一种气象目标的合成孔径观测方法与流程

1.本发明属于气象观测技术领域，尤其涉及一种气象目标的合成孔径观测方法，实现对云雨高精度定量观测。


背景技术：

2.星载降水雷达是气象雷达的一种，是探测云雨分布的有效手段，通过间歇性地向空中发射脉冲信号，接收气象目标的回波，测量不同高度降水粒子的雷达反射率因子，实现对云雨高精度定量观测。传统降水雷达存在主要问题是一是采用实孔径天线测量，存在方位分辨率与天线尺寸之间的矛盾；二是采用窄脉冲测量，峰值功率很高，这对功率放大器和散热提出了很高的要求。
3.采用合成孔径雷达进行降水测量，能有效减少顺轨向天线尺寸，从而降低系统重量，并降低峰值发射功率的要求。目前国内外研究的合成孔径降水雷达尚不具备实用性，主要原因是一雨水目标运动速度快，回波信号的多普勒展宽不可忽略，为保证回波脉冲时域不重叠，信号脉冲重复频率较低，在合成孔径相干时间内的脉冲过于稀疏；二是由于合孔径时间较长，距离徙动无法忽略，合成孔径处理后存在虚焦，影响反射因子产品精度。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种气象目标的合成孔径观测方法。
5.为了实时上述目的，本发明提出了一种气象目标的合成孔径观测方法，基于安装在卫星运动平台上的雷达系统实现，所述方法包括：
6.由雷达系统发射一系列高重复频率的调频脉冲，通过频分复用接收获取回波信号，对回波信号进行合成孔径处理获得合成孔径子波束回波信号。
7.作为上述方法的一种改进，所述由雷达系统发射一系列高重复频率的调频脉冲，具体包括：第i个脉冲信号si(t,η,fi)，其中t为距离向时间，η为方位向时间，fi为载频，脉冲间频率不重叠，脉冲重复频率大于10khz。
8.作为上述方法的一种改进，所述雷达系统的接收机包括若干个频率通道，能够通过频域滤波对回波脉冲加以区分，接收的回波信号过频域滤波对回波脉冲加以区分，接收的回波信号
9.其中，τ0是目标回波时延，τ0＝2r(η)/c，c为光速，r(η)是卫星目标斜距，ηc是波束中心时刻，va为卫星的飞行速度，r0为卫星高度。
10.作为上述方法的一种改进，所述对回波信号进行合成孔径处理获得合成孔径子波束回波信号；具体包括：依次对每个通道回波进行采样及解频分复用、合成孔径处理、多普勒估计、多普勒频率项补偿和功率累加和，得到气象反射因子。
11.作为上述方法的一种改进，经采样及解频分复用得到基带回波s(t,η)为：
12.s(t,η)＝a0pr(t-τ0)wa(η-ηc)exp(-j4πf0τ0)
13.其中，a0是回波幅度，pr(
·
)是距离向包络函数，wa(
·
)是方位向包络函数，j表示
虚部。
14.作为上述方法的一种改进，所述合成孔径处理具体包括：
15.将实孔径波束划分为k个子波束，子孔径波束宽度θ
′a＝θa/k，其中，θa为天线方位向实孔径波束宽度，则合成孔径长度为l＝λ/θ
′a，合成孔径相干时间ta＝l/va，脉冲数n≤ta/prt，其中prt为脉冲重复时间；
16.对基带回波进行相位补偿，校正目标在方位向偏离天底点的距离差，补偿项g(f
τ
,f
η
)＝exp{j4πf
τ
δr(f
η
)/c}，其中采用fft变换，得到相位补偿结果s2(t,f
η
)为：
17.s2(t,f
η
)＝ffta{s(t,η)}g(f
η
)
18.再对s2(t,f
η
)进行方位压缩，匹配函数为)进行方位压缩，匹配函数为采用ifft变换，获得等效天线孔径l的回波信号s3(τ,η)为：
19.s3(τ,η)＝ifft(s2(t,f
η
)h
az
(f
η
))
