脉冲多普勒天气雷达数据质量控制之解速度模糊处理

　　0　引言

　　常规天气雷达可以提供云和降水回波的空间分布、强度及其随时间变化的信息[2]。而多普勒天气雷达除具备常规天气雷达的功能外,还以多普勒效应为基础,通过测定回波信号与发射信号高频频率(相位)之间存在的差异,进一步得出雷达电磁波束有效照射体积内,降水粒子群相对于雷达的平均径向运动速度和速度谱宽,从而在一定条件下,反演出大气风场、气流垂直速度的分布,以及湍流状况等。气象信号是分辨单元内大量水汽回波的组合。常规多普勒天气雷达主要测量气象三要素:分辨单元的回波强度、平均径向速度、速度普宽。其中信号强度(P)以多普勒频谱的零阶矩表示;平均径向速度(v)以归一化频谱的一阶矩表示;速度谱宽(W)以归一化频谱的二阶矩均方根表示。精确测量上述三要素是充分有效发挥多普勒天气雷达作用的前提与保障,这就涉及到雷达数据质量控制的问题。

　　1　解速度模糊的原因[1,3]

　　多普勒天气雷达在信号处理分析时,雷达脉冲重复频率决定了载波脉冲序列参数所对应的频谱参数的每条谱线的间隔。在f=2vλ-1式中,受Nyquist抽样定理的限制,当f=F,或目标的径向速度V=Fλ/2时(f为多普勒频率,F为脉冲重复率,λ为雷达波长),就会因收发谱线相重叠而产生测速模糊问题。简单的说,当因目标移动引起的多普勒频率大于发射冲的重复频率时,会产生速度模糊。

　　2　解速度模糊[4]

　　对于解速度模糊问题,一般有两种做法:一种是前端处理(实时)的方法叫交错PRT方法。它采用周期性不等间隔脉冲序列发射,一般采用双PRT或三PRT方案。还有一种是根据沿径向速度分布的空间连续性和等距离比邻径向的速度分布连续性,识别由于速度模糊估值在连续空间的突变。这种方法属于数据处理(Data Processing),在后端(在雷达二次产品中)处理。

　　其中:

　　(3)式与(2)式相比可知,交错脉冲法中最大不模糊速度得到一定的增大。在3830雷达中有2∶3和3∶4两种双重复频率工作模式[5]。假设在PRF1重复频率下,最大不模糊速度为vrmax1,在PRF2重复频率下,最大不模糊速度为vrmax2,当工作于PRF1∶PRF2=2∶3工作模式时,最大不模糊速度可扩展到vrmax1的3倍或vrmax2的2倍;当工作于PRF1∶PRF2=3∶4工作模式时,最大不模糊速度可扩展到vrmax1的4倍或vrmax2的3倍。例如,我们选择3∶2(1 500 Hz∶1 000 Hz),5 cm雷达,由式(2)可知此重频方式下最大不模糊速度v3/2=37·5 m/s,同时由式(3)可知,对重复频率为1 500 Hz的脉冲序列,对于最大不模糊速度v1500=18·75 m/s,最重复频率为1 000 Hz的脉冲序列,对应的最大不模糊速度v1 000=12.5 m/s。平均径向速度(v)是由雷达测量的一系列的脉冲对相移计算得到的。当脉冲对真实相移小于180°时,速度检测是不模糊的。多普勒天气雷达的第一猜速度是以假设脉冲对相移小于180°为基础的。如果脉冲对真实相移等于或大于180°,则雷达的初猜值将是错误的(其与真实速度的偏差是可预知的),得到的速度是模糊的。可能的速度值为v±2nvmax,其中n取值为1的情况最常见。在终端显示上的显示:正、负最大速度区相连。