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摘要 风廓线雷达采用遥感手段，以大气紊乱作为示踪物，可连续观测，能提供 较高时间和空间分辨率的高空风场资料。 信号处理是风廓线获取的关键。即使采用高灵敏度的接收机，因单个脉冲 的晴空回波信号信噪比较低，在不同频段其信噪比约为一2 0 一4 0 d b 间，这样任 何单次处理都是不能发现目标的，因此信号提取前需进行大量的相参积累，才 能从回波中提取所需信号，为此，风廓线雷达的脉冲重复率比较高，这对信号 处理提出了更高的要求。 针对信号特点，在硬件上，可采用高数据处理率的器件协调工作以满足实 时处理要求。在本平台中，采用高性能双d s p 加f p g a 实现。 双d s p 是信号处理的核心器件，他们之间采用改进的松耦合方式，这样既 可以进行高速高效的数据传输，又可以使相互之间的影响尽可能的小。 f p g a 作为协处理器件，其和d s p 之间采用简化了的外部口或加强了的链路 口相连，建立高速的数据传输通道。 本平台还建立了用于d s p 与计算机之间进行数据交换的p c i 接口，这样可 以利用计算机的强大功能进行后处理。 在软件上，由于信号弱，信号量大及实时性的要求，需要采用高效率的气 象处理方法。 数据处理主要包括：i o 数据的时域相参积累；频谱分析；频域非相参积累； 信号谱提取；径向速度估计；径向速度时域平均；风场信息提取。 在本平台中，相参积累在片d s p 中进行，径向速度时域平均及风场信息 提取在计算机后处理中进行，其他在另一片d s p 中进行。 经分析，上述分配是合理的，方法是可行的。 关键字：风廓线，提取，d s p ，f p g a ，p c i a b s t r a c t t h ew i n d p r o f i l e r i so n ek i n do fr e m o t e s e n s i n g i n s m m a e n t i tt a k e st h e a t m o s p h e r i ct u r b i n ea st h et r a c e r , c o n t i n u a l l ym e a s u r e si t t h ep r o f i l e rc a l lp r e s e n t h i g ht e m p o r a la n ds p a t i a lr e s o l u t i o nv e r t i c a lp r o f i l e so ft l l eh o r i z o n t a la n dv e r t i c a l w i n d t h es i g n a lp r o c e s s i n gi sac r i t i c a ls t e pi nt h ew i n d p r o f i l i n ge x t r a c t i o n t h o u 曲 u s i n gh i 曲s e n s i t i v i t yr a d a rr e c e i v e r ，t h es i n g l ec l e a ra i rp u l s eb a c k s c a t t e r i n gi sa l s o v e r yw e a k t h es n r o ft h eb a c k s c a t t e r i n gi sb e t w e e n - 2 0t o 4 0 d bu p o nd i f i e r e n t f r e q u e n c i e s s oi t si m p o s s i b l et oi d e n t i f yt h eo b j e c td u r i n g o n e p u l s ep e r i o d a c t u a l l y ： b e f o r et h ep r o c e s s i n g ，al a r g eq u a n t i t yo fs i g n a lc o h e r e n ta c c u m u l a t i o ni sd o n e ，b y d o i n gs o ，i t sp o s s i b l et oa c q u i r eu s e f u li n f o r m a t i o n t oo b t a i nl a r g en u m b e ro fd a t a t h er a d a rm u s th a v eh i g hp r f t h i si n f l i c t st h eh i g h e rr e q u i r e m e n ti nt h e s i g n a l p r o c e s s i n g a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h es i g n a l ，h i g he f f i c i e n c yc h i p sa r en e e d e dt o s