（信号与信息处理专业论文）脉冲多普勒天气雷达解模糊算法研究.pdf

摘要摘要脉冲多酱勒天气雷达能够探测云雨的位置、强度分白情况，并利用降水物的多普勒信息，探测天气目标相对于雷达的速度、谱宽，在一定条件下反演出大气风场、气流垂直速度的分布等，这对于研究降水的形成，分析中小尺度天气系统，警戒强对流天气有着重要的意义。天气目标的动态范围大于1 0 0 d b ，中等强度的暴雨的平均速度为5 0 m s ，因此要求雷达具有较大的测距和测速范围，否则会出现距离和速度模糊现象，影响雷达的探测性能。在脉冲多普勒天气雷达中，不模糊距离随着脉冲重复周期( p r t ，p u l s er e p e t i t i o nt i m e ) 的增加而增加，而不模糊速度随着p r t 的增加而下降，为满足距离不模糊而选择较大的p r t ，会出现速度模糊问题，反之，为满足速度不模糊而选择较小的p r t ，则会出现距离模糊问题，因此解距离速度模糊是多普勒雷达的一个重要课题。批处理方法是美国w s r - 8 8 d ( w e a t h e rs u r v e i l l a n c er a d a r - - 1 9 9 8d o p p l e r ) 雷达采用的一种解模糊方法，该方法是在时域上将折叠的回波分开，在应用上相对简单，但是该方法不能恢复出弱回波的速度，当短p r t 扫描重叠回波的功率比在5 d b 以内时，也不能恢复出强折叠回波的速度，在回波图上，只能用紫色区域表示该处存在模糊。s z ( 8 6 4 ) 相位编码和交替p r t 是近十年来出现的解模糊算法。s z ( 8 6 4 ) 相位编码在于改变发射脉冲和接收回波的相位，使强回波被同步，弱回波被调制，在频域上滤除强回波分量，利用剩余的弱回波谱分量可以恢复出弱回波，该算法使雷达发射低p r t 的脉冲，获得较大的不模糊速度，对于距离上可能出现的模糊现象，在频域上将折叠的回波分开；交替p r t 是雷达发射p r t 交替变换的脉冲，利用两个重复周期的回波得到两个速度估值，根据这两个速度值在不同的奈奎斯特间隔内发生模糊来得到真实的不模糊速度，当重复周期的比为n ：m 时( 1 1 m 互为质数) ，可以得到n 倍的不模糊速度。同批处理方法相比，这两种方法大大减小了模糊区域。脉冲多蒈勒天气雷返解模糊算法研究，国内的天气雷达目前采用批处理和交替p r t 技术解模糊，而s z ( 8 6 4 ) 相位编码作为一种新的解模糊方法，具有非常高的研究价值和应用前景。本文分别介绍了这三种解模糊方法的原理、应用和使用条件，荤点讨论了s z ( 8 6 4 ) 相位编码算法，并在基于a d s p t s l 0 1 的信号处理器上实现了s z ( s 6 4 ) g 位编码和交替p r t算法，在本文的最后，介绍了d s p 软件的设计。自2 0 0 6 年，开始利用新的信号处理器在3 8 3 0 雷达上进行实验，得到了初步的实验结果，本文给出了一些实验结果，这些数据证明了s z ( 8 6 4 ) 相位编码和交替p r l 、算法可以有效的解距离、速度模糊。关键词：脉冲多普勒天气雷达；解距离、速度模糊：批处理方法；s z ( 8 6 4 ) 相位编码算法；交替p r t 算法；na b s t r a c ta b s t r a c tp u l s ed o p p l e rw e a t h e rr a d a r sc a nn o to n l yd e t e c tt h el o c a t i o na n di n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no fr a i n ，b u ta l s o d e t e c tt h em o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fh y d r o m e t e o r sa c c o r d i n gt od o p p l e ri n f o r m a t i o nc o n t a i n e di nw e a t h e re c h ow h i c hi sh e l p f u lf o ra c q u i s i t i o no f w i n df i e l di n f o r m a t i o na n dt h ew i n dv e r t i c a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n t h i si sv e r yi m p o r t a n tt ot h er e a s e a r c ho ft h ef o r m i n go fp r e c i p i t a t i o n ，t h ea n a l y s mo ft h em i c r o s c a l ew e a t h e rs y s t e m ，a n dt h ef o r e c a s t i n go fs t r o n gc o n v e c t i o nw e a t h e rp h e n o m e n o n t h ed y n a m i cr a