一种提高双偏振相控阵天气雷达极化隔离度的方法

摘要

一种提高双偏振相控阵天气雷达极化隔离度的方法,其特征在于，方案如下：PPAR在双偏振工作状态时，采用正交相位序列编码对两个极化通道的发射信号进行相位调制，以减小两个极化通道之间的互耦，减小ZDR偏差，保证差分反射率误差能满足要求，同时减小对共极相关系数和差分相位的影响。目前常见的是依靠相控阵天线硬件来实现期望的目标，其价格很高。采用在发射的水平或垂直端口中增加信号脉冲之间180°相位变化，以减小差分反射率误差，但这样会增加共极化相关系数估计的误差，并且在某些情况下还会增加差分相位估计的误差。与现有技术相比，本申请具有方案设计合理、设备简单、实现费用少、性能优越等优点。

权利要求

1.一种提高双偏振相控阵天气雷达极化隔离度的方法，其特征在于，双偏振相控阵天气雷达在双偏振工作状态时，采用正交相位序列编码对两个极化通道的发射信号进行相位调制，以减小两个极化通道之间的互耦，减小ZDR偏差，保证差分反射率误差能满足要求，同时减小对共极相关系数和差分相位的影响；双偏振相控阵天气雷达的天线辐射单元连接到TR组件，由TR组件输出功率到水平极化通道和垂直极化通道上；AHV模式下，TR组件由一个功率放大器通过开关切换到两个极化通道中的一个；SHV模式下，TR组件同时向两个极化通道输出功率信号，这时TR组件采用两个功率放大器分别输出到两个极化通道上，或采用一个功率放大器通过功分器输出到两个通道上；

SHV模式下，TR组件采用2个功率放大器分别输出功率信号，则2个功率放大器分别由2个波形产生得到期望的发射波形，分别与本振信号混合后通过H发射功率放大器和V发射功率放大器输出到各自对应的发射天线中；

SHV模式下，TR组件采用1个功率放大器输出功率信号，则功率信号通过功分器分为两路发射信号，在两路发射信号上分别接入移相器，改变发射信号的相位，再输出到各自对应的发射天线中；

AHV模式下，TR组件通过开关切换到2个极化通道中的一个，在2个极化通道上分别接入移相器，改变发射信号的相位，再输出到各自对应的发射天线中；

双偏振相控阵天气雷达在SHV模式和AHV模式下，两路发射相位均满足式（1）的要求： （1）

其中，j=√(-1)，下标“h”表示水平极化，下标“v”表示垂直极化，M表示波束驻留时间内的采样数，α_h (m)和α_v (m)表示应用于天线H和V端口的功率脉冲的相位编码；

若波束驻留时间内的采样数M为偶数，且

其中α是任意角度，m是整数，则发射编码的相位如下：

其中 和 取 和 之间的任何值；

若波束驻留时间内的采样数M为偶数，且为4的倍数，且

（4）

则发射编码的相位如下：

若波束驻留时间内的采样数M为3的倍数，则天线H和天线V中的任何三个连续发射相位序列为： （6）。

说明书

一种提高双偏振相控阵天气雷达极化隔离度的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及脉冲多普勒雷达测量技术领域，特别涉及一种提高双偏振相控阵天气雷达极化隔离度的方法。

背景技术

[0002] 自雷达诞生之日起，人们就开始利用它来进行降水探测和测量的研究。经过近百年的发展，双偏振天气雷达由于能够分辨云雨目标的相态从而提高气象探测和预报的准确性，可提高预报员和算法区分不同类型的降水（例如降雨，冰雹）和非天气性散射（例如昆虫，地物杂波）的能力，以及更准确的定性降水估算（QPE），成为目前天气雷达的主流。在此基础上进一步应用相控阵技术，实现相控阵双偏振天气雷达成为下一代天气雷达的发展方向。使用相控阵双偏振雷达进行天气观测的主要困难是在相控阵天线的交叉极化的隔离度，即控制相控阵天线的交叉极化电平到可接受范围内实现双极化探测。

