CN102385054B - 多普勒天气雷达退速度模糊的tprf方法 - Google Patents

Abstract

多普勒天气雷达退速度模糊的TPRF方法，属气象雷达领域，用于解决多普勒天气雷达的测速模糊问题。TPRF方法是多脉冲重复频率探测技术的特例也是双脉冲重复频率探测技术(DPRF)的发展。TPRF技术用构成两个DPRF探测的三个脉冲重复频率进行探测，将两个DPRF探测结果再次进行DPRF分析，对测速范围进行了两次扩展。DPRF扩展的测速范围不能满足强对流天气下的无模糊探测。在不模糊探测距离相同的条件下，TPRF的测速范围比DPRF至少增加一倍，对绝大部分强对流天气能实现无模糊探测。TPRF实施关键是选择三个合适的脉冲重复频率，给出了确定TPRF三个脉冲重复频率的方法，以保证TPRF方法的有效性。

Description

多普勒天气雷达退速度模糊的TPRF方法

1.技术领域

本发明属于气象雷达领域，直接用于解决多普勒天气雷达的测速模糊问题。 

2.背景技术

测速模糊问题是多普勒天气雷达探测长期以来需要解决的技术难题。因为测距与测速的矛盾，为了满足一定探测距离的要求，测速范围有限，遇到对流天气时很容易出现速度模糊现象。在多普勒天气雷达的速度产品中，经常出现速度模糊区。然而，速度产品是用于短时预警与分析研究非常有用的产品，因为速度模糊问题使其应用受到很大限制。长期以来，解决速度模糊问题多是采用事后软件处理的办法。虽然这些办法在一定程度上对速度模糊有恢复作用，但是在对流天气下，模糊区域多且凌乱，很难自动判别某一数据库是否模糊，所以纯软件退模糊的办法收效不大。为此，提出了一些人机交互式的软件处理的办法。这种解决方案效果好一些，但不适合业务应用。综合各种软件退速度模糊的办法，总体而言效果不佳。双脉冲重复频率探测技术(DPRF)是多普勒测速中实用的扩展测速范围技术。但是，DPRF技术在多普勒天气雷达探测中并没有得到广泛应用。主要原因是探测距离和速度谱宽的限制，导致DPRF扩展的测速范围依然不够，在对流天气下探测依然存在很多模糊。 

为了保证一定的探测距离，脉冲重复频率不能很高。因为速度谱宽的问题，为了保证DPRF技术的有效性，脉冲重复频率比一般取为3∶2(或4∶3)，更高的脉冲重复频率比会导致DPRF技术失效。比如，为了保证拥有200km的探测距离，脉冲重复频率不能高于750Hz。将脉冲重复频率比为3∶2的DPRF技术用于多普勒天气雷达时，如果取PRF₁＝750Hz、PRF₂＝500Hz，那么对于S波段天气雷达不模糊速度可以扩展到37.5m/s。对于较强的对流天气，容易超出这样的速度范围。对于C波段多普勒天气雷达，则模糊问题就更加严重。比如，为了保证拥有150km的探测距离，脉冲重复频率不能高于1000Hz。同样取PRF₁∶PRF₂＝3∶2，不模糊速度最多可以扩展到25m/s。这样的测速范围就是在较平稳的天气下也会出现模糊。而对于X波段多普勒天气雷达则模糊问题尤其严重。 

测速模糊问题是多普勒天气雷达探测长期以来存在的技术难题，解决问题的出路是如何实现无模糊探测。 

3.发明内容

3.1要解决的技术问题 

本发明用于解决多普勒天气雷达的测速模糊问题。 

3.2采用的技术方案 

为解决多普勒天气雷达的测速模糊问题，发明了三脉冲重复频率探测技术(TPRF)，给出了确定TPRF 技术中三个脉冲重复频率的方法，并给出了通用计算公式。 

TPRF也是一种扩展测速范围的方法。TPRF方法是多脉冲重复频率探测技术的特例也是双脉冲重复频率探测技术(DPRF)的发展。TPRF技术用构成两个DPRF探测的三个脉冲重复频率进行探测，将两个DPRF探测结果再次进行DPRF分析，对测速范围进行了两次扩展。 

