劉生鋒,嚴(yán) 勇,陸建兵
(1.中國(guó)兵器工業(yè)試驗(yàn)測(cè)試研究院, 陜西華陰714200;2.南京電子技術(shù)研究所, 南京210039)
雷達(dá)的最大不模糊距離與雷達(dá)的最大不模糊速度是一個(gè)矛盾,要增加測(cè)速的范圍必然要減少測(cè)距的范圍。當(dāng)最大不模糊距離外存在目標(biāo)物時(shí),就會(huì)在雷達(dá)回波圖上出現(xiàn)因距離折疊而形成的二(多)次回波[1]。在多普勒天氣雷達(dá)中,尤其是對(duì)中小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)時(shí),為了避免產(chǎn)生速度模糊,往往需要采用比較高的重復(fù)頻率,這時(shí)遠(yuǎn)距離回波就會(huì)產(chǎn)生折疊、與正?;夭ɑ殳B在一起,使數(shù)據(jù)質(zhì)量大為下降[2-3]。迄今為止,已提出了多種方法解決距離折疊,但各種方法均有不足的地方,最好的方法也只能是減輕它的影響[4]。
在多普勒天氣雷達(dá)中,常用的退距離折疊方法有:批處理方法[5]、分離掃描法[5]、系統(tǒng)相位法[6]和隨機(jī)相位法[7]等。本文詳細(xì)闡述使用相位編碼退距離折疊的原理,并將該技術(shù)應(yīng)用于某X波段多普勒天氣雷達(dá)。實(shí)際探測(cè)結(jié)果表明,使用偽隨機(jī)相位編碼可以有效地解決多普勒天氣雷達(dá)的距離折疊問(wèn)題,但也會(huì)在一定程度上使真實(shí)回波有所減弱,并消去邊緣的弱回波。
多普勒天氣雷達(dá)的測(cè)距原理與一般雷達(dá)的測(cè)距原理相同,即它也是通過(guò)測(cè)量目標(biāo)物的后向散射波回到雷達(dá)時(shí)所需的時(shí)間來(lái)計(jì)算目標(biāo)距離的。因此,多普勒天氣雷達(dá)的最大不模糊距離可以描述為:當(dāng)雷達(dá)發(fā)出一個(gè)脈沖遇到該距離處的目標(biāo)物,產(chǎn)生的后向散射波回到雷達(dá)時(shí),下一個(gè)雷達(dá)脈沖剛好發(fā)出。該距離可用下式表示
式中:c為光速;PRF為雷達(dá)的重復(fù)頻率。
由于光速c是一個(gè)常數(shù),最大不模糊距離Rmax與脈沖重復(fù)頻率PRF成反比。
多普勒天氣雷達(dá)測(cè)量速度時(shí),通常不是直接測(cè)量多普勒頻移,而是通過(guò)測(cè)量相繼返回的脈沖對(duì)之間的相位差來(lái)確定目標(biāo)物的徑向速度Vr,見(jiàn)下式
式中:T為脈沖重復(fù)周期;ΔR為相繼脈沖的時(shí)間間隔內(nèi)T目標(biāo)物沿徑向變化的距離;λ為雷達(dá)的波長(zhǎng);Δφ為相繼返回的兩個(gè)脈沖之間的相位差;PRF為雷達(dá)的重復(fù)頻率。
由于多普勒天氣雷達(dá)的采樣是離散的,即每個(gè)脈沖采樣一次,這就造成了Δφ的取值范圍只能在(-π,π)之間。這里,相移π所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)物徑向速度值稱為最大不模糊速度Vmax,它與脈沖重復(fù)頻率PRF和波長(zhǎng)λ的關(guān)系可以通過(guò)將π帶入式(2)中得到
對(duì)于給定的雷達(dá),波長(zhǎng)λ為一定值,因此最大不模糊速度Vmax與脈沖的重復(fù)頻率PRF成正比。
將式(1)和式(3)相乘后,可以得到
式(4)就是最大不模糊距離與最大不模糊速度之間的關(guān)系。由此可見(jiàn),當(dāng)雷達(dá)波長(zhǎng)選定后,二者的乘積是一個(gè)常數(shù),也就是說(shuō),最大不模糊距離Rmax與最大不模糊速度Vmax是相互制約的,當(dāng)增大其中的一個(gè)時(shí),必然會(huì)導(dǎo)致另外一個(gè)減小;而且波長(zhǎng)越短,約束條件越苛刻。
當(dāng)目標(biāo)物離雷達(dá)的距離大于Rmax且位于kRmax+Rs(k表示任意整數(shù),Rs為小于Rmax的正數(shù))位置處時(shí),在雷達(dá)回波上該目標(biāo)將出現(xiàn)在距離Rs上,這就是“距離折疊”。距離在Rmax內(nèi)的回波稱為一次回波,距離在Rmax和2Rmax內(nèi)(k=1)的回波稱為二次回波,依次類推,甚至可能存在3次(k=2)或更高次(k>2)的回波。當(dāng)使用多普勒天氣雷達(dá)觀測(cè)中小尺度的強(qiáng)對(duì)流天氣[8]時(shí),為了減少速度模糊,常選用較高的PRF,這時(shí)Rmax就會(huì)減小,導(dǎo)致距離折疊。出現(xiàn)距離折疊時(shí),二次或更高次回波將折疊在一次回波中,導(dǎo)致我們對(duì)回波出現(xiàn)的位置產(chǎn)生錯(cuò)誤判斷并影響產(chǎn)品的數(shù)據(jù)質(zhì)量,圖1給出了一個(gè)比較明顯的例子。