[0003] 根据中国气象局的双偏振天气雷达技术规范，同时发射、接收水平和垂直极化的差分反射率误差应小于0.1dB，一般来说，这个指标要求相控阵天线的两个极化之间的隔离要超过45dB。如果仅靠相控阵天线硬件来实现这个指标，其价格将难以承受。因此，需要考虑采用其他方法来减小由于交叉极化引起的差分反射率误差。一种方法是在发射的水平或垂直端口中增加信号的脉冲之间180°相位变化，以减小差分反射率误差，但这样会增加共极化相关系数估计的误差，并且在某些情况下还会增加差分相位估计的误差。

[0004] 双偏振天气雷达已经成为天气雷达的主流，我国的新一代天气雷达正在进行双偏振升级改造。在天气雷达上有两种双偏振工作模式：同时发射和接收水平（H）极化和垂直（V）极化（SHV）、交替发射和接收水平极化和垂直极化波（AHV）。在AHV模式下，天线的H和V端口被交替激励，而在SHV模式下，天线被同时激励。在两种模式下，同时接收来自水平（H）和垂直（V）通道的信号。

[0005] 最主要的双偏振参量是差分反射率ZDR、同相相关系数ρhv(0)和差分相位ϕ_DP。对于采用抛物面天线的天气雷达，通过硬件设计就能保证两个极化之间的隔离度达到要求，因此交叉极化的影响可以忽略不计。但是对于相控阵天线，两个极化之间的隔离度一般只在20dB左右，在波束扫描时由于极化的变形，极化隔离度进一步减小，因此交叉极化引起的信号影响不可忽略，在AHV模式下影响更大，它们会在双偏振参量的估计中引起明显的偏差。

[0006] 常见的相控阵天气雷达采用平面相控阵天线，波束在一个方向上电扫描，在另一个方向上机械扫描。采用偶极子天线单元能够提高两个极化的隔离度，但是在波束扫描后难以满足探测要求。为了解决双偏振相控阵天气雷达的极化隔离度问题，美国专利（US2011/0285582）提出了一种圆柱形相控阵天气雷达，将天线阵列单元安装在圆柱面上，保证波束在方位扫描时性能不变，这种方法解决了水平扫描的情况，但对垂直扫描时波束极化的变形无能为力。

[0007] 本发明提出一种脉冲对编码技术来抑制双偏振相控阵天气雷达（PPAR）的极化交叉耦合问题，降低ZDR偏差，保证差分反射率误差能满足要求，同时减小对共极相关系数和差分相位的影响。

发明内容

[0008] 为克服上述现有技术中的不足，本发明目的在于提供一种提高双偏振相控阵天气雷达极化隔离度的方法。

[0009] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供的技术方案是：一种提高双偏振相控阵天气雷达极化隔离度的方法,其特征在于，方案如下：PPAR在双偏振工作状态时，采用正交相位序列编码对两个极化通道的发射信号进行相位调制，以减小两个极化通道之间的互耦，减小ZDR偏差，保证差分反射率误差能满足要求，同时减小对共极相关系数和差分相位的影响。

[0010] 优选的技术方案为： PPAR的天线辐射单元连接到TR组件，由TR组件输出功率到水平极化通道和垂直极化通道上；AHV模式下，TR组件由一个功率放大器通过开关切换到两个极化通道中的一个；SHV模式下，TR组件同时向两个极化通道输出功率信号，这时TR组件采用两个功率放大器分别输出到两个极化通道上，或采用一个功率放大器通过功分器输出到两个通道上。

[0011] 优选的技术方案为： SHV模式下，TR组件采用2个功率放大器分别输出功率信号，则2个功率放大器分别由2个波形产生得到期望的发射波形，分别与本振信号混合后通过H发射功率放大器和V发射功率放大器输出到各自对应的发射天线中；

[0012] SHV模式下，TR组件采用1个功率放大器输出功率信号，则功率信号通过功分器分为两路发射信号，在两路发射信号上分别接入移相器，改变发射信号的相位，再输出到各自对应的发射天线中；

