基于脈沖多普勒氣象雷達(dá)技術(shù)下的脈沖壓縮技術(shù)研究

顧立娟 郝玉保 王彬

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

基于脈沖多普勒氣象雷達(dá)技術(shù)下的脈沖壓縮技術(shù)研究

顧立娟1郝玉保2王彬1

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

脈沖壓縮技術(shù)最早應(yīng)用于50年代的軍事雷達(dá)領(lǐng)域。脈沖壓縮技術(shù)可以提高發(fā)射平均功率,增大作用距離的同時(shí)提高分辨率,能夠有效的解決距離探測(cè)能力和分辨能力之間的矛盾。脈沖壓縮氣象雷達(dá)能夠同時(shí)提高探測(cè)距離和探測(cè)分辨率。脈沖壓縮技術(shù)最早在20世紀(jì)70年代應(yīng)用于氣象觀(guān)測(cè),對(duì)于氣象雷達(dá)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

脈沖 氣象雷達(dá) 脈沖壓縮

pulse weather radar pulse compression

1 單脈沖多普勒雷達(dá)的劣勢(shì)

一般來(lái)說(shuō),對(duì)于多普勒雷達(dá),要想獲得速度就需要較高的重復(fù)頻率,要想獲得距離就必須減小重復(fù)頻率。為了解決這個(gè)矛盾,通常的解決方法是采用測(cè)距折中、測(cè)速折中、雙脈沖等。但是在實(shí)際的雷達(dá)工作中我們知道平均發(fā)射功率才是決定雷達(dá)探測(cè)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(dá)發(fā)射機(jī)的峰值功率才能增大探測(cè)距離。而提高峰值功率又存在著尚未解決的技術(shù)難關(guān)。要想增大探測(cè)距離還可以增加發(fā)射機(jī)的脈沖寬度,這樣可以不必增大發(fā)射機(jī)的峰值功率。但是增大脈沖寬度又降低了雷達(dá)的分辨率。這是常規(guī)單脈沖多普勒雷達(dá)應(yīng)用的主要劣勢(shì)——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(fā)射寬編碼脈沖并對(duì)回波進(jìn)行處理以獲得窄脈沖,因此脈沖壓縮雷達(dá)既保持了窄脈沖的高距離分辨力,又能獲得寬脈沖的強(qiáng)檢測(cè)能力。目前的脈沖壓縮的手段主要有線(xiàn)性調(diào)頻、非線(xiàn)性調(diào)頻、巴克碼信號(hào)脈沖壓縮和相位編碼等。線(xiàn)性調(diào)頻最簡(jiǎn)單也最易產(chǎn)生,但是對(duì)于多普勒頻移不敏感,因此很少用于氣象雷達(dá)。非線(xiàn)性調(diào)頻沒(méi)有線(xiàn)性調(diào)頻的弊端,但是其需要旁瓣電平以及對(duì)每個(gè)頻譜都進(jìn)行設(shè)計(jì),因此其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜,應(yīng)用范圍比較狹小。相位編碼模式是應(yīng)用最多的脈沖壓縮手段。不同于線(xiàn)性調(diào)頻和非線(xiàn)性調(diào)頻,相位編碼模式將寬脈沖分為n個(gè)子脈沖,通過(guò)編碼后被發(fā)射。

3 脈沖多普勒氣象雷達(dá)的應(yīng)用

首先脈沖多普勒氣象雷達(dá)可以對(duì)災(zāi)害性的天氣進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警。在多普勒氣象雷達(dá)的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的圖像中,可以明顯的看到發(fā)射率因子、徑向速度、速度譜寬形成的圖像,在雷達(dá)的相關(guān)影響因子中,徑向速度一直是判斷強(qiáng)對(duì)流氣象的有效數(shù)據(jù),尤其是對(duì)于暴風(fēng)、龍卷風(fēng)、颶風(fēng)等風(fēng)災(zāi),三者合一可以比較及時(shí)和準(zhǔn)確的對(duì)災(zāi)害性天氣作出處置性建議。其次脈沖多普勒氣象雷達(dá)可以對(duì)大范圍的降水進(jìn)行定量估測(cè)。在脈沖多普勒氣象雷達(dá)的參數(shù)上,可以根據(jù)雷達(dá)回波的強(qiáng)度和降水量的關(guān)系,對(duì)降水強(qiáng)度進(jìn)行累積計(jì)算,最終做出未來(lái)1小時(shí)至12小時(shí)的降水量預(yù)測(cè)。這對(duì)于大范圍的降雨的預(yù)測(cè)以及防澇防洪有著深遠(yuǎn)的意義。

4 基于脈沖多普勒氣象雷達(dá)技術(shù)下的脈沖壓縮技術(shù)

常規(guī)數(shù)字化天氣雷達(dá)利用發(fā)射機(jī)的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)探測(cè)雨云的分布、降雨的強(qiáng)度、以及垂直風(fēng)向等情況。脈沖多普勒氣象雷達(dá)除了能夠滿(mǎn)足上述數(shù)字化天氣雷達(dá)的功能外,當(dāng)氣象變化出現(xiàn)降水粒子相對(duì)雷達(dá)發(fā)射波束出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),測(cè)定接收的窄脈沖信號(hào)與發(fā)射的款脈沖信號(hào)的頻率之間存在的差異,從而可以得出降水的量以及持續(xù)時(shí)間、大氣風(fēng)場(chǎng)、氣流速度、雨云運(yùn)動(dòng)軌跡等等信息。脈沖壓縮技術(shù)的成熟和完善,在氣象檢測(cè)的過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用。同時(shí)由于其總體設(shè)備簡(jiǎn)化,對(duì)于數(shù)據(jù)的收集整理和分析更加精確,實(shí)際的生產(chǎn)生活都具有重要的促進(jìn)和保障作用。脈沖壓縮雷達(dá)采用調(diào)制寬脈沖發(fā)射,從而可以提高發(fā)射機(jī)的平均功率,保證雷達(dá)的最大探測(cè)距離。接收時(shí)采用脈沖壓縮技術(shù),獲得窄脈沖,從而提高遠(yuǎn)距離探測(cè)的雷達(dá)分辨率。脈沖壓縮能很好地解決常規(guī)單脈沖多普勒雷達(dá)應(yīng)用中速度模糊和距離模糊的矛盾。因此廣泛應(yīng)用于脈沖多普勒氣象雷達(dá)中對(duì)于預(yù)測(cè)強(qiáng)對(duì)流天氣具有現(xiàn)實(shí)意義。

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【關(guān)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?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理。