多普勒天氣雷達分辨率提高理論與方法研究.pdf

1、多普勒天氣雷達分辨率的提高，將有利于提高天氣雷達對中小尺度氣旋和龍卷風(fēng)等災(zāi)害性的天氣探測能力，有利于通過天氣雷達獲得更精細的天氣過程回波特征，為預(yù)警和預(yù)報提供更加準確的數(shù)據(jù)依據(jù)。
　　要提高天氣雷達距離分辨率和方位分辨率，直接辦法是增大發(fā)射信號帶寬和增大天線直徑；但這涉及天氣雷達發(fā)射機、接收機及天線的硬件改動，改造周期長、成本高；對于已布網(wǎng)、正在業(yè)務(wù)運行的新一代多普勒天氣雷達網(wǎng)來說，這是不現(xiàn)實的。本文針對現(xiàn)在正在使用的多普勒天氣雷

2、達系統(tǒng)，著重研究在天氣雷達接收機后端，通過信號處理方法、數(shù)據(jù)處理方法及數(shù)據(jù)獲取方式等方面進行改進，來實現(xiàn)多普勒天氣雷達分辨率的改善與提高。
　　本文的主要工作和貢獻體現(xiàn)在以下幾個方面：
　　（1）多普勒天氣雷達在現(xiàn)有機械天線連續(xù)掃描和譜矩處理方式下，天線有效波束寬度較由雷達天線尺寸和波長等因素決定的固有波束寬度有較大的展寬，從而導(dǎo)致天氣雷達實際方位分辨率的降低。本文研究了天氣雷達天線有效波束寬度的計算方法，并從理論上分析了天

3、氣雷達在不同掃描方式下有效波束寬度的展寬程度；研究了降低雷達方位采樣間隔和方位重疊采樣以及數(shù)據(jù)加權(quán)兩種方法，來減少天線有效波束的展寬，以實現(xiàn)天氣雷達實際方位分辨率的提高，并用實驗仿真和雷達實際數(shù)據(jù)驗證了兩種方法的有效性。
　　（2）針對分辨率提高后，因脈沖積累數(shù)減少或信噪比降低而帶來的多普勒天氣雷達譜矩估計精度降低的實際問題，本文給出了距離過采樣和白化濾波算法，與方位重疊采樣以及數(shù)據(jù)加權(quán)這兩種方法進行有機結(jié)合的處理方法，既使方位分

4、辨率得到提高，又使譜矩估計的精度得到改善。論文理論分析了采用該方法后譜矩估計精度的改善程度，并使用實驗仿真和雷達實際數(shù)據(jù)對方法的有效性進行驗證。結(jié)果表明，使用距離過采樣和白化濾波算法，可彌補因減少有效波束寬度展寬、提高方位分辨率而帶來的精度降低問題。
　?。?）論文結(jié)合天氣雷達回波信號模型和距離過采樣方法，建立了基于距離過采樣回波信號進行距離高分辨率重構(gòu)的數(shù)學(xué)模型；把發(fā)射脈沖寬度決定的距離分辨單元細分成更小的距離分辨子單元，相當(dāng)于

5、對距離分辨單元內(nèi)分布式散射體中心進行更細劃分。并在最小方差無失真響應(yīng)（MVDR）算法研究基礎(chǔ)上，提出了利用最陡下降法的改進MVDR算法來實現(xiàn)距離向高分辨率回波信號的重構(gòu)。仿真結(jié)果表明，對點目標和不均勻分布的天氣目標，該方法能重構(gòu)距離分辨率單元內(nèi)部散射目標的平均功率和徑向速度變化特征，實現(xiàn)距離分辨率的提高。
　　（4）針對天氣雷達反射率因子的分辨率提高問題，本文從雷達氣象方程入手，結(jié)合分布式氣象目標特點，推導(dǎo)了天氣雷達分辨率體積內(nèi)反

6、射率因子與雷達回波平均功率之間的數(shù)學(xué)模型，并經(jīng)離散化處理后建立了反射率因子在距離向和方位向二維分辨率提高的矩陣方程；提出了同時利用距離過采樣和增加方位觀測密度兩種數(shù)據(jù)獲取方式，來獲得距離向和方位向部分相關(guān)的雷達觀測數(shù)據(jù)樣本；并提出將一維、二維截斷奇異值分解法（TSVD）和 Tikhonov方法兩種正則化算法引入到了天氣雷達反射率因子的分辨率提高應(yīng)用中。仿真實驗結(jié)果表明，基于正則化算法來提高天氣雷達反射率因子的距離和方位分辨率具有一定效果