99万年第了期现代电子总第2期*气象雷达用的脉冲压缩技术摘要下世纪的先进气象雷达将能采纳脉冲压缩波形和相控阵电扫天线,以满足更高的时间与空间分辨力要求形包括Barke,我们已研究出几种用于气象雷达的编码波形和脉压滤波器候选波r双相编码波形以及线性与非线性调频编码波形就分布式气象回波的脉压处我们通过画出综合副瓣/峰值理而言已证明最小综合副瓣(反向)滤波器优于匹配滤波器ELDORA副瓣比与多普勒频移的关系曲线来叙述波形和滤波器的多普勒灵敏度实脸雷达验证了它们对地杂波与5d0B我们还用3mc反射率过波气象数据的影响引(N(30言。多普勒气象雷达能够精确描述对流风暴和其他气象现象的反射率和速度结构ExRAD一IOOWSR一8D)、终端多普勒气象雷达(T,Dw。R)和欧洲气象雷达网要求相当长的驻留时间s)m以便获得精确测量气象参数所要求的足够的独立抽样未来的系统将可能要求更高的空间与时间分辨力测量Ll高分辨力雷达系统图1描述了更高空间与时间分辨力气象雷达测量所要求的两种不同的技术s(;thmi9714Keleer与Frhus9813a):)l编码宽带宽波形提供较高的距离分辨力和随之而来,,的驻留时间内大量的独立估值;2)电子步进扫描相控阵天线运动提供了快速捷变的波束,、宽带波形允许在短的数据采集时间内进行精确的气象测量电扫天线提供快速波,,,束运动因此覆盖监视空域,不会引起使测量精度变坏的扫描调制,,以航空气象为例由于对流作用往往会产生危险的风如微暴空事故,它可在机场终端区迅速造成致命的航,气象空域扫描时间为25~01分钟的情况下TDWR和NEXRAD雷达的特性不具备足够的时间分辨力来采集精确微暴危害预报所需要的数据达用现有方式在机场终端区搜索预报特征是极为困难的描时间可明显减少,.,标准的机械扫描雷,减少波束驻留时间空域扫另一方面通过在方位和仰角上将短驻留时间波束的间距进一步减.小在相同的空域扫描时间可增加空间分辨力(1983a)、本文讨论此先进雷达结构的波形设计问题Hor其他的系统问题已由Keele和Frsuhlloawy与Keler(1993)和Keeler(1994)作T反复讨论*RJe`frTeyKelerranredChalsrence,AHawng,“PulseComPerssionofrWeatherRadar”,IEEE1995In`ernaionalRadaC介op529一535(毛开洲译彭获由校)一38一1FISS计划叙述2AAT“A”F终端区监视系统(的S,SAAT计划)目前在先进气象雷达领域起积极的作用A这这种种相当新的研究与发展计划在探索下一代空中交通管制和气象监视雷达的概念、、雷达被设想为一种相控阵系统能够探测跟踪和预测机场终端区内所有飞机危险气象现象的位置固态脉冲压缩电扫雷达是一种有希望的技术图1L3采用脉压波形和相控阵电扫天线的先进高分辨力雷达系统气象目标特性与其他扩展的散射体(如昆虫)和折射系数梯度一样,气象是由许多小散射体构成。的每个散射体都有自己的后向散射截面和速度(Z)确定这个量与介质球体的.)4,,。降水的雷达特性以雷达反射率因子因而它与雷达截面积的关系采用Roavyliegh散射有关ssare,a(波长)表示(Battn1973;Diak和zmier1993lli)。精确估算后向散射功率和速度要求脉压的距离副瓣减到最小(Ke2le与Pa1990)波形和滤波器设计脉冲压缩是一种波形技术与用典型单频率脉冲雷达波形相比它既能提供更高的,,距离分辨力又能增加平均发射功率间隔接收回波独立取样数增加波形带宽也就增加了距离分辨力和特定距离。每个抽样的信噪比同量减少R然而,加长发射脉冲可以增加平均发射功率从而恢复SN21.保eeler与Frush1983b)编码波形设计任何发射波形都有一个标称带宽,B和一个标称脉冲长度T,。时间带宽积BT为脉冲压缩因子的一个度量即给定适当的滤波脉冲能量能压缩成比实际脉冲短若干倍的有效脉冲长度一个数量级BT(C。。