一种基于空时频码波技术的同时多通道阵列处理方法与流程

1.本发明涉及全数字相控阵天气雷达领域，特别是一种基于空时频码波技术的同时多通道阵列处理方法。


背景技术：

2.天气雷达是目前观测气象现象的主要装备，已成功应用于城市防灾减灾、人工影响天气、水利、电力、民航、军事等各行各业的气象保障和服务，并且发挥着越来也重要的作用。随着相控阵雷达技术的不断发展，在天气雷达中引入相控阵技术，cn202010072047.4公开了提供一种相控阵天气雷达偏振控制方法及相控阵天气雷达系统，其中，相控阵天气雷达偏振控制方法包括：接收偏振模式选择；根据所述偏振模式参数，确定相控阵天气雷达包含的每一个波导的第一偏振参数；将所述第一偏振参数发送给对应的波导，使得所述波导根据所述第一偏振参数发射/接收到不同偏振信号。利用相控阵天气雷达波束调度自由灵活的突出优点，并采用合适的方法提升对气象目标的数据处理质量，将能够有效获取强灾害天气的精细化三维结构以及随时间演变的精细化过程，提升对强灾害天气的监测和预警能力，势必成为下一代天气雷达发展的主流方向。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种提高全空域天气现象监测能力、提高测量精度、提高抗杂波处理能力、提升相控阵天气雷达对强灾害天气的监测和预警能力的基于空时频码波技术的同时多通道阵列处理方法。
4.本发明的目的通过以下技术方案实现。
5.一种基于空时频码波技术的同时多通道阵列处理方法，步骤包括：1）雷达数据处理通过上行链路由雷达控制单元控制频率源产生多个不同载频的带波形和频率相位调整的的脉冲序列；2）送n个tr组件发射支路进行上变频和放大后经天线辐射出去，在空间合成覆盖设定空域的发射波束；3）所述发射波束在经过气象目标反射后，通过天线接收后进入n个tr组件接收支路，进行低噪声放大和模拟下变频处理，之后进入数字接收通道实现数字化处理；4）基于在上行链路中设计的波形信息，在数字接收通道中接收信号首先经ad转换成数字信号，然后通过不同的数字下变频实现频率分集，频率分集后的基带iq信号通过光纤从tr组件送至信息处理系统，在信息处理系统中实现空域处理、时域处理、频域处理、解码处理和波形处理五个维度的联合处理，形成m路基数据后送数据处理进行存储和显示。
6.所述步骤4）具体为：在信息处理系统中，首先进行空域处理，形成覆盖不同空域的多个接收波束，然后进行波形处理，提取所需信息，再通过解码处理去除附加相位信息，之后进行频域处理滤除杂波等非气象信号，最后进行时域相关处理，计算处理需要测量的气象参数，所述气象参数包括反射率强度、径向多普勒速度和速度谱宽，形成m路基数据后送
数据处理进行存储和显示。
7.所述信息处理系统中设有空域处理模块，所述空域处理模块用于实现多波束合成，形成覆盖设定空域的多个接收波束，采用可重构的多通道阵列处理技术。
8.所述空域处理模块进行通道校准和阵面重构，所述通道校准的方法为：在接收机前端输入单载频的，计算通道的幅度和相位一致性，采用参考通道与待校准通道数据共轭相乘的通道校准方法：假设待校准通道为，参考通道为，则计算需要的修正系数为：将计算所得的w乘上所对应的通道实现通道幅相的精准修正，所述阵面重构主要指在形成多个探测波束时，同时实现多个频点探测波束和辅助波束的时序对齐，从而通过数据交换和权值重构完成阵面重构。
9.所述信息处理系统中设有波形处理模块，所述波形处理模块根据雷达工作方式和气象探测需求，在频率分集的基础上，通过设计一组互相关性能良好的正交相位编码波形，接收时，按各自波形进行匹配滤波，得到匹配于该信号的回波。
10.所述波形处理模块处理步骤包括：设计随机多项码序列，其波形序列为：，满足恒模条件：；该波形序列的自相关函数可写为： ；自相关的积分旁瓣和峰值旁瓣可写为：该波形设计的目标是让自相关的积分旁瓣或峰值旁瓣最低，记该波形设计的目标是让自相关的积分旁瓣或峰值旁瓣最低，记
