多普勒天氣雷達快速掃描方法

多普勒天氣雷達快速掃描方法
【專利摘要】本發明公開了一種多普勒天氣雷達快速掃描方法，主要包括四個步驟：按現有體積掃描模式，保持脈沖重復頻率PRF和天線3dB波束寬度θ不變，提高天線掃描轉速ω；在距離時間上對天氣雷達回波信號進行過采樣，以獲得更多的回波樣本數，彌補因提高天線掃描轉速ω而減少的有效樣本數；去相關處理，去除每個發射脈沖內距離時間上過采樣信號的相關性，增加回波的獨立等效樣本數；利用所得到的去除相關性后的過采樣信號進行譜矩參數計算，以彌補提高天線掃描轉速ω后，因回波樣本數減少引起的掃描精度降低，從而獲得高精度的掃描結果。本發明提高了旋轉速度，體掃時間降低，改造成本低、效果好，數據質量得到提高，掃描精度高，提高了天氣雷達快變天氣的監測能力。
【專利說明】
多普勒天氣雷達快速掃描方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種多普勒天氣雷達快速掃描方法，主要應用于氣象領域。
【背景技術】
[0002] 多普勒天氣雷達從半個多世紀以前開始應用于氣象領域，一直是監測和預警暴 雨、大風、冰雹等災害性天氣的主要工具，為災害性天氣的預警、預報，氣象防災減災做出重 大貢獻。然而，目前新一代多普勒天氣雷達完成體積掃描周期一般在5分鐘以上，由于龍卷 風、強暴風雨等危害氣象事件的預警時間大約為10分鐘，所以5分鐘的掃描周期遠不能滿足 要求，多普勒天氣雷達無法滿足一些中小尺度災害性天氣系統的快速、準確地跟蹤和捕捉。
[0003] 現有新一代多普勒天氣雷達對同一個區域目標掃描時間的長短主要受數據探測 準確度及體掃模式等因素影響；另外，多普勒天氣雷達要得到降雨目標特性，天線需要保持 一定駐留時間；同時，信號處理器若需得到滿足精度的回波強度、速度及譜寬數據的計算結 果(如強度滿足ldBZ，速度及譜寬滿足lm/s的精度），就必須滿足一定回波樣本積累數，這都 決定天線速度必須限制在一定的范圍之內，從而影響多普勒天氣快速掃描時間。
[0004] 多普勒天氣雷達要想獲得探測區域降雨目標較為完整的數據，需要完成全方位的 立體掃描。多普勒天氣雷達的體積掃描模式就是根據探測降雨和晴空不同情況而設計的， 其規定了每一次掃描使用的仰角數和具體的仰角度數。如VCP11模式使用窄脈沖，在5分鐘 內完成14個仰角的體積掃描，同一個位置的降雨目標至少需要5分鐘左右;而VCP21模式則 需要6分鐘內完成9仰角的體積掃描，同一個位置的降雨目標至少需要6分鐘;VCP31模式則 更長，體掃需要10分鐘。
[0005] 目前，解決這一快速掃描與跟蹤問題的主要技術手段及思路有三種：
[0006] 第一種:保持現有體掃模式中各個掃描仰角和PPI掃描方式不變，直接提高天線旋 轉速度，這樣可直接減少每個PPI的掃描時間，從而使整個體積掃描時間減少。
[0007] 第二種:保持現有天線旋轉速度，直接修改體掃模式的參數，如減少新一代多普勒 天氣雷達體積掃描模式中的仰角數，可提高多普勒天氣雷達快速掃描速度，減少體掃時間。
[0008] 第三種:采用具備電子掃描、能多波束發射的相控陣天線的相控陣天氣雷達，其目 前多采用方位方向機械掃描、仰角方向相掃的工作模式，即在方位PPI掃描探測的同時，仰 角方向由相位控制，多波束/單波束快速完成多個仰角的掃描，最終體積掃描時間大大減 少。如美國強風暴實驗室NSSL等單位在Norman建立的相控陣天氣雷達，空域掃描周期小于1 分鐘。
[0009] 上述三種方法均存在缺陷：
[0010] 第一種方法缺陷如下：由于氣象目標隨機漲落性，對氣象目標的雷達探測需要雷 達波束駐留一定的時間，才能獲得滿足應用要求精度的探測數據。若只是加快天線旋轉速 度，會導致雷達波束在氣象目標上駐留時間減少，回波脈沖積累樣本數減少，使回波強度、 平均徑向速度及速度譜寬等基數據處理精度降低，進而影響二次產品的數據質量。
