CN116299479A - 一种适合相控阵天气雷达自适应扫描的结构 - Google Patents

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Abstract

一种适合相控阵天气雷达自适应扫描的结构，在雷达中增加背向天线、控制模块、信号处理模块、分析模块，背向天线产生独立于主阵面的背向波束，控制模块根据背向波束作为导前或滞后的工作模式设置工作参数，信号处理模块由背向波束的数据样本计算反射率强度和径向速度，分析模块根据反射率强度和径向速度调整主波束的探测参数，实现自适应扫描；背向波束作为导前波束时，通过处理其回波，确定主波束的脉冲宽度、脉冲重复时间、FFT点数、接收波束数量；该波束作为滞后波束时，通过处理其回波，选择数据质量控制的方式，将雷达扫描的有限资源集中于感兴趣的区域。

Description

一种适合相控阵天气雷达自适应扫描的结构
技术领域
本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种天线结构改造技术。
背景技术
相控阵天气雷达的波束扫描时间快，能量调度自由灵活，监视测量效率高。获取强灾害天气的精细化三维结构，及其随时间演变的精细化过程，监测和预警强灾害天气，成为下一代天气雷达发展的主流方向。
论文《相扫天气雷达扫描方式研究》介绍了一种相控阵天气雷达的扫描方式，专利《机载二维有源相控阵气象雷达波束扫描及处理方法》给出了一种相控阵气象雷达的波束扫描方法。现有技术表明，无论是地基还是机载相控阵天气雷达，都延续了新一代天气雷达的扫描模式。连续无差别的扫描指定空域，未预判气象探测目标，无法自适应的改变雷达工作参数。扫描完成后，由后端处理软件识别气象目标特征，难以发挥相控阵天气雷达的优势。
相控阵天气雷达采用数字波束形成Digital Beamforming（简称DBF），实现多波束复用beam multiplexing（简称BMX）。雷达波束具有很大的波束指向灵活性和波束驻留灵活性，采用单个脉冲重复时间（简称PRT）定义的波束，其驻留时间由PRT（单位Ts）和样本数量（单位M）的乘积确定。相控阵天气雷达的BMX出现多个PRT波束，驻留时间是每个PRT对应的所有M和Ts乘积的和。此时的波束驻留灵活性，是指雷达可以动态实时的重新确定扫描波束位置的M和Ts。相控阵天气雷达利用这种能力，减少波束在没有兴趣目标地区的驻留时间。设计相控阵天气雷达的扫描模式，应该发挥此特点，实现机械扫描雷达不具备的自适应扫描。
发明内容
雷达存在多普勒两难的情况，即当雷达提高多普勒速度测量范围时，雷达的无模糊探测距离就会减小；而当雷达提高无模糊探测距离时，多普勒速度的测量范围就会变小。本发明为了解决现有技术存在的这个问题，提出了一种适合相控阵天气雷达自适应扫描的结构，在相控阵天气雷达增加背向波束。
在雷达中增加背向天线、控制模块、信号处理模块、分析模块，背向天线产生独立于主阵面的背向波束，控制模块由背向波束作为导前或滞后的工作模式设置工作参数，信号处理模块由背向波束的数据样本计算反射率强度和径向速度，分析模块根据反射率强度和径向速度调整主波束的探测参数，实现自适应扫描。
背向波束作为导前波束时，通过处理其回波，确定主波束的脉冲宽度、脉冲重复时间、FFT点数、接收波束数量。该波束作为滞后波束时，通过处理其回波，选择数据质量控制的方式，将雷达扫描的有限资源集中于兴趣区域。
本发明在数据质量（估计值的方差）、空间采样（波束位置的数量和指向）和时间分辨率三个性能指标之间进行权衡，通过不同指向角度和驻留的波束交错，提高相控阵天气雷达的波束灵活性。为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。