a t i s f yt h er e a lt i m er e q u i r e m e n t t h ep l a t f o r md i s c u s s e di nt h i sp a d e ri sb a s e do nt w o h i g hp e r f o r m a n c ed s pc h i p sa n d o n ef p g a c h i p 乃ed o u b l ed s p c h i p s a r et h ec o r g so ft h e s i g n a lp r o c e s s i n g l o o s e i n t e r c o n n e c t i o ni s p r e f e r r e db e t w e e nt h e m ，t h u st h e mc a nn o to n l ye x c h a n g ed a t a s p e e d i l ya n de f f i c i e n t l y , b u ta l s oh a v e1 i t t l ei m p a c to ne a c ho t h e r t h ef p g a c h i pi s ac o p r o c e s s o r ，t w ok i n d so fc o n n e c t i o nb e t w e e ni ta n dt h e d s p c h i p sa r ei n t r o d u c e d t h es i m p l i f i e de x t e m a lp o r tc o n n e c t i o na n dt h ee n h a n c e d 1 i n kp o r tc o n n e c t i o n 、w h i c ha c ta st h ef a s td a t at r a n s f e rc h a n n e l t h ed a t ae x c h a n g eb e t w e e nt h ed s p c h i p sa n d t h ec o m p u t e ri sa l s os u p p o r t e di n t h ep l a t f o r m t h u st h ec o m p u t e rc a nd ot h ep o s t p r o c e s s i n g t h et r a n s f e rp r o t o c o li s f u l f i l l e db vt h ep c i b r i d g e a st ot h es o f t w a r e ，b e c a u s eo ft h ef e e b l es i g n a l ，l a r g eq u a n t i t yo fd a t aa n dt h e r e a lt i m er e q u i r e m e n t ，h i g h e f f i c i e n c ym e t e o r o l o g i c a lp r o c e s s i n gm e t h o d i sn e e d e d t h ed a t a p r o c e s s i n g i sc o n s t i t u t e do ft h e f o l l o w i n gs t e p s ：t h e c o h e r e n t a c c u m u l a t i o no ft h e i qt e m p o r a ld a t a t h es p e c t r u ma n a l y s i s ，t h e n o n c o h e r e n t a c c n n l u l a t i o no ft h es p e c t m r nd a t a ，t h ea b s t r a c t i o no ft h e s i g n a ls p e c t r u m ，t h e e s t i m a t i o no ft h er a d i a ls p e e dd a t a ，t h et e m p o r a la v e r a g i n go ft h er a d i a ls p e e dd a t a ， t h ec a l c u l a t i o no f t h ew i n di n f o r m a t i o n i nt h i sp l a t f o r m t h ec o h e r e n ta c c u m u l a t i o ni sf u l f i l l e di no n ed s pc h i d t h e t e m p o r a la v e r a g i n go f t h er a d i a ls p e e dd a t aa n dt h ew i n di n f o r m a t i o nc a l c u l a t