[0011] 第二種方法缺陷如下:體掃模式中仰角數量減少了，對空域的掃描層數也就減少， 使得層與層之間空隙大大增加，部分層數據缺失，這將影響空間數據的連續性，影響多普勒 天氣雷達垂直分布特征產品的質量，如CAPPI顯示，任意垂直剖面產品，垂直累積液態含水 量等廣品。
[0012] 第三種方法缺陷如下：相控陣天氣雷達采用陣列天線，每個天線需要配備發射和 接受組件(T/R組件），組件數量隨陣列數增多而增大，實現起來技術難度很大，系統設備成 本昂貴，其最初設計主要用于軍事領域，目前正在逐步轉換成民用。如NSSL的相控陣天氣雷 達就耗資2500萬美元。這使它的應用范圍受到限制，只能應用在一些重點區域的監測和預 警。

【發明內容】

[0013] 本發明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種多普勒天氣雷達快速掃描方 法，這種方法不會改變現有體掃模式和數據質量。
[0014] 本發明通過以下技術方案來實現上述目的：
[0015] -種多普勒天氣雷達快速掃描方法，包括以下步驟：
[0016] A:按現有體積掃描模式，保持脈沖重復頻率PRF和天線3dB波束寬度0不變，提高天 線掃描轉速《，從而使原來體積掃描時間減少，提高整個天氣雷達天線掃描速度，實現多普 勒天氣雷達的快速掃描；
[0017] B:在距離時間上對天氣雷達回波信號進行過采樣，以獲得更多的回波樣本數，彌 補因提尚天線掃描轉速 w而減少的有效樣本數；
[0018] C:去相關處理，去除每個發射脈沖內距離時間上過采樣信號的相關性，增加回波 的獨立等效樣本數；
[0019] D:利用所得到的去除相關性后的過采樣信號進行譜矩參數計算，以彌補提高天線 掃描轉速《后，因回波樣本數減少引起的掃描精度降低，從而獲得高精度的掃描結果。
[0020] 具體地，步驟A是根據脈沖重復頻率PRF、天線3dB波束寬度0、脈沖積累數M和天線 掃描轉速《之間的關系得出，這四個參數的關系公式如下：
⑴。
[0022] 具體地，步驟B、C和D的具體方法如下：
[0023]步驟B中回波信號距離時間過采樣指把現在天氣雷達數字中頻中每個脈沖寬度內 采樣一個信號輸出改為采樣多個信號輸出，需要先根據雷達發射脈沖寬度t和中頻信號采 樣頻率fs來確定過采樣倍數L，L倍距離時間上的過采樣回波信號公式如下：
(2)
[0025]其中1是指多個過采樣信號中的第1個信號，p(l) = e(l)*h(l)是雷達發射脈沖包 絡與接收機濾波器系統響應的卷積，e(l)是發射機脈沖包絡，h(l)是接收機濾波器脈沖響 應函數；
[0026]步驟C是設計一個去相關濾波器，通過加權濾波器對距離時間過采樣信號序列進 行加權濾波，使輸出信號相互之間不相關，去相關公式如下：
[0027] Xm=ffVm (3) 其中Xm= [X(0，m)，X(1，m)，???，X(L-1，m)]T為每個發射脈沖內距離時間上去相關處理 后的過采樣信號，長度為L，Vm=[V(0)，V(l)，…，V(L-l)]T為每個發射脈沖內距離時間上去 相關處理前原始的過采樣信號，長度為L，W=[w(0)，…，w(L-l)] T為同一發射脈沖內不同序 號信號對應的去相關系數組成的加權矩陣，m表示第m個脈沖數，T表示脈沖間隔時間；
[0028] 步驟D中譜矩參數計算具體過程如下：
[0032]其中f表示所得到信號的頻率值，？(14)，3(1，〇是第1距離過采樣位置、第!11個去 相關回波信號X(l，m)求得的離散頻域信號和功率譜，M為脈沖積累數，S(f)是L個距離過采 樣位置對應離散功率譜S(1，f)的積累譜，平均功率P、平均徑向速度％及速度譜寬<的譜 矩計算則是基于積累譜S(l，f)開展的計算：
[0036] 其中fi為對應的頻率采樣點，fd表示平均多普勒頻率，A為雷達波長。