背向天线包括数字TR组件和数根裂缝波导，背向天线的裂缝波导之间的间隔与主天线的裂缝波导之间的间隔相同，安装于阵列天线骨架背面，覆盖空域的角度可调，数字TR组件用于发射背向波束和接收回波并放大、下变频和数字化处理，每根裂缝波导由数字TR组件的一个收发通道驱动，每个通道的输入、输出端口连接主天线阵面的DBF单元，由DBF处理单元产生背向波束。
进一步的，设θ是波束指向角度，E(sinθ)是角度为θ时的方向图，N是裂缝波导数量，w(n)是第n根裂缝波导的加权值，j是虚部运算，令θ0=(N-1)∆θ/2，用公式
Figure SMS_1
和/>
Figure SMS_2
将DBF模块收到的两路复信号相加，合成背向波束。
工作模式为导前时，工作参数设置为1，将背向波束作为导前波束，先于主波束扫描目标，驻留时间短于主波束，为主波束扫描提供兴趣区域的监视信息；工作模式为滞后时，工作参数设置为0，将背向波束作为滞后波束，后于主波束扫描目标，驻留时间长于主波束，为主波束扫描提供冗余信息。
由导前波束提供的监视信息，计算风暴的最大距离，调整主波束扫描的波束位置和驻留时间以观测天气回波，减少PRT，增加采样数，选择杂波滤波器以降低估计方差，匹配最大距离，最大限度的利用雷达资源，提高径向速度和频谱宽度的估计效率，提升算法性能。
进一步的，滞后波束用大奈奎斯特速度多普勒扫描目标，缓解速度模糊，获取目标最大速度。
进一步的，在任一波束产生笔形波束或者赋形波束，设计单一驻留时间，或令背向波束在导前波束和滞后波束之间交替变化，设计可变驻留时间。
设背向波束的数据样本的实部、虚部分别为I和Q，R1是背向波束接收信号的1阶相关，Tr是发射脉冲的时间周期，Im是虚部运算，Re是实部运算，λ是波长，用公式Z=|I+jQ|2计算反射率强度Z，用公式V=λ*arctg{Im[R1]/Re[R1]}/4πTr计算径向速度V。
本发明将背向波束作为导前波束处理，突破相控阵天气雷达处理的核心技术，减小强度、速度及双偏振参量的测量方差，合理设计主波束的最大探测距离，增加脉冲积累数，提升对气象目标的数据处理质量，实现气象体目标的精细化探测和处理。将背向波束作为滞后波束处理，降低速度模糊现象，提升探测数据质量，提高装备对中小尺度危险天气的监测和预警能力，提升雷达的探测效果。
实施方式
以下结合详细的工作参数设置，对本发明的技术方案做具体的说明。
向雷达控制模块预置导前和滞后扫描方式的工作参数，如下表所示。
Figure SMS_3
处于导前扫描方式时，将预置的导前工作参数发送到数字TR组件、DBF单元、信号处理模块和数据分析模块。
天线旋转一圈，发射导前背向波束，遇目标返回，接收回波信号，经数字TR组件、DBF单元、信号处理模块和数据分析模块，完成监视扫描，记录目标的最大距离。雷达控制模块调整主波束的工作参数，实现精细化观测。
背向波束发现70°至120°范围存在最大100km以内的目标时，自适应调整主波束在70°至120°范围内的工作参数，如下表所示。
Figure SMS_4
PRF从2400Hz调整为1400Hz，发射脉宽从80us调整至120us，处理点数从64点调整为128点，驻留时间从26.7ms调整为91ms，其它方位角度按原参数工作。
处于滞后扫描方式时，天线旋转一圈，发射滞后波束，回波信号经数字TR组件、DBF单元、信号处理模块和数据分析模块，完成大奈奎斯特速度多普勒扫描，记录目标的最大速度，修正主波束的探测结果。
背向波束发现方位20°至80°范围存在最大速度28m/s的目标，如下表所示。
Figure SMS_5
将主波束在方位20°至80°范围的处理算法从单PRF改为DPRF，实现最大38.4m/s的径向速度处理。
