CN108535730B - 一种多普勒气象雷达解速度模糊方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多普勒气象雷达解速度模糊方法和***，所述方法包括：S1、通过多普勒气象雷达向运动气象目标同时发送第一脉冲信号及第二脉冲信号，并接收所述第一脉冲信号与运动气象目标作用后反射回的第一回波信号、第二脉冲信号与运动气象目标作用后反射回的第二回波信号，所述第一脉冲信息与所述第二脉冲信号脉冲重复周期相同；S2、将所述第一回波信号和所述第二回波信号合成，得到合成信号；S3、获取所述合成信号的多普勒中心频率，并基于所述多普勒中心频率，得到所述运动气象目标的无速度模糊的平均径向平均速度。通过合成信号增加等效波长幅度，降低合成信号中目标的多普勒中心频率，去除了因速度模糊导致的多普勒中心频率模糊。

Description

一种多普勒气象雷达解速度模糊方法和***

技术领域

本发明涉及气象雷达技术领域，更具体地，涉及一种多普勒气象雷达解速度模糊方法和***。

背景技术

脉冲多普勒气象雷达是利用雷达与云、雨等散射体目标相对运动所形成的多普勒效应而进行气象探测的一种雷达，其具有常规天气雷达探测降水回波的位置、强度的功能，同时利用多普勒原理可得到雷达信号有效照射体积内降水粒子平均径向运动速度和速度谱宽估计值，从而可进一步反演出大气风场、气流垂直速度的分布以及湍流状况等，实现对***气旋、恶劣性风暴环流、强降雪、冰雹等灾害性天气预警，在农业、交通、大气物理研究等领域都有着广泛的应用前景。

速度模糊是指在脉冲多普勒雷达工作，在中低重复频率时，由于频谱重叠现象引起所测目标速度的混淆，难以分辨目标真实速度的现象。最大不模糊距离是指，当雷达发出的一个脉冲遇到该距离处的目标物产生的后向散射波返回到雷达时，下一个雷达脉冲刚好发出。也就是说，雷达波传播到位于最大不模糊距离处的目标物，然后其回波再返回雷达所用的时间刚好是两个脉冲之间的时间间隔。在脉冲多普勒气象雷达中，最大不模糊探测距离与发射脉冲信号的重复周期成正比，而其最大不模糊多普勒频率或速度反比例于发射脉冲信号的重复周期，即距离模糊问题和速度模糊问题是一对矛盾的问题。通常，气象目标大多为在空间中连续分布的体目标，且回波的动态范围较大，对于固定的脉冲重复周期而言，气象回波会同时发生速度模糊和距离模糊问题。

目前，常用的做法是采用合适的脉冲重复周期优先保证雷达的不模糊作用距离，然后对多普勒速度进行解速度模糊操作，常用的解速度模糊方法包括参差变重复周期脉冲法、相位编码解模糊方法等。其中，参差变重复周期脉冲法由于是非均匀采样，没有有效的地物滤波器，限制了该方法的应用；相位编码解模糊方法恢复的弱回波的频谱中心两侧会出现对称的副瓣，对谱宽的估计具有一定的影响。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种多普勒气象雷达解速度模糊方法和***，解决了现有技术中由于弱回波频谱中心两侧出现对称的副瓣导致的谱宽估计不准的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种多普勒气象雷达解速度模糊方法，包括：

S1、通过多普勒气象雷达向运动气象目标同时发送第一脉冲信号及第二脉冲信号，并接收所述第一脉冲信号与运动气象目标作用后反射回的第一回波信号、第二脉冲信号与运动气象目标作用后反射回的第二回波信号，所述第一脉冲信息与所述第二脉冲信号脉冲重复周期相同；

S2、将所述第一回波信号和所述第二回波信号合成，得到合成信号；

S3、获取所述合成信号的多普勒中心频率，并基于所述多普勒中心频率，得到所述运动气象目标的无速度模糊的平均径向平均速度。

作为优选的，所述第一脉冲信号和第二脉冲信号相参。

作为优选的，所述步骤S1具体包括：

选择双通道多普勒气象雷达，通过所述双通道多普勒气象雷达的第一通道向运动气象目标发射第一脉冲信号，通过所述双通道多普勒气象雷达的第二通道向运动气象目标发射第二脉冲信号，所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号的脉冲重复周期相同，且所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号的频率分集；

