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多普勒天气雷达中相位编码退距离模糊的研究

熊毅  
【摘要】:由于多普勒天气雷达存在“多普勒两难”问题,即雷达的最大不模糊距离和最大不模糊速度的乘积为常数,增大一个会导致另外一个的减小,因此,为了尽可能的减少速度模糊而采用测距范围较小的高脉冲重复频率时,就会出现距离模糊。对于不同波长的雷达而言,出现距离模糊的可能性不同,波长越短出现距离模糊的可能性越大,为了扩大多普勒天气雷达的使用范围,就需要解决距离模糊问题。本文主要研究与实现了相位编码在不同波段多普勒天气雷达中的退距离模糊算法。 本文首先介绍了多普勒两难问题,并由此引出距离退模糊的研究意义,其次简单介绍了脉冲多普勒天气雷达的工作原理,然后重点介绍了批处理法和相位编码法退距离模糊的原理。批处理法在时域上将重叠的回波分开,但是不能恢复出弱回波的谱矩,并且当叠加的回波功率比较接近时,强弱回波的谱矩都不能恢复。相位编码退距离模糊方法包括:随机相位法和系统相位法。随机相位法在恢复期望回波时,非期望回波的功率表现为噪声,使噪声电平提高,等效信噪比降低,从而影响谱矩估计的准确性;系统相位法,在对期望回波进行同步接收时,非期望回波的频谱被均匀分散在奈奎斯特间隔内,不会影响期望回波谱矩的估计。系统法中重点介绍了SZ(n/M)编码,并由此引入SZ(8/64)编码,该编码是系统相位编码的一种,它能够在频域内对弱回波进行频谱复制,滤除强回波后,利用远离强回波谱的两个剩余的弱回波复制谱恢复出弱回波,即可得到弱回波的参数估计在最初的相位编码算法中,雷达只发射SZ(8/64)编码的短PRT脉冲,在频域上将叠加的回波分开,分别估计出叠加回波的谱矩值。当回波功率比、谱宽大于一定范围时,该算法恢复出的弱回波谱矩值误差较大。改进的SZ相位编码算法包含两种PRT的扫描:非编码的长PRT扫描和SZ(8/64)编码的短PRT扫描,其中长PRT在时域进行处理求取回波的功率,短PRT在频域进行处理求取回波的谱矩,该算法效果更好。为了验证相位编码的有效性,使用matlab仿真叠加的高斯型天气回波用相位编码进行处理,结果表明:相位编码算法可以准确的恢复出叠加回波的参数。 最后,在多普勒天气雷达系统中,实现了相位编码技术,产生出符合要求的编码信号,并通过增加相应的信号处理软件实现了相位编码退距离模糊算法。使用位于大连的S波段多普勒天气雷达、贵阳的C波段多普勒天气雷达、赣州的S多普勒天气雷达、临沂的s多普勒天气雷达和成都的X多普勒天气雷达,在特定的扫描模式下对该算法进行了验证。 试验结果证明:相位编码退距离模糊算法能够达到实时处理的需求,可以有效的消除二次回波,对一次回波的影响小,并能恢复出叠加回波的参数,其效果明显优于传统的批处理方法。


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