i o na r e p e r f o r m e di nt h ec o m p u t e r , w h i l e t h eo t h e rs t e p sa r ef u l f i l l e di na n o t h e rd s p c h i p t h e p r o c e s s i n ga l l o c a t i o ni sr e a s o n a b l ea n d t h em e t h o di sf e a s i b l e k e y w o r d s ：w i n d p r o f i l i n g ，e x t r a c t i o n ，d s p , f p g a ，p c i 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，也不包含为获得电子科技大学或其它教 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。 签名： 星i 兰日期：知。弓年；月弓e t 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学可以将学位 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应遵守此规定) 日期：如口弓年弓月弓日 风廓线雷达数字信号处理研究第一章引言 第一章引言 雷达最初是通过无线电技术对飞机探测和定位的( “r a d a r ”是r a d i o d e t e c t i o na n dr a n g i n g 的缩写) 。但是随着雷达波束方向性和接收机灵敏度， 以及发射机相参性的提高，雷达的作用越来越大，可以成功的测绘地球表面和 天气图，并且雷达信号可以到达宇宙空间测到临近行星的表面特征。雷达波束 就像x 射线一样可以穿透雷暴雨和云体，观察其内部结构。后来的脉冲多普勒 雷达技术在观测暴风雨结构上发挥了显著的作用，如实时显示龙卷风的发展过 程。这样的观察所得的天气预报资料，为研究人员提供更好的预报和警告使之 了解事物规律和暴风雨动力学。 雷达的基本概念相对简单，但在许多场合下它的实现不容易。它以辐射电磁 能量并检测发射体( 目标) 发射的回波的方式工作。回波信号的特征可以提供 有关目标的信息。通过测量辐射能量传播到目标并返回的时间可得到目标的距 离。目标的方位通过方向性天线( 具有窄波束的天线) 测量回波信号的到达角 来确定。如果是动目标，雷达能推导出目标的轨迹或航迹，并能预测它未来的 位置。动目标的多普勒效应使接收的回波信号产生频移，因而即使固定回波信 号幅度比动目标回波信号幅度大多个数量级时，雷达也可根据频移将希望检测 的动目标( 如飞机、云、雨的移动) 和不希望的固定目标( 如地杂波和海杂波) 区分开。当雷达具有足够高的分辨率时，它能识别目标尺寸和形状的某些特征。 雷达可在距离上、角度上或这两方面都获得分辨率。距离分辨率要求雷达具有 大的带宽，角度分辨率要求大的电尺寸雷达天线。在横向尺度上，雷达获得的 分辨率通常不如其在距离上获得的分辨率高。但是当目标的各个部分与雷达问 存在相对运动时，可运用多普勒频率固有的分辨率来分辩目标的横向尺寸。 雷达一般是一种有源装置。它有自己的发射机而不像大多数光学和红外传感 器那样依赖于外晃的辐射。在任何气象条件下，雷达都能探测或远或近的小目 标，并精确测量他们的距离，这是雷达和其他传感器相比具有的主要优势。 雷达原理已在几兆赫兹( 高频或电磁频谱的高频端) 到远在光谱区外( 激光 雷达) 的频率范围内得到应用。这范围内的频率比高达1 0 9 ：1 。在如此宽的频 率范围内，为实现雷达功能而应用的具体技术差别巨大，但是基本原理都是相 风廓线雷达数字信号处理研究电子科技大学硕士论文 同的。 最初，雷达是为了满足对空监视和武器控制的军事需求而研制的。军事应用 使雷达技术的开发得到大量的财政支持。但是雷达同时也被用于许多重要的民 用场合，如飞机、轮船、宇宙飞船的安全飞行；环境遥感，特别是气象遥感； 法律的施行及许多其他应用。 1 1 测风手段 风场资料无论是在民用还是军用业务中都有着重要的用途。获取高空风的 手段主要有以下： 1 1 1 常规测量风场方法”3 目前绝大多数气象台测量高空风，仍然采用施放气球法，即利用基本上是 匀速上升的自由飞行气球，测出气球在已知时间间隔的水平位移，算出气球所 在高度上的风向、风速。 这种方法虽然可以测得高空风，但有很大的不足。首先，由于气球实际上 存在惯性，不可能理想的随风自由飞行，而且气球的水平位移和不断上升、以 及湍流的影响混在一起，这就势必产生较大的误差；其次，此种测量方法由于 气球随大气的漂移而不可能测量出本地上空的风矢量：再次，其测量时间间隔 长，数据率低，耗费大，已经满足不了目前一些应用。 1 1 2v a d 风场反演技术 多普勒天气雷达系统获取的径向速度分布数据，在某些假定条件下，通过 反演可以获得高度平面上的平均风向风速。 