隨機(jī)相位編碼在多普勒天氣雷達(dá)中的應(yīng)用

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)

0 引言

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(guān)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、與正常回波混疊在一起，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。

1 距離折疊的產(chǎn)生機(jī)制

1.1 最大不模糊距離

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。

1.2 最大不模糊速度

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(chēng)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。

1.3 最大不模糊距離與最大不模糊速度之間的關(guān)系

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。

1.4 距離折疊

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(chēng)為一次回波，距離在Rmax和2Rmax內(nèi)(k=1)的回波稱(chēng)為二次回波，依次類(lèi)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(guān)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

2 隨機(jī)相位編碼退距離模糊的原理

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)。

3 應(yīng)用實(shí)例

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。

4 結(jié)束語(yǔ)

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。

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