[0037] 具體地，獲取加權矩陣W的方法有以下兩種：
[0038]方法一：
[0039] 天氣雷達距離時間過采樣信號的相關性與發射機包絡和接收機濾波器沖擊函數 有關，其相關函數為：
[0040] < (/) = [/，（/) */，(-，）] ^ 1〇)
[0041] 其中p(l)為發射機包絡和接收機濾波器沖擊函數的卷積，對其進行歸一化后用口1" (1)表示 (11)
[0043]考慮到距離庫內各距離過采樣信號之間的相關性，可把其歸一化相關系數組成 Toeptitz-hermitian 矩陣 C:| 如下：
(12)
[0045] 則通用去相關加權系數矩陣W設計為：
[0046] ff=H-i=A-V2UT (13)
[0047] 其中H為相關矩陣Cf均方根，對相關矩陣Cf進行特征分解，矩陣A和U分別為相關 矩陣cf特征分解后的對角矩陣和酉矩陣，cf特征分解如下：
[0048] = H*Hr = (U*Ai/2) *(U*Al/2)J (14)
[0049] 方法二：
[0050] 在小信噪比下，為了降低噪聲提高對譜矩精度的影響，去相關濾波器采用銳化濾 波器處理算法，銳化濾波器設計為：
(15)
[0052]其中SEF為信號增強因子，其表示為：
(16)
[0054]去相關算法的實質是設計一個加權濾波器，其中p為銳化參數，當p為0,加權系數 接近H'當p為無窮時，加權系數接近IT1。
[0055]本發明的有益效果在于：
[0056]本發明提高了旋轉速度，體掃時間降低，改造成本低、效果好，數據質量得到提高， 掃描精度高，提高了天氣雷達快變天氣的監測能力。
【具體實施方式】
[0057]下面對本發明作進一步說明：
[0058]本發明包括以下步驟：
[0059] A:按現有體積掃描模式，保持脈沖重復頻率PRF和天線3dB波束寬度0不變，提高天 線掃描轉速《，從而使原來體積掃描時間減少，提高整個天氣雷達天線掃描速度，實現多普 勒天氣雷達的快速掃描；
[0060] B:在距離時間上對天氣雷達回波信號進行過采樣，以獲得更多的回波樣本數，彌 補因提尚天線掃描轉速w而減少的有效樣本數；
[0061 ] C:去相關處理，去除每個發射脈沖內距離時間上過采樣信號的相關性，增加回波 的獨立等效樣本數；；
[0062] D:利用所得到的去除相關性后的過采樣信號進行譜矩參數計算，以彌補提高天線 掃描轉速《后，因回波樣本數減少引起的掃描精度降低，從而獲得高精度的掃描結果。 [0063]步驟A是根據脈沖重復頻率PRF、天線3dB波束寬度0、脈沖積累數M和天線掃描轉速 ?之間的關系得出，這四個參數的關系公式如下：
(1)。
[0065] 步驟B、C和D的具體方法如下：
[0066] 步驟B中回波信號距離時間過采樣指把現在天氣雷達數字中頻中每個脈沖寬度內 采樣一個信號輸出，需要先根據雷達發射脈沖寬度t和中頻信號采樣頻率f s來確定過采樣 倍數L，L倍距離時間上的過采樣回波信號公式如下： ￡-1
[0067] V{1) - [$(' + m) p(L -1 - ot) (2) m 二Q
[0068]其中1是指多個過采樣信號中的第1個信號，p(l) = e(l)*h(l)是雷達發射脈沖包 絡與接收機濾波器系統響應的卷積，e(l)是發射機脈沖包絡，h(l)是接收機濾波器脈沖響 應函數；
[0069] 步驟C是設計一個去相關濾波器，通過加權濾波器對距離時間過采樣信號序列進 行加權濾波，使輸出信號相互之間不相關，去相關公式如下：
[0070] Xm=ffVm (3)
[0071] 其中1=[父(0，111)，父(1，111)，~，父(1-1，111)]7為每個發射脈沖內距離時間上去相關處 理后的過采樣信號，長度為L，V m=[V(0)，V(l)，…，V(L-l)]T為每個發射脈沖內距離時間上 去相關處理前原始的過采樣信號，長度為L，W=[w(0)，…，w(L-l)] T為同一發射脈沖內不同 序號信號對應的去相關系數組成的加權矩陣，m表示第m個脈沖數，T表示脈沖間隔時間；
