第九章雷达新技术2课件.ppt

1、Weather Radar Technology- Merits in Chronological OrderWSR-57WSR-88DWSR-07PDTechnology Developments Digital receivers Easy to achieve sampling rate higher than reciprocal of pulse (oversampling) Versatile circuits for transmitter control Easy to phase code, to interleave PRTs (staggered and other),

2、to compress pulse Signal processing on general purpose computers (PCs) Easy to program algorithms and analyze Doppler spectraCapability of the NSSLs R&D weather surveillance radar Doppler and Dual Polarization Phase coding of transmitted pulses Transmission of arbitrary non uniform pulse sequence in

3、cluding staggered PRT Oversampling by a factor of 5 in Dual Polarization Mode By a factor of 10 in Single Polarization Mode Arbitrary scanning strategy (including RHI) Recording of time series dataOversampling To increase speed of volume coverage To decrease errors in estimates of reflectivity, velo

4、city, spectrum width, and polarimetric variables Z, Standard Processing, Aug 04Z, from Decorrelated SamplesMitigation of range velocity ambiguities Phase coding at lower elevations Staggered PRT at higher elevations Demonstration of clutter filtering for both schemes Integration into volume coverage

5、 patterns Inclusion of oversampling Adaptive automatic choice of PRTs based on obscurations in immediately preceding scansReflectivityLong PRTEL = 0.5 deg10/08/02 15:11 GMTPhase CodingDoppler VelocityPhase coding, medium PRTEL = 0.5 deg10/08/02 15:11 GMTDoppler Velocity Processing as on WSR-88Dva =

6、23.7 m s-1, ra = 175 km va = 23.7 m s-1, ra = 175 km Phase CodingStaggered PRTReflectivityStaggered PRTEL = 2.5 deg04/06/03 4:42 GMTStaggered PRTva = 25.4 m s-1va = 45.2 m s-1148 km184 kmKTLX Doppler VelocityVCP 11 Batch ModeKOUN Doppler VelocityStaggered PRT (184 km/276 km)EL = 2.5 deg04/06/03 4:42

7、 GMTDual Polarization at NSSL1983: Upgrade of Cimarron radar to dual polarization; switching between horizontal and vertical polarization1984: Collection of first (anywhere) dual polarization time series data 1985 to 1989: Definition of the complete set of polarimetric variables. Development of sche

8、mes to obtain these variables together with spectral moments 1992: First (anywhere) collection of polarimetric variables at all range locations 1992 to present: Development of schemes to classify hydrometeor type. Improvement of rainfall estimation. Design of a system functionally compatible with th

9、e WSR-88D; simultaneous transmission and reception of horizontally and vertically polarized waves2002: Upgrade of KOUN radar to dual polarization2002-2003: Joint POLarization Experiment (JPOLE)Fields of polarimetric variables Dual Polarization - Benefits Vastly superior data quality: calibration, mi

10、tigation of attenuation and beam blockage effects Discrimination between insects, birds, ground echoes, and precipitation Superior measurement of rainfall Detection of hail Classification of precipitation rain vs freezing rain vs snow Determination of hail size Measurement of snowfall Icing detectio

11、nStratiform Rain vs SnowImminent Goals Combining techniques to mitigate range and velocity ambiguities with optimum (pseudo whitening) procedure to increase speed of volume coverage and decrease errors of estimates Incorporating the above combined technique into dual polarization radar Developing ad

12、aptive scanning strategy for agile beam phased array radarThree Challenges Direct estimation of wind transverse to the radar beam Determination of the alias interval of Doppler velocity from a single pulse Estimation of the forward propagation coefficient using returns from hydrometeors or biologica

13、l scatterers Major Endeavor Explaining bulk hydrometeor properties that cause distinct polarimetric signatures in convective storms Major Endeavor Assimilation of radar data into local NWP (short term 3 h, fine resolution 1 km) model coupled to distributed hydrological model for use over small water