k与Bernlefcdl%7)B丁值为10,则可使空间或时间分辨力增加波形的有效距离分辨力为距离分辨力无论它是10/2B例如一个带宽为10M、,Hz的脉冲具有15m的潜在NOns的单频脉冲每1OOns进行变化的单元相位编码,或是一39一线性扫过均,H0z的调频脉冲M。1的输出给定了接收信号的估算值合适的脉冲压缩滤波器、(即在距离每5m处给定的反射率速度的独立估值)以提供粗略距离分辨但可提供更精确测量,,。1这种高分辨力测量按距离求平1个邻接的15m测量结我们对0m短例如,果求平均就可获得处理过的的高出3倍22.。150m5距离分辨其精度大约比单个1,驻留时间测量压缩滤波器设计联合波形和脉压滤波器设计的目标是要确定压缩因子为BT=05一10和低距离副,瓣的波形众所周知匹配滤波器(M,F)接收机在使输出信噪比最大方面是最佳的但其,副瓣响应不是最小,由于气象目标在距离上是分布式的不需要的距离点上的散射体产生的影响通过我们希望减到最小的距离副瓣进来而出现但就最小平方概念而言能减到最小,这些距离副瓣因压缩滤波不理想。s表示副瓣抽样在下面的三个方程中设j,m、,表示主波瓣响应抽样为自相关主瓣峰值,同样设hj为副瓣抑制滤波器的系数配滤波器产生20是不够的,gk为匹配滤波器的系数(PSLr。通常的波形和匹一4OdB的峰值副瓣PSL)(低于主要的目标响应)这对许多气象场合我们定义尸值为2。,。二一器黯」〔,夕(了办了精确计算气象(一般为距离),反射率和速度我们要求压缩波形对于小于5/0msdB的多普勒频移其积累副瓣值至少比主峰低40一典型匹配滤波器的积累副瓣比仅为10一一20dB,我们定义:「“L一D犷刁`。`。“L环孑」。~(2)另外滤波若非匹配滤波会引起信号噪声比损耗于ldB,,,我们希望使失配损耗(Lmm)远低Lmm以防止对检测性能造成任何不必要的损失。。二`二*我们定义为“mm一,。`。[厕(礴奋)一,夕/」er,(了)数字副瓣抑制滤波器(有多种叫法:逆向滤波器Wien(Aek,滤波器消卷积滤波器尖峰,,信号滤波器或白化滤波器)是按最小平方概念使滤波器影响积累副瓣最小的最佳设计royd和Ghani1973)希望的响应是时宽为,ta(t:=波形带宽倒数)的脉冲峰值副瓣和积累副瓣较匹配滤波器响应抑制数十分贝但信号噪声比要损失几分之一分贝s此最佳i’因L,压缩滤波器在气象探测中较匹配滤波器好大的积累副瓣抑制受相对小的速度制约故波形设计的多普勒灵敏度是一个要评估的重要参数一40一副瓣抑制滤波器设计使用的算法是确定性最小平方误差法198R(ober,和sills)7给定一个输人信号靠近。xxk,,我们希望产生反向滤波器h其输出响应,,y尽可能与理想,,响应响应dkyk图一s2中波形,3位巴克码理想响应为1。d、为占函数二然而实际滤波器具有有限副瓣我们希望使它最小v如用波形长度来定义反向滤波器的长度则I该滤波器(nx)比波形长h*5,倍为设计最佳压缩滤波器F我们希望在整个滤波响应上将下述量减到最小:.气才了里Z兮(五)二}}d*2一少}1J.了、产=七.艺一fd*一(x。,*`五)],。`采用矩阵微分和拉格朗白乘子可获得矩阵方程:R.h二q,。(6)qk为d和,式中,R为x一k的自相关矩阵左乘,x、的互相关的因果部分求解滤波器h的方法之一是用R’这是成立的因为所有自相关矩阵都是正定的我叔八一kx吸们曾用这种算法来计算双相压缩滤波器,.为了计算调频波形的滤波系,数首先将此波形取样成一数组(由于调频信号是连续的)并用,eNivn等人(1994年)同样的方法不将主瓣限定为特定的宽度解滤波器系数.23.。基本上此方法,,图2最佳副瓣抑制滤波器设计图解说明涉及到略去方程的主瓣部分再来求希望的输出响应d:为一个脉冲波形分析在距离和多普勒域内波形分辨力特性可以具体化为模糊函数,“”r(W。。