相控阵天气雷达阵列综合方法与脉冲压缩技术实现

发布时间：2020-05-08 00:45

【摘要】：相控阵天气雷达是目前正在研究的一种新体制雷达,与传统多普勒天气雷达相比具有更快的扫描速度,更高的时空分辨率,对于监测短时强对流天气有非常大的优势。为了降低雷达系统的制造成本和复杂度,本文研究了相控阵天气雷达阵列综合方法和脉冲压缩硬件实现,主要工作如下:(1)分析了相控阵天气雷达与目前正在气象探测业务中使用的新一代天气雷达的各自特点,阐述了相控阵天气雷达稀疏阵列综合问题属于求解多变量非线性最优化问题,并对求解该优化问题的智能算法发展进行讨论。介绍了相控阵天气雷达的阵列形式,并分析了线性调频信号的产生及其脉冲压缩处理方法。(2)介绍了相控阵天气雷达稀疏阵列综合的意义,它可以在不导致副瓣电平抬高而引起虚假回波的前提下,以最少的阵元数达到对气象目标物探测要求。提出了一种基于迭代加权l1范数的相控阵天气雷达阵列综合方法,将拉格朗日乘数法应用于求解加权向量的闭式解中,通过引入共轭梯度法以避免大规模矩阵求逆运算,加快了算法收敛速度。仿真结果表明,该方法能有效提高相控阵天气雷达的阵列综合速度。(3)在相控阵天气雷达中运用脉冲压缩技术既能提高距离分辨力,又能获得最大作用距离的优势。设计了基于FPGA+AD的脉冲压缩处理系统方案,通过使用宽窄脉冲不同载频的模式同时完成近距离和远距离的探测,降低了雷达探测盲区,并在数据处理中使用高速时钟进行匹配滤波运算,分时复用硬件资源,提高了 FPGA硬件资源的使用率。通过FPGA在线调试与Matlab仿真进行算法验证,对比结果证明本系统满足相控阵天气雷达对硬件资源以及处理时效方面的要求,达到了设计目的。
【图文】：

直线阵列,直线阵,非均匀,阵元

逦ｚ逡逑Ｚ２逡逑图２．１任意ｉＶ元线阵逡逑对于等幅激励阵列，根据式（２．２）可求得其阵因子为逡逑Ｓ｛ｕ）＾ＹｕＩｎｅｉｎｕ邋＝ＩａＹ／ｎｕ邋＝／0［ｌ＋ｅ；！，邋＋ｅＪ２ｕ邋＋．．．邋＋邋ｅｉ（Ｎ￣Ｘ）ｕ］逦（２．３）逡逑？＝０逦ｎ＝０逡逑利用级数求和关系式上式可以写成逡逑Ｓ（ｕ）邋＝邋Ｉ０ｌ－＾邋＝邋Ｉ０ｅ＾邋Ｓｉｎ＿／２）逦（２．４）逡逑０邋１－，逦０逦ｓｉｎ（？／２）逡逑式中，相位因子＾＾“／２表示阵的相位中心相对于坐标原点的相位差，若坐标原逡逑点选在阵的相位中心，则上式可以写成逡逑？逦（２．５）逡逑°邋ｓｉｎ（Ｍ／２）逡逑将ｍ邋＝邋Ｗｃｏｓ０代入式（２．５），得逡逑ｓ｛ｅ）邋＝邋１0＾ｄｏ0Ｓ０／２）逦（２．６）逡逑ｓｉｎ（ｋｄ邋ｃｏｓ＾／２）逡逑单元数＃邋＝邋２００时的归一化阵因子５（０）随０变化的图形。如图２．２所示。逡逑９逡逑

矩形栅格,平面阵,激励电流

行间距均为在沿７轴方向上有列，列间距均为冬，全阵逡逑共个单元。设有一个Ｍｘ％单元的矩形栅格矩形平面阵列，放置在兮逡逑平面内并建立坐标系如图２．４所示，第（ｍ，ｎ）个单元的坐标位置为逡逑ｋ，邋＝＾ｘ，ｒｎ邋＝邋０，＼，２，，．．．，Ｎｘ－＼逦）逡逑＝邋ｎｄｙ，？邋＝邋0，邋１２，Ｎｙ邋－１逡逑▲逦ｚ逡逑ｒｘ逡逑ｒ＂／邋／／／ＶｆＹ／／／邋Ｖ７逡逑ｍ邋ｖｙｙ／／／／／／／／／／／／逡逑广ｒｒ／邋／／邋／／邋广／邋／邋／／Ｙ７逡逑＾／／／／／／／／／／／／／／／逡逑ｋ邋－ｙｙ／／／／／／／／／逡逑图２．４在吵平面内的矩形栅格平面阵逡逑如果平面阵按列分布时第ｍ个单元的激励电流的复矢量为／ｗ，逦，按逡逑行分布时第《个单元激励电流为＆逦，则第（讲，《）个单元的激励电流为逡逑／邋＝１邋ｉ邋＝７邋／邋ｅＫｍａ＇＋ｎａ＾逦（２．１０）逡逑ｍｎ邋ｘｍ邋ｙｎ邋ｘｒｎ邋ｙｎ逡逑式中，和Ｊ＞．？分别为沿ｘ和＾方向排列的直线阵列的幅度分布；ａ、．和＼分别逡逑是沿ｘ和７方向排列的直线阵列的均匀梯变相位。逡逑根据电磁波的叠加原理，可以直接写出上述平面阵的阵因子为逡逑Ｎｘ－＼Ｎｖ－ｉ逡逑Ｓ｛Ｑ逦ｉ邋ｅｊｋ（＜ｍｄｘ邋ｃ0ｓ（ｐ＋ｎｄｙ邋ｓｉｎ＾）ｓｉｎ６逦（２１１）逡逑ｍ＝０邋ｎ＝０逡逑１２逡逑
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P412.25

【参考文献】