基于脈沖多普勒氣象雷達技術下的脈沖壓縮技術研究

顧立娟 郝玉保 王彬

(1.武漢軍械士官學校,湖北武漢 430075;2.61175部隊,江蘇南京 210049)

基于脈沖多普勒氣象雷達技術下的脈沖壓縮技術研究

顧立娟1郝玉保2王彬1

(1.武漢軍械士官學校,湖北武漢 430075;2.61175部隊,江蘇南京 210049)

脈沖壓縮技術最早應用于50年代的軍事雷達領域。脈沖壓縮技術可以提高發射平均功率,增大作用距離的同時提高分辨率,能夠有效的解決距離探測能力和分辨能力之間的矛盾。脈沖壓縮氣象雷達能夠同時提高探測距離和探測分辨率。脈沖壓縮技術最早在20世紀70年代應用于氣象觀測,對于氣象雷達的發展具有重要的現實意義。

脈沖 氣象雷達 脈沖壓縮

pulse weather radar pulse compression

1 單脈沖多普勒雷達的劣勢

一般來說,對于多普勒雷達,要想獲得速度就需要較高的重復頻率,要想獲得距離就必須減小重復頻率。為了解決這個矛盾,通常的解決方法是采用測距折中、測速折中、雙脈沖等。但是在實際的雷達工作中我們知道平均發射功率才是決定雷達探測距離的主要因素,因此在脈沖寬度不變的情況下,只能提高雷達發射機的峰值功率才能增大探測距離。而提高峰值功率又存在著尚未解決的技術難關。要想增大探測距離還可以增加發射機的脈沖寬度,這樣可以不必增大發射機的峰值功率。但是增大脈沖寬度又降低了雷達的分辨率。這是常規單脈沖多普勒雷達應用的主要劣勢——速度模糊和距離模糊的矛盾。

2 脈沖壓縮的工作原理

脈沖壓縮(pulse compression)是指發射寬編碼脈沖并對回波進行處理以獲得窄脈沖,因此脈沖壓縮雷達既保持了窄脈沖的高距離分辨力,又能獲得寬脈沖的強檢測能力。目前的脈沖壓縮的手段主要有線性調頻、非線性調頻、巴克碼信號脈沖壓縮和相位編碼等。線性調頻最簡單也最易產生,但是對于多普勒頻移不敏感,因此很少用于氣象雷達。非線性調頻沒有線性調頻的弊端,但是其需要旁瓣電平以及對每個頻譜都進行設計,因此其系統實現比較復雜,應用范圍比較狹小。相位編碼模式是應用最多的脈沖壓縮手段。不同于線性調頻和非線性調頻,相位編碼模式將寬脈沖分為n個子脈沖,通過編碼后被發射。

3 脈沖多普勒氣象雷達的應用

首先脈沖多普勒氣象雷達可以對災害性的天氣進行及時的監測和預警。在多普勒氣象雷達的觀測數據產生的圖像中,可以明顯的看到發射率因子、徑向速度、速度譜寬形成的圖像,在雷達的相關影響因子中,徑向速度一直是判斷強對流氣象的有效數據,尤其是對于暴風、龍卷風、颶風等風災,三者合一可以比較及時和準確的對災害性天氣作出處置性建議。其次脈沖多普勒氣象雷達可以對大范圍的降水進行定量估測。在脈沖多普勒氣象雷達的參數上,可以根據雷達回波的強度和降水量的關系,對降水強度進行累積計算,最終做出未來1小時至12小時的降水量預測。這對于大范圍的降雨的預測以及防澇防洪有著深遠的意義。

4 基于脈沖多普勒氣象雷達技術下的脈沖壓縮技術

常規數字化天氣雷達利用發射機的信號強度來探測雨云的分布、降雨的強度、以及垂直風向等情況。脈沖多普勒氣象雷達除了能夠滿足上述數字化天氣雷達的功能外,當氣象變化出現降水粒子相對雷達發射波束出現相對運動時,測定接收的窄脈沖信號與發射的款脈沖信號的頻率之間存在的差異,從而可以得出降水的量以及持續時間、大氣風場、氣流速度、雨云運動軌跡等等信息。脈沖壓縮技術的成熟和完善,在氣象檢測的過程中發揮了重要的作用。同時由于其總體設備簡化,對于數據的收集整理和分析更加精確,實際的生產生活都具有重要的促進和保障作用。脈沖壓縮雷達采用調制寬脈沖發射,從而可以提高發射機的平均功率,保證雷達的最大探測距離。接收時采用脈沖壓縮技術,獲得窄脈沖,從而提高遠距離探測的雷達分辨率。脈沖壓縮能很好地解決常規單脈沖多普勒雷達應用中速度模糊和距離模糊的矛盾。因此廣泛應用于脈沖多普勒氣象雷達中對于預測強對流天氣具有現實意義。

[1]丁留貫.氣象雷達脈沖壓縮技術研究[D].南京信息工程大學,2007.

[2]田峰.氣象雷達的脈沖壓縮技術研究[J].數字技術與應用,2014.

[3]秦敏.通用雷達接收機建模與實現技術[D].西安電子科技大學,2005.

[4]Fritz O'Hara. Joan Been. operational Use of Pulse Compression in Weather Radar.32nd Conference on Radar Meteorology,2005.

[5]丁鷺飛,耿富錄.雷達原理[M].西安:西安電子科技大學出版社,2002.

【關鍵詞】military radar pulse compression technology was first used in the 50's. Pulse compression technology can improve the emission power, range of action at the same time to improve the resolution of the contradiction between, can effectively solve the problem of distance detection ability and the ability to distinguish. Pulse can also improve the detection distance and resolution compression of weather radar. Pulse compression technology as early as twentieth Century 70's used in meteorological observation, has the important practical significance for the development of weather radar.

顧立娟(1982—),女,漢族,河北秦皇島人,碩士,講師,主要研究方向為雷達信號處理。