CN111736155A - 一种采用非均匀分形技术的风廓线雷达脉冲发射编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用非均匀分形技术的风廓线雷达脉冲发射编码方法，属于雷达测量技术领域。本发明的技术方案为，一种采用非均匀分形技术的风廓线雷达脉冲发射编码方法，步骤如下：步骤1：制定风廓线雷达发射不均匀间隔的功率脉冲策略，策略按照以下步骤确定：第一步：采用穷举法来确定低模式下的脉冲发射策略；第二步：采用优化搜索的方法来确定高模式下的脉冲发射策略；第三步：采用模拟退火方法来寻找最佳脉冲发射组合；步骤2：按照步骤1确定的策略发射不均匀间隔的功率脉冲。本发明的有益效果是，可以在保持窄发射带宽的同时提高相位编码雷达测量的距离分辨率。

Description

一种采用非均匀分形技术的风廓线雷达脉冲发射编码方法

技术领域

本发明涉及雷达测量技术领域，特别涉及一种采用非均匀分形技术的风廓线雷达脉冲发射编码方法。

背景技术

风廓线雷达测量大气湍流，获取风速和风向，是一种十分强大的探测工具，在气象预报中有着重要的作用。当多个风廓线雷达组网协同运行时，发挥的作用就更大。我国正在建设风廓线雷达网络。根据1997年世界无线电通信会议的COM5-5号决议和脚注S5.162A和S5.291A，分配给风廓线雷达使用的频段是：46-68 MHz；440-450 MHz；470-494 MHz；904-928 MHz；1270-1295 MHz；1300-1375 MHz。中国气象局确定的风廓线雷达工作频段是1270-1295 MHz和1300-1375 MHz。

一般来说，雷达的工作带宽与距离分辨率成反比，距离分辨率越小，则工作带宽越宽。一部雷达如果距离分辨率为150m，则需要占用的3dB带宽为1MHz。风廓线雷达工作时常用的最小距离分辨率是30m，因此3dB带宽为5MHz。现在对于低空风场探测，更是提出最小分辨率要达到10m，甚至更小，这对于工作在1270-1375 MHz的风廓线雷达来说是将可能占用更宽的带宽，对于46-68 MHz的风廓线雷达来说则是无法接受。一般情况下，50MHz附近的雷达能获得的分配带宽不会超过500Hz，因为已经占用了50MHz频率点附近1%左右的频段。

国际上在发射宽脉冲时提高距离分辨率方面提出了一些方法，主要是使用线性统计来反演估算幅度域中距离和多普勒扩展目标的分析方法，但是对于大气湍流这样的弥散射体目标并不适用。有人采用频域干涉测量（FDI）来提高风廓线雷达的距离分辨率，但这种方法需要散射目标在雷达散射体积内时自身是非常薄的层，难以满足风廓线雷达探测风切变的需求。

本发明提出一种采用非均匀分形技术的风廓线雷达发射编码方法，解决风廓线雷达的高距离分辨率与最小允许脉冲长度之间的矛盾。

发明内容

为克服上述现有技术中的不足，本发明目的在于提供一种采用非均匀分形技术的风廓线雷达脉冲发射编码方法。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供的技术方案是：一种采用非均匀分形技术的风廓线雷达脉冲发射编码方法，其特征在于,步骤如下：

步骤1：制定风廓线雷达发射不均匀间隔的功率脉冲策略，策略按照以下步骤确定：

第一步：采用穷举法来确定低模式下的脉冲发射策略；

第二步：采用优化搜索的方法来确定高模式下的脉冲发射策略；

第三步：采用模拟退火方法来寻找最佳脉冲发射组合；

步骤2：按照步骤1确定的策略发射不均匀间隔的功率脉冲，接收信号

，

为距离和时间相关的目标散射系数，t为采样时间；

处理时，按照以下步骤进行：

第一步，将发射脉冲的功率

归一化为1，

，即保证雷达不同的发射包络的功率一致；

第二步，对于相参目标，对采样数据在距离上积累，达到所需的距离分辨率后，使用与发射包络的频域倒数相对应的滤波器对接收信号进行滤波，滤波后FFT计算，得到大气目标的强度、速度和谱宽；