圖1a)為高重頻下的強(qiáng)度回波,最大探測(cè)距離為75 km;圖1b)為較低重頻下的強(qiáng)度回波,最大探測(cè)距離為150 km。由圖1b)可知,在距離雷達(dá)75 km范圍內(nèi)幾乎沒(méi)有回波,而在75 km以外,有一片回波;而在圖1a)中,75 km范圍內(nèi)卻出現(xiàn)了回波,這片回波是虛假回波,是由于距離折疊產(chǎn)生的二次回波,嚴(yán)重影響了回波數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
圖1 高重頻下的距離折疊
隨機(jī)相位法的基本原理是對(duì)不同的脈沖串,在發(fā)射之前對(duì)其先隨機(jī)的移一個(gè)相角,由于不同距離段所移的相角不同,故能把不同距離段的信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)。當(dāng)?shù)谝痪嚯x段和第二距離段都存在氣象目標(biāo)時(shí),第n個(gè)發(fā)射脈沖的回波信號(hào)可表示為
多普勒氣象雷達(dá)是一個(gè)使用速調(diào)管發(fā)射機(jī)的全相參雷達(dá)。雷達(dá)由接收機(jī)產(chǎn)生一個(gè)優(yōu)化的隨機(jī)相位碼去控制發(fā)射機(jī)的射頻移相器,從而使每一個(gè)發(fā)射脈沖的起始相位都是隨機(jī)的,該相位相當(dāng)于式(5)中的φn,當(dāng)我們將接收回波序列進(jìn)行相干時(shí),有
式中:[N]表示所有白噪聲總功率。
由于φn為(-π,π)均勻分布的隨機(jī)相位,因此上述兩式中的和成了白噪聲,從而達(dá)到了第一距離段和第二距離段真實(shí)回波信號(hào)的分離。在上述分離方法中,由于其中一個(gè)距離段的白化會(huì)導(dǎo)致另一距離段的信噪比下降,特別是對(duì)于第二距離段而言,由于第一距離段的回波信號(hào)較強(qiáng),白化后使第二距離段信噪比變得很差。因此,在實(shí)際估計(jì)時(shí)通常采用自適應(yīng)濾波方法。假設(shè)我們要處理第一距離段回波信號(hào),先對(duì)第二距離段信號(hào)進(jìn)行相干,恢復(fù)其功率譜(由于發(fā)射脈沖具有不同的隨機(jī)初始相位,該回波剛到達(dá)接收機(jī)時(shí)是被白化的)后,構(gòu)造一個(gè)濾波器,將該相干功率濾除,使其成為一白色譜,然后用IFFT反變換后再與第一距離段進(jìn)行重相干,這樣就可以恢復(fù)第一距離段信號(hào)譜,并且該信號(hào)譜的信噪比也得到了改善,接下來(lái)再按照FFT方法的各種處理步驟計(jì)算雷達(dá)回波參數(shù)。
我們對(duì)某X型波段多普勒天氣雷達(dá)中進(jìn)行了改造,根據(jù)隨機(jī)相位編碼退距離模糊的原理,在發(fā)射每個(gè)脈沖時(shí),由接收機(jī)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)相位碼(0,π/2,π,3π/2)去控制發(fā)射機(jī)的射頻移相器,從而使每一個(gè)發(fā)射脈沖的起始相位都是隨機(jī)的,在接收時(shí)再將不同距離段的回波信號(hào)進(jìn)行分離。圖2給出了一次實(shí)際探測(cè)的結(jié)果。
圖2 使用隨機(jī)相位編碼退距離模糊的對(duì)比
圖2a)為量程300 km的強(qiáng)度回波圖,在接近300 km、方位210°附近有一片回波(圖中的A區(qū)),圖2b)為量程150 km、未使用隨機(jī)相位編碼退距離折疊的強(qiáng)度回波圖,因此在B區(qū)產(chǎn)生了圖2a)中A區(qū)回波的二次回波,圖2c)的量程同樣為150 km,但由于使用了隨機(jī)相位編碼,因此在B區(qū)沒(méi)有回波,說(shuō)明該區(qū)域因距離折疊產(chǎn)生的二次回波已經(jīng)被消去。同時(shí),仔細(xì)對(duì)比圖2三個(gè)圖中的C區(qū),因?yàn)槭褂昧穗S機(jī)相位編碼技術(shù),真實(shí)回波有所減弱,邊緣弱信號(hào)更是由于信噪比下降,在低于雷達(dá)檢測(cè)門(mén)限后無(wú)法檢測(cè)得到。