在所述第一脉冲信号、第二脉冲信号分别发射完毕后，将所述第一通道和所述第二通道切换为接收状态，并通过所述第一通道接收所述第一脉冲信号与运动气象目标作用后反射回的第一回波信号，所述第二通道接收所述第二脉冲信号与运动气象目标作用后反射回的第二回波信号。

作为优选的，在步骤S1中，所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号均为线性调频编码信号，或第一脉冲信号和所述第二脉冲信号均为非线性调频编码信号。

作为优选的，步骤S1中，所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号均为线性调频编码信号，分别为：

式中，s₁(t)为第一脉冲信号，s₂(t)为第二脉冲信号，t∈[0，τ]，τ为所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号的脉冲时宽，B为所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号的脉冲带宽，ΔT为脉冲重复周期，f₁为所述第一脉冲信号的载波中心频率，f₂为所述第二脉冲信号的载波中心频率。

作为优选的，所述第一脉冲信号的载波中心频率f₁、第二脉冲信号的脉冲中心频率f₂之间满足：

式中，c为电磁波在真空中的传播速度，v_rmax为所述多普勒气象雷达观测到的运动气象目标的最大径向速度。

作为优选的，所述步骤S2具体包括：

对所述第一回波信号进行脉冲压缩处理，得到第一一维像信号，对所述第二回波信号进行脉冲压缩处理，得到第二一维像信号；

将所述第一一维像信号、第二一维像信号进行共轭相乘，得到合成信号。

作为优选的，所述步骤S3具体包括：

通过能量均衡法获取所述合成信号的多普勒中心频率，并基于所述合成信号的多普勒中心频率、所述第一脉冲信号的载波中心频率、所述第二脉冲信号的载波中心频率，得到所述运动气象目标的无速度模糊的平均径向速度。

作为优选的，所述运动气象目标的无速度模糊的平均径向速度为：

式中，

为所述合成信号的多普勒中心频率。

一种多普勒气象雷达解速度模糊***，包括：

双通道多普勒雷达，用于向运动气象目标同时发送脉冲重复周期相同的第一脉冲信号、第二脉冲信号，并接收所述第一脉冲信号与运动气象目标作用后反射回的第一回波信号、第二脉冲信号与运动气象目标作用后反射回的第二回波信号；

处理模块，用于将所述第一回波信号和所述第二回波信号合成，得到合成信号，获取所述合成信号的多普勒中心频率，并基于所述多普勒中心频率，得到所述运动气象目标的无速度模糊的平均径向平均速度。

本发明提出一种多普勒气象雷达解速度模糊方法和***，通过双通道多普勒气象雷达收发***，同时接收各自发送信号与运动气象目标作用后反射的回波信号，对两个通道的回波信号合成，使得到的合成信号等效波长大幅度增加，较大程度降低合成信号中目标的多普勒中心频率，从而去除了因速度模糊导致的多普勒中心频率模糊，同时使回波信号的多普勒带宽变窄，因而也能够去除因速度模糊导致的多普勒带宽模糊。

附图说明

图1为根据本发明实施例的多普勒气象雷达解速度模糊方法流程框图；

图2为根据本发明实施例的多普勒气象雷达解速度模糊方法具体流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

多普勒气象雷达，是一种主动遥感的探测工具，在测量云、降雨和各种强对流天气发生发展内在因素方面有重要的应用，其工作原理即以多普勒效应为基础，可以测定散射体相对于雷达的速度，在一定条件下反演出大气风场、气流垂直速度的分布以及湍流情况等。在脉冲多普勒气象雷达中，最大不模糊距离表示为：