dwad1953和Rhaizeck199)二这种两维函数表示压缩滤波器对发射波形和对目标的联合响应;目标6在距离和速度坐标上围绕理想的主响应分布我们分析图(BT=3,所示代表用于气象雷达测量的三种潜在编码波形:l)它具有较好副瓣性能;2巴克双相码,13)(B一13))线性调频码(BT)(9TanF“63)(LinFM)它可以具有任意的频谱BT;3)正切非线性调频码(BT=3M),它具有可以降低副瓣的赋形,我们用32m波长(X波段)雷达搜集测试数据;对于每个波形c,.我们示出了模糊函数和综合副瓣峰值副瓣和失匹损耗与多普勒的关系曲线、150msc(波段)和cmC波段)(雷达的模糊函数与综合副瓣峰值副瓣和失匹损耗曲线可按比例追溯到速度曲线的30%和60%由于是在没有任何波段限制滤波情况下分析波形和压缩滤波器故在分析理想.,波形和滤波器时不会将那些敏锐效应搞混一41一-一一口一日日一`图用于脉冲压缩滤波测试的波形性调频39仃arFi:Barre1仍)一,1n线性调频3伍i6、Fk非线M)和M)36每个波形的带宽为IMHz持续时间为13和63脚双相波形根据预定程序双相编码波形按规则切片间隔(相当于距离分辨率c/正弦相位倒向.,“”ZB),将单频波形和滤波器输出在倒数带宽取样间隔13,t。每hciP取样一次图3所示,的巴克码波形的时间带宽积或压缩比为,这样在一定的希望距离分辨力下它的平,,3倍(1d均发射功率比同样的距离分辨力的简单单频脉冲的高11助众所周知巴克码具有单元颐瓣匹配滤波响应距离副瓣在高达50ms/的所有速度上基本上为常量一2dB积累副瓣约为一滤波器输出响应,l.dlBl图4表示Ve=,0时调频和几个长度渐增的反向滤波器的压缩,,调频副瓣始终都高反向滤波峰值副瓣随压缩滤波长度的增加变得越来越低且更加远离主响应。0加如犯0沁邹0」川月l-7ù.恻卿AFf”“惬x,xj少动厂,h:v勺一一户入认~~..自..Zx二二二二二二二二二二二二衬~气九产少听jI,.rx~..甲曰..如口..沪矿尸入尸-、__丫~~~~~~~~~~一一~一-一;;:图4MF与(注:副瓣随撼波器长度增加而减小)一42一一nIv一忆式,一-斗,-一--~12/3/3波形的压缩滤波响应/x5滤波器对B一1图倍5为B一31,波形的模糊函数反向压缩滤波器一B,,Inv一5x长度比波形本身长,5在零速点峰值副瓣下降约为60dRiha积累副瓣大致为一50dB该模糊函数与教科书上的不同(如图6zeck,1969),因为在此目标速度只是相当小的气象速度而不是高速航空目标和军事目标为关于B一3波形和调频1、Inv一1及nxIv一S5滤波器的IxL、PSL和Lmm与多普勒的关系曲线调频不如所有反向滤波器,,较长反向滤波器在,Vel=O附近给出了特别低的积累副瓣值但对较高多普勒它们会增加并收敛于一20dB左右弄IFF盯厂`O口曰dSǎP)~`O02、尸口心艘曰ùS叭斌1020JO4二如速度(ms/)图SB一13与nIv一sx滤波器模糊函数F图6Bar一13rke波形的积累副瓣峰、IL与sSPL都远低于M响应但,值副瓣与失配损失波器抑制副瓣,较长的滤.显示出极高的多普勒密度时峰值副瓣为,零速增加了损失。一60dB。显示出较大的多普勒密度调频波形调频脉冲波形与双相波形不同调频波形具有在脉冲持续期的连续相位变化而不是hciP“”,,边界的突然相位变化,.这种连续相位变化对脉压滤波器设计是个难题.采用基于发射波形特别取样的确定式方法设计这种滤波器而比波形带宽大的取样速率可以减轻这种影响生ZBT取样点..但是。,接收取样的相位由到目标的实际距离确定这些取样通常不同于滤波器设计取样所以脉压滤波器不是最佳2对调频波形倍过取样在可脉冲内产这样厂匹配和反向滤波器的取样点两倍于按另一种方式规定带宽的取简言之为扫频B(带宽)乘以脉冲长度T,,样点线性调频波形具有完全确定的压缩比然而非线性波形的产生低调频副瓣(FBT二aBT不太明确因为非线性调频波形能控制扫频来修整频谱形状s—,并met和Steven、1990)d3B带宽小于总的频扫宽度,36的线性调频波形和匹配滤波器的模糊函数(未表示出)具有在距离上受到高,而慢的锥削的副瓣然而nIv一5滤波器确大大降低了峰值和积累副瓣x图7表示线性一43一调频波形的积累副瓣峰值副瓣和失配损耗与多普勒的关系、看来至少为波形长度的。