14、sheds ( 1000s km2) capable of predicting tornadoes, strong winds, hail, and other hazards目标分辨脉冲压缩雷达目标分辨脉冲压缩雷达 概述概述 线性调频脉冲压缩线性调频脉冲压缩概述概述雷达的距离分辨率取决于信号的带宽雷达的距离分辨率取决于信号的带宽Bcr2 对于普通脉冲雷达，雷达信号的时宽对于普通脉冲雷达，雷达信号的时宽与带宽满足与带宽满足BT1 对于脉冲压缩雷达，雷达信号的时宽对于脉冲压缩雷达，雷达信号的时宽与带宽满足与带宽满足TBBT11这样，经过压缩后雷达信号的时宽为这样，经过压缩后雷达信号的时宽为1B

15、T 压缩后与压缩前雷达信号时宽之比为压缩后与压缩前雷达信号时宽之比为1TBTT 定义雷达信号时宽与带宽的乘积为脉定义雷达信号时宽与带宽的乘积为脉冲压缩比冲压缩比TBD 如果压缩滤波器是无源的，它本身不消耗如果压缩滤波器是无源的，它本身不消耗能量也不产生能量，满足能量守恒原理：能量也不产生能量，满足能量守恒原理：PPTTDTPTPE 可见，输出脉冲的峰值功率增大了可见，输出脉冲的峰值功率增大了D倍倍 若输入脉冲幅度为若输入脉冲幅度为A，输出脉冲幅度为，输出脉冲幅度为A，则有：则有：DAADTTAA 因为噪声通过压缩滤波器后，噪声不会被因为噪声通过压缩滤波器后，噪声不会被压缩，其噪声电平仍保持在接

16、收机原有的噪声压缩，其噪声电平仍保持在接收机原有的噪声电平上，所以输出信噪比也提高了电平上，所以输出信噪比也提高了D倍倍DNSNSi)/()/(0 这意味着，接收机的灵敏度提高了，脉冲压这意味着，接收机的灵敏度提高了，脉冲压缩雷达的作用距离将提高。缩雷达的作用距离将提高。脉冲压缩雷达的优点：脉冲压缩雷达的优点：1 脉冲宽度与有效频谱宽度这两个参数脉冲宽度与有效频谱宽度这两个参数可以独立选取，解决了雷达作用距离与可以独立选取，解决了雷达作用距离与距离分辨率之间的矛盾。距离分辨率之间的矛盾。2 通过匹配压缩处理获得高的距离分辨通过匹配压缩处理获得高的距离分辨率率3 宽带信号有利于提高系统的抗干扰能

17、宽带信号有利于提高系统的抗干扰能力力脉冲压缩雷达的缺点：脉冲压缩雷达的缺点：1 最小作用距离受脉冲宽度的限制。最小作用距离受脉冲宽度的限制。2 收发系统比较复杂，在信号产生和处收发系统比较复杂，在信号产生和处理过程中的任何失真，都将增大旁瓣高理过程中的任何失真，都将增大旁瓣高度。度。3 存在距离旁瓣，通过加权处理抑制旁存在距离旁瓣，通过加权处理抑制旁瓣。瓣。4 存在距离和速度耦合，影响测量。存在距离和速度耦合，影响测量。脉冲压缩雷达存在条件：脉冲压缩雷达存在条件：1 发射信号必须具有发射信号必须具有非线性的相位谱非线性的相位谱。2 存在对应的存在对应的匹配压缩网络匹配压缩网络。压缩网络脉冲压缩

18、的原理脉冲压缩的原理 频谱分析方法频谱分析方法 信号延迟积累方法信号延迟积累方法 同相位矢量相加方法同相位矢量相加方法设发射信号的频谱为：设发射信号的频谱为：)(| )(|)(fjiiiefUfU则，匹配压缩滤波器的频谱应为：则，匹配压缩滤波器的频谱应为：diftjfjieefUKfH2)(| )(|)(经过匹配压缩滤波器后的输出应为：经过匹配压缩滤波器后的输出应为：dftjiioefUKfUfHfU22| )(|)()()(频谱分析方法频谱分析方法接收机输入的高接收机输入的高频脉冲的包络频脉冲的包络输入高频信号输入高频信号的时间的时间-频率频率特性特性信号压缩的频信号压缩的频率率-时延特性时