6 0 年代初期l h e r m i t t e 和a t l a s 等人提出了利用单部多普勒天气雷达测量 风场的一种方法，称为v a d ( v e l o c i t y - - a z i m u t h - - d i s p l a y ) 技术。应用这种方 法，单部多普勒雷达可以得到降水区中各高度上的平均风向风速和平均散度等 信息。 v a d 方法对雷达的探测方式要求比较简单，天线以某一固定仰角“做方位扫 描( 即做圆锥扫描) ，如图卜1 所示。 把探测到的某固定测距不同方位上的多普勒速度v ，( 口) 记录并显示出来。自 风廓线雷达数字信号处理研究 第一章引言 然风速可以分解为垂直分量v ，和水平分量v 。( v 。恒取正值) ，由图可看出，雷达 测出的多普勒速度不但和所在高度上的水平速度h 和垂直速度v ，有关，还和雷 达的方位角和仰角有关。我们以正北为x 轴，正东为y 轴正向，z 轴向下为正， 令水平风向和x 轴的夹角为瓯，则雷达测得的某方位角上的v ，( 臼) 可表示为： ( 占) = v ( 乎) s 口c o s ( o 一8 0 ) 一v f ( d s i n 口 根据实际风场情况，应用式( 卜1 ) ( 11 ) 可以获得风向、风速和散度等信息。 zj 多 奁勤 j 1 八。 1 ，1 3 风廓线雷达m m o m 4 图卜1 圆锥扫描示意图 v h 风廓线雷达一般都是多普勒雷达。它接收的回波信号主要是大气湍流回波。 风廓线雷达的发展是对晴空大气回波多年研究的结果。 多普勒技术的发展和应用，是上世纪科学技术的一大成就。风廓线雷达的 应用是对传统测风方法的一次革命。这种被称为“无球测风”的雷达测风系统， 有着许多气球测风无法相比的优点，它可以连续的向用户提供观测站上空直至 1 6 k m 高度范围内的水平和垂直速度资料。这些新的高空风资料，能帮助预报员 更完整的分析对流层和平流层低层结构，进一步提高短时天气预报水平。 风廓线雷达其实是一部垂直指向的晴空多普勒雷达，雷达接收机检测从大 气返回信号的多普勒频移，经由信号处理器，转换成为代表信号功率、径向速 度等多普勒要素。 风廓线雷达数字信号处理研究 电子科技大学硕士论文 1 2 风廓线雷达分类 风廓线雷达一般采用多普勒技术，不过利用其他的方法获得风场数据仍然 是可能的。根据获取方法的不同，风廓线雷达可分为以下两种： 1 21 雷达干涉仪嘲2 3 1 雷达干涉仪的示意图如图1 2 所示： 幽卜2 干涉仪示意图 雷达干涉仪是一种多基地雷达。它主要包括一个垂直指向的发射机和三个 成空间线性不相关的接收机。 干涉仪获取风场数据的一种最简单的方法就是计算不同接收天线处获得的 信号之间的互相关值。这样就可以从信号对的最大相关值的延迟获得风数据。 1 22 多普勒风廓线雷达“2 ”2 “旧1 当采用多普勒技术获取三维风场的时候，为了得到空间某处的风向风速， 需要测定不同方向的径向速度。由于高空风是三维的，因此要获得某一点的三 维风数据，则至少需要获得三个线性不相关的径向速度。按照其作用距离的不 同，多普勒风廓线雷达可分为以下四种： 一、对流层低平流层风廓线雷达 用途：火箭发射保证； 高度覆盖：近低层2 0 k m ； 风廓线雷达数字信号处理研究第一章引言 高度分辨率：近似1 0 0 m ； 时间分辨率：近似1 0 m i n ； 雷达工作频率：5 0 2 0 0 m h z ，带宽为1 5 m h z ； ( 平均功率) ( 天线口径面积) ：1 0 8 1 0 9 w m 2 。 二、对流层风廓线雷达 用途：天气观察、预报及研究； 高度覆盖：近低层16 k m ； 高度分辨率：近似5 0 0 m ； 时间分辨率：近似l h ： 雷达工作频率：2 0 0 5 0 0 m h z ，带宽为0 ，5 m h z ； ( 平均功率) ( 天线口径面积) ：近似5 1 0 5 w m 2 。 三、低对流层风廓线雷达 用途：航空港环境飞机着陆，起飞，交通管制；运输和扩散 危险原料( 核能) 的污染控制；军事射弹风修正；研究； 高度覆盖：近低层6 k ； 高度分辨率：近似l o o m ； 时间分辨率：近似1 5 m i n ； 雷达工作频率：4 0 0 1 0 0 0 m h z ，带宽为1 5 m h z ； ( 平均功率) ( 天线口径面积) ：近似5 1 0 3 w m 2 。 四、边界层风廓线雷达 用途：航空港飞机着陆与起飞；空气污染监控；军事；替代地面观测 站；研究； 高度覆盖：近低层2 k m ； 高度分辨率：近似5 0 m ； 时间分辨率：近似5 m i n ： 雷达工作频率：9 0 01 2 0 0 m h z ，带宽为2 m h z ； ( 平均功率) ( 天线口径面积) ：近似i o o w m 2 。 风廓线雷达数字信号处理研究电子科技大学硕士论文 从上可知，风廓线雷达可以工作在不同的频段。许多早期的风廓线雷达工 作在v h f ( 甚高频) 4 0 5 0 m h z 频段。v h f 风廓线雷达的特点是大的相控阵天线， 典型值为1 0 0 m 1 0 0 m 。v h f 雷达的波长是6 到7 4 米，这样，其对水汽相对不 敏感。在垂直入射的情况下，如果遇到流体静力稳定的大气，由于准镜面反射 的缘故，回波是各向异性的。因此，7 h f 风廓线雷达能观测的垂直高度比倾斜高 度要远一些。