n g eo fw e a t h e rt a r g e t se c h op o w e rc a ne x c e e d1 0 0 d b ，a n dt h em e a nv e l o c i t yo f m o d e r a t ei n t e n s i t ys t o r m sa 糟a b o u t5 0 m s b e c a u s eo f t h er e l a t i v e l yb r o a dd i s t r i b u t i o no fv e l o c i t yi ns t o r m sa n dt h ew i d e s p r e a dd i s t r i b u t i o no fr a i ns h o w e r s ，p u l s ed o p p l e rw e a t h e rr a d a r sa r ep l a g u e dw i t ht h er a n g e - v e l o c i t ya m b i g u i t y i nt h ep u l s ed o p p l e rr a d a r s ，i n c r e a s i n gt h ep r ti n c r e a s e s ( d e c r e a s e s ) t h eu n a m b i g u o u sr a n g ew h i l ed e c r e a s i n g ( i n c r e a s i n g ) t h eu n a m b i g u o u sv e l o c i t y f i n d i n gas o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo fr a n g e v e l o c i t ya m b i g u i t yi sas i g n i f i c a n tp r o b l e mb e c a u s ea m b i g u i t i e sl i m i tt h ei n h e r e n tc a p a b i l i t yo f t h ep u l s ed o p p l e rw e a t h e rr a d a r s t h eb a t c hm o d ei sa p p l i e di na m e r i c a nw s r - 8 8 dr a d a rt om i t i g a t ea m b i g u i t y ，w h i c hc a ns e p e r a t eo v e r l a i de c h o e si nt i m ed o m a i n i t se a s yt or e a l i z e h o w e v e rt h i sa l g o r i t h mc a n n o tr e c o v e rt h ev e l o c i t yf r o mw e a k e rt r i p sa n df a i l si nr e g i o n sw h e r et h eo v e r l a i dt r i pp o w e r si nt h es h o r tp r ts c 觚a r ew i t h i n5 d bo fe a c ho t h e r d o p p l e rv e l o c i t yd i s p l a y sc h a r a c t e r i z et h e s ef a i l u r e sb ye n c o d i n gl o c a t i o n so fs u c ho v e r l a i dp o w e r sw i t hap u r p l ec o l o r o v e rt h el a s td e c a d e ，t w ot e c h n i q u e sh a v ee m e r g e da sv i a b l ec a n d i d a t e st om i t i g a t er a n g e v e l o c i t ya m b i g u i t y t h e s ea r es z ( 8 6 4 ) p h a s ec o d i n ga n ds t a g g e r e dp r t i nt h ep h a s ec o d i n gt e c h n i q u e ，t h et r a n s m i t t e dp u l s e sa n dt h er e c e i v e de c h os a m p l e sa r ep h a s es h i f t e dt oc o h e r et h es t r o n g e rs i g n a la n dm o d u l a t et h ew ea ：k e r1 1 1脉冲多普勒天气雷达解模糊算法研究s i g n a l t h e nt h es t r o n g e rs i n g a li sf i l t e r e du s i n gaf i x e dw