CN113655455A - 一种双偏振天气雷达回波信号仿真方法 - Google Patents

一种双偏振天气雷达回波信号仿真方法 Download PDF

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CN113655455A CN202111202795.0A CN202111202795A CN113655455A CN 113655455 A CN113655455 A CN 113655455A CN 202111202795 A CN202111202795 A CN 202111202795A CN 113655455 A CN113655455 A CN 113655455A
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Abstract

本发明涉及雷达仿真技术领域，具体为一种双偏振天气雷达回波信号仿真方法。该仿真方法包括双偏振天气雷达回波信号仿真方法和双偏振雷达体扫模式回波信号仿真方法。其中双偏振天气雷达回波信号仿真方法步骤为：获取双偏振天气雷达水平通道和垂直通道的回波信号功率；进行水平通道和垂直通道回波信号的复频谱建模，建立水平通道和垂直通道回波信号的相位差、强度差、相关性；根据两路正交信号生成时域I/Q回波信号；模拟接收机水平通道和垂直通道回波信号噪声和通道增益。该双偏振天气雷达回波信号仿真方法，建立了双偏振天气雷达系统性能参数与回波信号之间关系，可以仿真雷达性能参数对雷达观测量的影响。

Description

一种双偏振天气雷达回波信号仿真方法
技术领域
本发明涉及雷达仿真技术领域，具体涉及一种双偏振天气雷达回波信号仿真方法。
背景技术
双偏振天气雷达是当前对灾害性天气进行监测、预警应用最广泛、最有效的工具之一。双偏振天气雷达主要优势在于它除了能够获取降雨过程的强度、速度信息外，还可以通过探测获取的极化信息，反演降雨的形态、相态等微物理结构，为降雨的定量测量、灾害性天气的预警提供了丰富的数据基础。
随着气象业务朝精细化、精准性的高速发展，对双偏振天气雷的系统性能、处理算法改进、扫描策略也提出了更高的要求。而现在雷达厂家或雷达业务使用部门，在解决这些问题时，往往需要首先研制雷达设备，再经过长时间观测试验，数据采集和数据分析，才能得到雷达性能提高、扫描策略改进对雷达观测数据的影响。
现有双偏振天气雷达回波仿真，大多数是基于降水回波的物理特性来模拟双偏振天气雷达的谱矩参量和双偏振参量，如根据雨滴大小分布的二维时空随机模型，仿真双偏振天气雷达反射率、差分反射率、差分相位等，目的是利用已知的雨滴分布，来验证双偏振天气雷达偏振参量与实际降雨物理特性之间的关系。该方法只能仿真双偏振天气雷达的偏振参量，不能仿真双偏振天气雷达的回波信号，不能建立与双偏振天气雷达系统参数，体积扫描工作模式之间关系。
现有多普勒天气雷达回波信号仿真方法，建立了基于高斯功率模型的回波信号仿真方法，能够以回波功率、速度和谱宽为基础，仿真单偏振多普勒天气雷达的回波I/Q信号。该方法不能仿真双偏振天气雷达的双通道回波信号，没有建立回波信号与双偏振天气雷达系统参数之间的关系，没有考虑体积扫描中工作模式的不同特点，无法仿真天气雷达体扫过程中各个扫描模式的回波特点。
现有方法，不能应用于双偏振天气雷达的雷达系统性能评估、新算法验证与分析、扫描策略分析等领域。
发明内容
基于上述问题，本发明提供了一种双偏振天气雷达回波信号仿真方法，能够仿真产生含有偏振信息的垂直通道和水平通道的回波信号，以及仿真产生不同工作模式下的双偏振天气天气雷达回波信号。
本发明的技术方案为：
一种双偏振天气雷达回波信号仿真方法，包括双偏振天气雷达回波信号仿真方法和双偏振雷达体扫模式回波信号仿真方法。
其中，双偏振天气雷达回波信号仿真的主要目标是从反射率因子、速度、谱宽、差分反射率、差分相位、相关系数六种参数，通过数学建模和雷达性能参数引入，模拟仿真得到设定雷达性能参数下的双偏振天气雷达水平通道和垂直通道的回波信号。在数学建模中，引入的双偏振天气雷达的雷达参数包括发射峰值功率、雷达波长、脉冲宽度、波束宽度、天线增益、接收支路馈线损耗、发射支路馈线损耗、噪声系数、接收机增益、脉冲重复频率、脉冲积累数等。
双偏振天气雷达回波信号仿真方法包括以下步骤：
S1：获取双偏振天气雷达水平通道和垂直通道的回波信号功率；
S2：进行水平通道和垂直通道回波信号的复频谱建模，建立水平通道和垂直通道回波信号的相位差、强度差、相关性；
S3：根据水平通道的两路正交信号生成水平通道的时域I/Q回波信号，根据垂直通道的两路正交信号生成垂直通道的时域I/Q回波信号；
S4：模拟接收机水平通道和垂直通道回波信号噪声和通道增益。
进一步的，步骤S1中的具体步骤包括：