距離折疊是多普勒天氣雷達(dá)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的現(xiàn)象,嚴(yán)重影響雷達(dá)的數(shù)據(jù)質(zhì)量,甚至?xí)?dǎo)致對(duì)天氣形勢(shì)的誤判。本文在分析了距離折疊的產(chǎn)生機(jī)制后,詳細(xì)闡述了利用隨機(jī)相位編碼進(jìn)行退距離模糊的原理,并結(jié)合某型X波段多普勒天氣雷達(dá)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了成功的應(yīng)用。探測(cè)結(jié)果表明,采用隨機(jī)相位編碼技術(shù)可以有效消去由距離折疊而產(chǎn)生的二(多)次回波;但與此同時(shí),也會(huì)使真實(shí)回波有所減弱,邊緣弱信號(hào)甚至無(wú)法檢測(cè)到。這是使用隨機(jī)相位編碼退距離折疊需要考慮的問(wèn)題,也是我們下一步要解決的問(wèn)題。
[1] 丁鷺飛,耿富錄.雷達(dá)原理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2002.Ding Lufei,Geng Fulu.Radar principle[M].Xi'an:Xidian University Press,2002.
[2] 俞小鼎,姚秀萍,熊廷南,等.多普勒天氣雷達(dá)原理與業(yè)務(wù)應(yīng)用[M].北京:氣象出版社,2006.Yu Xiaoding,Yao Xiuping,Xiong Tingnan,et al.Principle and professional application of Doppler weather radar[M].Beijing:China Meteorological Press,2006.
[3] 張靄琛.現(xiàn)代氣象觀測(cè)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2008.Zhang Aichen.Modern meteorological observation[M].Beijing:Peking University Press,2008.
[4] 潘新民,熊 毅,柴秀梅,等.新一代天氣雷達(dá)退數(shù)據(jù)模糊方法探討[J].氣象與環(huán)境科學(xué),2010,33(1):17-23.Pan Xinming,Xiong Yi,Chai Xiumei,et al.Discussion on the CINRAD correcting data ambiguity method[J].Journal of Meteorologyical and Environment Sciences,2010,33(1):17-23.
[5] 周紅平,沙雪松,張光峰.批次處理解決氣象雷達(dá)距離模糊[J]. 現(xiàn)代雷達(dá),2006,28(11):20-21,32.Zhou Hongping,Sha Xuesong,Zhang Guangfeng.Resolving range ambiguity of weather radar using batch processing method[J].Modern Radar,2006,28(11):20-21,32.
[6] Torres S M,Zrnic D S.Range and velocity ambiguity mitigation techniques for the WSR-88D weather radar[C]//2004 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium Anchorage,AK:IEEE Press,2004:1727-1729.
[7] 熊 毅.多普勒天氣雷達(dá)中相位編碼退距離模糊的研究[D].北京:北京郵電大學(xué),2011.Xiong Yi.Research of phase coding algorithm to mitigate range ambiguity in doppler weather radar[D].Beijing:Beijing University of Posts and Telecommunications,2001.
[8] 張培昌,杜秉玉,戴鐵丕.雷達(dá)氣象學(xué)[M].北京:氣象出版社,2001.Zhang Peichang,Du Bingyu,Dai Tiepi.Radar meteorology[M].Beijing:China Meteorological Press,2001.