20.方位向分辨率为x
′a＝r0θ
′a。
21.作为上述方法的一种改进，对第k个子波束回波s3(τ,η)，对每一个距离门，在方位向进行多普勒估计，获得多普勒频率
22.作为上述方法的一种改进，所述多普勒频率项补偿具体包括：对第k个子波束回波s3(τ,η)，对每一个距离门的方位向，采用多普勒频率进行补偿得到补偿结果。
23.作为上述方法的一种改进，所述功率累加和，得到气象反射因子；具体包括：对补偿结果进行累加后求功率，获得气象反射因子γ。
24.与现有技术相比，本发明的优势在于：
25.1、相较于传统模式的降水雷达，本发明能够减少天线的尺寸，如传统降水雷达的天线尺寸为2.1m*2.1m，实施方案中的尺寸为2.1m*0.28m(4.2/15)，从而大幅度减少雷达的体积和重量和研制经费；
26.2、本发明能够大幅降低雷达的峰值发射功率，传统降水雷达的峰值发射功率约为1kw，采用本发明的方法峰值发射功率约为100w；
27.3、本发明能够在更小天线尺寸下获得更高分辨率，传统降水雷达分辨率为5km*5km*250m，采用本发明的方法分辨率为2.5km*5km*125m；
28.4、在同等降水强度下，本发明回波信噪比更高，在0.7mm/h的降水条件下，传统降水雷达的回波信噪比为0db，采用本发明的方法可达3.4db。
附图说明
29.图1是本发明的气象目标的合成孔径观测方法流程图；
30.图2是合成孔径示意图。
具体实施方式
31.为了解决现有降水雷达天线尺寸大、发射功率高的难题，本发明提出一种气象目标的合成孔径观测方法，该系统能提升脉冲重复频率，实现降水目标回波的合成孔径处理，
获得高精度的反射因子产品。
32.本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
33.气象目标的合成孔径观测方法为：雷达系统安装在运动平台上，雷达系统以高重复频率发射一系列变频脉冲信号，第i个脉冲信号记si(t,η,fi)，距离向时间为t，方位向时间为η，载频为fi，脉冲间频率不重叠。系统接收机含有若干个频率通道，能够通过频域滤波对时域重叠的回波脉冲加以区分，记为其中τ0＝2r(η)/c是目标回波时延，ηc是波束中心时刻，卫星飞行速度va，卫星高度r0，目标斜距为对回波进行信号处理，处理流程见图1，处理方法如下介绍。
34.对每个通道回波进行采样和解调，每个通道解调器本振不同，输出基频信号s(t,η)＝a0pr(t-τ0)wa(η-ηc)exp(-j4πf0τ0)。
35.对s(t,η)进行合成孔径处理，获得合成孔径波束θ
′a，已知天线方位向实孔径波束宽度为θa，将实孔径波束划分为k个子波束，子孔径波束宽度θ
′a＝θa/k，则合成孔径长度为l＝λ/θ
′a，合成孔径相干时间ta＝l/va，合成孔径脉冲数n≤ta/prt，如图1所示。首先要对s(t,η)在距离-多普勒域进行相位补偿，校正目标在方位向偏离天底点的距离差，补偿项g(f
τ
,f
η
)＝exp{j4πf
τ
δr/c}，其中补偿结果为s2(t,f
η
)＝ffta{s(t,η)}g(f
η
)。再对s2(t,f
η
)进行方位压缩，匹配函数为获得等效天线孔径l的回波信号s3(τ,η)＝ifft(s2(t,f
η
)h
az
(f
η
))，方位向分辨率为x
′a＝r0θ
′a。
36.进行气象发射因子的反演，首先对第k个子波束回波s3(τ,η)，对每一个距离门在方位向进行多普勒估计，获得多普勒频率对第k个子波束回波s3(τ,η)，对每一个距离门的方位向，采用多普勒频率进行补偿。最后对补偿结果进行累加后求功率，获得气象反射因子γ。
