星载降水雷达技术研究

论文摘要

全球降水对全球气候与环境变化研究、人类社会的可持续发展、人们的生产生活都有重要的影响。星载降水雷达是测量全球尺度降水的有效手段和重要的遥感器,能够对降水的三维结构进行直接测量,还可以为被动微波遥感测量降水提供订正参考。本文首先分析了地表杂波对星载降水雷达测量的影响,详细研究了适用于卫星平台的降水雷达技术,包括脉冲波形设计、脉冲压缩与距离旁瓣抑制、信号处理算法、空间分辨率增强、雷达天线的选取与波束自适应扫描等。本文首次综合分析了地表杂波通过天线主瓣、旁瓣和距离主瓣、旁瓣对星载脉冲压缩雷达降水测量的干扰模型,推导出了考虑距离加权函数影响的雨水回波和地表杂波计算公式。着重分析了杂波对雷达设计的影响,指出星载降水雷达对距离旁瓣、天线旁瓣等指标的要求都要高于以往研究的结果。本文提出了一种新的脉冲压缩和距离旁瓣抑制方法,可以获得低于-110dB的峰值距离旁瓣电平。新方法避免了对LFM信号在发射阶段加权进行脉冲压缩时雷达高功率放大器只能工作在非饱和区引起的效率降低与系统检测性能下降,分析表明新方法获得的距离旁瓣性能对Doppler频移不敏感,适合于星载应用。本文全面分析了提取包括降雨强度、降雨速度、极化信息等降雨参数的信号处理方法,提出使用基于BG反演的超分辨率重建方法来提高星载降水雷达的分辨率,并用于校正雷达波束非均匀充塞造成的降雨强度估计误差。最后,本文对新一代星载降水雷达系统的参数选择进行了研究和分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 背景
• 1.2 星载降水雷达探测降水的特点和基本原理
• 1.2.1 星载雷达测量降水的特点
• 1.2.2 降水粒子的电磁波传输模型
• 1.2.3 星载降水雷达的雷达方程
• 1.3 星载降水雷达的发展
• 1.3.1 TRMM PR
• 1.3.2 GPM DPR
• 1.4 新一代星载降水雷达的技术发展
• 1.5 论文的主要工作
• 第二章 星载脉冲压缩降水雷达的地表杂波分析
• 2.1 背景
• 2.2 地表杂波干扰的建模
• 2.2.1 星载降水雷达测量模型
• 2.2.2 降水模型
• 2.2.3 海面后向散射模型
• 2.2.4 脉冲信号距离加权模型
• 2.3 回波计算公式
• 2.3.1 雨水回波的接收功率
• 2.3.2 海面杂波的接收功率
• 2.4 数值模拟与分析
• 2.4.1 数值模拟方法
• 2.4.2 模拟结果分析
• 2.5 小结
• 第三章 星载降水雷达的脉冲压缩技术
• 3.1 脉冲压缩与距离旁瓣抑制
• 3.2 脉冲压缩的基本原理
• 3.3 脉冲压缩技术分析
• 3.3.1 线性调频方法
• 3.3.1.1 发射机阶段加权
• 3.3.1.2 接收机阶段加权
• 3.3.1.3 频域滤波方法
• 3.3.2 非线性调频方法
• 3.3.2.1 分段线性调频方法
• 3.3.2.2 连续非线性调频方法
• 3.4 获得超低距离旁瓣的新脉冲压缩方法
• 3.4.1 新脉冲压缩方法的基本原理
• 3.4.2 新脉冲压缩方法的实现过程
• 3.4.3 脉冲压缩与距离旁瓣抑制方法的性能比较
• 3.5 硬件与信道失真的影响与补偿
• 3.5.1 非线性失真对脉冲压缩的影响与补偿
• 3.5.2 随机误差对脉冲压缩的影响
• 3.5.3 加权函数量化误差对脉冲压缩的影响
• 第四章 星载降水雷达的信号处理
• 4.1 引言
• 4.2 星载降水雷达定量估计降水强度的基本方法
• 4.2.1 单参数测量估计降水强度
• e 关系'>4.2.1.1 I －Z_e关系
• 4.2.1.2 衰减关系
• 4.2.1.3 地面参考技术
• 4.2.1.4 镜像方法
• 4.2.2 多参数测量估计降水强度
• 4.2.2.1 双波长/频率测量方法
• 4.2.2.2 双极化测量方法
• 4.2.2.3 双波束测量方法
• 4.3 NUBF 对星载降水雷达测量降水量的影响与校正
• 4.3.1 NUBF 对降水测量的影响
• 4.3.1.1 波束均匀充塞的情况
• 4.3.1.2 波束非均匀充塞的情况
• 4.3.2 校正 NUBF 的方法
• 4.3.2.1 BG 矩阵反演理论
• 4.3.2.2 BG 反演算法在星载雷达降水测量中的应用
• 4.3.2.3 基于BG 反演理论的超分辨率重建方法
• 4.3.3 算法的仿真验证
• 4.3.3.1 星载雷达降水测量的模拟
• 4.3.3.2 模拟结果
• 4.4 星载Doppler 雷达测量垂直雨速
• 4.4.1 星载雷达测量的降雨功率谱
• 4.4.1.1 垂直雨速的观测几何模型
• 4.4.1.2 降雨的Doppler 谱
• 4.4.2 垂直雨速的提取方法
• 4.4.2.1 PP 处理
• 4.4.2.2 DFT 处理
• 4.4.2.3 比较
• 4.4.3 波束充塞对雨速估计的影响
• 4.4.4 校正方法
• 4.5 星载降水雷达的极化参数测量
• 4.5.1 极化参数在降水测量中的作用
• 4.5.2 NUBF 的影响
• 4.5.3 校正方法
• 第五章 新一代星载降水雷达系统参数的选择
• 5.1 系统的基本参数
• 5.1.1 任务需求
• 5.1.2 工作频率
• 5.1.3 空间分辨率
• 5.2 发射脉冲波形设计
• 5.2.1 时宽与带宽
• 5.2.2 脉冲重复频率
• 5.2.2.1 Doppler 模式下的PRF
• 5.2.2.2 宽刈幅扫描模式下的 PRF
• 5.2.3 发射功率
• 5.3 天线
• 5.3.1 天线的选择
• 5.3.2 自适应扫描方式
• 5.3.3 馈源阵列激励电流的讨论
• 5.4 新一代星载降水雷达系统参数小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的论文
• 致谢