多普勒天气雷达分辨率提高理论与方法研究

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1、电子科技大学UNIVERSITYOFELECTRONICSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA博士学位论文DOCTORALDISSERTATION(电子科技大学图标)论文题目多普勒天气雷达分辨率提高理论与方法研究学科专业信号与信息处理学号200810202015作者姓名李学华指导教师何子述教授万方数据分类号密级注1UDC学位论文多普勒天气雷达分辨率提高理论与方法研究（题名和副题名）李学华（作者姓名）指导教师何子述教授电子科技大学成都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别博士学科专业信号与信息处理提交论

2、文日期2013.09.15论文答辩日期2013.12.04学位授予单位和日期电子科技大学2013年12月24日答辩委员会主席评阅人注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。万方数据RESEARCHONTHEORYANDMETHODSOFDOPPLERWEATHERRADARRESOLUTIONIMPROVEMENTADoctorDissertationSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMajor:SignalandInformat

3、ionProcessingAuthor:LiXuehuaAdvisor:ProfessorHeZishuSchool:SchoolofElectronicEngineering万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。作者签名：日期

4、：年月日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)作者签名：导师签名：日期：年月日万方数据摘要摘要多普勒天气雷达分辨率的提高，将有利于提高天气雷达对中小尺度气旋和龙卷风等灾害性的天气探测能力，有利于通过天气雷达获得更精细的天气过程回波特征，为预

5、警和预报提供更加准确的数据依据。要提高天气雷达距离分辨率和方位分辨率，直接办法是增大发射信号带宽和增大天线直径；但这涉及天气雷达发射机、接收机及天线的硬件改动，改造周期长、成本高；对于已布网、正在业务运行的新一代多普勒天气雷达网来说，这是不现实的。本文针对现在正在使用的多普勒天气雷达系统，着重研究在天气雷达接收机后端，通过信号处理方法、数据处理方法及数据获取方式等方面进行改进，来实现多普勒天气雷达分辨率的改善与提高。本文的主要工作和贡献体现在以下几个方面：（1）多普勒天气雷达在现有机械天线连续扫描和谱矩处理方式下，

6、天线有效波束宽度较由雷达天线尺寸和波长等因素决定的固有波束宽度有较大的展宽，从而导致天气雷达实际方位分辨率的降低。本文研究了天气雷达天线有效波束宽度的计算方法，并从理论上分析了天气雷达在不同扫描方式下有效波束宽度的展宽程度；研究了降低雷达方位采样间隔和方位重叠采样以及数据加权两种方法，来减少天线有效波束的展宽，以实现天气雷达实际方位分辨率的提高，并用实验仿真和雷达实际数据验证了两种方法的有效性。（2）针对分辨率提高后，因脉冲积累数减少或信噪比降低而带来的多普勒天气雷达谱矩估计精度降低的实际问题，本文给出了距离过采样

7、和白化滤波算法，与方位重叠采样以及数据加权这两种方法进行有机结合的处理方法，既使方位分辨率得到提高，又使谱矩估计的精度得到改善。论文理论分析了采用该方法后谱矩估计精度的改善程度，并使用实验仿真和雷达实际数据对方法的有效性进行验证。结果表明，使用距离过采样和白化滤波算法，可弥补因减少有效波束宽度展宽、提高方位分辨率而带来的精度降低问题。（3）论文结合天气雷达回波信号模型和距离过采样方法，建立了基于距离过采样回波信号进行距离高分辨率重构的数学模型；把发射脉冲宽度决定的距离分辨单元细分成更小的距离分辨子单元，相当于对距离

8、分辨单元内分布式散射体中心进行更细划分。并在最小方差无失真响应（MVDR）算法研究基础上，提出了利用最陡下降法的改进MVDR算法来实现距离向高分辨率回波信号的重构。仿真结果表明，对点目标和不均匀分布的天气目标，该方法能重构距离分辨率单元内部I万方数据摘要散射目标的平均功率和径向速度变化特征，实现距离分辨率的提高。（4）针对天气雷达反射率因子的分辨率提高问题，