37.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
38.实施例
39.本发明的实施例提出了一种气象目标的合成孔径观测方法，基于安装在卫星运动平台上的雷达系统实现。
40.1、合成孔径降水雷达系统设计要求：
41.轨道高度r0＝400km，卫星速度va≈7.6km/s，prt＝1.2us，脉冲时宽0.833us，chirp脉冲带宽bw＝1/发射时宽，距离向分辨率为125m＝0.833us*c/2，合成孔径分辨率xa＝2.5km，子波束个数15个，如图2所示。
42.1)合成孔径参数设计：
43.合成孔径子波束宽度：
44.顺轨向天线波束宽度：θa＝15θ
′a＝5.38
°
45.合成孔径长度l＝λ/θ
′a＝4.2m
46.合成孔径时长ta＝l/va＝553us
47.2)频分复用设计：
48.考虑从回波采样范围从18km到-5km，采样距离为x＝23km，光速c，故采样总时长为tm＝x/c≈153.33us；为使相邻脉冲的回波通过数字频率滤波器区分，需要128个频率组；回波最大带宽考虑保护频带，单个脉冲中心频率间隔设为1.6mhz，脉冲间频率不重叠，且保留足够过渡带用于接收频域滤波。则信号总带宽至少为128*1.6＝204.8mhz。
49.对于常规降水雷达(如trmm)，采用窄脉冲工作，典型脉冲时宽＝1.67us，
50.对于本实施用例合成孔径降水雷达，脉冲时宽＝0.8333us
51.发射chirp带宽bw＝1/发射时宽
52.保护过渡带一般取大于bw的25％即可。
53.2、进行信号处理，具体方法流程如图1所示：
54.1)接收回波，进行采样，并解频分复用得到基带回波为：
55.s(t,η)＝a0pr(t-τ0)wa(η-ηc)exp(-j4πf0τ0)
56.2)进行合成孔径处理：
57.首先进行相位补偿，由于合成孔径长度很短，距离徙动小，可用距离等式近似抛物线则补偿项g(f
τ
,f
η
)＝exp{j4πf
τ
δr(f
η
)/c}，其中相位补偿结果为：
[0058][0059]
再对s2(t,f
η
)进行方位压缩，匹配函数为)进行方位压缩，匹配函数为获得等效天线孔径l的回波信号：
[0060][0061]
3)进行多普勒频率估计，获得第k个子波束，每个距离门的多普勒中心频率
[0062]
4)进行多普勒频率项补偿：
[0063][0064]
5)进行回波累加和求功率，获得气象反射因子
[0065]
3、效果分析
[0066]
以实施方式为例，若采用真实孔径雷达，方位向尺寸为4.2m，采用合成孔径后，方位向尺寸要求降低为4.2/15(子波束)＝0.28m；假定传统降水雷达峰值发射功率670w(trmm卫星)，脉冲时宽为1.667us；
[0067]
本实施方案共发射533us/1.2us＝444个子脉冲，脉冲时宽为0.833us，则峰值发射功率要求为670w*1.667us/0.833us/444*15＝45.27w，为进一步提高合成孔径后回波信噪
比，可以将峰值发射功率设置为100w，则回波信噪比比trmm卫星强10*log10(100/45.27)＝3.4db。
[0068]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种气象目标的合成孔径观测方法，基于安装在卫星运动平台上的雷达系统实现，所述方法包括：由雷达系统发射一系列高重复频率的调频脉冲，通过频分复用接收获取回波信号，对回波信号进行合成孔径处理获得合成孔径子波束回波信号。2.根据权利要求1所述的气象目标的合成孔径观测方法，其特征在于，所述由雷达系统发射一系列高重复频率的调频脉冲，具体包括：第i个调频脉冲信号s