[0072] 步驟D中譜矩參數計算具體過程如下：
[0076]其中f表示所得到信號的頻率值，？(14)，3(1，〇是第1距離過采樣位置、第!11個去 相關回波信號X(l，m)求得的離散頻域信號和功率譜，M為脈沖積累數，S(f)是L個距離過采 樣位置對應離散功率譜S(1，f)的積累譜，平均功率P、平均徑向速度％及速度譜寬4的譜 矩計算則是基于積累譜S(l，f)開展的計算：
[0080] 其中fi為對應的頻率采樣點，fd表示平均多普勒頻率，A為雷達波長。
[0081] 獲取加權矩陣W的方法有以下兩種：
[0082]方法一：
[0083] 天氣雷達距離時間過采樣信號的相關性與發射機包絡和接收機濾波器沖擊函數 有關，其相關函數為：
[0084] R!.(!) = [ P (/)*;/(-/) ] (10)
[0085] 其中p(l)為發射機包絡和接收機濾波器沖擊函數的卷積，對其進行歸一化后用口1" (1)表示
(11)
[0087]考慮到距離庫內各距離過采樣信號之間的相關性，可把其歸一化相關系數組成 Toeptitz-hermitian 矩陣 Cf 如下：
(12)
[0089] 則通用去相關加權系數矩陣W設計為：
[0090] ff=H-i=A-V2UT (13)
[0091] 其中H為相關矩陣Cf均方根，對相關矩陣C;進行特征分解，矩陣A和U分別為相 關矩陣Cf特征分解后的對角矩陣和酉矩陣，C;特征分解如下：
[0092] C；=H*Hr=(u4A1/2)*(u*A 1/2)r (14)
[0093] 方法二：
[0094] 在小信噪比下，為了降低噪聲提高對譜矩精度的影響，去相關濾波器采用銳化濾 (15) 波器處理算法，銳化濾波器設計為：
[0096]其中SEF為信號增強因子，其表示為：
(16)
[0098] 去相關算法的實質是設計一個加權濾波器，其中p為銳化參數，當p為0,加權系數 接近H'當p為無窮時，加權系數接近IT1。
[0099] 實施例：
[0100] 修改體掃模式中天線掃描速度及對應參數
[0101 ]修改體掃模式中與天線轉速有關的參數，如表一 VCP11中的方位速率，改為原先設 定值的兩倍，這樣天線旋轉速度就會變為之前的兩倍，體掃時間變為之前的一半。
[0102] 多普勒天氣雷達常用的體掃模式有四種。VCP11:5分鐘內對14個具體仰角的掃描 方式，窄脈沖;VCP21:6分鐘內對9個具體仰角的掃描方式，窄脈沖;VCP31:10分鐘內對5個具 體仰角的掃描方式，寬脈沖；VCP32 :10分鐘對5個具體仰角的掃描方式，寬脈沖。這里以 VCP11的0.5°和1.45°為例，修改見下表所示：
[0103] 表一
[0105] 其他參數和模式可采用類似辦法去修改天線掃描轉速，但需要考慮實際天線出廠 設計的最高轉速限制。
[0106] 天氣雷達回波信號距離過采樣的實施技術
[0107] 回波信號距離過采樣輸出主要在數字中頻實現。實施過程中要實現距離過采樣， 首先根據雷達發射脈沖寬度T和中頻信號采樣頻率f s來確定過采樣倍數L。如果L過大，后端 數據壓力則越大，但去相關效果較好，譜矩精度提高的更好；如果L過小，后端數據壓力雖 小，但譜矩精度提高有限;距離過采樣倍數L取值范圍一般為3-10。其次，根據采樣頻率匕以 及LA的比值，容易確定下變頻的抽取數，保證抽取數為整數，具體可通過抽樣實現。最后根 據需要調整數字中頻的各級LPF濾波器，帶寬調整以與L八匹配。通過距離過采樣技術改進 后的數字中頻輸出的信號數據率為原來的L倍，數據量也增大。
[0108] 步驟3:去相關濾波系數計算