则让自相关的积分旁瓣或峰值旁瓣最低可描述成：考虑脉内复合调制情况，波形内存在零点间隙，可以增加零点约束：对于多组正交波形，增加互相关约束：，考虑多普勒容限问题，增加多普勒变化时的副瓣不抬升、主瓣不下降约束：，结合上述脉内复合调制、多普勒容限和脉间正交指标，设计理想波形。
11.所述信息处理系统中设有解码处理模块，所述解码处理模块针对发射脉冲序列进行随机相位编码后，在接收时通过对接收信号的相位进行解码以区分一次和二此回波的相位信息，从而消除二次及以上接收信号。
12.所述信息处理系统中设有频域处理模块，所述频域处理模块用于实现频率分集和频域杂波处理，其中频率分集在n个tr组件中实现，在回波信号经过ad采样之后，通过采用不同的数字本振频率进行下变频处理，然后滤除其它频率分离，获取脉冲载频对应的基带iq信号，实现频率分集；而频域杂波处理在信息处理系统中完成，相同载频脉冲序列反射信号之间相位相关，然后进行离散傅立叶变换处理获取信号的多普勒功率谱，在该多普勒谱中含有不同频率分量。
13.所述频域处理模块处理步骤包括：若天气雷达回波信号为，t为采样时间间隔，k是采样的序号，为：经过离散傅立叶变换，频谱为：其中是离散时域信号，是对应的离散频域信号，所对应的频谱即：其谱密度函数可由求出
平均多普勒频率和谱宽如下式：平均多普勒频率和谱宽如下式：其中，上式中的为信号的频率，为频率的采样点，表示平均多普勒频率，表示谱宽。
14.所述信息处理系统中设有时域处理模块，所述时域处理模块通过时域相关处理获取气象目标参数信息，所述气象目标参数信息包括反射率强度，径向速度和速度谱宽，所述气象目标参数信息的计算方式包括：假设取样体积中包含众多相对于雷达运动的散射粒子，雷达接收到来自每个散射粒子的场强可以表示为，由于每个粒子的回波强度振幅不大，所以可写成，上式中j为雷达单位数据采样体积中第j个粒子相应的物理量；散射体积中全部粒子对回波振幅的贡献为下式，下式可以分解为实部与虚部：根据上式以及复振幅的自相关函数可以得到以下公式：当采样信号的脉冲个数满足积累个数要求时，则计算基数据产品，包括反射率因子、径向速度和速度谱宽；通过公式可计算出信号的功率和：由于在计算反射率因子时，需要考虑到雷达系统的增益常数、大气衰减以及目标距离衰减等因素，根据雷达气象方程可得出反射率因子的计算公式：
上式中，echo(i)为目标的回波功率，rk为目标到雷达之间的距离，atmos为大气衰减因子，syscal为雷达系统增益常数；因为，结合式可以得出径向速度的计算公式：假设任一粒子的径向速度涨落满足正态分布，以此计算出多普勒角频率的标准偏差，结合散射体积中全部粒子对回波振幅的贡献公式得到公式：将上式进行归一化处理，因为在大量粒子排列时，总回波功率等于各个粒子的回波功率之和，在的条件下，以此得到谱宽的计算公式：上式中为多普勒频率的标准偏差，即速度谱宽：为回波信号复振幅。
15.相比于现有技术，本发明的优点在于：（1）采用空时频码波技术，突破相控阵天气雷达处理的核心技术，提升对气象目标的数据处理质量；（2）基于探测数据质量提升，进一步提高装备对中小尺度危险天气的监测和预警能力；（3）通过空时频码波五维处理，为精准的航空预报预警服务提供高时空分辨率的探测数据，提升空管保障能力，保障客机飞行安全，对促进民航气象保障和服务的现代化进程，有着十分重要的意义；（4）促进相控阵天气雷达的进一步推广和使用，进一步增强我国气象监测和预警的能力；（5）提高全空域天气现象监测能力，确保在一个体积扫描周期内完成全空域扫描和处理；（6）提高测量精度，为气象分析人员提供立体的气象目标信息，有利于作出更准确的预报；（7）提高抗杂波处理能力，多重处理方法提高数据可信度及对弱信号的检测能力。
附图说明
16.图1为本发明某相控阵天气雷达系统框图。
17.图2为本发明流程图。
18.图3为正交相位编码波形处理流程图。
19.图4为6月18日07点阵风锋雷达最低仰角ppi观测对比图。
20.图5
‑