i
(t，η，f
i
)，其中，t为距离向时间，η为方位向时间，f
i
为载频，脉冲间频率不重叠，脉冲重复频率大于10khz。3.根据权利要求2所述的气象目标的合成孔径观测方法，其特征在于，所述雷达系统的接收机包括若干个频率通道，能够通过频域滤波对回波脉冲加以区分，接收的回波信号其中，τ0是目标回波时延，τ0＝2r(η)/c，c为光速，r(η)是卫星目标斜距，η
c
是波束中心时刻，v
a
为卫星的飞行速度，r0为卫星高度。4.根据权利要求3所述的气象目标的合成孔径观测方法，其特征在于，所述对回波信号进行合成孔径处理获得合成孔径子波束回波信号；具体包括：依次对每个通道回波进行采样及解频分复用、合成孔径处理、多普勒估计、多普勒频率项补偿和功率累加和，得到气象反射因子。5.根据权利要求4所述的气象目标的合成孔径观测方法，其特征在于，经采样及解频分复用得到基带回波s(t，η)为：s(t，η)＝a0p
r
(t-τ0)w
a
(η-η
c
)exp(-j4πrf0τ0)其中，a0是回波幅度，p
r
(
·
)是距离向包络函数，w
a
(
·
)是方位向包络函数，j表示虚部。6.根据权利要求5所述的气象目标的合成孔径观测方法，其特征在于，所述合成孔径处理具体包括：将实孔径波束划分为k个子波束，子孔径波束宽度θ
′
a
＝θ
a
/k，其中，θ
a
为天线方位向实孔径波束宽度，则合成孔径长度为l＝λ/θ
′
a
，合成孔径相干时间t
a
＝l/v
a
，脉冲数n≤t
a
/prt，其中prt为脉冲重复时间；对基带回波进行相位补偿，校正目标在方位向偏离天底点的距离差，补偿项g(f
τ
，f
η
)＝exp{j4πf
τ
δr(f
η
)/c)，其中采用fft变换，得到相位补偿结果s2(t，f
η
)为：s2(t，f
η
)＝fft
a
{s(t，η)}g(f
η
)再对s2(t，f
η
)进行方位压缩，匹配函数为)进行方位压缩，匹配函数为采用ifft变换，获得等效天线孔径l的回波信号s3(τ，η)为：s3(τ，η)＝ifft(s2(t，f
η
)h
az
(f
η
))方位向分辨率为x
′
a
＝r0θ
′
a
。7.根据权利要求6所述的气象目标的合成孔径观测方法，其特征在于，对第k个子波束回波s3(τ，η)，对每一个距离门，在方位向进行多普勒估计，获得多普勒频率8.根据权利要求7所述的气象目标的合成孔径观测方法，其特征在于，所述多普勒频率项补偿具体包括：对第k个子波束回波s3(τ，η)，对每一个距离门的方位向，采用多普勒频率
进行补偿得到补偿结果。9.根据权利要求8所述的气象目标的合成孔径观测方法，其特征在于，所述功率累加和，得到气象反射因子；具体包括：对补偿结果进行累加后求功率，获得气象反射因子γ。

技术总结
本发明属于气象观测技术领域，尤其涉及一种气象目标的合成孔径观测方法，基于安装在卫星运动平台上的雷达系统实现，所述方法包括：由雷达系统发射一系列高重复频率的调频脉冲，通过频分复用接收获取回波信号，对回波信号进行合成孔径处理获得合成孔径子波束回波信号。采用本发明的方法能大幅度减少雷达的体积、重量和研制经费，大幅降低雷达的峰值发射功率，能够在更小天线尺寸下获得更高分辨率，在同等降水强度下，获得更高的回波信噪比。获得更高的回波信噪比。获得更高的回波信噪比。


技术研发人员：刘鹏
受保护的技术使用者：刘鹏
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/7/18