一般，在同等灵敏度下，v h f 风廓线雷达观测的距离比u h f ( 超高 频) 要高一些。 工作频率在9 1 5 m h z 附近的u h f 风廓线雷达其体积较小，相对便宜，而且所 需功率较低，高度分辨率较高，有较多的商业用途。 1 3 风廓线雷达的应用 风廓线雷达在航空航天、兵器试验、天气预报、环境检测、科学研究等领 域都有一定的应用价值。 1 3 1 在航空航天方面的应用”1 在机场架设风廓线雷达可以实时监测大气湍流场的变化，探测强切变风场 的存在，增加飞机的飞行安全系数；同时通过对风场数据的分析，可以寻找到 最佳飞行航线。 在航天领域，应用风廓线雷达可以提高火箭发射的安全系数。 1 3 2 在武器试验方面的应用”4 1 风速风向是影响武器射击精度的重要因素，尤其是对火箭炮，其初速度和 转速较低，低空风场对其精度影响极大。精确测量风场的变化可以为武器射击 提供科学依据。 多普勒雷达还可以用于研究弹道风场的变化规律。通常大气处于湍流运动 状态中，湍流运动的基本特征是速度沿空间、时间分布的不规则性，湍流运动 是一种随机运动，研究弹道随机风场的变化规律可以有效的较少风的扰动引起 的射击误差。 风廓线雷达数字信号处理研究 第一章引言 1 3 3 在天气预报方面的应用”4 1 风廓线雷达可应用于研究晴空湍流、雷暴过程以及天气预报上，它能够连 续探测到低层大气的结构和一些中、小尺度现象，这些现象既是时间、空间连 续的，同时又是与一定的天气形式相联系，因此风廓线雷达可以成为天气分析 和局地天气预报的一种辅助工具。 国内利用卫星云图可以进行本地区天气情况总趋势的预测。如果想要确切 的建立本地天气情况的分析和预测，仅仅使用卫星云图资料是远远不够的，风 廓线雷达所测得的风场数据是卫星云图资料必要、有益的补充，可以建立更准 确的本地天气情况分析。 1 3 4 对大气边界层研究“4 “3 风廓线雷达探测到的有些低层大气小尺度结构是一般常规探铡手段无法预 测到的。而且，风廓线雷达探测到的现象在时间、空间上是连续的，这些对于 了解天气系统的热力结构和动力学过程有很大帮助。 风廓线雷达在研究大气边界层逆温层的形成和消散过程、多层逆温结构、 热对流和湍流结构系数等研究方面都可以做出贡献。 此外，风廓线雷达在城市环境检测、大气折射率结构常数研究、中尺度危 害性天气、全球气候变化、城市气流模式、风能应用的研究等方面都有一定的 应用价值。 风廓线雷达数字信号处理研究电子科技大学硕士论文 第二章理论基础 风廓线雷达系统采用遥感手段，无需有形示踪物，且能提供较高时间和空 间分辨率的气象资料。风廓线雷达观测的回波主要是由湍流散射、镜面反射和 热散射造成的。湍流散射回波信号一般很弱，这样风廓线雷达回波信号的信噪 比就很低，为此常对多个回波信号进行时域相参积累，之后进行频谱分析，并 对连续几个功率谱进行非相参积累之后再进行多普勒速度估计，这样可以获得 较好的估计值。 2 1 相参与非相参。1 “相参”即英文的“c o h e r e n t ”，有些文献中也称之为“相干”。它是一个 从光学领域中引申而来的术语。在雷达中的含义是指目标回波信号与发射信号 之间应保持严格的相位关系，并用以提高目标的有关信息。 早期的普通脉冲雷达都是非相参系统，它们只是利用发射脉冲与回波脉冲 的时间差提取目标的距离信息。当在与目标相等距离上，存在着大量的干扰物 体的反射波( 地物和海浪杂波、云雨气象杂波等) 时候，微弱的目标信号淹没 其中，而使雷达失效。在军事上，作战双方愈来愈多的利用雷达的这个弱点， 攻击飞机采用低空高速突防方式，这样，大地和海浪杂波为进攻飞机提供了隐 蔽和安全的保证。 非相参的普通脉冲雷达，无论是架设在地面、舰船或是飞机上都无法对付 这些来自低空的袭击。雷达工程师们很快想到了相参技术。当用时间差无法区 分目标与背景干扰时，而用速度差却可轻易的把他们区分开来。由于地面架设 的雷达，与周围地物不存在相对运动，因此从这些地物来的雷达回波信号的频 率与反射信号的频率相同；而从运动目标来的回波信号频率，则有别于发射信 号，而且这种差别的大小正比于目标的速度。对于机载雷达，地面背景与雷达 虽然存在相对运动，但这种相对运动的速度和方向是可知的，并有别于机载雷 达和空中运动目标的相对速度。 相参是脉冲多普勒雷达、动目标显示和检测雷达、脉冲压缩雷达和合成孔 径雷达赖以实现的基础。 风廓线雷达数字信号处理研究第二章理论基础 22 多普勒效应 很多物理学文献中都对多普勒效应作了完整的叙述。它是由奥地利物理学 家多普勒于十九世纪在声学领域中首先发现的。当观测者向着声源运动时，他 收到的声波频率高于他在静止时收到的声波频率；当观测者远离声源而去时， 他收到的声波频率低于他在静止时收到的声波频率。显然，当声源运动，而观 察者静止时，也会产生同样的效应。这就是多普勒效应。 对于雷达而言，当雷达与目标之间存在相对运动时，多普勒效应体现在回 波信号的频率与发射信号的频率不相等。雷达发射电磁波信号后并遇到一个朝 着雷达运动的目标时由于多普勒效应，从这个目标返回的电磁波信号的频率 将高于雷达的发射频率。由于运动目标对电磁波的散射作用，目标再发出的电 磁波频率同它当时收到的电磁波频率相同。