根据天气雷达水平通道反射率因子、雷达波长、天线增益、水平通道发射峰值功 率、脉冲宽度、波束宽度、大气损耗、除大气损耗外的总损耗、目标距离雷达的距离、降雨衰 减系数、经验常数计算获得所述双偏振天气雷达水平通道回波信号功率，具体计算方式为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为水平通 道的回波信号功率，单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为天气雷达水平通道反射率因子，单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为 雷达波长，单位为cm；G为天线增益，单位为dB；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为雷达水平通道发射峰值功率，单位为 kw；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为脉冲宽度，单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
分别为水平方向波束宽度和垂直方向波束宽度， 单位为°；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为大气损耗，单位为dB/km；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为除
Figure DEST_PATH_IMAGE014
外的总损耗，包括水平通道发射支路 的总馈线损耗和水平通道接收馈线支路的损耗总和，单位为dB；R为目标离雷达的距离，单 位为km，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为在雷达距离r处降雨的衰减系数，降雨衰减系数值由反射率因子计算得 到，公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE016
；a和b为经验常数，对于C波段天气雷达，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，对于X波段天气雷达，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure DEST_PATH_IMAGE020
。
根据天气雷达差分反射率因子、大气损耗、除大气损耗外的总损耗、天气雷达水平 通道反射率因子、雷达波长、天线增益、垂直通道发射峰值功率、脉冲宽度、波束宽度、目标 距离雷达的距离、降雨衰减系数、经验常数计算获得所述双偏振天气雷达垂直通道回波信 号功率，具体计算方式为
Figure DEST_PATH_IMAGE022
， 其中
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为垂直通道的回波信号功率，单位为
Figure DEST_PATH_IMAGE024
；
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为差分反射率因子，单位为ｄB，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
是除
Figure DEST_PATH_IMAGE027
外的垂直通道的总损耗，包括垂直通道发射支路的总馈线损耗和垂直通道接收馈 线支路的损耗总和，单位为ｄB，其它参数参见双偏振天气雷达水平通道回波信号功率的计 算方式。
进一步的，步骤S2中选用高斯普模型作为回波信号的归一化功率谱，建立水平通道和垂直通道回波信号的相位差、强度差、相关性具体步骤包括：
根据频率域的谱宽、速度域的谱宽、多普勒频率、雷达径向速度建立回波信号的功 率谱，计算方式为
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为频率域的谱宽，单位为Hz，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
；W为速度域的谱宽，即雷达基数据中谱宽数据，单位为m/s；
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为多普勒频率 ，单 位为Hz，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
；V为雷达径向速度，即雷达基数据中谱宽数据，单位为m/s；
使用傅里叶变换获得水平通道和垂直通道功率谱随机化噪声，建立水平通道和垂 直通道回波信号的相关性，两者之间的相关性由以下关系式表示
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE035
分别为水平 通道和垂直通道功率谱随机化噪声，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为水平通道零均值的高斯白噪声信号的傅里叶 变换，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
为垂直通道零均值的高斯白噪声信号的傅里叶变换，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
为零滞后相关系 数，即双偏振天气雷达的极化参量数据相关系数；
根据回波信号的功率谱、雷达脉冲积累数、脉冲重复频率、差分传播相位、随机相 位、水平通道功率谱随机化噪声建立水平通道回波信号的复频率模型，水平通道回波信号 的复频谱模型表示方式为
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE041