,5倍的反向滤波器具有与巴克码差不多一样的副瓣抑制特性B一13但是失配损失值远大于。码的采用非线性扫频来给调频波形频谱赋形,,降低了d3B带宽和压缩比当反向滤波器=更近似调频响应时线性调频波形上的失配损耗同样可降低线进行频率扫描的波形为一特殊波形(T样这个波形(非下,,采用一个按照fatn(t)曲anFM)如果我们以两倍于频率扫描的速率取3dB带宽)那么模糊函数实际上与线性调频举例的相同,,在这种情况主瓣宽度过分被抑制以致比t。,小而副瓣却大了,然而,,如果取样频率减小到两倍Tant带宽那么响应就只有很少几个点主瓣宽度限制为a副瓣能进一步抑制FM波.形压缩比约为BT=39图8为积累副瓣峰值副瓣和失配损耗与多普勒的关系曲线,,、副瓣明显低于线性调频情况并且指出在零速附近有强的多普勒灵敏性示出非线性调频频谱的赋形大大地有助于副瓣降低大减少。副瓣电平指失配损耗在线性调频情况下也大材厂匕生世飞---一一`丝_一一02口dS曰ǎP)一一_______-一洲```牛..网.........:冲卜`奋一s乙i尸百L白rP国水魁àǎIr.介国d的15闷(忍.加叨06一一`J了ù了ó了丈又了zJJJ~,...,........,.一0451闷`乡JI护公参舒币了5乙真PSà水魁ǎ~05一—一一Ps白~尹:乙一一子r)一—J4~60匕一~0一~~1___旦l“~~_七一0~~~8一」10_~0一一!2:020JO5020正0速度(ms/)图7速度(ms/)Inv一sx5二使用MF,,Inv一lx与F一s=x脉压滤,图8用MF,,Inv一nlFx与Inv一脉压滤波,波器时对于线性M毋TIL,3)s6器对于TaM毋T=39)波形ISL,S,LLmm与多普勒的关系曲线(对P数据进行ZB过取样PSLLmm,与多普勒的关系曲线(对ZB)数据进行过取样)3数据采集/分析为了验证波形分析我们改进了一部,NCAR雷达来采集巴克一31脉压数据,并脱机对这些数据进行压缩和分析31..分析选择了地杂波的尖峰情况和高反射气象梯度点杂波目标对估算有用的数据在简单脉冲和编码脉冲情况是有关的后向散射功率和径向速图9表示安装在偏西约16公里山峰上的强地杂波目标从,度4公里到2公里的20一44一个邻接的gom距离门内简易脉冲情况下的数据,注意137距离门处的杂波尖峰之差06dB,并且噪声除外;,,`一黔)行二勺’{”)!{术几`l}卜—州甲丫丫!\\(尸{`{t;})图9对于简单频率90m脉冲得出的地杂波数据其说明接收功率和速度Nyqlust速度(士0.5)对应土sms/大于巧O的距离点只为噪音图10为B一13编码脉冲和nIv一x5滤波器相同数据因为平均功率比简易脉冲情况高1ldB,并且在我们处理中处理增益对编码脉冲和简易脉冲都是相对相同峰值功率进行归一化,故高于点杂波的噪声电平也抑制了lldB这样,点杂波信噪比大约是17dB速度平均值仍为零,但由于信噪比增加,它可以更精确地确定。功率和速度估值明显表明这种极强点杂波“泛滥”到了邻近距离门而表现出距离副瓣影响:!1卜。.全_____~一沙口___公移丫..叫”一`以甲一____图10应用B一135x滤波器时获得的地杂波目标注意1d1BSNR增加值与副瓣响应简易的与编码回波的前一半的非移动杂波功率对简单脉冲和编码脉冲是一样的一__J口二一的峰功率相等.但距离门107和167的副瓣下降5d5B,并且相当于图4下部离开主响应的30个取样所对应的下降53一SOdB的靠近主响应的一___脉冲和nIx一副瓣用滤波响应不能预测这是由于滤波器设计未对发射一45一波形的畸变补偿所致.