i d t hn o t c hf i l t e r t h ew e a k e rs i g n a li st h e nc o h e r e d s z ( 8 6 4 ) p h a s ec o d i n ga l l o w st h eu s eo f as h o r tp r tt oa c h i e v em a x i m u mu n a m b i g u o u sv e l o c 毋a n ds e p a r a t e st h eo v e r l a i de c h o e sd u et os h o r tp r ti ns p e c t r a ld o m a i n w i t ht h es t a g g e r e dp r tt e c h n i q u e ，t r a n s m i t t e dp u l s e sa r es p a c e da ta l t e r n a t i n gp r t s v e l o c i t se s t i m a t e sa l em a d ei n d e p e n d e n t l yf o re a c hp r t u s i n gt h ef a c tt h a tt h ed o p p l e rv e l o c i t i e so b t m n e df r o mt h es h o r ta n dl o n gp r t sa l i a si nd i f f e r e n tn y q u i s ti n t e r v a l s ，t h et r u ev e l o c i t yc a l lb ec a l c u l a t e d f o ra n ys t a g g e r e dp r tr a t i on m ，w h e r ena n dma r er e l a t i v e l yp r i m ei n t e g e r s ，t h i sd e a l i a s i n ga l g o r i t h mc a l le x t e n dt h em a x i m u mv e l o c i t yt ont i m e sl a r g e rt h a nw h a ti sp o s s i b l ew i t hau n i f o r mp r t c o m p a r e dt ot h eb a t c hm o d e ，b o t hs z ( 8 6 4 ) p h a s ec o d i n ga n ds t a g g e r e dp r tp r o d u c eas i g n i f i c a n t l ys m a l l e ra m o u n to f o b s c h u r a t i o nd u et oo v e d m de c h o e s b a t c hm o d ea n ds t a g g e r e dp r tt e c h n i q u e sa r ec u r r e n t l ya p p l i e di nd o m e s t i cw e a t h e rr a d a r s s z ( 8 6 4 ) p h a s ec o d i n ga l g o r i t h mh a sm o r er e s e a r c hv a l u ea n da p p l i c a t i o nf u t u r e 勰an e wa m b i g u i t ym i t i g a t i o na l g o r i t h m t h ep r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no f e a c ha l g o r i t h ma l ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r l i m i t a t i o n sa n dt r a d e o f f sa r ea l s op r e s e n t e d t h ef o c u si so nt h es z 4 8 6 4 ) p h a s ec o d i n ga l g o r i t h m s z ( 8 6 4 )p h a s ec o d i n ga n ds t a g g e r e dp r ta l g o r i t h m sa l er e a l i z e di nd s pb a s e du p o na d s p - t s l 0 1 f r o m2 0 0 6 ，t h en e wd s pi su s e do n3 8 3 0r a d a rt oi n v e s t i g a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h e s et w oa l g o r i t h m s d s ps o t t w a r ed e s i g ni si n