多普勒天氣雷達(dá)分辨率提高理論與方法研究.pdf

1、多普勒天氣雷達(dá)分辨率的提高，將有利于提高天氣雷達(dá)對(duì)中小尺度氣旋和龍卷風(fēng)等災(zāi)害性的天氣探測(cè)能力，有利于通過(guò)天氣雷達(dá)獲得更精細(xì)的天氣過(guò)程回波特征，為預(yù)警和預(yù)報(bào)提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。
　　要提高天氣雷達(dá)距離分辨率和方位分辨率，直接辦法是增大發(fā)射信號(hào)帶寬和增大天線直徑；但這涉及天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)及天線的硬件改動(dòng)，改造周期長(zhǎng)、成本高；對(duì)于已布網(wǎng)、正在業(yè)務(wù)運(yùn)行的新一代多普勒天氣雷達(dá)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，這是不現(xiàn)實(shí)的。本文針對(duì)現(xiàn)在正在使用的多普勒天氣雷

2、達(dá)系統(tǒng)，著重研究在天氣雷達(dá)接收機(jī)后端，通過(guò)信號(hào)處理方法、數(shù)據(jù)處理方法及數(shù)據(jù)獲取方式等方面進(jìn)行改進(jìn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)多普勒天氣雷達(dá)分辨率的改善與提高。
　　本文的主要工作和貢獻(xiàn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
　　（1）多普勒天氣雷達(dá)在現(xiàn)有機(jī)械天線連續(xù)掃描和譜矩處理方式下，天線有效波束寬度較由雷達(dá)天線尺寸和波長(zhǎng)等因素決定的固有波束寬度有較大的展寬，從而導(dǎo)致天氣雷達(dá)實(shí)際方位分辨率的降低。本文研究了天氣雷達(dá)天線有效波束寬度的計(jì)算方法，并從理論上分析了天

3、氣雷達(dá)在不同掃描方式下有效波束寬度的展寬程度；研究了降低雷達(dá)方位采樣間隔和方位重疊采樣以及數(shù)據(jù)加權(quán)兩種方法，來(lái)減少天線有效波束的展寬，以實(shí)現(xiàn)天氣雷達(dá)實(shí)際方位分辨率的提高，并用實(shí)驗(yàn)仿真和雷達(dá)實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證了兩種方法的有效性。
　　（2）針對(duì)分辨率提高后，因脈沖積累數(shù)減少或信噪比降低而帶來(lái)的多普勒天氣雷達(dá)譜矩估計(jì)精度降低的實(shí)際問(wèn)題，本文給出了距離過(guò)采樣和白化濾波算法，與方位重疊采樣以及數(shù)據(jù)加權(quán)這兩種方法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的處理方法，既使方位分

4、辨率得到提高，又使譜矩估計(jì)的精度得到改善。論文理論分析了采用該方法后譜矩估計(jì)精度的改善程度，并使用實(shí)驗(yàn)仿真和雷達(dá)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，使用距離過(guò)采樣和白化濾波算法，可彌補(bǔ)因減少有效波束寬度展寬、提高方位分辨率而帶來(lái)的精度降低問(wèn)題。
　　（3）論文結(jié)合天氣雷達(dá)回波信號(hào)模型和距離過(guò)采樣方法，建立了基于距離過(guò)采樣回波信號(hào)進(jìn)行距離高分辨率重構(gòu)的數(shù)學(xué)模型；把發(fā)射脈沖寬度決定的距離分辨單元細(xì)分成更小的距離分辨子單元，相當(dāng)于

5、對(duì)距離分辨單元內(nèi)分布式散射體中心進(jìn)行更細(xì)劃分。并在最小方差無(wú)失真響應(yīng)（MVDR）算法研究基礎(chǔ)上，提出了利用最陡下降法的改進(jìn)MVDR算法來(lái)實(shí)現(xiàn)距離向高分辨率回波信號(hào)的重構(gòu)。仿真結(jié)果表明，對(duì)點(diǎn)目標(biāo)和不均勻分布的天氣目標(biāo)，該方法能重構(gòu)距離分辨率單元內(nèi)部散射目標(biāo)的平均功率和徑向速度變化特征，實(shí)現(xiàn)距離分辨率的提高。
　?。?）針對(duì)天氣雷達(dá)反射率因子的分辨率提高問(wèn)題，本文從雷達(dá)氣象方程入手，結(jié)合分布式氣象目標(biāo)特點(diǎn)，推導(dǎo)了天氣雷達(dá)分辨率體積內(nèi)反

6、射率因子與雷達(dá)回波平均功率之間的數(shù)學(xué)模型，并經(jīng)離散化處理后建立了反射率因子在距離向和方位向二維分辨率提高的矩陣方程；提出了同時(shí)利用距離過(guò)采樣和增加方位觀測(cè)密度兩種數(shù)據(jù)獲取方式，來(lái)獲得距離向和方位向部分相關(guān)的雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)樣本；并提出將一維、二維截?cái)嗥娈愔捣纸夥ǎ═SVD）和 Tikhonov方法兩種正則化算法引入到了天氣雷達(dá)反射率因子的分辨率提高應(yīng)用中。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于正則化算法來(lái)提高天氣雷達(dá)反射率因子的距離和方位分辨率具有一定效果