19、延特性压缩脉冲输出压缩脉冲输出信号延迟积累方法信号延迟积累方法fffttf1fff2td2td1f1f2TTtd1td2存在下述关系：存在下述关系：)(2112ddddttTTTttT因为因为12ddtt所以所以TT 同相位矢量相加方法同相位矢量相加方法f压缩前信号频谱矢量图压缩前信号频谱矢量图压缩后信号频谱矢量图压缩后信号频谱矢量图f脉冲压缩雷达信号处理方式：脉冲压缩雷达信号处理方式：匹配滤波脉冲压缩I/Q解调信号滤波器存储采样保持A/D转换频谱分析检测器R.V.W中频放大信号检测结果 模拟脉冲压缩脉冲压缩雷达信号处理方式：脉冲压缩雷达信号处理方式：采样保持A/D转换频谱分析信号滤波器存储匹

20、配滤波脉冲压缩检测器R.V.W检测结果 数字脉冲压缩I/Q信号线性调频信号的产生线性调频信号的产生 无源法产生线性调频信号无源法产生线性调频信号 窄脉冲冲击法窄脉冲冲击法 平衡调制法平衡调制法 有源法有源法中频矩形带通网络色散延迟线方波产生器功放上变频器整形本振冲击信号 无源法亚控振荡器多谐振荡器锯齿波电压产生器选通冲击信号 有源法线性调频信号的频谱线性调频信号的频谱幅度频谱：幅度频谱：2/ 1221221)()()()(21| )(|uSuSuCuCKfu相位频谱：相位频谱：)()()()()(21212uCuCuSuSarctgfKf线性调频信号的频谱线性调频信号的频谱当雷达信号时间带宽积

21、远远大于当雷达信号时间带宽积远远大于1时，存在近似时，存在近似相位频谱：相位频谱：4)()()()(2121uCuCuSuSarctg4)(2fKf02468101214-1-0.500.51radar pulse with linear frequency modulationtime (us)-25-20-15-10-50510152025051015202530frequency spectrum of radar pulsefrequency (MHz)clear%信号产生T=10*10-6; %pulse widthB=10*106; %frequency bandwidthK=B/

22、T; %frequency modulation ratioN=2048; %samples numbert=0:T/N:T; %time seriessi=exp(-j*pi*K*t.2); %signal generationso=fft(si);subplot(2,1,1);plot(fftshift(abs(so)subplot(2,1,2);plot(fftshift(angle(so);线性调频脉冲信号的波形参量线性调频脉冲信号的波形参量BdfKdfKdffudffuWBBBBe2/2/422/2/2422|1|1| )(| )(|有效带宽：有效带宽：22/2/22/2/22222

23、22203|1|1|)2(| )(| )(|)2(BdfKdfKfdffudffufBBBB均方根带宽：均方根带宽：TdtdtdttudttuTTTTTe2/2/2/2/2422| )(| )(|有效时宽：有效时宽：均方根时宽：均方根时宽：22/2/2/2/2222222)(31)2(| )(| )(|)2(TdtdttdttudttutTTTT调频常数：调频常数：3)2(2)(222/2/2/2/2/2/2/2/BTdtdtKttdtdtttTTTTTTTT线性调频信号的模糊函数线性调频信号的模糊函数TtTtetuKtj0, 00,)(2TTTKTK| |)|(|)|)(|)|)(sin|

24、),(|22时间轴上的切面：时间轴上的切面：TTTKTK|)|(|)|(|)|(sin| ) 0 ,(|TBTBT|)/|1 (sin| ) 0 ,(|TBBT|sin| ) 0 ,(|频率轴上的切面：频率轴上的切面：|sin| ), 0(|TTT特点：特点：1随着多普勒频移，主峰值降低。2随着多普勒频移，主峰值产生时移。3随着多普勒频移，切割图与辛克函数的失真进一步加大。线性调频信号的处理线性调频信号的处理当信号的时间带宽积较大时，线性调频信号的频谱可以近似为：幅度频谱：幅度频谱：)(1| )(|BfrectKfu相位频谱：相位频谱：4/)(2fKf线性调频信号的近似匹配滤波器的频谱特性应满