t r o d u c e di nd e t a i la tt h ee n do f t h i sp a p e r t h ep a p e rs h o w st h ep r e l i m i n a r yr e s u l t sc o l l e c t e dw i t ht h e3 8 3 0w e a t h e rr a d a re x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h ea b i l i t yo fs z ( 8 6 4 ) p h a s ec o d i n ga n ds t a g g e r e dp r tt oe f f e c t i v e l ym i t i g a t er a n g e - v e l o c i t ya m b i g u i t y k e y w o r d s ：p u l s ed o p p l e rw e a t h e rr a d a r ：r a n g e v e l o c i t ya m b i g u i t yr e s o l u t i o n ；b a t c hm o d e ；s z ( s 6 4 ) p h a s ec o d i n ga l g o r i t h m ；s t a g g e r e dp r ta l g o r i t h r ai v独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得寄自救大裁其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：詹手堇签字日期：2 ”6 年岁月，日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解审敝大等有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权窀 数争可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：压干堇导师签名美。妒席签字日期：2 6 年5 月j 日签字日期：山6年j 月宁日f学位论文作者毕业去向：工作单位：电话：通讯地址：邮编：第一章引言第一章引言1 1脉冲多普勒天气雷达概述脉冲多普勒天气雷达具有常规天气雷达探测降水回波的位置、强度功能，并以多普勒效应为基础，通过测定接收信号与发射信号频率之间存在的差异，进一步得出雷达电磁波有效照射体积内，降水粒子相对于雷达的平均径向运动速度和速度潜宽，从而在一定条件f ，反演出大气风场、气流垂直速度的分却，以及揣流状况等。庙k 冲多普勒天气雷达是分析中小尺度天气系统，警戒强对流危险天气，制作短对天气预报的强有力的工具，它不仅适用于各级气象部门，而且在水利、农业、交通、盐场、大气物理研究等领域都有着广泛的应用前景。脉冲多普勒天气雷达工作的原理如图1 1 所示，雷达发射机产生所需强度的电磁能，其波形是脉冲宽度为f ，重复周期为疋的高频脉冲串，发射机输出的功率经收发开关传输给天线，由天线将此电磁能定向辐射到空间，位于天线波束内的降水粒子将截取部分电磁能，将电磁能向各方向散射，其中后向散射的能量朝向雷达接收方向，雷达天线接收到后向散射的电磁能，就通过收发开关和馈线传输给接收机，接收机将这微弱信号放大并将其转换为数字信号送至信号处理，信号处理的主要工作足抑制杂波，利用回波的幅度和相位信息提取天气目标的有用信息，主要是目标的强度、径向运动速度和速度的分布范围，信号处理将结果送给终端显示，终端程序还利用这些信息产生二次气象产品，为天气预报提供准确的信息【l 瑚。天气雷达监测大片的空间，雷达能够分辨的最小体积称为分辨体。如图l - 2所示，分辨体的中心在( r o ，a o ，弛) ，尺寸为( ，l ，b ，纯) ，径向分辩率= c r 2 ，方位分辩率为波束水平宽度仍，仰角分辩率为波束垂直宽度鼠，每一个分辨体的回波是分辨体内大量分散的降水粒子对电磁波散射的综合结果。脉冲多蒈勒天气雷达解模糊算法研究图1 1 脉冲多普勒天气雷达工作简化框图f i g 1 - 1s i m p l i f i e db l o c kd i a g r a mo f ap u l s e dd o p p l e rw e a t h e rr a d a r图1 - 2 分辨体示意图f i g 1 - 2r e s o l u t i o nv o l u m ed e s c r i p t i o n、- 一，f图l 一3 天气雷达回波采样时问、距离时间示意图f i g 1 - 3d e p i c t i o no f s u m p l et i m ea n dr a n g et i m ei nap u l s e dd o p p l e rw e a t h e rr a d a r2第一章- j i 占在发射脉冲后，将接收到连续的天气回波，在距离时问r ，处可以得到一个复电压信号v ( r ，) = ，( f 。) + o ( r ，) ，产生该回波的目标距离雷达的距离是r = c r j 2 ，不考虑雷达天线的转动，v ( r 。) 