对流气象目标,2士地杂波具有零速度而且预期的压缩滤波器副瓣设计成在格的试验。0ms/范围为最小有59.4.62.时与强反射率梯度相关联的较高速度为脉冲压缩波形提供了针对分布气象目标的更严采用简单的90m脉冲波形的图1dB示出了15公里小雷雨区至19,时雷达南面的49反射率过渡带除非积累副瓣为50B一13dBdB以下否则暴雨中的强回波会影v响区域范围外边的弱回波具有相同的暴雨环形瓣泄漏的形迹“”图12表示采用双相编码脉冲和玩dB,.一x压缩滤波器5信噪比从49增加到60但靠近环形的锥形回波表示有副环形肩部的速度类似于较近部分的速度奉「)/产一斗。一一「草9dB}十夕\\一、一尸、2、~`沪、}}〔卜加厂物冲价{厂川,’{斑图1采用简单gom脉冲时高反射率梯度气象5d0B在单元前后,Zkm范围上,梯度为Nyqiust速度为士sm/s在单元内径向速度混淆在5一12ms/之间卜。…昆万不寺一少:’一伙、;-_一、\\_下{两苏响)月}一军一’…、__、_几丈典工``…、{了沪份,,_{图121波形和nI用B一3v一5撼波器的气象回彼在反射率和速度x环形的外边有强降水回波的明显的副瓣泄诵能量一46一结术论4脉冲压缩是实现高空间和时间分辨的气象雷达测量所需要的短驻留时间的一种技距离时间副瓣与天线副瓣以完全一样的方式影响气象参数测量,我们希望两种副,瓣均为最小,,对点杂波和动气象目标,脉压波形会产生模糊图可预示的副瓣泄漏这已1c0m有了强有力的证明U甚至在低气象速度和用.雷达的场合都有非常的多普勒灵敏.,性这表明明显需要多普勒宽容设计rko多普勒宽容处理的主要要求是增加计算能力,wiZ和Btuci(1992)曾建议用稳定处理方案它在各种气象速度下都会保持低的综合副瓣比波形长五倍以上的反向滤波器似乎适于许多预期的气象梯度,基于我们有限的试验用nI其它NLv一ent5滤波器和Tangx.NL调频波形给出了我们一组波形最好的响应调频波形应该性能好或更好,长波形和压缩滤波器的扩程响应要求本文未讨,论的短程覆盖的其它技术机点目标都是令人满意的反向压缩滤波器的设计不仅减小了气象设备的积累副瓣而这样,且降低了峰值副瓣这对点目标探测是很重要的相同波形对分布气象目标和飞简讯新的ARSR一4联雷达满足美空军、邦航空管理局的需求AFW翻n,ghou蛤公司为满足美国空军和联邦航空管理局(sU一/认)所提出的多数相矛盾的要求而研制FI的第一部新的ARSR4远程对空监视雷达将于1粥年晚些时候交付使用这种先进的雷达这两个单位的总需求是43部UsAF/FAA的一个共同要求是1叹洲)、这种雷达应能无人值守工作且有极高的可靠性,临何中断值班的严重。故障之间的平均间隔时间为三坐标的月妞R飞机和巡航导弹,J时)一4该雷达采用了广泛的冗余包括双天线驱动电机探测到相距92海里的,,4雷达可以在5级海况杂波背景下RCS为.01耐的低空隐身相互矛盾,FAA将月妞R作备用设备,当飞机上的应答机失灵时FAA对该雷达所要求的方位和距离信息的精度更高于,访好的要求这样管制员才能保证飞机间的安全间距FAA寻求尽可能降低假目标,s好和u、,FAA的要求对该雷达的设计师构成了真正的挑战:的风险(诸如鸟群山反射等)造成的虚警以免分散空中交通管制人员的注意力而USAF则宁愿接受可能的假雷达回波而不愿冒漏过低飞目标UsAF要录极低的天线副瓣辐射而且应能快速变频和RPF.12~】4G极高的可靠性要求限定要用全固态设计(L波段工作)另一个要求是因维护导ZH—因晶体功率放大器就在旋转天线致天线停止运转一年不应超过一次这就促使不能用普通的相控阵天线〔一上)当然功放也可以放在天线的旋转关节的下面这样不用停转就可以维护,,,另外霄达发射机的功率往往是超定额的几个晶体管的损失也不会使性能降低到技术指标之下射/接收波束用一由约6X)个辐射器组成的相控阵馈源来照射月妞R为了产生侧高所摇要的多个发的天线湘彭摘译自“A认活6T,ulJ归l,l卯5”一47一