[0109] 根據不同的信噪比，實際使用的去相關濾波器不同，系數也不同，計算的方法也就 不同。在實施過程中，需要計算兩種不同情況下的去相關濾波系數，并加以保存。兩種去相 關濾波系數計算方法在計算相關矩陣cf,前類似，都需要得到天氣雷達發射包絡與接收機 濾波響應的卷積輸出p(l)。但在實際工作中，分開測試這兩個是不容易進行的。
[0110] 獲取p(l)根據實際情況可采取不同的方式。第一種方式是結合天氣雷達自身標定 系統的工作過程，可利用雷達系統RFD和KD標定獲得p(1)，當RFD和KD標定時，發射機速調管 輸出射頻調制信號，耦合到接收機接收通道、數字中頻解調輸出。輸出信號以包絡位置取L 信號即為P(l)。如果第一種方式不容易實現的話，則可采取另一種方式，即從實際天氣回波 中選擇獨立的點雜波位置，通過雷達信號處理器采集過采樣I/Q信號中，通過I/Q信號選取 點雜波所在脈沖過采樣信號，可作為P(1)使用。
[0111] 獲得P(l)后，再根據前面公式（1〇)、（11)、（12)，由口（1)計算得到歸一化相關系數 PR(1)和歸一化相關系數矩陣Cf，在對Cf進行特征分解得到對角矩陣A和酉矩陣U，同時也 可計算得到fWra。
[0112]對于大信噪比下的白化去相關濾波器系數，可由W=A_1/2UT計算得到，濾波系數組 數由過采樣倍數L決定。
[0113] 對于小信噪比下的銳化去相關濾波器系數，則由 計算得到，其中銳化參數P需要根據系統進行調整。
[0114] 從理論上講，對于特定的天氣雷達系統來說，可把p(l)當作常值。但對于實際雷達 系統來說，因雷達發射波形可能發生變化，要定期標定該參數，因此實施時要使信號采集與 更新簡易。上述兩種方式，都滿足這種特點。
[0115] 在去相關濾波器系數存儲方面，也需要根據實際去相關處理情況而定，如果去相 關處理是基于FPGA或DSP處理器的，則需要在FPGA或DSP中開辟存儲空間，進行保存，每次更 新時，由計算機寫入FPGA或DSP中保存。如果是PC平臺，則相對容易，不需要下傳。在濾波器 系數更新后，在下次刷新前，會當作固定系數處理，因此本系數不是真正的自適應處理。
[0116] 去相關濾波處理
[0117]去相關濾波處理要分大信噪比和小信噪比兩種情況處理。在去相關處理中，當回 波信噪比低于5dB時，選用銳化去相關濾波系數，當回波信噪比大于5dB時，選用白化去相關 濾波系數。
[0118]因此，在去相關濾波前需要判斷信噪比的大小。在天氣雷達系統標定系統中，噪聲 功率值是測量得到并保存在軟件中的，而回波信號功率是需要計算得到的。在具體實施過 程中，為了能對每個脈沖回波信號做實時處理，功率計算由L個距離過采樣I/Q信號求得。計 1-1 算方式二[廠(7,講)/ V，其中N為噪聲功率，SNR計算時實時處理，每個距離 庫計算1次。當當前距離庫計算的SNR大于5dB時，讀取白化去相關濾波器系數，作為該距離 庫的濾波器系數;否則，讀取銳化去相關濾波器系數。
[0119]去相關處理過程中，每個脈沖、每個距離庫中每個距離過采樣信號都要分別進行 去相關濾波處理，濾波公式為X(l)=w(l)HV。計算過程采用實時處理。針對當前一個脈沖， 按照先后距離庫位置進行處理，同時以距離庫L個信號為組進行計算，每組中每個信號對應 的濾波器系數不同，待處理完當前距離庫后，再接著處理下一組距離過采樣信號。當當前這 一脈沖的信號全部處理完后，再處理下一個脈沖的回波信號，這樣周而復始。去相關處理后 的信號送后端進行雜波抑制處理及譜矩參數估計，此時距離庫內的過采樣信號相關性大大 降低，但輸出速率仍為L八。
[0120]去相關處理過程中，由于數據率高和運算量大，算法實時性對處理器要求較高。去 相關處理由數字中頻模塊用FPGA完成，實時運算較為容易，系數容易保存與更新，其中濾波 系數的計算，由計算機處理器計算后回寫到FPGA的存儲器進行更新與保存。
[0121] 步驟5:地物雜波抑制處理
