您的当前位置:首页正文

毫米波测云雷达回波信号衰减补偿仿真研究

2022-11-10 来源:好走旅游网
第22卷 第6期 Vo1.22 No.6 电子设计工程 Electronic Design Engineering 20l4年3月 Mar.2014 毫米波测云雷达回波信号衰减补偿仿真研究 黄勤 .高玉春 (1.成都信息工程学院四Jll成都610225;2.中国气象局气象探测中心北京100081) 摘要:针对毫米波测云雷达受云雨衰减的问题,从雷达I、Q信号角度出发,模拟毫米波测云雷达回波I、Q信号并假 设一定的探测环境,进行雷达回波信号衰减补偿仿真试验。试验结果表明,雷达电磁波信号穿过雨区和云区时,在远 距离处衰减量很大,通过衰减补偿.信号强度明显增强,目标信号突出。 关键词:毫米波测云雷达;云雨衰减;I、Q信号;信号补偿 中图分类号:TN959.4 文献标识码:A 文章编号:1674—6236(2014)06—0130—04 Simulation study on the attenuation compensation to echo signal with millimeter-wave cloud radar HUANG Qin’,GAO Yu—chun2 (1.Chengdu University ofInformation Technology,Chengdu 610225,China; 2.CMA Meteorological Observation Center,Beijing 100081,China) Abstract:According to the attenuation problem of Millimeter wave cloud radar from cloud and rain.t}lis article is from the perspective of the nQ signals,and simulates radar echo nQ data,at the same time,assumes a cetrain detection envionmentr, carries out radar echo signal attenuation compensation simulation experiment.The results show that radar electromagnetic wave signal through rain area and cloud area,attenuation is large in a remote place.Signal strength and target signal is obvious enhanced by attenuation compensation. Key words:millimeter-wave cloud radar;precipitation and cloud attenuation;I\Q signals;signal compensation 云在大气系统中有着重要作用,对辐射能量传输和平衡 过程有着重要的影响,是气象业务与气象学科研究的一个中 心问题I1]。毫米波测云雷达与波长较长的天气雷达相比,具有 1云、雨对毫米波的衰减 1.1雨特征衰减 更灵敏的探测精度,可以探测直径远小于雷达波长的粒子, 能探测从直径为几微米的云粒子到弱降水粒子的范围,具有 穿透云的能力而能描述云内部物理结构。并且可以连续监测 云的垂直剖面变化,弥补其他遥感手段的不足n_。】。但是,毫米 雨衰减是造成雷达回波信号传输损耗的主要因素之一。 当雷达电磁波信号穿过降雨区域时,雨滴会对电磁波产生吸 收和散射.故而造成衰减[5-61。雨衰减对电磁波产生的影响主 要是吸收衰减。雨衰减的大小和雨滴半径与波长的比值有着 波在云雨天大气传输过程中。受到大气和云雨的衰减很严 重,衰减作用造成回波面积减小、雷达观测值比实际值小,不 能真实反映云的内部结构[21。因此有必要对其探测值进行衰 减补偿。 密切的关系,而雨滴半径又与降雨强度有关。因此降雨引起 的衰减常用如下经验公式表示: kr=ol (1) 其中,k,是以dB/km为单位的衰减系数,,是以mHl/}l为 单位的降雨强度。a,b是依赖于频率、雨滴尺寸和雨滴温度的 雷达回波的衰减补偿是经典问题,经很多国内外专家研 究,已经有很多经典的衰减补偿方法。常用方法是利用已知 的经验关系(k=aZ ),求解反射率因子Z的衰减补偿解析表达 参数。通常情况又将衰减表示为 k, , (2) 式完成衰减补偿。