其中，c为电磁波在真空中传播速度，ΔT为脉冲重复周期。当真实气象目标的距离超出R_max时，其雷达回波出现的位置并不在产生该回波的发射脉冲所在的脉冲重复周期内，因而产生了距离模糊，因此为避免距离模糊问题，应尽可能增大脉冲重复周期。然而，脉冲重复周期同时也是对运动气象目标回波进行多普勒处理时的采样频率，如其过大，则会出现奈奎斯特欠采样现象，不能使运动目标的真实多普勒频率f_d处于可表示的多普勒频率轴范围[-1/2ΔT，1/2ΔT]之内。通常，脉冲多普勒雷达能探测的最大多普勒频率为：

又根据目标、雷达之间径向速度v与多普勒频率的关系f_d＝2v/λ，其中λ表示雷达发射脉冲信号的载波波长，可得脉冲多普勒雷达的最大不模糊速度为：

因此，最大不模糊距离和速度的关系为：

可见，对于固定单一波长或频率的雷达，距离模糊和速度模糊是相互矛盾的。通常情况下，气象目标多为体目标,在空间中连续分布,而且回波的动态范围很大,对于固定的脉冲重复频率而言,气象回波不仅会发生速度模糊,而且还会出现距离模糊。目前，常用的做法是采用合适的脉冲重复周期优先保证雷达的不模糊作用距离，然后对多普勒速度进行解模糊操作，常用的解速度模糊方法包括参差变重复周期脉冲法、相位编码解模糊方法等。其中，参差变重复周期脉冲法由于是非均匀采样，没有有效的地物滤波器，限制了该方法的应用；相位编码解模糊方法恢复的弱回波的频谱中心两侧会出现对称的副瓣，对谱宽的估计具有一定的影响。

在本实施例中，如图1和图2所示，图中示出了一种多普勒气象雷达解速度模糊方法，包括：

S1、通过多普勒气象雷达向运动气象目标同时发送脉冲重复周期相同的第一脉冲信号、第二脉冲信号，并接收所述第一脉冲信号与运动气象目标作用后反射回的第一回波信号、第二脉冲信号与运动气象目标作用后反射回的第二回波信号；

S2、将所述第一回波信号和所述第二回波信号合成，得到合成信号；

S3、获取所述合成信号的多普勒中心频率，并基于所述多普勒中心频率，得到所述运动气象目标的无速度模糊的平均径向平均速度。

在本实施例中，所述第一脉冲信号和第二脉冲信号满足相参条件。

在本实施例中，所述步骤S1具体包括：

选择双通道多普勒气象雷达，通过双通道多普勒气象雷达的第一通道向运动气象目标发射第一脉冲信号s₁(t)，双通道多普勒气象雷达的第二通道向运动气象目标发射第二脉冲信号s₂(t)，所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号的脉冲重复周期ΔT相同，且所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号的频率分集。

所述第一脉冲信号、第二脉冲信号发射完毕后，将所述第一通道和所述第二通道切换为接收状态，所述第一通道接收所述第一脉冲信号与运动气象目标作用后反射回的第一回波信号，所述第二通道接收所述第二脉冲信号与运动气象目标作用后反射回的第二回波信号。

在本实施例中，设M个脉冲重复周期接收的回波信号表示为s_R1(t，m·ΔT)和s_R2(t，m·ΔT)，其中m＝0,1,...,M-1。

具体的，在步骤S1中，所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号均为线性调频编码信号，或第一脉冲信号和所述第二脉冲信号均为非线性调频编码信号，两个通道发射脉冲信号形式相同即可。

具体的，步骤S1中，所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号均为线性调频编码信号，分别为：

式中，s₁(t)为第一脉冲信号，s₂(t)为第二脉冲信号，t∈[0，τ]为信号快时间，ΔT为脉冲重复周期，f₁为所述第一脉冲信号的载波中心频率，f₂为所述第二脉冲信号的载波中心频率，τ为所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号的脉冲时宽，B为所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号的脉冲带宽。

在本实施例中，设共M个脉冲重复周期，考察N个体分辨单元的运动气象目标，并令s₁(t)和s₂(t)发射信号中的t+m·ΔT统一表示为t，则两通道回波信号表示为s_R1(t，m·ΔT)和s_R2(t，m·ΔT)，其表达式如下：

