CN112379342B - 一种星载测云雷达回波模拟及回波特征参数精度估算方法 - Google Patents

Abstract

一种星载测云雷达回波模拟及回波特征参数精度估算方法，根据测云雷达的实际观测数据，结合星载平台观测以及云目标分布和噪声特点，经过距离库加权、天线加权和速度参量修正等得到含噪声的星载测云雷达回波模拟数据，满足不同星载条件下云目标回波特征参数估计精度评估的要求。本发明更贴近实际系统工作情况，可以更为准确的考虑目标分布、卫星运动等对星载平台气象目标特征参数估计精度的评估，达到对星载平台云目标回波特征参数提取的目的。

Description

一种星载测云雷达回波模拟及回波特征参数精度估算方法

技术领域

本发明涉及主动微波大气探测领域，尤其涉及一种星载测云雷达回波模拟及回波特征参数精度估算方法。

背景技术

云是地气系统(水循环、调节地球能量辐射收支)的重要组成部分，是影响天气、气候变化的重要因素，是当前天气预报和气候变化的最大不确定性来源。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次报告指出，在总辐射强迫的组成要素中，云辐射强迫的不确定性最大，是气候变化的最大不确定性来源。当前对星载测云雷达在探测灵敏度有提升空间，在高精度速度测量方面有较大的应用需求。

由于星载平台运动速度极快以及系统工作频段较高而造成云目标回波速度谱宽较大，对于系统参数设计以及云目标特征参数估计都提出了较高的要求。星载平台测云雷达载荷研制通常费用较高，而不能像地面或者机载测云雷达研制多款不同类型雷达产品并开展多次验证试验。因此，回波仿真分析的需求较为迫切。R.J.Doviak、唐顺仙以及张玲玲等多个研究团队对气象回波特征进行描述，功率谱符合高斯分布、复信号采样电压相位符合均匀分布、幅度符合指数分布等，并基于拟逆傅里叶变换(IFFT)技术产生复电压采样信号。当前气象雷达领域建立了脉冲多普勒体制的回波谱特征模型，基于大部分回波服从高斯模型产生同相和正交采样数据，这为气象回波模拟奠定了基础，但是鲜有基于实际地基或者机载观测数据构建星载状态回波模型以及相应回波特征参数精度估算的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种星载测云雷达回波模拟及回波特征参数精度估算方法，将实际测云雷达观测的数据结合星载平台转换至星载观测模式下的数据并对星载观测模式下的观测精度进行评估，更贴近实际系统工作情况，可以更为准确的考虑目标分布、卫星运动等对星载平台气象目标特征参数估计精度的评估，达到对星载平台云目标回波特征参数提取的目的。

为了达到上述目的，本发明提供一种星载测云雷达回波模拟及回波特征参数精度估算方法，包含以下步骤：

步骤S1、对测云雷达的实际观测数据进行空间分布转换和特征参数表示；

步骤S2、进行速度参量修正；

步骤S3、进行复数电压信号采样及距离加权系数修正得到含噪声的星载测云雷达回波模拟数据；

步骤S4、进行星载条件下云目标回波特征参数估计。

所述的步骤S1包含以下步骤：

离散化的(x,z)位置对应的实际观测功率谱S_o(x,z)如下式表示：

式中，Z_o(x,z)是实际雷达观测的雷达反射率因子在星载状态下的距离空间分布，σ_o(x,z)为实际观测的速度方差，V_o(x,z)为多普勒速度变量，μ_o(x,z)为平均多普勒速度，下标“o”表示观测，x的方向为卫星飞行方向，模值为水平距离，z的方向为卫星星下点照射方向，模值为垂直距离；

对离散化的实际观测功率谱S_o(x,z)进行飞行方向天线方向图加权，即获得星载状态天线方向图加权后的功率谱S_ox(x,z)，表示为：

S_ox(x,z)＝S_o(x,z)×f⁴(x)   (2)

式中，f⁴(x)为天线方向图加权函数，f²(x)用高斯分布表示，f²(x)最大值在中心位置，当幅值下降至中心最大值一半范围对应天线3dB波束宽度，天线方向图加权函数用f⁴(x)表示。