HB算法、迭代法、逐库订正法等 衰减补 偿算法对衰减都有较好的补偿能力,但仍然存在补偿不足或 过度的情况,因此需要寻求更有效的衰减补偿方法。本文从 其中,Jj} 可理解为单位降水强度时的衰减系数,仍与降水 强度有关 。 1.2云特征衰减 I、Q信号出发,对信号进行衰减补偿研究,考虑降水和云对毫 米波测云雷达的衰减,模拟雷达回波I、Q信号.进行雷达回 波信号衰减补偿仿真试验。 收稿日期:2013—08—02 稿件编号:201308027 云由微小的水滴组成.水滴的直径在0.00l~0.4 mm之 间。由于云滴的尺寸较毫米波的波长小得多,一般情况下,可 以利用Rayleigh近似计算云滴的消光截面网。由于云滴的吸 收截面远大于散射截面,云的体消光系数近似等于体吸收系 作者简介:黄勤(1987一),女,四川眉山人,硕士研究生。研究方向:气象雷达信号与信息处理。 130—. —.黄勤,等 毫米波测云雷达回波信号衰减补偿仿真研究 数,因此云的衰减可以近似看作云对电磁波的吸收,衰减量 也可近似看作吸收量。毫米波雷达发射的电磁波在传播路径 上受到的云衰减,其特征衰减率[561可表示为 = (3) 其中,.}1 为云衰减系数,单位为(dB/km)/(g/m ),W为云 含水量,单位为s/m ,kc单位为dB/km。由此可见,采用 Rayleigh近似下,云的衰减与云的滴谱分布无关,与其含水量 W有关。由于水的复介电常数是频率和温度的复杂函数,在 Rayleigh近似下k 有如下经验计算公式{61: 6.0826x10-4厂 896 80 ’删 ∞ 尸 (4) Cloud l fluid water cont ent lg/m ) 图1液态水云粒子分布廓线 Fig.1 Cloud liquid water distribution profile 电磁波信号穿过云区时. 其中6 , 为绝对温度,为雷达的工作频率。 ~o。~一(  ~ 2仿真实验 2.1仿真设计 2.1.1雷达回波信号模拟 采用如下回波功率的统计谱模型171形式: s c R彻 唧[ ]+cc)㈤ 模拟雷达回波信号。其中,只为回波功率,CC为噪声功率 谱密度,听为谱宽。仿真试验中,设雷达波长A=0.8 CB,采样 频率 =1 024 Hz,多普勒频移A=lSO Hz,信噪比.s^ 一1 dB。 2.1.2补偿算法条件假设 仿真试验中,设模拟的雷达回波数据为弱降水时探测的 数据,相应的补偿算法参数如表1所示。 表1补偿算法相关参数 Tab.1 Compensation algorithm parameters 参数名称 参数值 雷达距离库长度 雷达工作频率 雷达仰角 降水强度 雨区衰减系数 云底高度 云顶高度 假定6—7.5 km垂直高度范围内云含水量很小,衰减不 计;云内粒子相态全为液态水;云内温度递减率近似为大气 温度递减率。2~6 km高度范围内,云液态含水量 由如下液 态水云粒子含水量分布廓线计算.如图1所示。 2.1-3衰减补偿算法 设 为衰减后的功率, 为补偿后的功率。可知,补偿 前后功率存在如下关系: /'j 101g={ =一2一J  (6) 其中,M为单程衰减量。电磁波信号穿过雨区时, R r f J} (7) 0 M:l k。dR (8) R为电磁波穿过云雨区的路程。设。为信号在某个距离 库的振幅衰减值, 为该距离库I、Q值对应的幅角,则由式 (6)可得下式 / ——+a・cos ̄p)卫 —— :l2+(Q+a・sin ̄) 0_丁 (、 9)根据式(9)计算得到衰减振幅值。,并联合式(10)补偿衰减。 f, =,+0・cos∞ Q i ‘ 0 2.2衰减补偿流程 在给定云、雨路环境条件和雷达回波模拟条件下.由式 (5)模拟雷达回波信号功率谱,生成,、Q序列;通过式(2)(3) 计算出云路和雨路的衰减量M;结合,、Q序列的幅角,通过式 (9)计算衰减振幅a,进而通过式(10)补偿,、Q信号。衰减补 偿流程如图2所示。 假设云雨路衰减条例 l模拟雷达回波信号功率谱 计算衰减量肘 威,、Q序 ___’●-__________●●-__________—— t 工 r算误差振幅“ 计算幅角q 补偿信号 图2衰减补偿流程图 Fig.2 Attenuation compensation flowchart 2.3结果分析 为了直观显示补偿效果.选取径向距离7.5 km处,对应 垂直高度为3.75 km处的试验结果数据。此高度处为云区,信 号衰减为雨衰减加上部分云内液态水衰减,单程衰减量约为 2.667 dB。经计算,补偿的信号振幅衰减值a=0.587 1 mV.以 下为相应的仿真结果。 补偿前后的功率谱曲线如图3所示,实线为补偿前功率 谱曲线,虚线为补偿后功率谱曲线。