13为相控阵天气雷达与新一代天气雷达观测处理过程对比图。
21.图14为阵风锋垂直剖面图。
具体实施方式
22.下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
实施例
23.某相控阵天气雷达（见图1）系统硬件从结构上分为室外部分和室内部分，室外部分主要包括天线座、天线阵面（含n根波导缝隙天线、综合网络、阵面监测、n通道数字tr组件、1只监测组件、阵面电源等）、光传、数字波束形成（dbf），室内部分包含信号处理、伺服（天线控制）、健康管理（含数据库）、数据处理（含雷达信息显示、气象信息处理）、二次产品生成服务器以及电缆、机柜和网络等附属设备。
24.为实现气象体目标的最佳探测和处理，基于相控阵天气雷达设计，并与整个雷达系统工作相融合，创建了一种基于空时频码波技术的同时多通道阵列处理方法。该方法基于多通道并行处理软件架构，从空域、时域、频域、编码和波形五个维度实现多域联合强化系统处理设计，实现气象目标的多通道并行立体探测和处理。
25.基于空时频码波技术的同时多通道阵列处理过程与整个雷达系统工作相融合，具体处理流程见图2。
26.首先，雷达数据处理通过上行链路由雷达控制单元控制频率源产生多个不同载频的带波形和频率相位调整的的脉冲序列，然后送n个tr组件发射支路进行上变频和放大后经天线辐射出去，在空间合成覆盖设定空域的发射波束。发射信号在经过气象目标反射后，通过天线接收后进入n个tr组件接收支路，进行低噪声放大和模拟下变频处理，然后进入数字接收通道实现数字化处理。基于在上行链路中设计的波形信息，在数字接收通道中接收信号首先经ad转换成数字信号，然后通过不同的数字下变频实现频率分集，频率分集后的基带iq信号通过光纤从tr组件送至信息处理系统，在信息处理系统中实现空域、时域、频域、编域和波形五个维度的联合处理。在信息处理系统中，首先进行空域处理，形成覆盖不同空域的多个接收波束，然后进行波形处理，提取所需信息，再通过解码处理去除附加相位信息，之后进行频域处理滤除杂波等非气象信号，最后进行时域相关处理，计算处理需要测量的气象参数（反射率强度、径向多普勒速度和速度谱宽等），形成m路基数据后送数据处理进行存储和显示。
27.基于上行链路中的发射信号设计，在下行链路中通过空域、波形、解码、频域和时频五维联合实现接收信号的匹配处理，考虑相控阵天气雷达多波束同时工作的需要，因此信息处理系统在设计上采用多通道并行处理架构，主要由五个处理模块组成，分别为空域处理模块、波形处理模块、解码处理模块、频域处理模块和时域处理模块。
28.1）所述空域处理模块：主要功能是实现多波束合成，形成覆盖设定空域的多个接收波束，采用可重构的多通道阵列处理技术，支持多达300路以上数字通道并行处理，可在数字部分实时实现多种阵面组合的切换，可全阵形成波束，也可部分子阵形成波束，系统实时产生最多40路间隔为0.2
°
的接收波束，并完成40路接收波束快速并行处理。为获得最佳处理合成效果需要进行通道校准和阵面重构。所述通道校准主要指通过对通道幅度和相位进行校准，以保证良好的数字波束副瓣性能，采取的主要方法为：在接收机前端输入单载频的，计算通道的幅度和相位一致性，采用参考通道与待校准通道数据共轭相乘的通道校准方法。
29.假设待校准通道为 ，参考通道为，则计算需要的修正系数为：将计算所得的w乘上所对应的通道实现通道幅相的精准修正，所述阵面重构主要指在形成多个探测波束时，同时实现多个频点探测波束和辅助波束的时序对齐，从而通过数据交换和权值重构完成阵面重构。
30.2）所述波形处理模块：其主要功能是根据雷达工作方式和气象探测需求，在频率分集的基础上，通过设计一组互相关性能良好的正交相位编码波形，接收时，按各自波形进行匹配滤波，由于其它信号经过该滤波器的响应小，只得到匹配于该信号的回波，从而进一步提高在多波束方式下不同俯仰波束之间的隔离度。处理流程见图3。