表示同一个天气目标的回波，我们是要对时间轴上相同距离时间、不同发射脉冲的回波信号v ( r ，r o t , ) 进行分析，如图1 - 3 所示。1 2 解模糊问题研究背景在脉冲多普勒人气宙达中，最大小模糊距离为屹：要( 1 - 1 )当天气目标的距离大于如时，该回波出现的位置并不在产生该回波的发射脉冲周期内，或者说矾+ ，j 处的天气回波是出现在相同的距离时间上，而雷达将把它们当作，；处的回波进行处理，这就是天气雷达的距离模糊问题。在天气雷达中，距离在，口内的回波称为一次回波，距离在和2 屹内的回波称为二次回波，依次类推，有可能存在三次甚至更高次回波。为了避免距离模糊问题的出现，我们想到尽可能的增大瓦，从而增大，口，但是，雷达的重复频率为工，根掘奈奎斯特定律，脉冲多普勒天气雷达可以测量的最大多普勒频率厶一= 正，由于目标的多普勒频率有正、有负，所以，六一= z 1 2 ，当厶一 丘2 时，会出现速度模糊现象，这里要说明的是多普勒频率和多普勒速度的关系是f 。尝( 1 - 2 )式中五为天气雷达的发射波长，脉冲多普勒雷达的不模糊速度为2 老“3 )最大不模糊距离和速度之间的关系为匕= 譬( 1 - 4 )上式表明，在a 一定的情况下，、v 4 之间是矛盾的关系。由于气象目标在空间中连续分布，而且回波的动态范围很大( 1 0 0 d b ) ，因此，对于一定的脉冲重复周期( p r t ) ，气象回波不仅会发生速度模糊，而且还会出现距离模糊，目脉冲多普勒天气雷达解模糊算法研究，前并没有彻底解决气象回波距离和速度模糊问题的方法，最好的方法只足减弱距离模糊和速度模糊。国内外多普勒天气霄达目前多采用的解模糊方法是双亏频和批处王甲。1 ) 双重频方法：在天线低仰角时，雷达做两次p r t 不同的p p i 扫描，短p r t扫描得到速度场，长p r t 扫描时得到天气回波的强度场和谱宽场，并利用长p r t的功率场去定位短p r t 得到的速度场是一次回波还是二次回波。2 ) 批处理方法：在大线中等仰角时，地物回波较弱，不需要通过两次均匀p r t 扫描得到同一仰角上回波的参数，在一次p p i 扫描中，按照一组短p r t ，一组长p r t 的规律发射脉冲，解模糊的方法与双重频方法相同，这样，一次p p i扫描就可以得到回波的三个参数。在高仰角时，由于暴雨的高度一般不超过1 8 k i n ，因此，即使短p r t 也不会出现距离模糊现象。上述两种解模糊的方法，当短p r t 回波的一次回波和二次回波的功率差在5 d b 以内时，不能分辨出速度场究竟是一次回波还是二次回波，这种情况下，多普勒速度场的显示只能用紫色区域表示该处存在距离模糊现象。近十年来，n s s l ( n a t i o n a ls e v e r es t o r m sl a b o r a t o r y ) 及n c a r ( n a t i o n a lc e n t r ef o r a t o m o s p h e d er e s e a r c h ) 提出了s z i ：8 6 4 ) 相位编码和交替p r t 方法，并在w s r - 8 8 d ( w 色a m e r s u r v e i l l a n c e r a d a r - 1 9 9 8 d o p p l e r ) 进行了实验【3 l 。1 ) 交替p r t 方法：该方法最初由s i r m a n s l 9 7 6 年在天气雷达中提出，雷达发射p r t 按照乃、乃交替变化的脉冲( 乃 5 d b ( f = l 、2 、n ) ，表示短p r t 的回波在该位置有较强的二次回波存在( 第n + i 个距离库的回波叠加到了第i 个距离库上) ，那么该距离库的速度和谱宽不可信，赋一个特殊值，在终端被用紫色标记表示，该距离库的i 、谛值赋给f ( n + f ) 、谛( + f ) ；如果不满足上述关系，表示没有二次回波存在，或者二次回波的强度不足以影响一次回波的谱矩估计【3 1 。3 2 应用采用4 0 个发射脉冲为l 组，分成前8 个脉冲和后3 2 个脉冲。前8 个长p r t得到目标的强度资料，用后3 2 个短p r t 再得到目标的速度和谱宽资料。最后的处理结果为：在没有较强的二次回波存在时，给出一次回波的强度，速度和谱宽；当存在较强的二次回波时，给出一次回波的强度，同时用特殊标记表明此时的速度和谱宽为不可信。图3 一l 是发射脉冲时序图，每隔4 0 个脉冲时序就进行二次循环。8第三章批处理解模糊方法叫叫删山删删删幽叫叫叫删删咄删删删图3 - 1批处理方式下的发射脉冲时序f i g 3 - lt r a n s m i t t e dp u l s et i m i n gi nt h eb a t c hm o d e衡量是否存在较强的二次回波需要用到两个参量。一个是噪声功率门限n ，一个是功率比门限p ，。在解距离模糊过程中，首先要加入对噪声功率门限n 的判断。只确一次回驶功辜和二次刚政功率都大 噪声功率门限的时候，才进入到解模糊的算法中。 是对休止区的噪声样本计算后得到的，只可以在终端程序设定，般为5 d b 。