因此，雷达发射信号在雷达与目标 之间往返传播之后，雷达收到的是更高频率的电磁波信号。 设雷达发射一连续信号，为 s ( f ) = c o s 甜o r ( 2 - 1 ) 式中m 是发射信号的角频率。电磁波信号在空间经过r 距离后，相位的改 变为2 nr 。因此，雷达接收到的来自r 距离处的某一目标物的回波信号可写 作： r ( ，) ：t c 4 0c 。s ( 。f 一半) ( 2 2 ) 式中。是目标物的雷达截面，c 是一决定于雷达性能的常数。式中的第二个 相位项为4 r ，是考虑到信号在雷达与目标物之间往返经过了两倍于r 的路 程。4 nr 是由于目标物的距离而引起的信号相移，记作妒，则有 r ( f ) ：鱼竺c o s ( o ) o t 一) ( 2 3 ) 式中 = 2 旦 ( 2 4 当目标物的距离有变化，即目标物具有径向运动速度时，将引起回波信号强 度和相位的改变。如果考虑信号的观测取样时间不很长，则可简单地认为振幅 项近似地保持不变，而相位则因距离改变而迅速地变化。 9 风廓线雷达数字信号处理研究电子科技大学硕士论文 回波信号的角频率( 相位的变化率) 是 d ，= d ( 0 3o t 一) ，d t = o 现规定将目标物趋近雷达时的速度定为负值， v = 一 西 成 堡皇l( 2 5 ) 五出 则径向速度v 可写作 ( 2 - 6 ) 代入式( 2 - 5 ) ，可得 0 9 ，：0 3 。一! 旦v ( 2 7 ) ，2o 一- - v 一 由上式可看出，当目标物向雷达趋近时，回波信号的频率将高于发射信号的 频率；反之，当目标物向远离雷达的方向运动时，回波信号的频率将低于发射 信号的频率。信号频率与雷达发射频率之差值称为多普勒频率( 即多普勒频偏) ， 用厶记之，有 力= 罟= 去( 虬一州= 孚 他唱 式中ud 是多普勒角频率。可见，多普勒频率是与目标物的径向速度成e 比 的，并且与波长成反比，也即与发射频率成正比。利用式( 2 - 6 ) 和式( 2 - 8 ) ， 式( 2 - 2 ) 可写成 心) ：鱼# c 。s 【( + 口。) f 一。】 ( 2 9 ) 式中丸是常数相位项，且有丸= 4 a t 0 2 ，其中是t = 0 时刻的目标物距离。 为了将注意力集中在对多普勒频率信息的分析上，我们假设式( 2 - 2 ) 中的振幅 项为1 ，则有 r ( t ) = c o s ( c o o + 0 9 d y 一丸 ( 2 一l o ) 为了从回波信号中分析出多普勒频率，我们可以让回波信号与一个同发射信 号相干的连续参考信号相混频( 相乘) 。参考信号为 量( f ) = c o s o f ( 2 - 儿) 则得混频信号输出为： 咄归聊h ) = c 。s ( 2 z t f a f 吨) + 圭叫( 2 m 。+ 2 矾) 卜刚 ( 2 1 2 ) 由上式可见，混频后的信号是多普勒频率振荡信号与其频率接近于两倍发射 风廓线雷达数字信号处理研究第二章理论基础 载频的高频振荡信号的叠加。从此信号中滤去高频成分，即得到单纯的多普勒 频率信号。 从上述推演可知，从原理上讲来，我们可以容易地从回波信号提取多普勒频 率。但在实际上，为了能同时测量目标物的距离，雷达发送的是高频载波脉冲 信号，而不是连续波信号；载波脉冲信号本身并不是由单一频率构成的。此外， 在有关雷达气象的问题中，有效散射体积内的粒子具有各种大小的径向速度， 造成回波信号频谱的更加复杂性。要搞清楚从脉冲回波信号中提取多普勒信息 的问题，必须研究高频载波脉冲信号的特性。尽管在近代雷达技术中，应用各 种特定的脉冲波形以满足特定的要求，但是在气象雷达中，为了技术上的方便， 几乎毫无例外地采用方形脉冲。 2 3 脉冲积累啦! 在雷达实际应用中，信号检测一般都是在多个脉冲观测的基础上进行的。 对n 个脉冲观测的结果就是一个积累的过程，积累可简单的理解为n 个脉冲叠 加起来的作用。早期雷达的积累方法时依靠显示器荧光屏的余辉结合操作员的 眼和脑而完成的，而在自动检测时，则要用专门的电子设备来完成脉冲积累， 然后对积累之后的数据进行后续处理。 多个脉冲积累之后可以有效的提高信噪比，从而改善雷达的检测能力。积 累可以分为相参积累和非相参积累。相参积累时要求信号有严格的相位关系， 而非相参积累则不要求信号之间有严格的相位关系。 将m 个等幅相参脉冲信号进行相参积累，可以使信噪比( s n ) 提高m 倍( m 为脉冲积累数) 。这是因为相邻周期回波信号按照严格的相位关系同相相加，因 此积累相加的结果信号电压可提高m 倍，相应的功率提高m 2 倍，而噪声是随机 的，相邻周期的噪声满足统计独立条件，积累的效果是平均功率相加而使总噪 声功率提高m 倍，也就是说相参积累的结果可以使输出信噪比( 功率) 改善达m 倍。 m 个等幅非相参脉冲进行非相参积累时，信噪比的改善达不到m 倍。这是因 为t e - 十n 参积累时，参与积累的信号不是按照严格的同相相加。非相参积累之后 可以改善信嗓比。 风廓线雷达数字信号处理研究电子科技大学硕士论文 2 4 傅立叶分析 对于多普勒信息的提取方法，我们可以通过对返回信号进行傅立叶变换， 得出其频谱分布，进而导出平均多普勒频移和谱宽等。