N为雷达脉冲积累数，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
为脉冲重复频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
为随机相 位，单位弧度；
根据回波信号的功率谱、雷达脉冲积累数、脉冲重复频率、差分传播相位、随机相 位、垂直通道功率谱随机化噪声建立垂直通道回波信号的复频率模型，垂直通道回波信号 的复频率模型表示方式为
Figure DEST_PATH_IMAGE045
，其 中
Figure DEST_PATH_IMAGE046
为差分传播相位，单位为°；
将水平通道回波信号的不同强度和相位代入水平通道回波信号的复频率模型，将垂直通道回波信号的不同强度和相位代入垂直通道回波信号的复频率模型，获得水平通道和垂直通道回波信号的相位差和强度差。
进一步的，步骤S３中，根据水平通道的两路正交信号生成水平通道的时域I/Q回波 信号，表示方式为
Figure DEST_PATH_IMAGE048
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE049
和
Figure DEST_PATH_IMAGE050
分别表示水平通道的两路正交信号，ｎ表示每个雷达径向脉冲的序列号；
根据垂直通道的两路正交信号生成垂直通道的时域I/Q回波信号，表示方式为
Figure DEST_PATH_IMAGE052
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE053
和
Figure DEST_PATH_IMAGE054
分别表示垂直 通道的两路正交信号，ｎ表示每个雷达径向脉冲的序列号。
进一步的，步骤S4中，模拟接收机水平通道和垂直通道回波信号噪声和通道增益包括具体步骤：
使用接收机噪声系数获得接收机噪声等效功率，水平通道接收机噪声等效功率计 算方式为
Figure DEST_PATH_IMAGE055
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE056
为波尔茨曼常数，
Figure DEST_PATH_IMAGE057
为常用室温温度 290K，
Figure DEST_PATH_IMAGE058
为雷达接收机带宽，
Figure DEST_PATH_IMAGE059
为水平通道的接收机噪声系数，垂直通道接收机噪声等效 功率计算方式为
Figure DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure DEST_PATH_IMAGE061
为垂直通道的接收机噪声系数；
使用接收机通道增益来计算接收机通道到数字中频过程中对回波信号的功率增益。
考虑接收机噪声和通道增益的水平通道和垂直通道的时域I/Q回波信号表示方式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE062
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE063
和
Figure DEST_PATH_IMAGE064
分别为 水平通道和垂直通道的接收机通道增益
Figure DEST_PATH_IMAGE065
和
Figure DEST_PATH_IMAGE066
为高斯随机噪声，用来表示水 平通道和垂直通道的接收机噪声；
Figure DEST_PATH_IMAGE067
和
Figure DEST_PATH_IMAGE068
分别为水平通道和垂直通道的接收机噪声功 率值。
通过上述步骤Ｓ１－Ｓ４，实现了一个以反射率因子、速度、谱宽、差分反射率、差分相位、相关系数六种基数据量为输入的双偏振天气雷达I／Q回波信号仿真，同时增加了发射峰值功率、雷达波长、脉冲宽度、波束宽度、天线增益、接收支路馈线损耗、发射支路馈线损耗、噪声系数、接收机增益、脉冲重复频率、脉冲积累数等重要雷达参数的定量化计算方法，使得生成的回波信号，既仿真了天气目标时域和频域特性，又仿真了天气雷达系统的重要性能。
目前新一代多普勒天气雷达业务体扫策略有VCP21,VCP11,VCP31,VCP32四种，广泛采用的是VCP21扫描策略。在四种体扫策略中，一般低仰角采用CS、CD工作模式，中仰角采用批处理模式，高仰角采用CDX模式。此外，部分业务雷达在CD模式下采用了SZ-2相位编码，以减低距离模糊的影响，在批处理模式，采用了双重复频率模式（双PRF）或者参差重复频率模式（参差PRF），以降低速度模糊的影响。以下为双偏振天气雷达体扫策略中不同工作模式的回波信号仿真。
双偏振雷达体扫模式回波信号仿真方法包括连续监测模式、连续多普勒模式、批处理模式、CDX模式、双PRF模式、参差PRF模式、SZ-2相位编码模式下的双偏振天气雷达回波信号仿真方法。
进一步的，（CS）连续监测模式下的双偏振天气雷达回波信号仿真方法包括具体步骤：
根据天气雷达的脉冲重复频率PRF计算雷达最大不模糊速度，计算方式为
Figure DEST_PATH_IMAGE069
；
根据当前需要仿真的真实天气雷达回波速度V计算回波速度模糊后的速度值
Figure DEST_PATH_IMAGE070