第三步，对于非相参目标，直接对接收信号进行FFT计算，得到的结果排列成矩阵，再采用线性统计高斯拟合得到大气目标的强度、速度和谱宽。

优选的技术方案为：步骤1中，采用所述穷举法确定低模式策略时，首先确定发射脉冲长度L，然后将发射脉冲划分为长度为l _k 的码元的所有不同方法；之后，遍历所有唯一的码元长度顺序以及相位和幅度的排列，并计算码元长度在不同组合下的方差，方差最小的编码即为发射脉冲编码。

优选的技术方案为：步骤1中，所述模拟退火方法的主要步骤包括：

a.随机选择一组满足给定约束的编码

，其中

为幅度，

是相位，

是幅度；

b.对于一定数量的迭代，以较小的随机变化

逐步尝试改进此编码，此处的δ是一个运算符，是对E进行小增量变化，同时符合施加在编码上的约束；

如果这些更改中的任何一个导致了更好的编码，即计算得到的方差小于前一组的方差，将保存这些参数

并继续进行下一次迭代；为了减少算法陷入局部最小值的机会，可以允许进行不改善编码的更改；为了实现收敛，随着迭代的进行，减小了随机变化量δE的大小。

优选的技术方案为：所述模拟退火方法中的小增量变化有以下4种，包括：

a.分割随机码元，在发射脉冲中选择足够长的码元并将其分成两个码元，保留其中一个码元的原始幅度和相位，然后在另一个码元上稍作随机修改；

b.删除随机码元，删除随机选择的码元长度；

c.更改码元长度，增加一个随机选择的码元长度，并减小另一个随机选择的码元长度，以保持发射脉冲长度；

d.更改随机码元的相位和幅度；选择任意码元，然后稍微改变相位和幅度。

优选的技术方案为：所述方法需确保信号采样率

与所需的目标距离分辨率r满足公式：

式中，c为光速，n为大于0的整数；

发射脉冲由多个码元组成，码元数是

，发射包络的采样样本数为L，确保

。

本发明专利提出一种寻找可用在风廓线雷达上的编码方法，对于最小发射脉宽受限制的风廓线雷达，采用具有不均匀码元长度的发射脉冲，与使用统一均匀码元长度的雷达发射脉冲所获得的结果相比，实现高分辨率（<150m）后向散射估计。

本发明给出距离和多普勒扩展的雷达目标后向散射幅度估计协方差，提出适合风廓线雷达探测目标的发射编码最优性指标，通过使用长度不同的发射脉冲来实现。给出两种可用于找到最佳发射脉冲编码的搜索策略：穷举搜索算法和优化搜索算法。

本发明提出了一种新的风廓线雷达发射脉冲调制方法，以提高目标距离和多普勒估计精度，可以在保持窄发射带宽的同时提高相位编码雷达测量的距离分辨率。

附图说明

图1是本发明的发射信号示意图。

图2是本发明的后向散射简化时间图。

图3是本发明的优化算法的简化框图。

图4是本发明的11位分形编码仿真结果图。

图5是本发明的传统13位巴克码仿真结果图。

具体实施方式

以下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。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1所示。

发射脉冲由多个码元组成，码元数是

。发射包络的采样样本数为L，应保证

，即采样样本数应远大于码元数。

如图2所示。

风廓线雷达发射功率信号ϵt，大气目标的反射信号是ζ(r,t)，图中只画出了两个发射脉冲，每个发射脉冲也只画出了3个码元的反射信号，反射信号被接收机收到，接收信号是mt。

如图3所示。

风廓线雷达高模式工作时发射脉冲长度较长，采用优化搜索的方法来确定发射脉冲策略。

本发明采用的方法是模拟退火方法。所述模拟退火方法的主要原理是，首先随机选择一组满足给定约束的编码

，其中

为幅度，

是相位，

是幅度。接下来，对于一定数量的迭代，以较小的随机变化

逐步尝试改进此编码。此处的δ是一个运算符，是对E进行小增量变化，同时符合施加在编码上的约束。如果这些更改中的任何一个导致了更好的编码，即计算得到的方差小于前一组的方差，将保存这些参数

