[發明專利]基于頻率分集的速度/距離解模糊雷達波形設計方法

有效

• 申請號: 201810839000.9
• 申請日: 2018-07-27
• 公開（公告）號: CN109061648B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 王濤
• 申請（專利權）人: 廖雙珍
• 主分類號: G01S13/95
• 分類號: G01S13/95;G01S7/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

基于頻率分集的速度/距離解模糊雷達波形設計方法屬于脈沖多普勒天氣雷達系統技術領域。其作用是設計天氣雷達發射信號，降低天氣雷達體掃周期。本發明包括四個部分：①選擇合適的測距雷達波形；②選擇合適的測速波形；③利用頻率分集方法，將測距波形和測速波形以相參脈沖串的形式拼接起來，并經過雷達發射機發射出去；④對天氣回波信號進行信道化處理，分離出相應的測速和測距回波，通過對分離出的測速和測距波形進行處理，得到天氣目標的散射率、速度、譜寬、偏振變量。

技術領域

本發明屬于脈沖多普勒天氣雷達系統(包括具有天氣回波脈沖多普勒處理能力的空中交通管理雷達系統、警戒雷達系統、制導雷達系統、相控陣雷達系統)技術領域。其作用是設計天氣雷達發射信號，降低天氣雷達體掃周期。

背景技術

天氣回波的速度/距離解模糊是脈沖多普勒天氣雷達、空中交通管理雷達、警戒制導雷達等領域的關鍵技術問題。對于脈沖重復周期為T、波長為λ的脈沖多普勒天氣雷達來說，其最大不模糊距離為 r_a＝cT/2，最大不模糊速度v_a＝λ/(4T)，其中c為光速。其中最大不模糊速度v_a和最大不模糊距離r_a之積為常數，即有式v_ar_a＝cλ/8，該約束關系即所謂的脈沖多普勒雷達的距離/多普勒困局。這意味著，給定的雷達波形，在特定的天氣條件下，天氣回波要么會產生距離模糊、要么會產生速度模糊。

為滿足天氣雷達的性能要求，現有技術通常采用多種發射波形和相應的信號處理技術來實現距離/速度解模糊。常用的方法包括：在特定的仰角上，進行①連續監視測量和多普勒測量、②輪流監視測量和多普勒測量、③參差PRT測量、④參差PRF測量和⑤周期/非周期相位編碼測量等^[1][2][3]。

在特定的天氣態勢和空間切面上，上述技術能夠較好實現天氣信號的速度/距離測量，輸出滿足天氣雷達技術要求的氣象產品數據。然而上述方法也存在著無法回避的兩個問題，即①測速和測距波形的時空不同步會引入天氣雷達產品測量誤差，②測速波形和測距波形的切換制約了天線的掃描策略，增加了掃描時間^[2][4][5]。比如，美國的 WSR-88D天氣雷達和終端區多普勒雷達TDWR在較低仰角上采用一圈連續監視掃描和一圈連續多普勒掃描，在中等仰角上采用輪流監視掃描和多普勒掃描的模式^[2][5]。

利用頻率分集技術，本發明提出了一種脈沖多普勒雷達的測速和測距波形準同時發射技術，避免了測速/測距信號時空不同步問題，有效提高了天線掃描方式的靈活性，并能夠兼容現有的天氣雷達信號處理技術。

發明內容

對于C波段和更高波段的脈沖多普勒天氣雷達來說，距離/速度模糊問題是制約數據質量、天線掃描靈活性的關鍵問題。本發明的目的是提供一種基于頻率分集的距離/速度解模糊波形和雷達回波預處理方法，以提升脈沖多普勒天氣雷達的數據質量和天線掃描靈活性，滿足大氣科學研究和危害天氣實時探測和臨近預報對天氣雷達探測的需求。

本發明采取的技術方案包括四個部分：①選擇合適的測距雷達波形；②選擇合適的測速波形；③利用頻率分集方法，將測距波形和測速波形以相參脈沖串(Coherent pulsetrains)的形式拼接起來，并經過雷達發射機發射出去；④對天氣回波信號進行信道化處理，分離出相應的測速和測距回波，通過對分離出的測速和測距波形進行處理，得到天氣目標的散射率、速度、譜寬、偏振變量。

(一)測距波形選擇

測距波形的脈沖重復周期(PRT)應確保天氣回波不會出現距離混疊，其影響因素包括最大可能的雨頂高度和雷達仰角。

設雷達仰角為θ，脈沖重復周期PRT設為T_r(下標r為距離range 的簡寫)，則測距波形的最大不模糊距離L_max可以表示為：