可以看出,补偿前、后曲线 谱峰值明显增大,增大量约为补偿前谱峰值的2.5倍,可见信 号衰减量很大。补偿后气象目标信号强度明显增强,为信号处 理过程中有效提取目标信息奠定基础。 补偿前、后I、Q路信号曲线如图4、图5所示,实线表示 补偿前的信号,虚线表示补偿后的信号。在径向距离7.5 km、 一131一 《电子设计工程)2014年第6期 频率/Hz 图3补偿前后功率谱曲线 Fig.3 Power spectrum before compensation 垂直高度为3.75 km处,信号振幅衰减值a=O.587 1 mV,对应 该距离库上的,、Q幅角值,分别计算出,、Q补偿量。从图4、 图5可看出,有部分幅度值在补偿之后,相对于补偿前约增大 了一倍,信号增强。 0.03 0.02 0.01 坚0 —0.O1 —0.02 —0.03 采样点 图4补偿前后I路信号 采样点 图5补偿前后O路信号 Fig.5 Q singal before and after compensation ,、Q路信号幅度衰减值曲线,也即信号补偿量曲线如图 6所示。 雷达仰角在3O。时,径向距离所对应的垂直高度上单程 衰减量变化曲线如图7所示。其中,0 ̄6 km范围,电磁波信号 穿过云区和雨区。衰减量随高度的增加而增大;因假设6 km -132- I路信号变化量曲线 Q路信号变化量曲线 图6 1,Q路信号幅度变化量曲线 Fig.6 I,Q singal amplitude change amount 以上云内液态水含量很小,忽略对电磁波的衰减,衰减量基 本保持不变。 垂直高度上单程衰减量变化曲线 筒 曲 壕 槲 图7垂直高度上单程衰减量变化曲线 Fig.7 Vertical heisat of the one—way attenuation 径向距离上单程衰减量变化曲线 乏 攥 图8径向距离上单程衰减量变化曲线 Fig.8 Radila distance of one—way attenuation 雷达仰角在3oo时,径向距离上单程衰减量变化曲线如 图8所示,x轴表示径向距离。可以发现,随着径向距离增大, 衰减量先增大后趋于平稳。径向距离04 km(垂直高度O ̄2 km) 为雨衰减,衰减量随距离的增大而线性增大,雨区单程总衰 减量为0。08 dB;径向距离4—12 km(垂直高度2—6 km)为云 内液态水衰减,因云内液态水含量随高度变化而变化,且衰 减系数也随云内温度减小而增大,衰减量随距离的增大呈非 黄勤,等 毫米波测云雷达回波信号衰减补偿仿真研究 线性增长,云区单程总衰减量约为2.98 dB;径向距离12 km 理论分析[J1.高原气象,2001,20(1):1—5. ZHANG Pei・chang,WANG Zhen—hui.A study on algorithm to make attenuation correction to radar observations of radar 以上(垂直高度6 km以上),因假设云内液态水含量很小,忽 略其衰减,衰减量趋于平衡。 此外,从图8可见,通过雨区和云区的衰减,单程衰减量 在远距离处多达3dB,衰减量很大。电磁波往返穿过雨区和 reflectivity factor(I):Theoretieal Analysis ̄Plateau Meteorology, 2O01,20(1):1-5. 云区,最大衰减多至6dB,很容易导致远距离处信号返回时因 衰减而变得很弱。 【3】王振会,张培昌.天气雷达回波衰减订正算法的研究(II): 数值模拟与个例实验[J】.高原气象,2001,20(2):115—120. WANG Zhen—hui,ZHANG Pei—chang.A study on algorithm o make atttenuation correction to radar observations of radar 3结 论 考虑云和雨对毫米波测云雷达电磁波的衰减影响,从,、 reflectivity factor(II):Numerical simulation and a case Q信号角度出发,进行回波信号衰减补偿仿真试验研究,得 到如下结论: study[J].Plateau Meteorology,2001,20(2):1 15-120. [4】王振会,纪雷,黄兴友,等.机栽W波段测云雷达回波强度 衰减订正仿真研究[J].