并继续进行下一次迭代。为了减少算法陷入局部最小值的机会，可以允许进行不改善编码的更改。为了实现收敛，随着迭代的进行，减小了随机变化量δE的大小。

小增量变化有以下4种：

1.分割随机码元。在发射脉冲中选择足够长的码元并将其分成两个码元。保留其中一个码元的原始幅度和相位，然后在另一个码元上稍作随机修改。

2.删除随机码元。删除随机选择的码元长度。

3.更改码元长度。增加一个随机选择的码元长度，并减小另一个随机选择的码元长度，以保持发射脉冲长度。

4.更改随机码元的相位和幅度。选择任意码元，然后稍微改变相位和幅度。

如图4、图5所示。

为了分析在码元分辨率下估计目标时非均匀码元长度编码的性能，使用恒定幅度二进制相位非均匀码元长度编码与传统的均匀码元长度恒定幅度二进制相位编码来比较。在示例中，仿真分析10个采样样本宽的目标。非均匀码元长度编码是优化的11位编码，码元长度为{12,12,12,12,10,13,10,11,11,15,12}，相位为{1, −1,1, -1,1, -1,1, -1,1, -1, -1}，即相位是在180°与-180°之间跳变。允许的最小码元长度为10个采样样本。为了进行比较，使用码元为10个样本的13位巴克码。两种仿真都具有相同的测量噪声SNR = 3dB和相同的目标幅度。

仿真结果如图4和图5所示。很明显，非均匀波特长度码在估计误差方面优于13位巴克码。

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和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 (5)

1.一种采用非均匀分形技术的风廓线雷达脉冲发射编码方法，其特征在于,步骤如下：

步骤1：制定风廓线雷达发射不均匀间隔的功率脉冲策略，策略按照以下步骤确定：

第一步：采用穷举法来确定低模式下的脉冲发射策略；

第二步：采用优化搜索的方法来确定高模式下的脉冲发射策略；

第三步：采用模拟退火方法来寻找最佳脉冲发射组合；

步骤2：按照步骤1确定的策略发射不均匀间隔的功率脉冲，接收信号

，

为距离和时间相关的目标散射系数，t为采样时间；

处理时，按照以下步骤进行：

第一步，将发射脉冲的功率

归一化为1，

，即保证雷达不同的发射包络的功率一致；

第二步，对于相参目标，对采样数据在距离上积累，达到所需的距离分辨率后，使用与发射包络的频域倒数相对应的滤波器对接收信号进行滤波，滤波后FFT计算，得到大气目标的强度、速度和谱宽；

第三步，对于非相参目标，直接对接收信号进行FFT计算，得到的结果排列成矩阵，再采用线性统计高斯拟合得到大气目标的强度、速度和谱宽。

2.根据权利要求1所述的一种采用非均匀分形技术的风廓线雷达脉冲发射编码方法，其特征在于：

步骤1中，采用所述穷举法确定低模式策略时，首先确定发射脉冲长度L，然后将发射脉冲划分为长度为l _k 的码元的所有不同方法；之后，遍历所有唯一的码元长度顺序以及相位和幅度的排列，并计算码元长度在不同组合下的方差，方差最小的编码即为发射脉冲编码。

3.根据权利要求1所述的一种采用非均匀分形技术的风廓线雷达脉冲发射编码方法，其特征在于：

步骤1中，所述模拟退火方法的主要步骤包括：

a.随机选择一组满足给定约束的编码

，其中

为幅度，

是相位，

是幅度；

b.对于数量的迭代，以随机变化

逐步尝试改进此编码，此处的δ是一个运算符，是对E进行的增量变化，同时符合施加在编码上的约束；

如果这些更改中的编码计算得到的方差小于前一组的方差，将保存这些参数

并继续进行下一次迭代；为了减少算法陷入局部最小值的机会，允许进行不改善编码的更改；为了实现收敛，随着迭代的进行，减小了随机变化量δE的大小。

4.根据权利要求3所述的一种采用非均匀分形技术的风廓线雷达脉冲发射编码方法，其特征在于：

所述模拟退火方法中的小增量变化有以下4种，包括：

a.分割随机码元，在发射脉冲中选择长的码元并将其分成两个码元，保留其中一个码元的原始幅度和相位，然后在另一个码元上作随机修改；

b.删除随机码元，删除随机选择的码元长度；

c.更改码元长度，增加一个随机选择的码元长度，并减小另一个随机选择的码元长度，以保持发射脉冲长度；

d.更改随机码元的相位和幅度；选择任意码元，然后改变相位和幅度。

5.根据权利要求1所述的一种采用非均匀分形技术的风廓线雷达脉冲发射编码方法，其特征在于：

所述方法需确保信号采样率

与所需的目标距离分辨率r满足公式：

式中，c为光速，n为大于0的整数；

发射脉冲由多个码元组成，码元数是

，发射包络的采样样本数为L，确保

。

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