， 计算方式为
Figure DEST_PATH_IMAGE071
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE072
为雷达回波速度模糊后的速度值， Ｖ为需要仿真的真实雷达回波速度值；Ｋ为速度模糊次数取值。当V速度值小于
Figure DEST_PATH_IMAGE073
时，Ｋ 取值为0，表示速度不发生折叠，
Figure DEST_PATH_IMAGE074
；当Ｖ速度值为正，大于1倍
Figure DEST_PATH_IMAGE075
，且小于2倍
Figure 392239DEST_PATH_IMAGE075
时， 此时速度为1次折叠，Ｋ为取-1，折叠后的速度值为负速度值；若Ｖ速度值为负，小于1倍
Figure DEST_PATH_IMAGE076
时且大于2倍
Figure 247062DEST_PATH_IMAGE076
时，此时速度为负方向的1次折叠，Ｋ为取1次，折叠后的速度值为 正速度值。实际过程中，重复频率和待仿真速度值得不同，可能出现多次速度重叠，速度折 叠方法类推；
根据回波速度模糊后速度值模拟仿真产生速度模糊的回波信号特征；
按照S1-S4所述的双偏振天气雷达回波信号仿真方法，仿真连续监测模式下的双偏振天气雷达回波信号特征。
进一步的，（CD）连续多普勒模式下的双偏振天气雷达回波信号仿真方法包括具体步骤：
当回波速度很大并且超过最大模糊速度范围时，按照所述连续监测模式下的双偏振天气雷达回波信号仿真方法，进行连续监测模式下的双偏振天气雷达回波信号特征仿真。
根据天气雷达当前工作的脉冲重复周期PRT获得最大不模糊距离。
根据当前需要仿真的回波位置，判断回波信号是否会产生距离折叠，若会产生距 离折叠则计算会产生多少次距离折叠以及距离折叠的位置，回波信号的距离折叠位置的计 算方式为
Figure DEST_PATH_IMAGE077
，其中R为雷达回波信号的实际位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE078
为雷达产生 距离折叠后的位置，K为距离模糊次数取值。当R距离值小于
Figure DEST_PATH_IMAGE079
时，K取值为0，表示距离不 发生折叠，
Figure DEST_PATH_IMAGE080
=R；当R距离大于1倍
Figure DEST_PATH_IMAGE081
且小于两倍
Figure 574270DEST_PATH_IMAGE081
时，此时距离为1次折叠，K取值为1； 当R距离大于2倍
Figure 172741DEST_PATH_IMAGE081
且小于3倍
Figure 455955DEST_PATH_IMAGE081
时，此时距离为2次折叠，K取值为2；以此类推。
使用时域混叠方法模拟回波信号的折叠过程，加入同一方位角度距离位置R1和距 离位置R2，且R2大于
Figure 747259DEST_PATH_IMAGE081
，通过回波信号的距离折叠位置的计算方式折叠后的距离位置
Figure DEST_PATH_IMAGE082
刚好等于R1，则此时雷达收到的回波是距离位置R1和距离位置R2回波信号的叠加，时域信 号叠加计算方式为
Figure DEST_PATH_IMAGE084
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE085
和
Figure DEST_PATH_IMAGE086
分别表示距离位置R1和距离位置R2垂直通道的原始回波信号，这个信号是通 过考虑接收机噪声和通道增益的水平通道的时域I/Q回波信号计算方式、考虑接收机噪声 和通道增益的垂直通道的时域I/Q回波信号计算方式产生的，n和n-1表示当前脉冲与上一 个脉冲的远距离回波距离混叠。
在天气雷达体扫策略中，通常CS模式和CD模式是配合使用，如先进行CS模式下的方位一圈PPI扫描，然后雷达仰角不变，改变雷达脉冲重复频率和雷达积累数参数，雷达又进行方位一圈的PPI扫描。对于回波信号仿真来说，产生CS模式和CD模式回波信号，即按照上述计算过程，基于同一雷达基数据场，分别进行CS模式和CD模式回波信号模拟仿真。
进一步的，批处理模式下的双偏振天气雷达回波信号仿真方法包括具体步骤：
多次重复发射长脉冲重复周期PRT1和短脉冲重复周期PRT2的脉冲（PRT1< PRT2），仿真产生整个批处理模式下的双偏振天气雷达回波信号。从回波信号产生方面来说，即是先产生一个径向的CS模式下回波信号，然后又产生一个径向CD模式回波信号，以此类推，仿真产生整个PPI回波信号。
批处理模式下的回波信号可以如下表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE087
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE088
和
Figure DEST_PATH_IMAGE089
为长脉冲重复周期PRT1和短脉冲重复周期PRT2下的 回波信号序列。因此，批处理模式回波信号的仿真实现可看作是CS模式和CD模式回波信号 排序组合。
进一步的，在CDX模式下，雷达一般工作在高仰角、高重复频率，雷达回波不容易距离模糊，但高空风速较大，容易速度模糊。所以CDX模式可按照CD模式来仿真产生雷达回波信号。