31.所述波形处理模块处理步骤包括：设计随机多项码序列，其波形序列为：，满足恒模条件：；该波形序列的自相关函数可写为： ；自相关的积分旁瓣和峰值旁瓣可写为：该波形设计的目标是让自相关的积分旁瓣或峰值旁瓣最低，记该波形设计的目标是让自相关的积分旁瓣或峰值旁瓣最低，记则让自相关的积分旁瓣或峰值旁瓣最低可描述成：考虑脉内复合调制情况，波形内存在零点间隙，可以增加零点约束：
对于多组正交波形，增加互相关约束：，考虑多普勒容限问题，增加多普勒变化时的副瓣不抬升、主瓣不下降约束：，结合上述脉内复合调制、多普勒容限和脉间正交指标，设计理想波形。
32.3）所述解码处理模块：当雷达工作脉冲重复频率较高时，将会出现二次回波信号，导致气象目标距离测量失真，为解决该问题需要对发射脉冲序列进行随机相位编码，然后在接收时通过对接收信号的相位进行解码以区分一次和二此回波的相位信息，从而消除二次及以上接收信号。所述解码处理模块3#主要用来实现以上功能。
33.用相位变化的方法可以扩展不模糊距离，同时还可以消除由于回波叠加而引起的谱矩估计的偏差。多普勒天气雷达脉冲对处理（ppp）算法中速度的估计是用的相位信息来提取的，当回波中包含一次回波、二次回波时可以表示为一次、二次回波的和：利用计算一次、二次回波的速度时，必然引起速度估计值的误差，相位编码的目的在于改变二次回波的相位，使，这样二次回波不再影响一次回波速度的估计；反之，改变一次回波的相位，使，这样一次回波不会影响二次回波速度的估计。发射脉冲用序列进行调制，即发射脉冲序列的相位减去，这样，一次回波被同步，二次回波被调制，，我们也可以将回波采样信号乘以以使二次回波同步，而一次回波被调制，。随机相位法是指是随机变化的值。
34.4）所述频域处理模块：其主要功能是实现频率分集和频域杂波处理，其中频率分集主要在tr组件中实现，在回波信号经过ad采样之后，为得到不同载频脉冲反射回的信号，此时通过采用不同的数字本振频率进行下变频处理，然后滤除其它频率分离，获取脉冲载频对应的基带iq信号，实现频率分集；而频域杂波处理在信息处理中完成，在经过解码处理模块3#处理后，实现相同载频脉冲序列反射信号之间相位相关，然后进行离散傅立叶变换（dft）处理获取信号的多普勒功率谱，在该多普勒谱中含有不同频率分量，这是由于一些非气象类的目标体对电磁波的散射所产生的回波和由于雷达性能而引起的虚假回波。其中鸟类、昆虫、飞机和地杂波等均为干扰杂波频率分量，是需要在频域进行滤除的非气象信息。
35.若天气雷达回波信号为，t为采样时间间隔，k是采样的序号，为：
经过离散傅立叶变换，频谱为：其中是离散时域信号，是对应的离散频域信号，所对应的频谱即：其谱密度函数可由求出平均多普勒频率和谱宽如下式：平均多普勒频率和谱宽如下式：其中，上式中的为信号的频率，为频率的采样点，表示平均多普勒频率，表示谱宽。
36.由于雷达回波信号不可避免地包含噪声，雷达接收到的信号总是包括气象信号和噪声信号。为了得到纯的气象频谱，实际运算中把多普勒雷达接收机接收到的iq信道的复时间序列先进行fft处理，得到复频谱序列，然后用它减去噪声谱序列。便可得到一新的复频谱序列，将它代入前面的公式，即可以求得谱宽和频率值。
37.5）所述时域处理模块5#：其主要功能是通过时域相关处理获取气象目标参数信息（包括反射率强度（z），径向速度（v）和速度谱宽（w）等）。
38.假设取样体积中包含众多相对于雷达运动的散射粒子，雷达接收到来自每个散射粒子的场强可以表示为，由于每个粒子的回波强度振幅不大，所以可写成，上式中j为雷达单位数据采样体积中第j个粒子相应的物理量；散射体积中全部粒子对回波振幅的贡献为下式，下式可以分解为实部与虚部：