对产生折叠的一次和二次回波功率p ( 0 和舯d 而言，有如下关系：1 ) p ( + o 只，哥、1 值赋给庐( o 、谛( f ) ，给矿( + i ) 、议n + i ) 赋零值；2 ) 多c n + o 只，多( f ) 只，进一步和功率比l - j 限只进行比较；3 ) 声( 4 - 0 只，b ( 0 只，奇、谛值赋给帚( + j ) 、坝n + 0 ，给哥( f ) 、预o赋零值。对于第2 ) 种情况，需要进一步往下分析，进入批处理解模糊算法。3 3 回波数据图3 2 、图3 - 3 是该方法应用在3 8 3 0 雷达中，采集的真实回波图像。图3 2为1 2 0 0 h z 批处理解模糊的情况，图3 - 3 为1 2 0 0 h z 不解模糊的情况。图3 - 4 是对两种方法的速度场进行比较，左边标注为a 的远距离回波，在不解模糊的时候，就会进行距离折叠，变成右边标注为b 的回波。9脉冲多营勒天气雷达解模糊算法研究图3 - 21 2 0 0 h z 批处理解模糊的回波图f i g 3 - 21 2 0 0 h ze c h of i e l dc o r r e s p o n d i n gt ot h eb a t c hm o d e图3 - 31 2 0 0 h z 不解模糊时的回波图f i g 3 - 31 2 0 0 h ze c h of i e l dc o r r e s p o n d i n gt ot h en o r m a lm o d e1 0第三章批处理解模糊方法图3 4 批处理解模糊和不解模糊时速度场的比较f i g 3 - 4d o p p l e rv e l o c i t yf i e l dc o m p a r i s o nb e t w e e nt h eb a t c hm o d ea n dn o r m a lm o d e3 4 小结批处理方法是在时域上将重叠的回波分开，该方法的原理比较简单，易于实时处理，缺点是不能恢复弱回波的速度，并且当叠加的回波功率比较接近时( p 2 ，那么s n r k o d b ，满足谱矩估计的条件，如果p l p 2 ，那么s n r 。 o d b ，一次回波谱矩估计值不可信，因此强回波的谱矩可以直接从同步后的时间序列估计，而弱回波仍需其它处理。在下面的讨论中，假设一次回波是强同波，二次回波足弱蛔波。用表示二次回波( 弱回波) ts 表示一次回波( 强回波) ，发射脉冲被s z ( 8 6 4 )变换码口，进行了相位调制，因此j 。、h 的相位发生了变换，由于s ，、m 是同时接收的两个相邻发射脉冲的回波，它们的相位调制码相差一个p r t ，如果对j 。进行同步，那么被调制码q 调制，相位编码过程的数学表示方法如下式所示。强回波被同步，弱回波被调制vl=clwl+si(4-5)强回波被滤波弱回波被同步v “= z o ( c ) ( 4 - 6 e j = c j m 圆“w ) 】( 4 7 1。，瓯，g 为，j ，q 相应的频域表达式，则相应的频域处理的数学表示方法如下式所示。强回波被同步，弱回波被调制圪= c k 圆矾+ s ( 4 8 )强回波被滤波弱回波被同步比= e ( c 。固)( 4 - 9 1b = 吒固【只( q 固) 】( 4 1 0 11 6第四章s z ( 8 6 4 ) 相位编码解模糊算法，图4 5 是8 z ( 8 6 4 ) 编码时谱矩估计过程的示意图，第1 个图足回波叠加时的幅度谱，当一次、二次回波的多普勒速度不同时，可以看到两个谱峰；信号处理首先分别对次、二次回波进行同步，得到两个时间序列，对应的幅度谱分别如第2 、3 个图所示，由于两个时l 日j 序列的r r 缈相同，而r 例不受折叠凹波的影响，因此通过比较r 仃j 的模值来找出强回波，下面只需对强回波被同步的时间序列进行处理，这里认为一次回波是强回波：由于二次回波被调制后，其频谱被平分为8 个均匀分前】的复制谱，不影响一次回波速度的估计，因此采用p p p 算法估计a 、p 。、饥，此时计算出的a 其实足a 、声：的和，在最后得到p ：后，需要从p 。中减去声：对其进行修正；p 。使s n r ：。 2 ，非同步的功率p 2 ( 1 - n 。咖。等效为噪声；s z ( 8 6 4 ) 相位编码中，同步的二次回波功率和随机相位编码相同，但是未同步的二次回波对称的分布在信号功率谱的副瓣中，不会影响速度估计，因此副瓣的功率也看作是信号的功率。定义剩余功率比为总功率和滤波后剩余功率的比值，对于高斯功率谱耻 1 _ 文剖一c 2 l脉冲多普勒天气雷达解模糊算法研究式中的e r r 为误差函数。二次回波等效信噪比为s mz 。= 雨忑( 1 石- n ”丽) p2(4-24)s n r 2 。的最大值为( s n r 2 。) 。= s n r2 。如果w 2 较大，二次回波的复制谱之问互相重叠，导致同步后其功率谱的边带不再对称，这样副溉的功率等效为噪声功辛。要同步二次回波，至少需要两个复制谱，那么( 阼，) 一= 0 7 5 。一次回波的剩余功率对于二次回波而言相当于噪声，所以，当功率比a 扔非常大，以至于淹没- f - - 次回波信号，使s n r ：。 2 0 d b ) ，s n r 2 。= o d b 时p 。i p 2 = ( 1 - n ，江，( 4 - 2 5 )( p 1 p ：，w i ) 曲线如图4 - 8 所示，曲线以下的区域是二次回波可以恢复的区域。