新一代多普勒天氣雷達的模糊技術

莊庭

多普勒天氣雷達是利用氣象目標的回波信息來探測雨、雪及冰雹等天氣狀況的位置和強度分布情況。氣象目標的動態范圍通常大于80DB，在強對流天氣條件下的平均速度會超過30m/s，因此要求氣象雷達具有較大的測距和測速范圍，否則就會出現距離和速度模糊現象。本文探討了如何使用雙脈沖重復頻率技術提高多普勒天氣雷達數據質量的問題。

【關鍵詞】雙脈沖重復頻率 速度模糊 距離模糊

確定了一部雷達的脈沖重復頻率，其實也就確定了它能探測的最大不模糊距離。如果探測目標斜距所造成的延時大于了雷達的脈沖重復周期，那就造成雷達對目標的距離測量值并不是目標的真實距離，而是相對于雷達脈沖重復周期整數倍的余數，這也就產生了距離模糊（距離折疊）。同理，當探測目標的徑向速度所造成的多普勒頻移超出脈沖重復頻率時，則雷達的測量值是以脈沖重復頻率為模的余數，就會出現了速度模糊（速度折疊）。

目前最流行的事利用雙脈沖重復頻率法（DPRF）來解模糊處理，雙脈沖重復頻率法就是參差重復頻率法的一種，而且是得到最廣泛應用的一種。主要是因為雙脈沖重復頻率法不僅能很好的解距離模糊，也能很好的解速度模糊。

1 雙脈沖重復頻率技術解模糊方法的基本原理

1.1 雙脈沖重復頻率技術解距離模糊的基本原理

雙重復頻率解距離模糊的原理是由雷達發射兩種不同重復頻率的脈沖序列而測量值求余數來計算出目標真實距離。解距離模糊的過程就是解一組同余式聯立方程組的過程。但是應用這種方法還是有個前提就是要保證這個同余方程成立，這時雷達參數就必須滿足下列條件：

（1）兩種重復頻率下發射的雷達脈沖序列，其脈沖寬度要保持不變，我們設脈沖寬度為τ，即τ為一常數（只是在解模糊時）；

（2）兩種重復頻率所對應的周期必須是τ的整倍數，即

，，m1和m2是整數；

（3）m1和m2還必須滿足最接近和互素這兩個條件，這才能保證在m1 m2乘積不變的情況下，使雷達系統達到最大的距離不模糊能力。

1.2 雙脈沖重復頻率技術解速度模糊的基本原理

當雷達處于中等重復頻率工作方式時，其脈沖重復頻率小于目標的徑向速度所引起的多普勒頻移，這時候雷達的測量值是以重復頻率為模的余數，速度模糊就產生了。其實這和距離模糊是差不多的，我們都可以采用雙脈沖重復頻率技術來解速度模糊。當然雷達參數也必須滿足下列條件：

（1）當雷達改變脈沖重復頻率時，其多普勒濾波器的帶寬△f必須保持沒有變化，即雷達頻率的分辨間隔是常數；

（2）以多普勒濾波器帶寬歸一化后的脈沖重復頻率必須是整數；

（3）為了保證雷達的最大速度不模糊能力，歸一化后的脈沖重復頻率還必須滿足相鄰和互素這兩個條件。

2 雙脈沖重復頻率技術解模糊方法分析

由上式可知：T1-T2的值越小，其對應的最大不模糊速度就越大，但是事實上T1-T2的值不能太小，因為由、的統計波動引起的速度估計的誤差與T1-T2的值成反比。

綜合考慮T1/T2=2：3是比較好的選擇。所以，在下面的討論中，選取的T1/T2=2：3。

3 雙脈沖重復頻率技術與單脈沖重復頻率技術性能分析與比較

目前國內大部分多普勒天氣雷達仍使用單脈沖重復頻率技術，就它的速度場而言，存在了三個主要的不足：

（1）因天津塘沽雷達站以前是使用的單重復頻率為1013Hz，在它的速度場產品中，其不模糊速度值只能達到 27m/s。在存在大面積回波的情形下，就會引起距離塘沽雷達站大于147公里的速度區域出現大面積的紫色區域（即出現了速度模糊）。

（2）一般情況下S波段的多普勒天氣雷達的最大不模糊速度為 27m/s，這主要也是由于多普勒脈沖雷達重復頻率太低的緣故，在出現強風和臺風的時候，速度模糊的情形就會頻繁出現。

（3）因為使用了WSR-88D速度范圍擴展技術，所以速度場在147-153公里的資料經常會丟失。

上述這些不足嚴重影響了氣象預報員充分利用速度場資料對天氣情況做出精確的天氣預報。

在Linux系統下運行的新型RDASC軟件及雙脈沖重復頻率算法已經在天津塘沽雷達站的雷達系統上試運行一年多時間，沒有出現不正常的情況，徑向速度產品的基數據質量得到明顯的改善。

目前在天津多普勒天氣雷達系統上使用的雙脈沖重復頻率是采用了3：2的脈沖重復頻率比，即脈沖重復頻率分別為644Hz和429Hz，其對應的最大不模糊距離為230公里，對應的最大不模糊速度±33.5m/s。但是在觀測臺風時，為了避免出現速度折疊現象我們還可以使用4：3（脈沖重復頻率為644Hz和483Hz）或者5：4（脈沖重復頻率為644Hz和515Hz）脈沖重復頻率比的雙脈沖重復頻率，這樣其最大不模糊距離仍為230公里，但是其最大不模糊速度可分別達到±50m/s和±66m/s，能充分適應強風或者臺風天氣。

4 總結

通過雙脈沖重復頻率技術與WSR-88D單脈沖重復頻率技術在實際應用中的比較分析，得出這樣的結論：雙脈沖重復頻率技術在解模糊方面明顯優于單脈沖重復頻率技術，特別在解速度模糊方面效果更加明顯，通過選用不同的脈沖重復頻率比還能達到更大的最大不模糊速度，因此很適合用在目前多普勒天氣雷達的信號處理上。

參考文獻

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作者單位

天津市濱海新區氣象局 天津市 300457