天气多普勒雷达为了获 取各个不同距离上的多普勒频移的信息，采用了脉冲多普勒雷达体制。这样， 对于某一距离上的返回信号是离散的，对其进行傅立叶变换就需采用离散的傅 立叶变换( d f t ) ，为了提高变换的速度，常采用快速傅立叶变换( f f t ) 的算法。 1 9 7 0 年l h e r m i t t e 将f f t 方法引进到天气多普勒雷达的信号处理上来，这已 有相当长的时间了，它是通过较准确的对返回信号进行傅立叶变换，取得频谱 分布，然后求出谱参数。下面是对此种方法的一个简单介绍。 设某一距离上雷达接收到的返回信号为s ( k t s ) ，t s 为取样时间间隔，k 是取 样的序号。s ( k t s ) 可用复数形式表示。 s ( k t s ) = s ，( k r s ) + i s ( k t s ) ( 2 - 1 3 ) 运用离散的傅立叶变换，就可以得到脉冲回波信号总数为n 的频谱： v ( n f ) ：4 - 1 s ( k t s ) 8 - i 2 一r n ( 21 4 ) k = 0 其中n = 0 ，l ，2 ，n - l ，s ( k t s ) 是离散的时域信号，f ( n f ) 是对应的离散的频域 信号。它所对应的频谱就是复频谱，即： f ( ) ：n - s ( k t s ) g - 1 2 u n k i n t = 0 = s r ( k r s ) + i s i ( k t s ) e “2 ”( 2 - 1 5 ) 其谱密度函数s ( n f ) 可e h ，( n f ) 求出： s ( n f ) = l f ( n f ) 1 2 所以， s ( n 。= 恢s ( k t s 扩m ” 然后用求得的复频谱和平均多普勒频率和谱宽( 谱方差) 的定义可得 风廓线雷达数字信号处理研究 第二章理论基础 s ( n f ) + 一 = 2 * 广一 s ( n f ) s ( 矿) ( 一一扣) 矿2 = 2 1 f t 一 s ( 矿) e f = 够2 ( 21 8 ) ( 21 9 ) 式中的向为信号的频率，为频率的采样点，f d 表示平均多普勒频率，d f 表示谱宽。 2 5 空间抽样 自然界中可直接获得的信号一般都是模拟信号，要进行数字处理，就必须 对输入模拟信号采样量化，转换成为数字信号，要从采样之后的信号中恢复出 原信号，那么采样必须满足奈奎斯特抽样定理。 2 5 1 时域奈奎斯特抽样定理” 在某些合理条件限制下，一个连续时间信号能用其采样序列来完全给予表 示，连续时间信号的处理往往是通过对其采样得到的离散时间序列的处理来完 成的。 对模拟信号x o ( r ) 进行采样可以看作一个模拟信号通过一个电子开关s 。设 电子开关每隔周期t 合上一次，每次合上的时间为t ( 2 l 在实际工作中，为了避免频谱混淆现象发生，采样频率总是选得比奈奎斯 特频率更大些，例如选到( 3 4 ) n 。同时为了避免高于折叠频率的杂散频谱进 入采样器造成频谱混淆，一般在采样器前加入一个保护性的前置低通滤波器， 称为防混叠滤波器，其截止频率为q ，2 ，以便滤除高于q ，1 2 的频率分量。 风廓线雷达数字信号处理研究第二章理论基础 2 5 2 回波信号的解析形式”3 气象回波中的信息，产生于雷达发射的电磁波被大气中的物质所散射的过 程中。假如雷达发射的电磁波的角频率，并且信号可表达成 氏( ，) = a oc o s 卯o ，( 2 2 7 ) 其中t 是时间，a 。是发射信号的振幅，则取样体积中每一个粒子的回波可 写作 j ，( ，) 2e jc o s ( 。o ，一，) ( 2 2 8 ) 式中a ，是振幅，丸是相位延迟( 在后面简称相位) ，由下式给定 ，= 导。= 呈争2 r ， ( 2 吨 九是发射信号波长，如= c l f o ，其中f o 是发射信号频率，c 是光速。下角j 表示取样体积中粒子序号，一是第j 个粒子离雷达站的距离。 来自取样体积v 内全部粒子的合成散射信号为各粒子信号之叠加，即 s ( f ) = c l j c o s ( o ) 0 f 一j ) ( 2 3 0 ) p 为了理解和演算上的方便，把式( 2 - 2 7 ) 那样的实信号表示成解析的形式 更为适宜。这样，对应于式( 2 - 2 9 ) 的合成信号的解析形式为 s ( f ) = e 。d ，p 一坤( 2 3 1 ) p 式中i 2 4 1 。式( 2 3 0 ) 累加号下的每一项可以看作是复平面上一个幅度 等于。，相角为一，的复矢量。在体积v 内，所有这样的复矢量累加的结果，得 到的合成矢量具有振幅a ，相角一，因而有 a e “9 = 口p 9 7 ( 2 3 2 ) 在式( 2 3 1 ) 中，射频项州并不包含任何信息，雷达回波中所含有的全部 信息包含在式( 2 - 3 2 ) 所示的解析函数中。单个粒子的散射信号振幅a ，取决于 粒子的大小、形状和其它物理特性，取决于粒子的位置。合成矢量的。和则 与所有的。，和，有关。通常，a 和的时间变化要比射频振荡缓慢得多，故解析 信号口e 。9 称为( 2 3 1 ) 式信号的复包络函数( 或复调制函数) 。