天线旋转时，使背向波束交替完成导前和滞后扫描，且对每个波束位置均采用不同的工作方式。
上述作为本发明的实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适合相控阵天气雷达自适应扫描的结构，其特征在于，包括：在雷达中增加背向天线、控制模块、信号处理模块、分析模块，背向天线产生独立于主阵面的背向波束，控制模块根据背向波束作为导前或滞后的工作模式设置工作参数，信号处理模块由背向波束的数据样本计算反射率强度和径向速度，分析模块根据反射率强度和径向速度调整主波束的探测参数，实现自适应扫描；背向波束作为导前波束时，通过处理其回波，确定主波束的脉冲宽度、脉冲重复时间、FFT点数、接收波束数量；该波束作为滞后波束时，通过处理其回波，选择数据质量控制的方式，将雷达扫描的有限资源集中于兴趣区域。
2.根据权利要求1所述的适合相控阵天气雷达自适应扫描的结构，其特征在于，所述背向天线，包括数字TR组件和数根裂缝波导，背向天线的裂缝波导之间的间隔与主天线的裂缝波导之间的间隔相同，安装于阵列天线骨架背面，覆盖空域的角度可调，数字TR组件用于发射背向波束和接收回波并放大、下变频和数字化处理，每根裂缝波导由数字TR组件的一个收发通道驱动，每个通道的输入、输出端口连接主天线阵面的DBF单元，由DBF处理单元产生背向波束。
3.根据权利要求2所述的适合相控阵天气雷达自适应扫描的结构，其特征在于，所述DBF处理单元产生背向波束，包括：设θ是波束指向角度，E(sinθ)是角度为θ时的方向图，N是裂缝波导数量，w(n)是第n根裂缝波导的加权值，j是虚部运算，令θ0=(N-1)∆θ/2，用公式
Figure QLYQS_1
和/>
Figure QLYQS_2
将DBF模块收到的两路复信号相加，合成背向波束。
4.根据权利要求1所述的适合相控阵天气雷达自适应扫描的结构，其特征在于，所述根据背向波束作为导前或滞后的工作模式设置工作参数，包括：工作模式为导前时，工作参数设置为1，将背向波束作为导前波束，先于主波束扫描目标，驻留时间短于主波束，为主波束扫描提供兴趣区域的监视信息；工作模式为滞后时，工作参数设置为0，将背向波束作为滞后波束，后于主波束扫描目标，驻留时间长于主波束，为主波束扫描提供冗余信息。
5.根据权利要求4所述的适合相控阵天气雷达自适应扫描的结构，其特征在于，还包括：由导前波束提供的监视信息，计算风暴的最大距离，调整主波束扫描的波束位置和驻留时间以观测天气回波，减少PRT，增加采样数，选择杂波滤波器以降低估计方差，匹配最大距离，最大限度的利用雷达资源，提高径向速度和频谱宽度的估计效率，提升算法性能。
6.根据权利要求4所述的适合相控阵天气雷达自适应扫描的结构，其特征在于，所述滞后波束，用大奈奎斯特速度多普勒扫描目标，缓解速度模糊，获取目标最大速度。
7.根据权利要求5所述的适合相控阵天气雷达自适应扫描的结构，其特征在于，还包括：在任一波束产生笔形波束或者赋形波束，设计单一驻留时间，或令背向波束在导前波束和滞后波束之间交替变化，设计可变驻留时间。
8.根据权利要求1所述的适合相控阵天气雷达自适应扫描的结构，其特征在于，所述计算反射率强度和径向速度，包括：设背向波束的数据样本的实部、虚部分别为I和Q，R1是背向波束接收信号的1阶相关，Tr是发射脉冲的时间周期，Im是虚部运算，Re是实部运算，λ是波长，用公式Z=|I+jQ|2计算反射率强度Z，用公式V=λ*arctg{Im[R1]/Re[R1]}/4πTr计算径向速度V。
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