根据上式以及复振幅的自相关函数可以得到以下公式：当采样信号的脉冲个数满足积累个数要求时，则计算基数据产品，包括反射率因子、径向速度和速度谱宽；通过公式可计算出信号的功率和：由于在计算反射率因子时，需要考虑到雷达系统的增益常数、大气衰减以及目标距离衰减等因素，根据雷达气象方程可得出反射率因子的计算公式：上式中，echo(i)为目标的回波功率，rk为目标到雷达之间的距离，atmos为大气衰减因子，syscal为雷达系统增益常数；因为，结合式可以得出径向速度的计算公式：假设任一粒子的径向速度涨落满足正态分布，以此计算出多普勒角频率的标准偏差，结合散射体积中全部粒子对回波振幅的贡献公式得到公式：将上式进行归一化处理，因为在大量粒子排列时，总回波功率等于各个粒子的回波功率之和，在的条件下，以此得到谱宽的计算公式：上式中为多普勒频率的标准偏差，即速度谱宽：为回波信号复振幅。
39.时域处理模块基于上述处理算法可并行实时完成多个波束基带iq信号的处理，获取系统所需的输出参数：反射率强度（z），径向速度（v）和速度谱宽（w）等。
40.上述处理技术已成功应用于北京大兴国际机场相控阵天气雷达中，该雷达采用收发单元级全数字化技术，创建了空时频码波等多域联合处理天气回波信号的方法，建立了信号与数据处理的自适应软件化架构（商用平台），发展了适合民航机场空管气象保障的相控阵雷达快速精细探测策略，与现有的业务天气雷达相比，该雷达能更好的为民航四维飞行提供更精准快速的气象探测数据。
41.该雷达在一年多的运行时间中，基于探测数据通过采用空时频码波技术对下击暴流、阵风锋、冰雹等诸多典型天气过程进行了五维多域联合处理，处理结果呈现出时间分辨率高、距离分辨率高、角度分辨率高的特点，能够反映出天气过程的更多细节变化，尤其在
低层空域，观测到了常规天气雷达无法探测到的天气细节。以下为针对该雷达阵风锋观测的一个典型案例详细说明如下。
42.2020年6月18日，在北京大兴机场以西发现一次阵风锋过程，基于该雷达探测数据对该过程进行了精细化的五维多域联合处理。首先进行空域处理，形成覆盖0.2
°
至20.2
°
的40个接收波束，然后进行超低副瓣脉冲压缩处理，提取所需信息，再通过数字域解码处理去除附加相位信息，之后进行频域处理滤除地杂波、飞机等非气象信号，最后进行时域相关和质量控制处理，计算处理需要测量的气象参数（反射率强度、径向多普勒速度和速度谱宽等），计算结果见图4。
43.图4中，在6月18日07点，有强对流系统从西北地区不断移近北京，产生阵风锋过程，(a)为大兴相控阵天气雷达6月18日07点阵风锋雷达最低仰角ppi观测图；(b)为新一代天气雷达6月18日07点阵风锋雷达最低仰角ppi观测图，对比(a)和(b)，可以看到c
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par雷达观测的阵风锋更为清晰。因此采用空时频码波技术，更有利于提升低空阵风锋的处理效果。
44.如图5
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13所示，本次阵风锋过程自6月18日6点30分开始不断增强，随着强对流的移动，阵风锋逐渐清晰，并远离强对流本体。对比12分钟内观测数据，可以看到，6点42分，新一代天气雷达观测的阵风锋过程较为模糊，而6点32分相控阵天气雷达观测的阵风锋已经相对清晰。可见，相控阵天气雷达采用空时频码波技术能更早的发现与识别阵风锋过程。
45.图14给出了对阵风锋基于空时频码波技术处理后的剖面分析：(a)、ppi；(b)、强度垂直剖面； (c)、经典模型； (d)、速度垂直剖面，得到回波强度和径向速度的垂直剖面，可以清晰的反映本次阵风锋过程的详细特征：在6月18日6时46分，阵风锋回波强度约为10
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20dbz，距离雷达约40km。其后的强对流系统最大强度超过40dbz，距离阵风锋约20km。且从强对流结构来看，受高层西北风影响，高层移动领先于低层，导致对流系统向下风向倾斜，低层阵风锋位于高层对流云砧下方。高空对流降水下落过程中蒸发，导致地面无降水，形成低空冷池，冷池过程向前推进也是阵风锋形成的重要原因。