在天气雷达探测中DPRF扩展的测速范围仍然不能满足强对流天气下的无模糊探测。所发明的TPRF方法的测速范围至少是DPRF方法的一倍，在绝大部分强对流天气能实现无模糊探测。 

不论是DPRF方法还是TPRF方法，有效性都是关切地问题，选择合适的脉冲重复频率是保证技术有效性的关键。在对探测距离要求以及气象目标速度与速度谱宽的影响进行分析的基础上，给出了确定TPRF三个脉冲重复频率的方法。 

TPRF方法可以看成是DPRF方法的组合，TPRF的分析方法和算法与DPRF技术相同。为此，给出了通用计算公式。 

TPRF技术原理 

TPRF技术采用事先选定的满足一定要求的三个脉冲重复频率依次进行探测。若将三个脉冲重复频率由高到低分别记为：PRF₁、PRF₂和PRF₃，则三个脉冲重复频率需要满足下面的关系： 

PRF₁∶PRF₂＝q∶(q-1)且PRF₂∶PRF₃＝q∶(q-1)-------------------------------------(1) 

其中，q＝3，4，5，…正整数。 

显然，PRF₁和PRF₂构成一个q∶(q-1)的DPRF探测，探测结果记为 

PRF₂和PRF₃构成另一个q∶(q-1)的DPRF探测，探测结果记为 

相当于PRF_a＝qPRF₂的多普勒探测结果， 相当于PRF_b＝qPRF₃的多普勒探测结果。因为PRF_a∶PRF_b＝q∶(q-1)、 

和 

分别相当于PRF_a和PRF_b的探测结果，所以可以对 

和 

再进行一次DPRF分析。如果将PRF₁、PRF₂和PRF₃对应的最大不模糊速度分别记为V_N1、V_N2和V_N3，将PRF_a和PRF_b的最大不模糊速度分别记为V_Na和V_Nb，那么TPRF技术将测速范围扩展到V_N＝qV_Nb＝q²V_N3，它相当于PRF＝qPRF_b＝q²PRF₃的多普勒探测。 

TPRF技术的三个脉冲重复频率构成两个DPRF探测，将两个DPRF探测结果再次进行DPRF分析，对测速范围进行了两次扩展。因为TPRF技术扩展测速范围的原理与DPRF技术相同，所以接下来说明DPRF扩展测速范围原理。 

DPRF扩展测速范围原理 

DPRF技术的具体做法是：用满足一定比例关系的两个脉冲重复频率先后进行探测，根据两个测量结果推算实际速度。将两个脉冲重复频率分别记为PRF₁和PRF₂，它们对应的最大不模糊速度分别记为V_N1和 V_N2，两个测量结果分别记为 和 

两者的差记为 

PRF₁和PRF₂满足关系： 

PRF₁∶PRF₂＝q∶(q-1)--------------------------------------------(2) 

其中，q＝3，4，5，…正整数。 

多普勒测速中，脉冲重复频率决定着测速范围。在直角坐标系中，如果以X轴对应实际速度、以Y轴对应测量结果，那么随着实际速度的增加，测量结果曲线是以测速范围为界的锯齿形曲线。根据PRF₁和PRF₂测量结果的差，可以将±qV_N2的速度范围划分为2q个速度区间。 

DPRF的分析方法是将两个探测结果 

和 

求差 根据ΔV判断测量结果 

和 

落到哪个速度区间，然后根据速度区间和探测结果 

或 

推算多普勒速度。本发明给出了下面通用的推算多普勒速度公式： 

$V_D=\left\{\begin{array}{c}(i-1)V_{N2}+{\tilde{V}}_{D2},...i>0,i=\mathrm{1,2},...,q\\ (i+1)V_{N2}+{\tilde{V}}_{D2},...,i<0,i=-1,-2,...,-q\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，Int(·)表示取整运算，i表示速度区间序号。V_N2是两个脉冲重复频率中，频率较低的一个对应的最大不模糊速度， 

是其测量结果。V_D表示根据DPRF技术得到的多普勒速度。 

DPRF先后采用两个脉冲重复频率探测，虽然两个测量结果 

和 

可能是模糊的，但是通过它们的差 

判断它们落到哪个速度区间，仍然可以恢复实际多普勒速度，这就是DPRF技术扩展测速范围的原理。DPRF技术将不模糊测速范围扩展到±qV_N2，这样的测速范围相当于用单一脉冲重复频率PRF＝qPRF₂＝(q-1)PRF₁的探测效果。 