上式中，其中，m＝0,1,...,M-1表示第m个脉冲重复周期，n＝1,2,...,N表示第n个体分辨单元内的运动气象目标；A_1n和A_2n分别表示每个目标在两通道回波信号的中的幅度因子，R_n(m·ΔT)表示在第m个脉冲重复采样时刻m·ΔT时雷达与第n个目标的瞬时斜距；

在本实施例中，所述第一脉冲信号的载波中心频率f₁、第二脉冲信号的脉冲中心频率f₂之间满足：

式中，c为电磁波在真空中的传播速度，v_rmax为所述多普勒气象雷达观测到的运动气象目标的最大径向速度，即表示多普勒雷达要求能观测到的运动气象目标的最大径向速度。

具体的，所述步骤S2具体包括：

对所述第一回波信号s_R1(t，m·ΔT)进行脉冲压缩处理，得到第一一维像信号s_PC1(t，m·ΔT)，对所述第二回波信号s_R2(t，m·ΔT)进行脉冲压缩处理，得到第二一维像信号s_PC2(t，m·ΔT)；具体的：

上式中，其中，sinc{.}表示sinc形式的脉冲。

将所述第一一维像信号、第二一维像信号进行共轭相乘，得到合成信号s_sync(t，m·ΔT)＝s_PC2(t，m·ΔT)×conj{s_PC1(t，m·ΔT)}，则合成信号为：

其中conj{·}表示求共轭算子，上述相乘结果中的交叉项因足够小可以被忽略，合成信号的多普勒中心频率理论值为f_d＝2v(f₂-f₁)/c，根据上述的关系式：

可知，对于雷达要求能观测到最大径向速度v_rmax的运动气象目标，其对应的多普勒频率也处于可被表示的不模糊观测窗口[-1/2ΔT，1/2ΔT]之内，即无多普勒或速度模糊存在。

在本实施例中，所述步骤S3具体包括：

通过能量均衡法获取所述合成信号s_sync(t，m·ΔT)的多普勒中心频率

并基于所述合成信号的多普勒中心频率、所述第一脉冲信号的载波中心频率、所述第二脉冲信号的载波中心频率，得到所述运动气象目标的无速度模糊的平均径向速度。

在本实施例中，所述运动气象目标的无速度模糊的平均径向速度为：

式中，

为所述合成信号的多普勒中心频率。

本实施例中还提供了一种多普勒气象雷达解速度模糊***，包括：

双通道多普勒雷达，用于向运动气象目标同时发送脉冲重复周期相同的第一脉冲信号、第二脉冲信号，并接收所述第一脉冲信号与运动气象目标作用后反射回的第一回波信号、第二脉冲信号与运动气象目标作用后反射回的第二回波信号；

处理模块，用于将所述第一回波信号和所述第二回波信号合成，得到合成信号，获取所述合成信号的多普勒中心频率，并基于所述多普勒中心频率，得到所述运动气象目标的无速度模糊的平均径向平均速度。

本实施例的双通道多普勒雷达发射的第一脉冲信号、第二脉冲信号满足上述方法中的要求；处理模块采用上述多普勒气象雷达解速度模糊方法进行处理。

综上所述，本发明提出一种多普勒气象雷达解速度模糊方法和***，通过双通道多普勒气象雷达收发***，同时接收各自发送信号与运动气象目标作用后反射的回波信号，对两个通道的回波信号合成，使得到的合成信号等效波长大幅度增加，较大程度降低合成信号中目标的多普勒中心频率，从而去除了因速度模糊导致的多普勒中心频率模糊，同时使回波信号的多普勒带宽变窄，因而也能够去除因速度模糊导致的多普勒带宽模糊。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多普勒气象雷达解速度模糊方法，其特征在于，包括：

S1、通过多普勒气象雷达向运动气象目标同时发送第一脉冲信号及第二脉冲信号，并接收所述第一脉冲信号与运动气象目标作用后反射回的第一回波信号、第二脉冲信号与运动气象目标作用后反射回的第二回波信号，所述第一脉冲信息与所述第二脉冲信号脉冲重复周期相同；