25、足：1 幅度谱与信号的频谱相同，即带宽为B的矩形谱2 相位谱是信号相位谱的共轭2)(fKf压缩滤波器的频谱应该是：2)(1)(fKjeBfrectKfHKffKdfdtd)(212近似匹配滤波器的输出近似匹配滤波器的输出近似匹配滤波器的输入信号为近似匹配滤波器的输入信号为212 ()2( )( )jtKttu trecteT 其中其中 为信号的多普勒频移，这个信号的频谱为为信号的多普勒频移，这个信号的频谱为22/22 ()/2( )( )jftTjf tKtTu fu t edtedt 近似匹配滤波器的频率特性应该是近似匹配滤波器的频率特性应该是其幅度频谱为其幅度频谱为1|( )|( )fH

26、frectBK其相位频谱为其相位频谱为2( ) ffK近似匹配滤波器的频谱为近似匹配滤波器的频谱为21( )( )jfKfH frecteBK经过近似匹配滤波器的压缩后的频谱为经过近似匹配滤波器的压缩后的频谱为221/22 ()22/2( )( )( )1( )TjfjtKtjftKTY fH fu ffrecteeedtBK 当当 为某一固定值，近似匹配滤波器输出的波形为为某一固定值，近似匹配滤波器输出的波形为2221/22 ()22/2( , )( )1( )jfTjfjf tKtjfKTyY f edffrecteedt edfBK 改变积分次序，上式可写为改变积分次序，上式可写为222

27、221/22 ()22/21/22 ()2 ()22/2( , )( )11jffTjf tKtfKTfTjtKtjfftKTyY f edfedf dtKedtedfK 令令22222221122(2)22Kt KvKvKtKK tfKvfvftfKK代入上式，经过简化，有代入上式，经过简化，有2221(2)/22 ()2)22/21( , )fKvTjtKtvjKTyedtedfK 再令再令222UfKvK22(2)2)24fKvjjjUKKedfedUKe因为存在下列关系因为存在下列关系2221122tKtvt K tK近似匹配滤波器的输出最后可以写为近似匹配滤波器的输出最后可以写为22

28、21 12 ()/22 ()8 2/21 12 ()/28 201 12 ()8 2( , )cos2 () sin ()()jKTjK tTjKTjKyeedteK t dtK TeK T 输出信号的包络为输出信号的包络为sin ()| ( , )| |()K TyK T 比较近似匹配滤波器的输出和模糊函数的结果比较近似匹配滤波器的输出和模糊函数的结果sin ()| ( , )| |()K TyK T 近似匹配滤波器的输出包络为近似匹配滤波器的输出包络为线性调频信号的模糊函数为线性调频信号的模糊函数为sin ()| ( , )| |()K TK 由此可见，近似匹配滤波器的输出结果和模糊函数的

29、结果是对由此可见，近似匹配滤波器的输出结果和模糊函数的结果是对应的应的线性调频信号的数字处理方法线性调频信号的数字处理方法A/DA/D快速付里叶正变换频谱相乘快速付里叶反变换包络检波A/DA/D只读存储器存有平方相位项本振相干检波数字处理方法数字处理方法假定输入信号为假定输入信号为20( )( )cos2x ta tf tKt本振信号为本振信号为0( ) cos(2)Lx tf t经过相干检波，输出两路信号为经过相干检波，输出两路信号为21( )( )cos()2IV ta tKt21( )( )sin()2QV ta tKt线性调频信号的加权处理线性调频信号的加权处理 旁瓣抑制的意义 加权函数的形式 失配处理的成对回波理论失配处理的成对回波理论失配处理的成对回波理论SAR 线性调频信号的线性度约束研究