根据DPRF技术中两个脉冲重复频率的关系以及脉冲重复频率和最大不模糊速度之间的关系，可以导出下面的公式： 

$V_N=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{4}\frac{{\mathrm{PRF}}_1\&times;{\mathrm{PRF}}_2}{{\mathrm{PRF}}_1-{\mathrm{PRF}}_2}---\left(4\right)$

由此可以得到重要的推论：DPRF对测速范围的扩展和两个脉冲重复频率的积与差有关，两个脉冲重复频率的积越大、DPRF扩展的测速范围越大；两个脉冲重复频率的差越小、DPRF扩展的测速范围越大。因此，采用高的脉冲重复频率和小的脉冲重复频率差是提高DPRF测速范围的两个途径。 

另外，根据两个脉冲重复频率的比例关系，还可以导出下面的公式： 

PRF₁-PRF₂＝PRF₁/q  --------------------------------------------(5) 

由此可以得到的推论是：在PRF₁确定之后，q越小、PRF₁-PRF₂越大。因为最小的q值是q＝3，所以当PRF₁∶PRF₂＝3∶2时，两脉冲重复频率差最大。 

为了进一步解释DPRF技术。下面以PRF₁∶PRF₂＝3∶2的DPRF为例说明DPRF扩展测速范围原理和速 度区间划分。如图1，虚线表示PRF₁的测量结果曲线，实线表示PRF₂的测量结果曲线。依据ΔV，将±3V_N2的速度范围划分为6个速度区间。根据图1可以分析出表1。由表1可以看出在±3V_N2的范围内，ΔV与速度区间是一一对应的。因此，即便 

和 

是模糊的，通过正确地判断速度区间，可以恢复原来的实际速度。以上的例子具有普遍性，对于其它比值的情况有类似地分析方法。 

表1：PRF₁∶PRF₂＝3∶2的DPRF探测 

有益效果 

TPRF方法具有很强的测速扩展能力，对于绝大部分强对流天气可以实现无模糊探测。因为是无模糊探测，所以从根本上避免了以往软件退模糊方法的不确定性。 

因为探测距离和气象目标速度谱宽的影响，使DPRF扩展的测速范围不够。为了保证一定的探测距离，脉冲重复频率不能很高。因为速度谱宽的存在脉冲重复频率比一般只能取为3∶2(或4∶3)，更高的脉冲重复频率比会导致DPRF技术失效。然而，TPRF技术对测速范围进行了两次扩展，可以满足绝大部分强风暴的无模糊探测要求。 

TPRF的脉冲重复频率设置相当于两个DPRF，因此在比较TPRF和DPRF性能时，应当分开考虑。 

首先将TPRF与PRF₁∶PRF₂＝q∶(q-1)的DPRF进行比较。DPRF的测速范围是±qV_N2，TPRF的测速范围是±q²V_N3，因为 

所以TPRF的测速范围是DPRF测速范围的q-1倍。如果取3∶2的脉冲重复频率比，即q＝3，那么TPRF的测速范围比DPRF测速范围增加了一倍。此时，两者的不模糊探测距离相同。 

然后将TPRF与PRF₂∶PRF₃＝q∶(q-1)的DPRF比较。DPRF的测速范围是±qV_N3，TPRF的测速范围是±q²V_N3，所以TPRF的测速范围是DPRF测速范围的q倍。如果取3∶2的脉冲重复频率比，即q＝3，那么TPRF的测速范围比DPRF测速范围增加两倍。此时，TPRF的不模糊探测距离为DPRF的2/3。 

可见，在不模糊探测距离相同的条件下，TPRF的测速范围比DPRF测速范围至少增加一倍。 

另外，因为TPRF使用三个脉冲重复频率、DPRF使用两个脉冲重复频率，所以TPRF技术比DPRF技术的探测时间增加了约1/3。 

4.附图说明

图1：PF₁∶PF₂＝3∶2的DPRF探测 

图1是PRF₁∶PRF₂＝3∶2的DPRF探测原理图。X方向表示被测速度，Y方向表示测量值。折线a1a2-a2a3-…是脉冲重复频率PRF₁的测量曲线，V_N1是PRF₁对应的最大不模糊速度，随着速度的增加，测量曲线在±V_N1之间呈锯齿状。折线b1b2-b2b3-…是脉冲重复频率PRF₂的测量曲线，V_N2是PRF₂对应的最大不模糊速度。±3V_N2的速度范围是DPRF测量的不模糊区间。根据PRF₁和PRF₂两条测量曲线的差，可以将±3V_N2的速度范围划分为(从-3到+3)6个速度区间。若将PRF₁的测量值记为 PRF₂的测量值记为 