高原气象,2011,30(2):437—444. WANG Zhen—hui,JI Lei,HUANG Xing—you.Simulation study on the attenuation correction to refleetivity factor observed 1)从,、Q信号角度逐库补偿云雨粒子对毫米波的衰减, 通过衰减补偿,信号强度明显增强,目标信号突出。 2)电磁波通过雨区和云区的衰减,在远距离处衰减量 很大,容易导致远距离处信号返回时因衰减而变得很弱,在 with an air-borne w-band cloud radar[]J.Plateau Meteorology, 2011,30(2):437-444. 后续信号处理中将此处信号当作噪声处理。从,、Q信号角 度补偿衰减对于远距离的目标信号有一定优势,有效地补 偿弱信号,能够在一定程度上解决目标信号太弱而无法提 取的问题。 【5】李松江,刘永波,李德鑫,等.电磁波的-2r雾衰减特性研 究【J】.舰船电子对抗,2010,33(5):22—28. LI Song-jiang,LIU Yong-bo,LI De-xin.Research into the attenuation characteristics of cloud and fog aginst 但是,对信号补偿的同时,也在一定程度上将噪声增强, 还需要采用有效的去噪方法去噪以达到有效提取目标信息 的目的,反应雷达真实回波情况。 参考文献: electromagnetic wave propagation fJ].Shipboard Electronic Countermesure,2010,33(5):22—28. 【6】张培昌,戴铁丕.雷达气象学【M】.北京:气象出版社,2001. 【7】肖艳娇,袁立功,张建伟.天气雷达回波信号处理的模拟 【1】仲凌志,刘黎平,葛润生.毫米波测云雷达的特点及其研 究现状与展望[J】.地球科学进展,2009,24(4):383—390. ZHONG Ling-zhi,LIU Li—ping,GE Run-sheng.Characteristics 试验【J】.遥感技术与应用,1998,13(4):43-47. XIAO Yan-jiao,YUAN Li-gong,ZHANG Jian-wei. A simulation experiment for echo singals from weather doppler about the millimeter-wavelength radar and its status and prospect in and Abroad[J].Advances in Earth Science,2009, 24(4):383—390. radar[J].Remote Sensing Technology and Application,1998, l3(4):43—47. [2】张培昌,王振会.天气雷达回波衰减订正算法的研究(I): 完整的可穿越DC/DC lC从主输入或单个超级电容器后备电源 提供不间断的1 A输出电流 加利福尼亚州米尔皮塔斯(MILPITAS,CA)一凌力尔特公司(Linear Technology Corporation)推出完整的可穿越DC/DC系统 IC LTC3355。该器件具有一个主降压稳压器和一个内置升压型转换器,用于在VIN电源突然缺失的情况下从单个超级电容器 能量源提供VOUT的短暂后备或可穿越电压。该器件拥有提供超级电容器(或其他存储元件)之无缝充电所需的全部功能,包 括VIN、VOUT和VCAP的监视以及至后备的自动切换。LTC3355的非同步、恒定频率、电流模式、单片l A降压型开关稳压器 可采用一个高达2O V的输入电源提供2.7~5 V的稳定输出电压。该器件非常适合于功率计、工业报警和固态驱动器中常用的 可穿越、“濒临崩溃”或数据后备电源。 LTC3355采用一个从VOUT供电的1 A可编程恒定电流/恒定电压(CC/CV)线性充电器来给单个超级电容器、电解电容 器或镍氢(NiMH)电池充电。一个热调节环路可最大限度地增加充电电流,同时将芯片温度限制在l10 oC。当VIN电源降至低 于可编程电源故障比较器输入(PFC)门限时,该器件的恒定频率、非同步、电流模式5 A升压型开关稳压器将从超级电容器向 VOUT供电 后备电源可在电容器电压低至0.5 V的情况下输送至VOUT。该器件具有可编程升压、充电器和VIN电流限值。 其他特点包括一个VIN电源故障指示器、VCAP电源良好指示器和VOUT上电复位(POR)输出。 咨询编号:2014061009 133- -

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容