毫米波测云雷达回波信号处理及其反演方法

论文总字数：19973字

目 录

1绪论 1

1.1课题研究背景及其意义 1

1.2毫米波测云雷达 1

1.2.1毫米波的大气吸收的特点 1

1.2.2毫米波测云雷达的组成 2

1.2.3毫米波测云雷达的特性 3

1.3国内外发展状况 3

1.4本课题的论文结构 5

2回波信号模型的建立 5

2.1线性调频脉冲串信号 5

2.2线性调频脉冲串信号参数设计 6

2.3回波信号的分析 7

2.3.1目标回波信号 7

2.3.2噪声信号 7

2.3.3 杂波信号 8

2.4小结 10

3回波信号的处理 11

3.1雷达信号处理系统技术 11

3.1.1雷达处理系统的结构 11

3.1.2雷达信号处理系统仿真设计方法 12

3.2 回波信号处理过程 13

3.2.1　中频正交采样 13

3.2.2　脉冲压缩模块 15

3.2.3　MTD（动态目标检测） 17

3.2.4　恒虚警检测 19

3.3小结 19

4毫米波测云雷达回波信号反演分析 20

4.1 反演问题 20

4.2资料及其基本理论 20

4.2.1资料介绍 20

4.2.2基本理论 21

4.3反演微物理量参数过程 22

4.4反演结果以及分析 25

5总结 29

参考文献 29

致 谢 31毫米波测云雷达回波信号处理及其反演方法苗善华

, China

Abstract：Millimeter wave radar signal processing system is one of the main components of millimeter wave radar. Its main task is to suppress clutter and noise independent of meteorological echo, and then meteorological information about the cloud and rain will be taken to provide accurate and effective estimation parameters for the inversion of meteorological products. In this paper, firstly, the mathematical model of the echo signal is established and the composition and characteristics of the echo signal are analyzed. Then the main processing steps of the echo signal are analyzed and simulated with Matlab systematically. Finally, the application of the inversion algorithm in meteorological field is analyzed, and the micro physical parameters of the cloud particles are obtained by using the radar reflectivity, doppler velocity and doppler spectrum received by the millimeter wave radar. An example has been done to analyse the method.

Key words: Millimeter wave; Cloud Radar; Echo signal processing; Inversion algorithm

1绪论

1.1课题研究背景及其意义

云是联系大气能量的循环和水的循环这两种循环过程的纽带，云主要是由大气中的冰晶微粒、微小水滴以及它们的混合物组成^[1]，微小水滴的最大的直径为200pm左右，如果微小水滴的直径大于200pm就会形成降水。云的探测研究在整个社会的国民经济的许多领域占据着重要的地位，比如云对太阳辐射的收支、飞机的运行以及天气系统的发展有着重要的影响。因此，必须重视云的探测工作。一般而言，云的尺寸相对比较小，所以产生的回波功率就会比较小，很难被常规的天气雷达所探测到。类似高积云、卷云等这类体积较小的云类一般很难被波长为厘米级别的常规测云雷达所发现，这主要是因为云中的悬浮微粒的尺寸大小在毫米级范围，对厘米波的散射特征不是十分明显，它们之间的相互作用比较弱，产生的回波信号比较弱。然而，毫米级别波长的电磁波与云微粒的尺寸相当，散射特征明显，相互作用较强，产生的回波信号较强。因此，必须采用波长更短，且与空气微粒直径相当的毫米波雷达，以此来提高雷达测云的能力。由此，毫米波气象雷达应运而生。

毫米波测云雷达在各个领域的应用需求和技术的发展促使了雷达信号处理和数据处理技术的发展。不管是在算法处理、信号形式，还是在信号和数据的处理系统的设计方法、软硬件发展等方面有了进步。目前雷达信号处理的研究内容：杂波和干扰抑制技术、阵列信号处理技术、目标特征信息的提取识别技术和信号处理系统等。上个世纪七十年代，雷达信号处理技术进入了数字化处理技术时代，数字化、模块化、软件化已经成为现代雷达信号处理系统的主流发展方向，并且雷达信号处理的应用范围也越来越广^[2]。