则 

与 

的差 

与6个速度区间一一对应，参见表1。例如，ΔV＝2V_N2对应的是速度区间2，ΔV＝-V_N2对应的是速度区间-3。虽然 

或 

可能是模糊的，但是只要根据ΔV判断出它们落在那个速度区间，利用公式(3)就可以退速度模糊。退速度模糊限于±3V_N2的速度范围内，超出此范围DPRF将出现模糊。例如，如果实际速度处在区间4，区间4的ΔV＝V_N2，与速度区间-3的ΔV值相同，因此无法进行速度恢复。所以DPRF的不模糊区间为±3V_N2。该例子只是PRF₁∶PRF₂＝3∶2的情形，但对于说明DPRF原理与做法具有普遍性。 

图2：TPRF技术原理图 

图中，折线1(a1a2-a2a3-a3a4-a4a5-a5a6)是PRF₁的测量线。折线2(b1b2-b2b3-b3b4-b4b5-b5b6)是PRF₂的测量线。折线3(c1c2-c2c3-c3c4-c4c5-c5c6)是PRF₃的测量线。PRF₁∶PRF₂构成3∶2的DPRF探测，以DPRF原理将不模糊速度范围扩展到A2A3-A4A5之间(±3V_N2)，相当于PRF_a的探测。PRF₂∶PRF₃构成3∶2的DPRF探测，不模糊速度范围扩展到B2B3-B4B5之间(±3V_N3)，相当于PRF_b的探测。PRF_a∶PRF_b构成DPRF探测，将不模糊范围进一步扩展到EF之间(±9V_N3)。V_N1、V_N2、V_N3、V_Na和V_Nb分别是脉冲重复频率PRF₁、PRF₂、PRF₃、PRF_a和PRF_n对应的最大不模糊速度。 

5.具体实施方式

TPRF技术有很强的扩展测速范围的能力，但是要保证在强对流天气探测中有效，必须对选择的脉冲重复频率提出限制。TPRF技术的实施关键是选择三个合适的脉冲重复频率。对脉冲重复频率的各种限制主要来自探测距离要求和气象目标的速度与速度谱宽的影响。现将探测距离要求记为R，速度谱宽记为σ_v，水平风记为V_h，这三个参数是确定脉冲重复频率的主要依据。 

探测距离要求限制了可以使用的最高脉冲重复频率。不同波段的天气雷达对探测距离有不同的要求，所以在实施TPRF技术时，要根据具体要求选择可用的最高脉冲重复频率。参数σ_v和V_h是影响脉冲重复频率选择的最主要因素，涉及脉冲重复频率范围、脉冲重复频率差和脉冲重复频率比的选择。一般，风暴越强σ_v和V_h越大。美国气象学家上世纪70年代对强风暴个例进行了统计研究，其统计结果可以作为σ_v和V_h指标的参考。其统计结果表明：对于强风暴15％的谱宽超过6m/s，水平风可以超过50m/s。 

确定TPRF中可以使用的最高脉冲重复频率 

根据探测距离要求以及要求无模糊探测的水平风的大小，确定脉冲重复频率上限。 

PRF_max1＝c/(2R) 

PRF_max2＝4V_h/λ 

其中，c是电磁波速度，R是要求的探测距离，V_h是要求无模糊探测的水平风的大小，λ是雷达波长。可以使用的最高脉冲重复频率为两者中较低的一个。 

确定TPRF中的脉冲重复频率差以及可以使用的最低脉冲重复频率 

根据设定的速度谱宽参数确定脉冲重复频率差(以及最低脉冲重复频率)。两脉冲重复频率差(以及最低脉冲重复频率)应满足： 

ΔPRF≥2σ_v/λ 

PRF_min≥2σ_v/λ 

其中，ΔPRF＝PRF₁-PRF₂，或ΔPRF＝PRF₂-PRF₃，σ_v是速度谱宽，λ是雷达波长。为了保证对大部分的强风暴的探测TPRF技术有效，可取σ_v≥6(m/s)。这样，对于S波段天气雷达(取λ＝10cm)，脉冲重复频率差(以及最低脉冲重复频率)需要大于等于120Hz，对于C波段天气雷达(取λ＝5cm)需要大于等于240Hz，对于X波段天气雷达(取λ＝3cm)需要大于等于400Hz。 