所述的步骤S2包含以下步骤：

星载状态下波束足迹内对应的功率谱中平均多普勒速度修订为μ_ox(x,z)，如下式表示：

式中，μ_ox(x,z)为修订后的平均多普勒速度，H_sat为卫星平台飞行高度，V_sat为卫星平台飞行速度；

经过天线加权系数和速度参量修正，星载测云雷达功率谱S_s(x,z)表示为：

含噪声的星载测云雷达功率谱S_S+N(x,z)表示为：

所述的步骤S3包含以下步骤：

利用IFFT变换将功率谱信号转换至I/Q电信号，产生I/Q时间序列，在转换过程中对含噪声功率谱进行随机化处理，即S_S+N(x,z)×ln(k)，ln为自然对数，k为0～1之间均匀分布的随机数；

复电压采样信号表示为：

V_IQ＝F^-1[S_S+N(x,z)×ln(k)]  (6)

对采样获得的I/Q复电压信号在距离库上进行距离加权，在距离脉冲发射、高斯滤波情况下，用响应曲线进行加权，以获得合理的回波。

所述的步骤S4包含以下步骤：

利用脉冲对处理方式，对信号的0和1阶自相关函数进行处理，估计回波的雷达反射因子Z_e(x,z)和平均速度μ_e(x,z)，分别表示为：

式中，Npulse为采样脉冲个数，T_s为采样时间间隔，V_Nyq为宁奎斯特采样速度；

根据实际回波的雷达反射因子Z_o(x,z)和平均速度μ_o(x,z)，以及估计回波的雷达反射因子Z_e(x,z)和平均速度μ_e(x,z)求得对应的雷达反射率因子方差和平均速度方差，来估算回波特征参数精度。

本发明产生了以下有益效果：

1、现有的气象雷达目标回波模拟，主要利用气象目标随机分布的特性，构建添加高斯白噪声的回波功率谱，并利用逆傅里叶变换(IFFT)产生单一距离库的气象回波。而本发明考虑了星载平台的雷达工作情况，回波模型除了上述过程，充分利用了实际测云雷达观测的数据所包含的空气运动、湍流等过程的真实信息，而且还增加了雷达工作过程天线方向图加权和系统响应的距离加权，更贴近实际系统工作情况。

2、现有的气象雷达目标回波模拟，功率谱仅考虑高斯速度谱宽，目标速度特征仅考虑平均速度和速度谱宽两个参量。而本发明考虑了卫星平台运动引起的多普勒速度耦合，可以更为准确的考虑目标分布、卫星运动等对星载平台气象目标特征参数估计精度的评估。

3、现有的气象雷达目标回波模拟，通常以产生合适的同一距离门内的正交分量信号(I/Q信号)为目的，而缺少应用场景的适应性。而本发明考虑了星载平台信号快速去相关特性以及谱域信号操作的灵活性，采用基于功率谱的回波模拟和脉冲对(PP)气象目标特征参数估计相结合的方式，达到对星载平台云目标回波特征参数提取的目的。

附图说明

图1是本发明提供的一种星载测云雷达回波模拟及回波特征参数精度估算方法的流程图。

图2是高斯分布的方向图加权曲线示意图。

图3是卫星平台运动引起的波束足迹内速度分布示意图。

图4是波束照射方向高斯型滤波器距离加权函数示意图。

具体实施方式

以下根据图1～图4，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种星载测云雷达回波模拟及回波特征参数精度估算方法，包含以下步骤：

步骤S1、对测云雷达的实际观测数据进行空间分布转换和特征参数表示；

步骤S2、进行速度参量修正；

步骤S3、进行复数电压信号采样及距离加权系数修正得到含噪声的星载测云雷达回波模拟数据；

步骤S4、进行星载条件下云目标回波特征参数估计。

所述的步骤S1包含以下步骤：

将辅助数据(地理坐标、时间、云运动速度等)和雷达观测数据(空间分布的雷达反射率因子Z_o(x,z)和速度信息Z_o(x,z))转换为沿轨飞行数据(空间网格(x，z))，在星载测云雷达采样空间添加Z_o(x,z)和V_o(x,z)，其中，Z_o(x,z)表示实际雷达观测的雷达反射率因子在星载状态下的距离空间分布，下标“o”表示观测，(x，y，z)形成以卫星为原点的坐标系，x是一个向量，方向为卫星飞行方向，模值为水平距离，y是交轨向，z是一个向量，方向为卫星星下点照射方向，模值为垂直距离，V_o(x,z)表示实际雷达观测的多普勒速度。

