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相控阵天气雷达关键技术研究

张子良  
【摘要】:本论文针对现代大气探测业务对探测生消演变快的强对流天气的需要,根据相控阵天气雷达快速电子扫描的特点,提出相控阵天气雷达的选型原则,即除机载和星载类相控阵天气雷达外,一般的地基相控阵天气雷达宜选择一维或二维的平面阵。 本论文根据一维、二维相控阵天气雷达天线阵面的不同构建特点,配置其他分系统,使两类相控阵天气雷达均满足大气探测的要求。文中讨论和计算了天气雷达的几个重要指标,并推导出适用于相控阵天气雷达新的雷达气象方程。 为提高天气雷达的探测能力,相控阵天气雷达采用了增加雷达系统探测灵敏度和距离分辨率的脉冲压缩技术。脉冲压缩是一种信号处理技术,常用于风廓线雷达和军事跟踪雷达,在地基天气雷达上应用尚处于研究阶段。本论文详细分析了脉冲压缩对雷达天线副瓣的影响,用Matlab语言编程,计算线性调频、非线性调频及相位编码等几种信号的脉冲压缩方式对距离副瓣的影响,并提出大气探测业务应用中应多使用非线性调频脉冲压缩技术,此技术有助于消减相控阵技术引起的对回波数据质量的影响。 为了更加精确地实时跟踪和识别天气现象的演变过程,充分发挥相控阵技术的探测优势,在大幅度提高天线扫描速度的同时,存在着每个可分辨体积内的样本数减少从而独立样本数随之同步减少使精确度降低的问题。本论文采用独立成分分析的过采样技术,使在距离上过采样的天气回波信号退相关,改进多普勒频移估算的精度。基于时间结构的独立成分分析法(ICA),先后对随机信号和实际雷达信号进行了独立成分分析处理,以增加独立样本数。旨在以更少的扫描时间,得到相同精度的探测数据。应用此技术,相控阵天气雷达天线的快速扫描才变得有价值。 应用脉冲压缩和独立成分分析等技术,能够充分发挥相控阵雷达探测灾害性天气的优势,消弥相控阵天气雷达应用过程中可能对探测数据质量的影响,使相控阵天气雷达这个先进的探测手段能够更快地进入现代化大气探测业务应用。


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