进一步的，雷达工作在双PRF模式时，从脉冲发射方式来说，与批处理模式类似，雷达先发射一组高脉冲重复频率(PRF1)脉冲，然后再发射一组低脉冲重复频率(PRF2)脉冲，并以此重复。与批处理模式不同的是，双PRF模式采用的重复频率要高，且PRF1:PRF2通常是4：3，或3：2等， 然后在信号处理时，双PRF模式与批处理模式在速度计算方法不同。
双PRF模式下的双偏振天气雷达回波信号仿真方法包括具体步骤：
对每一个距离库单元，以4：3或3：2的频率多次重复发射长脉冲重复周期和短脉冲重复周期的脉冲产生回波；
在回波信号序列排序和组合输出时，按照先长脉冲重复周期、后短脉冲重复周期的序列组合顺序输出。
双PRF模式下，距离库单位R的水平通道和垂直通道的回波信号排序组合如下表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE091
；
Figure DEST_PATH_IMAGE093
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE095
表示在距离位置R的水平通道、脉冲重复频率PRF1下第n个回波信号。
其他距离库按照上述流程产生回波，循环所有距离库和所有径向。
进一步的，雷达工作在参差PRF模式时，从脉冲发射方式来说，与批处理模式和双PRF模式稍微不同。参差PRF模式下，雷达是先发射一个高脉冲重复频率(PRF1)脉冲，然后再发射一个低脉冲重复频率(PRF2)脉冲，并以此重复发射N次。参差PRF模式采用的重复频率要高，且PRF1:PRF2通常是4：3，或3：2等， 然后在信号处理时，参差PRF模式与双PRF模式在速度计算方法相同。
参差PRF模式下的双偏振天气雷达回波信号仿真方法包括具体步骤：
对每一个距离库单元，以4：3或3：2的频率多次重复发射长脉冲重复周期和短脉冲重复周期的脉冲产生回波；
在回波信号序列排序和组合输出时，按照先长脉冲重复周期、再短脉冲重复周期、然后长脉冲重复周期、最后短脉冲重复周期的序列组合顺序输出，距离库单位R的水平通道和垂直通道的回波信号排序组合表示如下
Figure DEST_PATH_IMAGE097
Figure DEST_PATH_IMAGE099
其他距离库按照上述流程产生回波，循环所有距离库和所有径向。
进一步的，天气雷达在使用SZ-2相位编码模式进行退距离模糊处理时，同样采用类似CS、CD模式的分离扫描方式；首先，雷达发射长脉冲重复周期的发射脉冲信号，扫描一圈，获得长脉冲重复周期的回波信号，然后发射具有SZ（8/64）相位编码的短脉冲重复周期扫描一圈，获取具有相位编码的回波信号。然后在信号处理时，结合长脉冲重复周期下不容易距离模糊的回波功率和位置，使用SZ-2处理算法恢复距离模糊出的反射率值。
SZ-2相位编码模式下的回波信号仿真主要包含长脉冲重复周期PRT1、无相位编码的回波信号仿真，和短脉冲重复周期PRT2、SZ(8/64)相位编码的回波信号仿真两个算法过程。长脉冲重复周期PRT1、无相位编码的回波信号仿真采用CS模式同样的仿真方法和流程，主要注意速度模糊的仿真处理。
短脉冲重复周期PRT2、SZ(8/64)相位编码的回波信号仿真具体过程如下：
（1）首先按照双偏振天气雷达回波信号仿真方法产生单元距离库的水平和垂直通 道的回波信号序列
Figure DEST_PATH_IMAGE101
和
Figure DEST_PATH_IMAGE103
；
（2）对
Figure DEST_PATH_IMAGE104
和
Figure DEST_PATH_IMAGE105
进行相位调制，调制公式表示如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE107
Figure DEST_PATH_IMAGE109
其中m和M是相位编码参数。天气 雷达常采用SZ(8/64)编码进行调制输出，即m=8,M=64。上述调制公式中的相位以8为周期变 化，8个相位分别为:
Figure DEST_PATH_IMAGE111
Figure DEST_PATH_IMAGE112
（3）然后根据CD模式下距离模糊判断方法和距离折叠位置计算方法，对每个距离库进行距离判断和折叠计算，然后，再对编码后回波序列进行距离模糊混叠处理，处理当时如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE114
Figure DEST_PATH_IMAGE116
（4）然后，其他距离库，按照上述(1)-(2)流程产生回波，然后对回波序列进行排序组合，循环所有距离库和所有径向，即可仿真得到短脉冲重复周期PRT2、SZ(8/64)相位编码的回波信号。
本发明的有益之处在于：
（１）该双偏振天气雷达回波信号仿真方法，建立了双偏振天气雷达含有双偏振信息的水平通道和垂直通道回波I/Q信号的仿真方法，解决了水平通道和垂直通道回波信号之间包含的功率差、相位差、相关性等偏振信息关联问题。可广泛应用于双偏振天气雷达的算法处理评估中。
（２）该双偏振天气雷达回波信号仿真方法，建立了双偏振天气雷达系统性能参数与回波信号之间关系，可以仿真雷达性能参数对雷达观测量的影响。在雷达组件或系统硬件改进之前，可以通过该仿真方法，快速、方便、灵活地评估改进带来的效果，大大地降低了生产和设计成本，提高试验效率。