如果观测数据来自与地基天顶观测雷达，则数据包含为水平风场的信息，实际观测数据的时空分辨率分别为1s和30m，水平风速为25m/s，星载地面波束足迹在沿轨向的值为1km，星下点值为480m，则地面40s和天顶方向16个分辨单元等效为星下点一个分辨单元，以此来进行空间网格划分和匹配，并将数据转移值星载观测条件的粗网格中，网格匹配过程中，对星载观测下的粗网格进行方位向天线方向图系数加权。

离散化的(x,z)位置对应的实际观测功率谱S_o(x,z)如下式表示：

式中，Z_o(x,z)是实际雷达观测的雷达反射率因子在星载状态下的距离空间分布，σ_o(x,z)为实际观测的速度方差，V_o(x,z)为多普勒速度变量，μ_o(x,z)为平均多普勒速度。

考虑星载测云雷达天线方向图，并对离散化的实际观测功率谱S_o(x,z)进行飞行方向天线方向图加权，即可获得星载状态天线方向图加权后的功率谱S_ox(x,z)，表示为：

S_ox(x,z)＝S_o(x,z)×f⁴(x)   (2)

式中，f⁴(x)为天线方向图加权函数，如图2所示，f²(x)可以用高斯分布表示，f²(x)最大值在中心位置，当幅值下降至中心最大值一半范围对应天线3dB波束宽度，考虑到实际雷达观测为双程收发过程，天线方向图加权函数用f⁴(x)表示。

如图3所示，V_sat为卫星平台飞行速度，-V_max为卫星平台远离过程造成的最大多普勒速度，+V_max为卫星平台靠近过程造成的最大多普勒速度，主要考虑卫星平台飞行过程造成的波束内雷达视线变化带来的多普勒速度耦合，对星载测云雷达速度参量μ_o(x,z)进行修正。

所述的步骤S2包含以下步骤：

星载状态下波束足迹内对应的功率谱中平均多普勒速度修订为μ_ox(x,z)，如下式表示：

式中，H_sat为卫星平台飞行高度，μ_ox(x,z)为修订后的平均多普勒速度。

经过天线加权系数和速度参量修正，星载测云雷达功率谱S_s(x,z)表示为：

真实回波包含观测过程引入的噪声，假定引入的噪声为高斯白噪声功率谱用S_N表示，则含噪声的星载测云雷达功率谱S_S+N(x,z)表示为：

所述的步骤S3包含以下步骤：

考虑到气象回波为随机信号，利用IFFT变换将功率谱信号转换至I/Q电信号，产生I/Q时间序列，在转换过程中对含噪声功率谱进行随机化处理，即S_S+N(x,z)×ln(k)，ln为自然对数，k为0～1之间均匀分布的随机数。

复电压采样信号表示为：

V_IQ＝F^-1[S_S+N(x,z)×ln(k)]   (6)

对采样获得的I/Q复电压信号在距离库上进行距离加权，在矩形脉冲发射、高斯滤波情况下，可以用图4所示的响应曲线(横坐标是时间，纵坐标是距离)进行加权，以获得合理的回波。

所述的步骤S4包含以下步骤：

利用脉冲对处理方式，对信号的0和1阶自相关函数进行处理，估计回波的雷达反射因子Z_e(x,z)和平均速度μ_e(x,z)，分别表示为：

式中，Npulse为采样脉冲个数，T_s为采样时间间隔，V_Nyq为宁奎斯特采样速度。

最后，根据测量得到的实际回波的雷达反射因子Z_o(x,z)和平均速度μ_o(x,z)，以及估计回波的雷达反射因子Z_e(x,z)和平均速度μ_e(x,z)求得对应的雷达反射率因子方差和平均速度方差，来估算回波特征参数精度。

本发明提出一种基于实际测云雷达观测数据模拟星载平台测云雷达回波的方法，能够用于评估星载状态回波参数提取算法开发以及雷达反射率因子、速度和速度谱宽等参数估计精度。本发明主要采用实际测云雷达观测的有效数据包含云目标的雷达反射率因子、速度和速度谱宽真实数据，考虑星载平台运动引入的多普勒速度的偏移以及速度谱宽的扩展，星载平台大波束足迹和较大的距离库长，结合云目标分布特性和噪声特性，构建星载平台下测云雷达回波模型，并设定不同的信噪比和系统工作参数(发射功率、脉冲重复频率、系统工作频率等)来验证云目标特征参数估计的精度。

