[发明专利]基于频率分集的速度/距离解模糊雷达波形设计方法

说明书

基于频率分集的速度/距离解模糊雷达波形设计方法属于脉冲多普勒天气雷达系统技术领域。其作用是设计天气雷达发射信号，降低天气雷达体扫周期。本发明包括四个部分：①选择合适的测距雷达波形；②选择合适的测速波形；③利用频率分集方法，将测距波形和测速波形以相参脉冲串的形式拼接起来，并经过雷达发射机发射出去；④对天气回波信号进行信道化处理，分离出相应的测速和测距回波，通过对分离出的测速和测距波形进行处理，得到天气目标的散射率、速度、谱宽、偏振变量。

技术领域

本发明属于脉冲多普勒天气雷达系统(包括具有天气回波脉冲多普勒处理能力的空中交通管理雷达系统、警戒雷达系统、制导雷达系统、相控阵雷达系统)技术领域。其作用是设计天气雷达发射信号，降低天气雷达体扫周期。

背景技术

天气回波的速度/距离解模糊是脉冲多普勒天气雷达、空中交通管理雷达、警戒制导雷达等领域的关键技术问题。对于脉冲重复周期为T、波长为λ的脉冲多普勒天气雷达来说，其最大不模糊距离为 r_a＝cT/2，最大不模糊速度v_a＝λ/(4T)，其中c为光速。其中最大不模糊速度v_a和最大不模糊距离r_a之积为常数，即有式v_ar_a＝cλ/8，该约束关系即所谓的脉冲多普勒雷达的距离/多普勒困局。这意味着，给定的雷达波形，在特定的天气条件下，天气回波要么会产生距离模糊、要么会产生速度模糊。

为满足天气雷达的性能要求，现有技术通常采用多种发射波形和相应的信号处理技术来实现距离/速度解模糊。常用的方法包括：在特定的仰角上，进行①连续监视测量和多普勒测量、②轮流监视测量和多普勒测量、③参差PRT测量、④参差PRF测量和⑤周期/非周期相位编码测量等^[1][2][3]。

在特定的天气态势和空间切面上，上述技术能够较好实现天气信号的速度/距离测量，输出满足天气雷达技术要求的气象产品数据。然而上述方法也存在着无法回避的两个问题，即①测速和测距波形的时空不同步会引入天气雷达产品测量误差，②测速波形和测距波形的切换制约了天线的扫描策略，增加了扫描时间^[2][4][5]。比如，美国的 WSR-88D天气雷达和终端区多普勒雷达TDWR在较低仰角上采用一圈连续监视扫描和一圈连续多普勒扫描，在中等仰角上采用轮流监视扫描和多普勒扫描的模式^[2][5]。

利用频率分集技术，本发明提出了一种脉冲多普勒雷达的测速和测距波形准同时发射技术，避免了测速/测距信号时空不同步问题，有效提高了天线扫描方式的灵活性，并能够兼容现有的天气雷达信号处理技术。

发明内容

对于C波段和更高波段的脉冲多普勒天气雷达来说，距离/速度模糊问题是制约数据质量、天线扫描灵活性的关键问题。本发明的目的是提供一种基于频率分集的距离/速度解模糊波形和雷达回波预处理方法，以提升脉冲多普勒天气雷达的数据质量和天线扫描灵活性，满足大气科学研究和危害天气实时探测和临近预报对天气雷达探测的需求。

本发明采取的技术方案包括四个部分：①选择合适的测距雷达波形；②选择合适的测速波形；③利用频率分集方法，将测距波形和测速波形以相参脉冲串(Coherent pulsetrains)的形式拼接起来，并经过雷达发射机发射出去；④对天气回波信号进行信道化处理，分离出相应的测速和测距回波，通过对分离出的测速和测距波形进行处理，得到天气目标的散射率、速度、谱宽、偏振变量。

(一)测距波形选择

测距波形的脉冲重复周期(PRT)应确保天气回波不会出现距离混叠，其影响因素包括最大可能的雨顶高度和雷达仰角。

设雷达仰角为θ，脉冲重复周期PRT设为T_r(下标r为距离range 的简写)，则测距波形的最大不模糊距离L_max可以表示为：