云微粒的微观物理量对于整个气象观测有着重要的意义，但是这些微物理量难以被探测到，但是可以根据雷达接收到的回波信息与这些物理量建立合理的数学关系式，运用反演算法得到类似于云微粒直径、云中含水量等相关微物理参量。

本课题的意义在于建立了毫米波测云雷达回波信号的模型，并且系统地分析了雷达信号处理的过程，初步了解了反演算法在气象数据处理方面的应用，它可以反演出各种难以直接探测的微观的物理量，在气象理论和实际运用中有着重要意义。

1.2毫米波测云雷达

1.2.1毫米波的大气吸收的特点

毫米波是指波长在之间的电磁波，根据公式(1-1)，式中的是光速，是波长，是对应的频率，可以得到毫米波对应的频率范围是^[3]。在空气中，主要有两种气体对电磁波的传输有影响作用：氧气和水蒸气。由于物体之间谐振的作用，这些气体分子对电磁波发生选择性地吸收和散射作用，不同频率电磁波在空气中传输时，会产生不同的衰减现象。图1.1是不同频率电磁波的大气吸收图，从图中可以看出，频率在50GHz和125GHz附近时，氧气分子对电磁波的衰减存在峰值；频率在20GHz和200GHz的附近时，水蒸气分子对对电磁波的衰减也存在峰值，这四个频段均不利于电磁波在空气中传播的效率，因此在雷达设计过程中，应该避免使用这四种频率。从图中还可以看出，在毫米波频段中，存在有四种频率对应的衰减谷值，它们的中心频率和对应的波长分别是35GHz(8.6mm)、94GHz(3.2mm)、140GHz(2.1mm)、 220GHz(1.4mm)附近，如果电磁波的频率在这四种频率的范围内，则大气对电磁波的吸收作用会相对很小，减少了电磁损耗。一般情况下，用于气象的毫米波频段是35GHz（8.6mm）和94GHz（3.2mm），但是后两者由于频率过高，穿透力过强，硬件要求严格等缺点，而很少被使用。

(1-1)

图1-1 毫米波大气吸收图

1.2.2毫米波测云雷达的组成

图1-2是毫米波测云雷达的基本构成的框图，从图中可以看出，毫米波测云雷达的构成部分和普通雷达相比没有实质性的区别，其主要组成部分有天线、信号发射机、信号接收机、频率综合器、调制器、跟踪处理器、显示系统以及伺服机构等等。频率综合器产生了毫米级波长的电磁波，经过放大被送入雷达的发射机，再通过收发转换开关，电磁波被传输到天线。收发转换开关可以使天线在不同时间发射和接收电磁波，这样提高了雷达的工作效率，天线既可以把电磁波能量发送到大气中，又可以接收目标返回的电磁能量。通常，雷达天线会向某个方向发送电磁波波束，在电磁波波束范围内的物体会吸收一部分电磁波能量，而且被物体吸收的能量会发生散射作用，其中部分能量会向雷达方向反射，而被雷达天线所接收。这些由雷达天线所接收到的能量被称为后向散射，通过这部分能量可以发现目标以及检测目标参数。

天线

图1-2 基本构成框图

1.2.3毫米波测云雷达的特性

上个世纪七十年代后，毫米波雷达慢慢地走出低谷，出现了开发毫米波雷达的热潮，其中在气象方面，毫米波雷达相对于其他类型的雷达，有以下几个特性^[4]。

(1)频带宽，如图1-1所示，在35GHz（8.6mm）、94GHz（3.2mm）、140GHz（2.1mm）和200GHz（1.5mm）四个中心频率中，可以利用的带宽都是不小于厘米级别的宽度，因此适用于多种宽带的信号处理，提高了信道容量。

(2)天线孔径很小，但产生的波速宽度比较窄，因而其方向性特别好，空间分辨率和跟踪精度极高，具有高抗干扰性能。

(3)多普勒带宽比较宽，产生的多普勒效应十分明显，多普勒分辨率明显，测速精度高。

(4)受大气的吸收和衰减的影响比较明显。

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