（３）该双偏振天气雷达回波信号仿真方法，考虑了双偏振天气雷达体积扫描策略中各层工作模式的不同特点，如CS模式下，脉冲重复频率低，容易速度模糊，CD模式下，脉冲重复频率低，容易距离模糊。能够仿真双偏振天气雷达体积扫描中各个工作模式下的回波仿真信号的不同。可广泛应用于双偏振天气雷达的算法处理、扫描测量验证与分析评估中。
附图说明
图1为本发明中双偏振天气雷达回波信号仿真方法流程图。
图2为实施例1中H通道回波信号和V通道回波信号的功率谱表示。
图3为实施例1中H通道回波信号和V通道回波信号的时域表示，（a）为H通道回波信号的时域表示，（b）为V通道回波信号的时域表示。
图4为实施例2中实际天气过程中的反射率因子PPI图。
图5为实施例2中实际天气过程中的速度PPI图。
图6为实施例2中实际天气过程中的谱宽PPI图。
图7为实施例2中实际天气过程中的差分反射率PPI图。
图8为实施例2中实际天气过程中的差分相位PPI图。
图9为实施例2中仿真的反射率因子PPI图。
图10为实施例2中仿真中的速度PPI图。
图11为实施例2中仿真中的谱宽PPI图。
图12为实施例2中仿真的差分反射率PPI图。
图13为实施例2中仿真的差分相位PPI图。
图14为实施例3中实际天气过程的反射率因子PPI图。
图15为实施例3中实际天气过程的速度PPI图。
图16为实施例3中退距离模糊的反射率因子PPI图。
图17为实施例3中退距离模糊的速度PPI图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
所举实施例是为了更好地对本发明进行说明，但并不是本发明的内容仅局限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例为双偏振天气雷达回波信号仿真方法，仿真流程参见图1。为实现单个目标点的双偏振回波信号仿真，其具体步骤为：
（1）读取基数据，读取反射率
Figure DEST_PATH_IMAGE117
、速度
Figure DEST_PATH_IMAGE118
、谱宽
Figure DEST_PATH_IMAGE119
、差分反射率
Figure DEST_PATH_IMAGE120
、差分相位
Figure DEST_PATH_IMAGE121
、相关系数
Figure DEST_PATH_IMAGE122
六种数据，或者自己设置，为本实施例中的公式做数据准备；
（2）根据仿真需要，设置预定的雷达系统参数
Figure DEST_PATH_IMAGE124
等，为本实施例中的公式做数据准备；
（3）将上述参数代入水平通道回波信号功率计算方式和垂直通道回波信号功率计 算方式，得到回波功率
Figure DEST_PATH_IMAGE125
和
Figure DEST_PATH_IMAGE126
，再将
Figure 886729DEST_PATH_IMAGE125
和
Figure DEST_PATH_IMAGE127
代入功率谱计算方式和水平通道回波信号 的复频谱模型计算方式中，得到水平通道和垂直通道的回波复频谱
Figure DEST_PATH_IMAGE128
和
Figure DEST_PATH_IMAGE129
，最后将 所得复频谱，通过考虑接收机噪声和通道增益的水平通道和垂直通道的时域I/Q回波信号 计算方式，即可得到水平通道和垂直通道的回波序列
Figure DEST_PATH_IMAGE130
和
Figure DEST_PATH_IMAGE131
。
以某C波段双偏振天气雷达基数据为例，将该天气雷达的系统参数作为仿真算法 的输入，如发射功率：
Figure DEST_PATH_IMAGE132
；脉冲宽度：
Figure DEST_PATH_IMAGE133
；水平波束宽度：
Figure DEST_PATH_IMAGE134
，垂 直波束宽度：
Figure DEST_PATH_IMAGE135
，脉冲重复频率：
Figure DEST_PATH_IMAGE136
等。然后从其某次实际扫描过程中 读取数据，如反射率因子：
Figure DEST_PATH_IMAGE137
；多普勒速度：
Figure DEST_PATH_IMAGE138
；谱宽：
Figure DEST_PATH_IMAGE139
；差分反射率因子：
Figure DEST_PATH_IMAGE140
；差分相位：
Figure DEST_PATH_IMAGE141
；零滞后相关 系数：
Figure DEST_PATH_IMAGE142
。将以上参数按上述双偏振天气雷达回波仿真算法实施，即可得到所 需的H通道和V通道的回波信号。图2即为H通道回波信号和V通道回波信号的功率谱表示，图 3即为H通道回波信号和V通道回波信号的时域表示，对H通道和V通道的回波信号使用信号 处理算法计算基数据可得反射率因子：
Figure DEST_PATH_IMAGE144
多普勒速度：
Figure DEST_PATH_IMAGE146
；谱宽：
Figure DEST_PATH_IMAGE148
；差分反射率因子：
Figure DEST_PATH_IMAGE150
；差 分相位：
Figure DEST_PATH_IMAGE152