在雷达气象学中， 风廓线雷达数字信号处理研究电子科技大学硕士论文 信号处理的全部任务就是分析复包络函数的性质。 2 5 3 平均速度和速度谱的计算”3 粒子散射信号的相位，决定于粒子离雷达的距离，而相位的变化率就对应 于粒子的径向运动速度。回波相位的变化率正是回波信号的多普勒频移。因为 散射体积中粒子存在相对运动，所以回波能量是分布在一个多普勒谱段上的。 但最有重要意义的是散射体积中粒子的平均运动速度，对应的是平均多普勒频 率。 计算平均多普勒频率最直截了当的方法是先计算多普勒频谱，随后就可以 以多普勒频谱为权重函数计算出频域中的零阶矩( 回波功率) 、一阶矩( 平均多 普勒频率) 、二阶偏心矩( 多普勒频谱宽度) 等等。要计算频谱，必须在计算前 保留回波的振幅信息和相位信息。包含这两种信息的复调制函数( 见式( 2 - 3 2 ) ) 也可以用两个正交的信号来表示，它们分别等于复调制函数的实部和虚部： x ( f ) a ( f ) c o s ( f ) ( 2 - 3 3 ) y ( f ) a ( t ) s i n o ( t )( 2 3 4 ) 利用两个相位相差n 2 的稳定本振信号对回波信号作相干相位检波就得到 上述两个分量。 目前的雷达信号处理中，由于复信号具有的优良特性，大都是对复信号进 行处理，但复信号在物理上是不存在的。为此一般采用式( 2 - 3 3 ) 、( 2 - 3 4 ) 获 得复数的实部和虚部。 根据2 4 小节所介绍，对任一距离门上一连串相继的复调制脉冲取样信号 作快速傅氏变换，就可以算出多普勒谱。 2 5 4 信号的取样问题 如果雷达向固定方向发射连续波，并且在该方向上只存在唯一的散射物体， 则雷达接收到的连续回波信号可以不间断地反映目标物特性和速度的变化。但 是在气象雷达应用中，散射介质是延续地分布在广大的空间中的，为了取得对 目标物的距离分辨能力，雷达发射的是一连串窄脉冲信号，而在发射脉冲的间 歇期间，依次接收到自近而远的目标物的回波信号。来自r 距离上的回波信号， 相对于发射脉冲的延迟时间为 t = 2 r c( 2 - 3 5 ) 风廓线雷达数字信号处理研究第二章理论基础 在间歇期间区间，我们可以收到某一固定距离上的散射体积所产生的一个 独立回波信号。如果我们想要了解每一个这种散射体积的信息，则必须对各个 距离上的信号作分别的处理。这样，首先就要对信号进行分离取样。在零时刻， 雷达发射一个脉冲，并在发射脉冲结束之后立即开始接收信号，每个脉冲周期 取样一次。假定从第一个距离门来的样本是x o o ，下一个是x o l ：这样下去，一 直到来自最远不模糊距离的回波信号被接收到为止。此后，发射第二个脉冲， 取样过程又如此重复下去，取样脉冲依次为x 1 0 ，x 1 1 ，。这样，从第零行往 下排列，直到所取的样本数够一次分析之用为止；假定最后一行是第n 行。第n 行中的样本都来自第n 个距离门上的回波信号。且此距离门上每两次取样之间 的时间间隔与两次发射脉冲之间的间隔是相同的。来自同一散射体积的这一连 串离散的回波取样脉冲相当于下述情况：雷达发射连续信号，该散射体积也相 应地产生连续的回波信号，然后对回波信号按固定的时间间隔进行脉冲取样。 2 6 湍流目标性质 对于常规雷达而言，湍流和昆虫的回波被称作仙波，是不希望的杂波信号； 不过风廓线雷达而言，要在晴空时探测风场，就必须以湍流作为主要目标，湍 流回波是晴空风廓线雷达的主要信号回波。 湍流回波主要取决于湍流目标的性质，分析湍流目标性质对于预测，尤其 是改善风廓线雷达的高度性能具有重要的意义。 欲获得完整的湍流目标的截面积的概率密度函数和相关函数需要占有完整 的测试数据。就风廓线雷达而言，只需知道湍流目标的两大性质： 折射率起伏结构常数的均值与高度的分布： f 2 h 湍流径向速度的均方根值与高度的分布： 6 。h 2 6 1 湍流目标反射率特征。3 假设湍流介质折射率起伏场为局地均匀、各向同性。“各向同性”指分布量 的相关函数只与两点的相对距离有关、而与其绝对位置和方向无关；“局地均匀” 是只允许折射率随机场在较大尺度上存在不均匀性。则晴空湍流大气的反射率 风廓线雷达数字信号处理研究电子科技大学硕十论文 表达式为 从式( 2 - 3 5 ) 可知，湍流目标体反射率( r ) 主要取决于c ；，而和波长五关 系较弱。 c ：被看作是折射率起伏程度的度量。在下部对流层可采用下式来获得c ：的 估计值： c ：= i 8 7 1 0 “5p 一矿( 2 - 3 7 ) 2 6 2 湍流目标相关特性。1 湍流目标的自相关函数可表示为 rf _ 1 ：p 一2 ( x 8 f r r ：e - 8 ( 竿r( 2 _ 3 8 ) 其中占，为功率频率谱的标准差。瓯为功率径向速度谱的标准差。它们 的关系为： 占，：芈( 2 - 3 9 ) 几 由此可得湍流回波的相关时间l ，如 令r ( f ) = l rb , t i 拘r 为瓦，那么瓦= o 1 1 2 5 兄4 。 可以认为：在任意一次目标相关时间( 瓦) 内接收到的目标回波脉冲都是 强相关的，但从此次已到下一次已则是强不相干的。 2 7 风廓线雷达理论和技术小侧n 7 州2 2 1 自从雷达在上世纪早期面世以来，雷达技术经历了