[0013] AHV模式下，TR组件通过开关切换到2个极化通道中的一个，在2个极化通道上分别接入移相器，改变发射信号的相位，再输出到各自对应的发射天线中。

[0014] 优选的技术方案为：PPAR在SHV模式和AHV模式下，两路发射相位均满足式（1）的要求：

[0015] (1)

[0016] 其中，j=√(-1)，下标“h”表示水平极化，下标“v”表示垂直极化，M表示波束驻留时间内的采样数，α_h (m)和α_v (m)表示应用于天线H和V端口的功率脉冲的相位编码。

[0017] 优选的技术方案为：若波束驻留时间内的采样数M为偶数，且

[0018] (2)

[0019] 其中α可以是任意角度，m是整数，则发射编码的相位如下：

[0020]

[0021]

[0022] (3)

[0023]

[0024] 其中 和 可以取 和 之间的任何值；

[0025] 若波束驻留时间内的采样数M为偶数，且为4的倍数，且

[0026]  (4)

[0027] 则发射编码的相位如下：

[0028]

[0029]

[0030]  (5)

[0031]

[0032] 若波束驻留时间内的采样数M为3的倍数，则天线H和天线V中的任何三个连续发射相位序列为：

[0033]

[0034]

[0035] PPAR在双偏振工作状态时，水平极化和垂直极化的发射波形采用正交相位序列编码，即两个通道分别发射编码脉冲，两路的编码脉冲是正交的，以减小两个极化通道之间的互耦，减小ZDR偏差，保证差分反射率误差能满足要求，同时减小对共极相关系数和差分相位的影响，提高雷达区分不同类型的降水（例如降雨，冰雹）和非天气性散射（例如昆虫，地物杂波）的能力，更准确地实现定量降水估算。

附图说明

[0036] 图1为本发明中采用单个发射功放时相位编码系统框图。

[0037] 图2为本发明中水平和垂直通道分别采用发射功放时相位编码系统框图。

具体实施方式

[0038] 本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

[0039] 本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

[0040] 下面结合附图对本发明做进一步描述：

[0041] 如图1所示。

[0042] PPAR一般有多个TR组件，每个TR组件的发射输出接到天线。当单个TR采用1个功率放大器输出功率信号时，双偏振测量则是将此功率信号通过功分器或者开关分到水平（H）和垂直（V）通道上发射。如果PPAR是SHV模式，则采用功分器，如果PPAR是AHV模式，则采用开关切换。在发射水平（H）和垂直（V）通道上分别接入移相器 和 ，移相器的相位控制按照以下方式改变：

[0043] 如果波束驻留时间内的采样数M是偶数，发射编码的相位如下：

[0044]

[0045]

[0046]  (3)

[0047]

[0048] 其中 和 可以取 和 之间的任何值。

[0049] 如果M是3的倍数，则H和V中的任何三个连续发射相位序列为：

[0050]

[0051]

[0052] 如果M是4的倍数，则发射相位序列为：

[0053]

[0054]

[0055]  (5)

[0056]

[0057] 如图2所示，PPAR一般有多个TR组件，每个TR组件的发射输出接到天线。当TR组件中采用两个功率放大器分别输出功率到水平和垂直通道时，波形产生单元按照式（3）、（5）、（6）产生正交的编码信号波形，信号波形与本振信号混频后通过环流器分别送到天线的H口和V口。回波信号通过H口和V口后由环流器馈送到接收机内进行处理。

[0058] 本发明专利未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

[0059] 所以，本发明具有以下优点：

[0060] 目前常见的是依靠相控阵天线硬件来实现期望的目标，其价格很高。采用在发射的水平或垂直端口中增加信号脉冲之间180°相位变化，以减小差分反射率误差，但这样会增加共极化相关系数估计的误差，并且在某些情况下还会增加差分相位估计的误差。与现有技术相比，本申请具有方案设计合理、设备简单、实现费用少、性能优越等优点。

[0061] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神和技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。