由图4 - 8 可知，随着一次回波谱宽的增加，二次回波可以恢复的范围逐渐减小，这是由于一次回波谱宽较大，对其进行凹口滤波后，仍有很多剩余的功率影响二次回波的恢复，因此对相位编码方法影响最大的因素在于一次回波的谱宽。第四章s z ( 8 6 4 ) 相位编码解模糊算法s n f 毪l l m df o rs zc o d e。州删j，7，1w l = 0 0 4 , j , i，7 一。刊j 卸黟咀么 ，哆w l = o1 2，7 ，7卅竺1 苎- _ 、1么鏖篓三二= 二二二里1 5 、：00 10 20 30 40 50 50 7o 80 91n w图4 - 7s z ( s 6 4 ) 相位编码时二次回波等效信噪比曲线f i g 4 - 7s n r 2 , f o rt h es z ( 8 6 4 1p h a s ec o d i n ga l g o r i t h ma已娶i图4 - 8s z ( s 6 4 ) 相位编码时二次回波恢复的区域f i g 4 - 8t h er e c o v e r yr e g i o no fs e c o n dt r i pf o rs z ( 8 6 4 ) p h a s ec o d i n ga l g o r i t h m他0加1日pj一叱z脉冲多普勒天气雷达解模糊算法研究4 2 应用4 2 1 窗函数效应受天线转速的限制，用于谱矩估计的回波数据长度有限，这相当于对随机过程的时间序列加了一个矩形窗。在s z ( 8 6 4 ) 相位编码中，弱回波的恢复要求远离强回波谱中心的弱回波复制谱不受强回波副瓣的影响，从而利用它们可以恢复出弱回波，矩形窗函数的副瓣电平为4 0 d b ，这使得r 一，= 4 0 d b ，降低了弱回波可以恢复的范围。为了减小矩形窗副瓣对弱回波谱矩估计的不利影响，需要采用优化的窗函数对回波数据进行加权。对归一化谱宽为0 0 1 ，归一化速度为0的回波分别用矩形、h a m m 、h a r m 三种窗函数进行加权，加权后回波的功率谱如图4 9 所示，显而易见，h a r m 窗的副瓣电平最低，达到6 0 d b ，因此采用h a r m窗函数对回波数据进行加权。图4 - 9 窗函数加权后的回波功率谱f i g 4 - 9t h es i g n a lp o w e rs p e c t r u ma f t e rw i n d o wf u n c t i o nw e i g h t i n g4 2 2 相位误差在相位编码雷达中，发射脉冲的相位是利用移相器进行平移的，移相器的精2 4第四章s z 8 6 4 ) 相位编码解模糊算法度必然影响相位编码算法的实现。相位误差有随机和固定两牵争情况。随机误差由发射机相位扰动、移相器驱动电压的起伏和传输路径引起，固定误差主要由数字移相器的量化误差引起。接收回波的相位为只+ ”+ 占虻，其中帆是s z ( 8 6 4 ) 编码的相位，6 ”是随机误差，将回波的相位减去”对一次回波进行同步，这样”被消除，如，却仍存在，导致了一次、二次回波不能完全同步，使s n r 五降低，影响二次回波的恢复。6 躬均匀分布在【 s ，5 】区j h j 内，s 5 。时，等效剩余功率比表示力气r * 2 。( 3 - 9 2 ) 1 - e r f ( n w v o 。l w l 压) + c 2 ( 1 - n w ) 。4 - 2 6 n ，；0 7 5 ，s n r 知= o d b 时，( a ，仍，m ，砖曲线如图4 - 1 0 所示。图4 一1 0s z ( 8 6 4 ) 相位编码时不同相位误差情况下二次回波恢复的区域f i g 4 - 1 0t h er e c o v e r yr e g i o no f s e c o n de c h of o rd i f f e r e n tp h a s el 舅 l o rf o rs z ( 8 6 4 ) p h a s ec o d i n ga l g o r i t h m对于占= o 1 。，w l ( 2 v o ) o 0 7 ，二次回波恢复的区域为p l p 2 6 0 d b 。脉冲多苷勒天气雷达謦模期算法研究4 2 3 地杂波滤波器地杂波出现在近距离处，所以认为其出现在一次回波中，不论一次、二次回波哪一个是强回波，对一次回波同步后，都必须鹰除地杂玻。日的采用的足i i r滤波器，由于该滤波器的频率相应是非线性的，这种非线性将降低s z ( 8 6 4 )算法的性能，带来以估讨的偏差。i i r 滤波后的信号为：丘( f ) 固p ( f ) v ：( f ) + v 。( 1 ) 】( 4 2 7 )p n f 滤波后的信号为：，( f ) o 正( f ) ok ( o v 2 ( f ) 】( 4 - 2 8 )对弱回波进行同步；0 扩o ) o 工( f ) 园k o 弘：( f ) b ( 4 - 2 9 )由于c ( f ) 具有非线性相位，破坏了调制码频谱的相位，引起专：估计的偏差，因此不建议采用i i r 滤波器，而采取一种谱处理滤波器。地杂波的功率主要分布在以零速为中心的2 矿1 个谱分量中，用个理想的凹口滤波器滤除该z 矿1 个谱分量，以获得最大的地杂波抑制比，由于该过程同样会拟制天气回波的部分谱分量，从而使谱矩估计的误差增大，所以通过线性内插法对丢弃的谱分量进行补偿，补偿的方法如下式所示。