TPRF中的脉冲重复频率比 

根据前面的分析，当脉冲重复频率比为3∶2时，脉冲重复频率差最大。所以，为了保证对强风暴探测时TPRF的有效性，一般取脉冲重复频率比为3∶2。即，TPRF中的脉冲重复频率比为，PRF₁∶PRF₂＝PRF₂∶PRF₃＝q∶(q-1)＝3∶2。 

因为对脉冲重复频率的要求与雷达波长有关，所以能够满足要求的脉冲重复频率因雷达波长的不同而不同。对S波段多普勒天气雷达容易找出满足上述要求的脉冲重复频率组合。对X波段多普勒天气雷达难于找出满足上述要求的脉冲重复频率组合，一般需要降低某项要求。根据上述确定脉冲重复频率的方法，这里以C波段多普勒天气雷达为例给出一组脉冲重复频率数据。取雷达波长λ＝5cm，速度谱宽取σ_v＝6m/s，三个脉冲重复频率PRF₁、PRF₂和PRF₃分别是1125Hz、750Hz和500Hz。用这样的脉冲重复频率组 合进行TPRF探测，最大不模糊速度可以扩展到56m/s，探测距离约为133km。 

TPRF的计算 

记三个脉冲重复频率分别为PRF₁、PRF₂和PRF₃，对应的最大不模糊速度分别记为V_N1、V_N2和V_N3，三个测量结果分别记为 

和 

并且记 

三个脉冲重复频率满足关系：PRF₁∶PRF₂＝q∶(q-1)且PRF₂∶PRF₃＝q∶(q-1)。 

根据ΔV₁₂进行DPRF分析，确定 

和 

所在速度区间，根据下面通用计算公式计算用PRF₁和PRF₂测量得到的多普勒速度，并将计算结果记为 

$V_D=\left\{\begin{array}{c}(i-1)V_N+{\tilde{V}}_D,...i>0,i=\mathrm{1,2},...,q\\ (i+1)V_N+{\tilde{V}}_D,...,i<0,i=-1,-2,...,-q\end{array}\right.$

其中，Int(·)表示取整运算，i表示速度区间序号。 

根据ΔV₂₃进行DPRF分析，确定 

和 所在速度区间，根据上面通用计算公式计算用PRF₂和PRF₃测量得到的多普勒速度，并将计算结果记为 

根据 

再次进行DPRF分析，所得结果既是实际多普勒速度。 

Claims (2)

1.多普勒天气雷达退速度模糊的三脉冲重复频率TPRF方法，其特征是，用三个脉冲重复频率依次进行探测，三个脉冲重复频率构成两个双脉冲重复频率探测DPRF，两个DPRF分析对测速范围进行第一次扩展，两个DPRF分析结果又构成一个DPRF探测，将两个DPRF分析结果再次进行DPRF分析，对测速范围进行第二次扩展，三个脉冲重复频率由高到低分别记为PRF₁、PRF₂、PRF₃，脉冲重复频率比PRF₁/PRF₂和PRF₂/PRF₃满足相同的比例关系q/(q-1)，q是3、4、5...的正整数，三个脉冲重复频率的测量结果分别记为V₁、V₂、V₃，用DPRF分析计算方法通过对V₁和V₂的差进行分析得到速度V_a，用DPRF分析计算方法通过对V₂和V₃的差进行分析得到速度V_b，再次用DPRF分析方法通过对V_a和V_b的差进行分析得到实际被测速度。

2.根据权利要求1所述的方法，TPRF方法中的三个脉冲重复频率由高到低分别记为PRF₁、PRF₂、PRF₃，脉冲重复频率差PRF₁-PRF₂和PRF₂-PRF₃都要大于等于2σ_v/λ，其中，σ_v≥6m/s是气象目标速度谱宽，λ是多普勒天气雷达波长。

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