。
实施例2
本实施例为一个仰角所有目标点的双偏振天气雷达回波信号仿真方法。其实际天气过程中的反射率因子PPI图参见图4，实际天气过程中的速度PPI图参见图5，实际天气过程中的谱宽PPI图参见图6，实际天气过程中的差分反射率PPI图参见图7，实际天气过程中的差分相位PPI图参见图8。为实现一个仰角所有目标点的双偏振回波信号仿真，首先对该仰角内的所有目标循环执行实例1的步骤，即可完成一个仰角所有目标点的双偏振回波信号仿真。
以某C波段双偏振天气雷达基数据为例，对该次扫描过程所有目标进行回波仿真并对得到的信号进行使用信号处理算法计算基数据，可得图9-13所示仿真结果的PPI图。仿真中的反射率因子PPI图参见图9，仿真中的速度PPI图参见图10，仿真中的谱宽PPI图参见图11，仿真中的差分反射率PPI图参见图12，仿真中的差分相位PPI图参见图13。
实施例3
本实施例为不同体扫模式下的双偏振雷达回波信号仿真，首先仿真CS模式下的双偏振天气雷达回波信号，其他模式下以此为基础进行仿真。
在CS模式下，取仿真时的脉冲重复频率：
Figure DEST_PATH_IMAGE153
，此时的最大不模糊速度
Figure DEST_PATH_IMAGE154
，其它系统参数与具体实施例（1）中的参数一致。对于实施例（1）中所用 的回波数据，此时的脉冲重复频率：
Figure DEST_PATH_IMAGE155
，此时的最大不模糊速度
Figure DEST_PATH_IMAGE156
。故在CS模式下需对大于
Figure DEST_PATH_IMAGE157
的散射体进行速度模糊仿真。如在 实际天气雷达数据中选择反射率因子：
Figure DEST_PATH_IMAGE158
；多普勒速度：
Figure DEST_PATH_IMAGE159
；谱 宽：
Figure DEST_PATH_IMAGE160
；差分反射率因子：
Figure DEST_PATH_IMAGE161
；差分相位：
Figure DEST_PATH_IMAGE162
；零滞后相 关系数：
Figure DEST_PATH_IMAGE163
。由于此时的速度
Figure DEST_PATH_IMAGE164
，故需对仿真的数据做速度模糊处理。具 体步骤如下：
（1）首先按照水平通道回波信号功率计算方式和垂直通道回波信号功率计算方 式，求回波功率
Figure DEST_PATH_IMAGE165
和
Figure DEST_PATH_IMAGE166
。
（2）根据
Figure DEST_PATH_IMAGE167
大小判断为速度一次模糊，
Figure DEST_PATH_IMAGE168
，然后根据回波速度模糊后 的速度值，计算的模糊后的速度值
Figure DEST_PATH_IMAGE169
。
（3）再将
Figure DEST_PATH_IMAGE170
和
Figure DEST_PATH_IMAGE171
代入功率谱计算方式和水平通道回波信号的复频谱模型计算方 式，得到水平通道和垂直通道的回波复频谱
Figure DEST_PATH_IMAGE172
和
Figure DEST_PATH_IMAGE173
（4）最后将所得复频谱，通过考虑接收机噪声和通道增益的水平通道和垂直通道 的时域I/Q回波信号计算方式，即可得到水平通道和垂直通道的回波序列
Figure DEST_PATH_IMAGE174
和
Figure DEST_PATH_IMAGE175
。
（5）在一个仰角对所有目标执行，循环以上步（1）,（2）,（3）,（4）步骤，即可完成CS模式下的所有目标的回波信号仿真。
在CD模式下，取仿真时的脉冲重复频率：
Figure DEST_PATH_IMAGE176
，此时的最大不模糊距 离
Figure DEST_PATH_IMAGE177
。 此时若选择探测距离大于Rmax的数据，则会发生距离模糊，因此需对仿 真数据做距离模糊处理。具体步骤如下：
（1）首先按照CS模式计算方式，得到水平通道回波信号和垂直通道回波信号，
Figure DEST_PATH_IMAGE178
和
Figure DEST_PATH_IMAGE179
。
（2）根据
Figure DEST_PATH_IMAGE180
与
Figure DEST_PATH_IMAGE181
大小判断判断回波信号是否会产生距离折叠，若会产生距离折 叠，根据回波信号距离折叠位置的计算公式，得到发生折叠的位置R1和R2。
（3）根据距离叠加位置，按照时域信号叠加计算方式，得到叠加后的回波信号
Figure DEST_PATH_IMAGE182
和
Figure DEST_PATH_IMAGE183
。
（4）在一个仰角对所有目标执行，循环以上步（1）,（2）,（3）步骤，即可完成CD模式下的所有目标的回波信号仿真。
从某C波段天气雷达实际扫描中读取数据，分别进行CS模式和CD模式下的回波信号仿真，并对仿真结果做退距离模糊处理。本实施例中的实际天气过程的反射率因子PPI图参见图14，实际天气过程的速度PPI图参见图15，退距离模糊的反射率因子PPI图参见图16，退距离模糊的速度PPI图参见图17。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种双偏振天气雷达回波信号仿真方法，其特征在于，该方法包括双偏振天气雷达回波信号仿真方法和双偏振雷达体扫模式回波信号仿真方法，其中，所述双偏振天气雷达回波信号仿真方法包括以下步骤：