[0122] 通過天氣雷達控制軟件來控制參數，如果參數需要進行地物雜波抑制，則跳入該 步驟，進行頻域或時域地物雜波濾除。但該兩種方法都需要對每一個距離過采樣信號進行 分別處理，即對X(1，m)，m = 0,1，進行時域濾波處理或頻域抑制處理。雜波抑制算法采 用常用的時域IIR濾波器或頻域GMAP濾波器方法。
[0123] 譜矩參數計算
[0124] 每個距離庫的譜矩參數計算，需要積累M個脈沖回波數據，且每個距離庫的數據有 MXL個。首先對信號X(1，m)m = 0,1，一M-l進行DFT變換，并計算功率譜S(1，f)，然后依次改 變序號1，直至第L組信號的功率譜S(l，f)計算完成。然后在同一個距離庫進行譜積累得到S (。，最后根據平均功率戶人徑向速度巧及速度譜寬斤^的譜矩估計公式^八⑶八⑶彡計算， 每個距離庫最終計算出一組數據。按照距離庫先后，依次計算所有距離庫的平均功率F、徑 向速度％及速度譜寬
[0125] 本專利技術通過距離時間過采樣、去相關處理技術和提高天線旋轉速率，使天氣 雷達體積掃描時間減少，實現天氣雷達體積掃描速度提高近1倍，最終實現天氣雷達快速掃 描。數字中頻模塊對距離過采樣技術和去相關處理的實施技術，由A/D采樣率及帶寬確定過 采樣倍數，優化抽取數實現最佳下變頻；同時，在數字中頻設計FPGA模塊實現去相關濾波處 理。結合不同信噪比情況下譜矩精度改善的不同，針對不信噪比，采用基于白化去相關和銳 化去相關兩種相結合的濾波處理，使在不同信噪比的情況下都能達到數據精度提高的目 的。實際天氣雷達中去相關濾波系數獲取及更新的方式。由標定過程采集發射機耦合回來 的測試信號或由實際天氣回波信號分析得到與發射機包絡和接收機濾波沖擊響應相關的P (1 )，并以此計算得到去相關濾波系數，并定期計算和更新。
[0126] 本發明所述多普勒天氣雷達快速掃描方法具有以下技術效果：
[0127] 1、旋轉速度提高且體掃時間降低
[0128] 通過修改多普勒天氣雷達體掃模式中的方位速率參數，使得機械天線旋轉速度加 快，減少了在目標上的駐留時間，從而降低了體掃時間，實現天氣雷達的快速掃描。
[0129] 2、改造成本低、效果高
[0130]基于現有的已布網的多普勒天氣雷達系統，僅通過距離時間過采樣技術和去相關 濾波算法，使多普勒天氣雷達具備快速掃描能力，無需使用高成本、難實現的相控陣天線， 在保證效果的前提下，節省了大量的人力財力；
[0131] 3、數據質量得到提高
[0132]天線轉速提高后，雖然在目標上的駐留時間減少導致目標回波的時間采樣樣本數 減少，但本發明采用了距離時間過采樣技術，提高了距離時間上的采樣數，又采用去相關濾 波算法去除距離過采樣信號之間的相關性，最大化降低譜矩估計誤差，彌補了因時間采樣 數減少帶來的不足，使得數據質量得到提高；
[0133] 4、提高天氣雷達快變天氣的監測能力
[0134] 通過快速掃描改進后，使得多普勒天氣雷達時間分辨率得到提升并能夠更好、更 快地跟蹤短時間內快變的災害性天氣的產生、發展和消失過程，為觀測、研究、預報這類災 害性天氣提供高質量的數據，從而有效地減少這類災害性天氣對生命財產帶來的巨大損 失。
[0135] 以上僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和 原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍內。
【主權項】