本发明产生了以下有益效果：

1、现有的气象雷达目标回波模拟，主要利用气象目标随机分布的特性，构建添加高斯白噪声的回波功率谱，并利用逆傅里叶变换(IFFT)产生单一距离库的气象回波。而本发明考虑了星载平台的雷达工作情况，回波模型除了上述过程，充分利用了实际测云雷达观测的数据所包含的空气运动、湍流等过程的真实信息，而且还增加了雷达工作过程天线方向图加权和系统响应的距离加权，更贴近实际系统工作情况。

2、现有的气象雷达目标回波模拟，功率谱仅考虑高斯速度谱宽，目标速度特征仅考虑平均速度和速度谱宽两个参量。而本发明考虑了卫星平台运动引起的多普勒速度耦合，可以更为准确的考虑目标分布、卫星运动等对星载平台气象目标特征参数估计精度的评估。

3、现有的气象雷达目标回波模拟，通常以产生合适的同一距离门内的正交分量信号(I/Q信号)为目的，而缺少应用场景的适应性。而本发明考虑了星载平台信号快速去相关特性以及谱域信号操作的灵活性，采用基于功率谱的回波模拟和脉冲对(PP)气象目标特征参数估计相结合的方式，达到对星载平台云目标回波特征参数提取的目的。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (3)

1.一种星载测云雷达回波模拟及回波特征参数精度估算方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤S1、对测云雷达的实际观测数据进行空间分布转换和特征参数表示；

步骤S2、进行速度参量修正；

步骤S3、进行复数电压信号采样及距离加权系数修正得到含噪声的星载测云雷达回波模拟数据；

步骤S4、进行星载条件下云目标回波特征参数估计；

所述的步骤S1包含以下步骤：

离散化的(x,z)位置对应的实际观测功率谱S_o(x,z)如下式表示：

式中，Z_o(x,z)是实际雷达观测的雷达反射率因子在星载状态下的距离空间分布，σ_o(x,z)为实际观测的速度方差，V_o(x,z)为多普勒速度变量，μ_o(x,z)为平均多普勒速度，下标“o”表示观测，x的方向为卫星飞行方向，模值为水平距离，z的方向为卫星星下点照射方向，模值为垂直距离；

对离散化的实际观测功率谱S_o(x,z)进行飞行方向天线方向图加权，即获得星载状态天线方向图加权后的功率谱S_ox(x,z)，表示为：

S_ox(x,z)＝S_o(x,z)×f⁴(x)   (2)

式中，f⁴(x)为天线方向图加权函数，f²(x)用高斯分布表示，f²(x)最大值在中心位置，当幅值下降至中心最大值一半范围对应天线3dB波束宽度，天线方向图加权函数用f⁴(x)表示；

所述的步骤S2包含以下步骤：

星载状态下波束足迹内对应的功率谱中平均多普勒速度修订为μ_ox(x,z)，如下式表示：

式中，μ_ox(x,z)为修订后的平均多普勒速度，H_sat为卫星平台飞行高度，V_sat为卫星平台飞行速度；

经过天线加权系数和速度参量修正，星载测云雷达功率谱S_s(x,z)表示为：

含噪声的星载测云雷达功率谱S_S+N(x,z)表示为：

2.如权利要求1所述的星载测云雷达回波模拟及回波特征参数精度估算方法，其特征在于，所述的步骤S3包含以下步骤：

利用IFFT变换将功率谱信号转换至I/Q电信号，产生I/Q时间序列，在转换过程中对含噪声功率谱进行随机化处理，即S_S+N(x,z)×ln(k)，ln为自然对数，k为0～1之间均匀分布的随机数；

复电压采样信号表示为：

V_IQ＝F^-1[S_S+N(x,z)×ln(k)]    (6)

对采样获得的I/Q复电压信号在距离库上进行距离加权，在距离脉冲发射、高斯滤波情况下，用响应曲线进行加权，以获得合理的回波。

3.如权利要求2所述的星载测云雷达回波模拟及回波特征参数精度估算方法，其特征在于，所述的步骤S4包含以下步骤：

利用脉冲对处理方式，对信号的0和1阶自相关函数进行处理，估计回波的雷达反射因子Z_e(x,z)和平均速度μ_e(x,z)，分别表示为：

式中，Npulse为采样脉冲个数，T_s为采样时间间隔，V_Nyq为宁奎斯特采样速度；

根据实际回波的雷达反射因子Z_o(x,z)和平均速度μ_o(x,z)，以及估计回波的雷达反射因子Z_e(x,z)和平均速度μ_e(x,z)求得对应的雷达反射率因子方差和平均速度方差，来估算回波特征参数精度。

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