S1：获取双偏振天气雷达水平通道和垂直通道的回波信号功率；
S2：进行水平通道和垂直通道回波信号的复频谱建模，建立水平通道和垂直通道回波信号的相位差、强度差、相关性；
S3：根据水平通道的两路正交信号生成水平通道的时域I/Q回波信号，根据垂直通道的两路正交信号生成垂直通道的时域I/Q回波信号；
S4：模拟接收机水平通道和垂直通道回波信号噪声和通道增益。
2.根据权利要求1所述的双偏振天气雷达回波信号仿真方法，其特征在于，步骤S1中的具体步骤包括：
根据天气雷达水平通道反射率因子、雷达波长、天线增益、水平通道发射峰值功率、脉冲宽度、波束宽度、大气损耗、除大气损耗外的总损耗、目标距离雷达的距离、降雨衰减系数、经验常数计算获得所述双偏振天气雷达水平通道回波信号功率；
根据天气雷达差分反射率因子、大气损耗、除大气损耗外的总损耗、天气雷达水平通道反射率因子、雷达波长、天线增益、垂直通道发射峰值功率、脉冲宽度、波束宽度、目标距离雷达的距离、降雨衰减系数、经验常数计算获得所述双偏振天气雷达垂直通道回波信号功率。
3.根据权利要求1所述的双偏振天气雷达回波信号仿真方法，其特征在于，步骤S2中选用高斯普模型作为回波信号的归一化功率谱，建立水平通道和垂直通道回波信号的相位差、强度差、相关性具体步骤包括：
根据频率域的谱宽、速度域的谱宽、多普勒频率、雷达径向速度建立回波信号的功率谱；
使用傅里叶变换获得水平通道和垂直通道功率谱随机化噪声，建立水平通道和垂直通道回波信号的相关性；
根据回波信号的功率谱、雷达脉冲积累数、脉冲重复频率、差分传播相位、随机相位、水平通道功率谱随机化噪声建立水平通道回波信号的复频率模型；
根据回波信号的功率谱、雷达脉冲积累数、脉冲重复频率、差分传播相位、随机相位、垂直通道功率谱随机化噪声建立垂直通道回波信号的复频率模型；
将水平通道回波信号的不同强度和相位代入水平通道回波信号的复频率模型，将垂直通道回波信号的不同强度和相位代入垂直通道回波信号的复频率模型，获得水平通道和垂直通道回波信号的相位差和强度差。
4.根据权利要求1所述的双偏振天气雷达回波信号仿真方法，其特征在于，步骤S4中，模拟接收机水平通道和垂直通道回波信号噪声和通道增益包括具体步骤：
使用接收机噪声系数获得接收机噪声等效功率；
使用接收机通道增益来计算接收机通道到数字中频过程中对回波信号的功率增益。
5.根据权利要求1所述的双偏振天气雷达回波信号仿真方法，其特征在于：所述双偏振雷达体扫模式回波信号仿真方法包括连续监测模式、连续多普勒模式、批处理模式、CDX模式、双PRF模式、参差PRF模式、SZ-2相位编码模式下的双偏振天气雷达回波信号仿真方法。
6.根据权利要求5所述的双偏振天气雷达回波信号仿真方法，其特征在于，所述连续监测模式下的双偏振天气雷达回波信号仿真方法包括具体步骤：
根据天气雷达的脉冲重复频率PRF计算雷达最大不模糊速度；
根据当前需要仿真的真实天气雷达回波速度计算回波速度模糊后的速度值；
根据回波速度模糊后速度值模拟仿真产生速度模糊的回波信号特征；
按照S1-S4所述的双偏振天气雷达回波信号仿真方法，仿真连续监测模式下的双偏振天气雷达回波信号特征。
7.根据权利要求5所述的双偏振天气雷达回波信号仿真方法，其特征在于，所述连续多普勒模式下的双偏振天气雷达回波信号仿真方法包括具体步骤：
当回波速度很大并且超过最大模糊速度范围时，按照所述连续监测模式下的双偏振天气雷达回波信号仿真方法，进行连续监测模式下的双偏振天气雷达回波信号特征仿真；
根据天气雷达当前工作的脉冲重复周期PRT获得最大不模糊距离；
根据当前需要仿真的回波位置，判断回波是否会产生距离折叠，若会产生距离折叠则计算会产生多少次距离折叠以及距离折叠的位置；
使用时域混叠方法模拟回波信号的折叠过程。
8.根据权利要求5所述的双偏振天气雷达回波信号仿真方法，其特征在于，所述批处理模式下的双偏振天气雷达回波信号仿真方法包括具体步骤：
多次重复发射长脉冲重复周期和短脉冲重复周期的脉冲，仿真产生整个批处理模式下的双偏振天气雷达回波信号。
9.根据权利要求5所述的双偏振天气雷达回波信号仿真方法，其特征在于，所述双PRF模式下的双偏振天气雷达回波信号仿真方法包括具体步骤：
（a）对每一个距离库单元，以4：3或3：2的频率多次重复发射长脉冲重复周期和短脉冲重复周期的脉冲产生回波；
（b）在回波信号序列排序和组合输出时，按照先长脉冲重复周期、后短脉冲重复周期的序列组合顺序输出；
其他距离库按照步骤（a）、（b）产生回波，循环所有距离库和所有径向。
10.根据权利要求5所述的双偏振天气雷达回波信号仿真方法，其特征在于，所述SZ-2相位编码模式下的双偏振天气雷达回波信号仿真方法包括具体步骤：
天气雷达发射长脉冲重复周期的发射脉冲信号，扫描一圈，获得长脉冲重复周期的回波信号；
发射具有SZ相位编码的短脉冲重复周期扫描一圈，获取具有相位编码的回波信号；
在信号处理时，结合长脉冲重复周期下不容易距离模糊的回波功率和位置，使用SZ-2处理算法恢复距离模糊出的反射率值。
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