以( 七) =y ( 七)y ，警p )矿，警帅)p 七 n p0 七p( 4 3 0 )n p s k n圪。v ( n - p - 1 ) ：+ v ( n - p 一- 2 ) ( 4 - 3 1 )口，= 坠半( 4 - 3 2 )处理过程如图4 一1 1 所示，第1 个图是地杂波和天气回波互相叠加时的幅度谱，第四鼋s z ( s 6 4 ) 相位编码解摸糊算法第2 个图是利用凹口宽度为3 的滤波器滤除地杂波，第3 个囹是用凹口两边的谱线的均值去补偿被滤除的谱分量后的幅度谱。这种方法不仅可以有效的滤除地杂玻，i 司时减小了由j 滤玻带来的天气研波的损失【58 1 。1 叩喜5 0暑01 0篆5暑01 0荨。暑01 0加弼4 0卯6 01 02 03 0柏卯加柏s p e c t r a lp i n图4 i i 线性内插法谱处理滤波器f i g 4 11l i n e a ri n t e r p o l a t i o ns p e c t r a lf i l t e r4 2 4 可信度检查通过上面的分析可知，s z ( 8 6 4 ) 算法在( p ，p 2 ，w l ，占) 处于一定的范围内时，对弱回波谱矩的恢复有比较好的效果，为了更好的评价该算法的性能，我们对不同功率比、谱宽情况下弱回波谱矩估计的误差其进行了仿真。天气回波的仿真采用z r n i e ( 1 9 7 5 ) 提出的方法，产生一个长8 0 9 2 的回波时间序列，按照所需的处理长度对其进行截取，仿真数据的长度选为6 4 ，这个过程重复2 0 次，以对谱矩估计的统计特性进行分析。仿真的条件是v l 2 v 。= 0 1 ，v 2 2 v a = 0 2 ，2 v 。= 0 0 4 ，g = o 1 。，图4 - 1 2 、图4 一1 3 分别是当a p 2 = 3 0 d b 、p i p 2 = 4 0 d b ，w i 2 v 。 0 , 0 ，1 5 】时，声2 、也、以的均值、方差曲线。脉冲多普勒天气雷达解模糊算法研究500 4o0 0 50 10 1 5q00 50 10 1 5图4 - 1 2p 。p ：= 3 0 d b 时二次回波功率、速度、谱宽估计的误差曲线f i g 4 - 1 2p o w e r ，v e l o c i t ya n ds p e c t r u mw i d t he s t i m a t ee r r o rc u r v eo f s e c o n dt r i p f o rp l p 2 = 3 0 d b o500 40 200 40 205图4 - 1 3p l p 2 = 4 0 d b 时二次回波功率、速度、谱宽估计的误差曲线f i g 4 - 1 3p o w e r ，v e l o c i t ya n ds p e c t r u mw i d t he s t i m a t ee r r o rc u r v eo f s 黜d，t r i p f o rp i p 2 = 4 0 d b第四章s z ( 8 6 4 ) 相位犏码解梗糊拜 击t随着p 。p ：、w ，的增大，二次回波谱矩估计的误差随之增大在雷达实际探测中，当天气回波的实际情况超出了该算法适用的范围时，弱回波的谱矩估计是不可信的。z m l c 在2 0 0 3 的报告中指出了弱回波谱矩估计可信的范围，图4 - 1 4是w 2 2 v 。 0 0 8 和0 0 8 妄w 2 2 v 。 0 1 2 时，功率比门限值曲线，曲线以下的区域的谱矩估值是可信的，曲线以上的区域谱矩估值是不可信的。在实际应用中，我们设置个功率比门限值p ，该值可以在终端程序设定，对大于p f 的弱回波作为噪声处理1 5 ”j 。图4 - 1 4w 2 2 v 。 0 0 8 、0 0 8sw 2 2 v 。 o 1 2 时的检澳t l t q 限f i g 4 - 1 4t h ec e n s o r i n gb o u n d a r yf o rw 2 2 v a o 0 8a n do 0 8 w 2 1 2 v o o 1 24 2 5 系统实现具有相位编码的天气雷达系统如图4 - 1 5 所示。其中的信号处理器，由基于2片a d s p - t s l 0 1 的信号处理板实现。相位变换码存储在一个列表中，将重复周期的同步脉冲作为计数器时钟，计数器的输出作为列表的指针，从而实现信号处理器对相位码的控制，将相位控制码传送给接收系统和发射系统。这样使每个重复周期发射脉冲的相位和表中的某个相位码相对应。考虑系统相位精度的要求，目前采用的d d s ( d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s 、移相器的相位控制字位数为5 位，其最小步距为3 6 0 。2 s = 1 1 2 5 ，而s z脉冲多普勒天气雷达解模糊算法研究相位码的最小步距要求是兀8 ，也即2 2 5 。，因此可以满足移相要求。在天气雷达的相位编码系统中，还需要考虑相对时序。要将相位编码发送脉冲位于雷达同步脉p ，之后发射脉冲之前，如图4 1 5 所示。相位码发送脉冲与雷达同步脉冲之间的相对时1 h j ，由系统决定。图4 1 5加入相位编码的脉冲多普勒天气雷达系统框图f i g 4 - 1 5b l o c k