲区内无数据的情况。对于该种情况，利用插值法，结合相邻径向及距离库上有效的雷达数据对空值区域进行插值填补。插值法公式如下。

其中：

R_ij：第i个方位，第j个距离格点的降水信息；

K_az：插值有效方位宽度；

K_bin：插值有效距离库宽度。

利用上述两种方式进行实际探测实验，具体如图4、图5和图6所示，发现经过补盲处理后的回波图上将不会出现“组合线”或台阶的现象。

Claims (6)

1.天气雷达补盲平滑处理系统，其特征在于：包括天气雷达信号处理器、雷达波产生系统、雷达整机定时控制系统、终端；

所述天气雷达信号处理器采集雷达宽、窄脉冲数据，根据终端计算所需的窄脉冲相干积累次数进行窄脉冲数据的相干积累处理，完成宽窄脉冲数据衔接输出；

所述雷达波形产生系统，根据探测要求和终端计算的相应脉宽完成宽窄脉冲的设计，并输出至雷达发射系统；

所述终端，根据雷达性能指标参数和探测方位及探测能力边界条件，通过天气雷达方程，计算雷达天气探测天气的相关时间，输出雷达的相干积累次数、宽窄脉冲宽度及波形格式、脉冲重复频率王成工作模式的设计，实现天气雷达全程补盲平滑处理。

2.根据权利要求1所述天气雷达补盲平滑处理系统的处理方法，其特征在于：其处理步骤为：

S1、预设雷达探测范围，终端根据雷达探测得到的参数再利用雷达方程计算宽脉冲参数，宽脉冲参数包括重频、脉冲宽度、波形格式和探测能力；

S2、预设探测范围中，对于雷达能够探测的范围，确定衔接处的探测能力，即根据步骤S1的计算得到探测能力，通过终端计算获取窄脉冲的脉宽和波形格式，通过相关时间分析确定相干积累次数和脉冲重复频率，即第一次平滑处理；

S3、预设探测范围中，对于未探测到的盲区，根据步骤S2所设定的脉宽，计算补盲衔接处的探测能力，即计算获取更窄脉冲的脉宽和波形格式，即第二次平滑处理。

3.根据权利要求2所述的天气雷达补盲平滑处理方法，其特征在于：所述的平滑处理的计算方法：

S1、根据雷达波长和探测目标特性，确定参数λ，根据公式τ_0.01＝1.71λ×10^-3计算雷达相干积累实时间τ_0.01；

S2、根据雷达相干积累时间τ_0.01确定选择适合的相关积累次数；

S3、若采用宽脉冲进行探测时，在雷达接受的回波数据中，取样体积充塞有盲区内的目标，则延迟宽脉冲回波的接受时刻，要求延迟时刻大于1倍的脉冲宽度，确保宽脉冲后沿完全经过经过盲区，从而避免回波的取样体积充塞有盲区的目标，并同时采用窄脉冲补盲，要求窄脉冲的补盲区域在宽脉冲的盲区范围基础上至少扩大1倍；若采用宽窄脉冲组合进行探测时，在距离组合线的前后分别取3个重合距离单元数据进行加权平滑处理，加权平滑处理后的数据作为最终的回波数据。

4.根据权利要求3所述的天气雷达补盲平滑处理方法，其特征在于：对于步骤S3中，由于脉压的作用，宽脉冲的最小可探测强度dBz_min大于补盲脉宽的最小可探测强度，当盲区范围内，存在两个脉冲最小可探测强度之间的数据，则利用插值法，结合相邻径向及距离库上有效的雷达数据对空值区域进行差值填补，其计算公式为

其中：

R_ij：第i个方位，第j个距离格点的降水信息；

K_az：插值有效方位宽度；

K_bin：插值有效距离库宽度。

5.根据权利要求3所述的天气雷达补盲平滑处理方法，其特征在于：所述的步骤S3中，窄脉冲进行补盲时，采用时分补盲方式；

所述时分补盲是采用脉间交替发射宽窄脉冲组来解决探测盲区，即宽脉冲探测远区回波，窄脉冲对宽脉冲探测盲区进行补盲处理，利用两侧探测数据进行拼接。

6.根据权利要求3所述的天气雷达补盲平滑处理方法，其特征在于：所述的步骤S3中，窄脉冲进行补盲时，采用频分补盲方式，发射不同频率宽窄脉冲来探测盲区；

即脉内发射双频数字波形，先发宽脉冲再发窄脉冲，宽窄脉冲在脉内采用不同的频率，数字接收通道通过不同的数字滤波器进行分离，分离后的窄脉冲回波信号和经数字脉冲压缩处理后的宽脉冲回波信号输出至多普勒信号处理单元进行处理，脉内频分方式实现探测距离补盲。