1. 一種多普勒天氣雷達快速掃描方法，其特征在于，包括以下步驟： A:按現有體積掃描模式，保持脈沖重復頻率PRF和天線3dB波束寬度Θ不變，提高天線掃 描轉速ω，從而使原來體積掃描時間減少，提高整個天氣雷達天線掃描速度，實現多普勒天 氣雷達的快速掃描； Β:在距離時間上對天氣雷達回波信號進行過采樣，以獲得更多的回波樣本數，彌補因 提尚天線掃描轉速ω而減少的有效樣本數； C:去相關處理，去除每個發射脈沖內距離時間上過采樣信號的相關性，增加回波的獨 立等效樣本數； D:利用所得到的去除相關性后的過采樣信號進行譜矩參數計算，以彌補提高天線掃描 轉速ω后，因回波樣本數減少引起的掃描精度降低，從而獲得高精度的掃描結果。2. 根據權利要求1所述的多普勒天氣雷達快速掃描方法，其特征在于:步驟A是根據脈 沖重復頻率PRF、天線3dB波束寬度Θ、脈沖積累數M和天線掃描轉速ω之間的關系得出，這四 個參數的關玄/A才f/π?^ . ⑴。3. 根據權利要求1所述的多普勒天氣雷達快速掃描方法，其特征在于，步驟B、C和D的具 體方法如下： 步驟B中回波信號距離時間過采樣指把現在天氣雷達數字中頻中每個脈沖寬度內采樣 一個信號輸出改為采樣多個信號輸出，需要先根據雷達發射脈沖寬度τ和中頻信號采樣頻 率fs來確定過采樣倍數L，L倍距離時間上的過采樣回波信號公式如下：(2) 其中1是指多個過采樣信號中的第1個信號，P(l)=e(l)*h(l)是雷達發射脈沖包絡與 接收機濾波器系統響應的卷積，e(l)是發射機脈沖包絡，h(l)是接收機濾波器脈沖響應函 數； 步驟C是設計一個去相關濾波器，通過加權濾波器對距離時間過采樣信號序列進行加 權濾波，使輸出信號相互之間不相關，去相關公式如下： Xm = WVm (3) 其中Xm=[X(0，m)，X(l，m)，...，X(L-l，m)]τ為每個發射脈沖內距離時間上去相關處理 后的過采樣信號，長度為L，Vm=[V(0)，V(1)，. . .，V(L-1)]T為每個發射脈沖內距離時間上去 相關處理前原始的過采樣信號，長度為L，W= [W(0)，···，w(L-l)]T為同一發射脈沖內不同序 號信號對應的去相關系數組成的加權矩陣，m表示第m個脈沖數，T表示脈沖間隔時間； 步驟D中譜矩參數計算具體過程如下：(4) (53 (6) 其中f表示所得到信號的頻率值，？(14)，3(1，〇是第1距離過采樣位置、第!11個去相關 回波信號X(l，m)求得的離散頻域信號和功率譜，M為脈沖積累數，S(f)是L個距離過采樣位 置對應離散功率譜S(1，f)的積累譜，平均功率P、平均徑向速度％及速度譜寬<的譜矩計 算則是基于積累譜S(l，f)開展的計算：(7) (8) (9) 其中匕為對應的頻率采樣點，fd表示平均多普勒頻率，λ為雷達波長。4.根據權利要求3所述的多普勒天氣雷達快速掃描方法，其特征在于，獲取加權矩陣W 的方法有以下兩種： 方法一：天氣雷達距離時間過采樣信號的相關性與發射機包絡和接收機濾波器沖擊函數有關， 其相關函數I- C10)考慮到距離庫內各距離過采樣信號之間的相關性，可把其歸一化相關系數組成 Toeptitz-hermitian 矩陣 如下： 其中p(l)為發射機包絡和接收機濾波器沖擊函數的卷積，對其進行歸一化后用口^〗)表 示 (11) 則通用去相關加權系數矩陣W設計為： (12) W=H-1= A^172Ut (13) 其中H為相關矩陣均方根，對相關矩陣Cf進行特征分解，矩陣Λ和U分別為相關矩 陣Cf特征分解后的對角矩陣和酉矩陣，特征分解如下： (14) 方法二：在小信噪比下，為了降低噪聲提高對譜矩精度的影響，去相關濾波器采用銳化濾波器 處理算法，銳化濾波器設計為：(15) 其中SEF為信號增強因子，其表示為：(16) 去相關算法的實質是設計一個加權濾波器，其中P為銳化參數，當P為O，加權系數接近H '當P為無窮時，加權系數接近IT1。
【文檔編號】G01S7/285GK105891831SQ201610188879
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月29日
【發明人】李學華, 侯小宇, 何建新, 史朝, 唐順仙, 張福貴, 王旭, 王傳志
【申請人】成都信息工程大學