S2、将所述第一回波信号和所述第二回波信号合成，得到合成信号；

S3、获取所述合成信号的多普勒中心频率，并基于所述多普勒中心频率，得到所述运动气象目标的无速度模糊的平均径向平均速度；

所述步骤S2具体包括：

对所述第一回波信号进行脉冲压缩处理，得到第一一维像信号，对所述第二回波信号进行脉冲压缩处理，得到第二一维像信号；

将所述第一一维像信号、第二一维像信号进行共轭相乘，得到合成信号；

所述运动气象目标的无速度模糊的平均径向速度为：

式中，c为电磁波在真空中的传播速度，

为所述合成信号的多普勒中心频率，f₁为所述第一脉冲信号的载波中心频率，f₂为所述第二脉冲信号的载波中心频率。

2.根据权利要求1所述的多普勒气象雷达解速度模糊方法，其特征在于，所述第一脉冲信号和第二脉冲信号相参。

3.根据权利要求1所述的多普勒气象雷达解速度模糊方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

选择双通道多普勒气象雷达，通过所述双通道多普勒气象雷达的第一通道向运动气象目标发射第一脉冲信号，通过所述双通道多普勒气象雷达的第二通道向运动气象目标发射第二脉冲信号，所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号的脉冲重复周期相同，且所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号的频率分集；

在所述第一脉冲信号、第二脉冲信号分别发射完毕后，将所述第一通道和所述第二通道切换为接收状态，并通过所述第一通道接收所述第一脉冲信号与运动气象目标作用后反射回的第一回波信号，所述第二通道接收所述第二脉冲信号与运动气象目标作用后反射回的第二回波信号。

4.根据权利要求1所述的多普勒气象雷达解速度模糊方法，其特征在于，在步骤S1中，所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号均为线性调频编码信号，或第一脉冲信号和所述第二脉冲信号均为非线性调频编码信号。

5.根据权利要求1所述的多普勒气象雷达解速度模糊方法，其特征在于，步骤S1中，所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号均为线性调频编码信号，分别为：

式中，s₁(t)为第一脉冲信号，s₂(t)为第二脉冲信号，t∈[0，τ]，τ为所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号的脉冲时宽，B为所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号的脉冲带宽，ΔT为脉冲重复周期，f₁为所述第一脉冲信号的载波中心频率，f₂为所述第二脉冲信号的载波中心频率。

6.根据权利要求5所述的多普勒气象雷达解速度模糊方法，其特征在于，所述第一脉冲信号的载波中心频率f₁、第二脉冲信号的脉冲中心频率f₂之间满足：

式中，c为电磁波在真空中的传播速度，v_rmax为所述多普勒气象雷达观测到的运动气象目标的最大径向速度。

7.根据权利要求6所述的多普勒气象雷达解速度模糊方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

通过能量均衡法获取所述合成信号的多普勒中心频率，并基于所述合成信号的多普勒中心频率、所述第一脉冲信号的载波中心频率、所述第二脉冲信号的载波中心频率，得到所述运动气象目标的无速度模糊的平均径向速度。

8.一种多普勒气象雷达解速度模糊***，其特征在于，包括：

双通道多普勒雷达，用于向运动气象目标同时发送脉冲重复周期相同的第一脉冲信号、第二脉冲信号，并接收所述第一脉冲信号与运动气象目标作用后反射回的第一回波信号、第二脉冲信号与运动气象目标作用后反射回的第二回波信号；

处理模块，用于将所述第一回波信号和所述第二回波信号合成，得到合成信号，获取所述合成信号的多普勒中心频率，并基于所述多普勒中心频率，得到所述运动气象目标的无速度模糊的平均径向平均速度，

具体包括：

对所述第一回波信号进行脉冲压缩处理，得到第一一维像信号，对所述第二回波信号进行脉冲压缩处理，得到第二一维像信号；

将所述第一一维像信号、第二一维像信号进行共轭相乘，得到合成信号；

所述运动气象目标的无速度模糊的平均径向速度为：

式中，c为电磁波在真空中的传播速度，

为所述合成信号的多普勒中心频率，f₁为所述第一脉冲信号的载波中心频率，f₂为所述第二脉冲信号的载波中心频率。

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