星载多普勒雷达云中大气风场测量仿真研究

doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2023.4.0903

遥感技术与应用

2023, Vol. 38

Issue (4): 903-912 DOI: 10.11873/j.issn.1004-0323.2023.4.0903

数据与图像处理

星载多普勒雷达云中大气风场测量仿真研究

刘顺飞^1,²(

),朱迪¹,董晓龙^1,²(

)

^1.中国科学院国家空间科学中心，北京 101400
^2.中国科学院大学，北京 100049

Study and Simulation on Measurement of Atmospheric Wind Field in Cloud by Spaceborne Doppler Radar

Shunfei LIU^1,²(

),Di ZHU¹,Xiaolong DONG^1,²(

)

^1.National Space Science Center，Chinese Academy of Sciences，Beijing 101400，China
^2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

全文: PDF(5349 KB) HTML

摘要：

全球风廓线的测量对提高数值天气预报精度，准确描述气候模型，理解大气中的物理过程具有重要意义。云雨条件下，星载大气风场多普勒速度测量能力依赖于雷达系统参数、云的物理和动力特征及测量方法。基于极化分集脉冲对（Polarization Diversity Pulse-Pair， PDPP）算法，研究了脉冲时序和多普勒速度测量精度的关系。对影响PDPP方法多普勒测量精度的因素进行了仿真分析。结果表明，对W波段雷达，脉冲对重复频率应当在3.5~5 KHz范围。使用0.1°波束宽度的天线在脉冲间隔为30~50 us区间内，能对反射率因子-20 dBZ的云内风速进行测量，精度在1.35 m/s；相同精度要求下，0.2°波束宽度的天线在脉冲间隔为30~40 us范围内，能达到探测灵敏度约-12 dBZ。

关键词： 云内大气风场; 极化分集脉冲对算法; PRF设计; 多普勒测量

Abstract:

Global wind profile plays a critical role in improving accuracy of numerical weather prediction， accurately describing climate models and understanding the atmospheric physical processes. Under cloud and rain conditions， the Doppler velocity measurement ability of spaceborne atmospheric wind field is highly dependent on radar system parameters， the physical and dynamic characteristics of cloud and measurement method. Based on Polarization Diversity Pulse Pair （PDPP） algorithm， the relationship between pulse timing and Doppler velocity measurement accuracy is studied. The factors affecting the Doppler measurement accuracy of PDPP method are simulated and analyzed. The results show that for W-band radar， the pulse pair repetition frequency should be in the range of 3.5~5 kHz. The antenna with 0.1 ° beam width can measure the in-cloud wind speed with reflectivity factor of about -20dBz in the pulse interval of 30~50 μs， and the accuracy is 1.35 m/s； Under the same accuracy requirements， the antenna with 0.2° beam width can achieve detection sensitivity of about -12 dBz in the range of pulse interval of 30~40 μs.

Key words: Atmospheric wind field in cloud Polarization diversity pulse pair algorithm PRF design Doppler measurement

收稿日期: 2022-03-10 出版日期: 2023-09-11

ZTFLH:

P415.2

基金资助: 空间科学预先研究项目“星载毫米波云雷达多普勒信号探测技术研究”(XDA15018600);空间科学预先研究项目“星载毫米波云雷达多普勒信号探测技术研究”(XDA15018600)

通讯作者: 董晓龙 E-mail: m15971270145@163.com;dongxiaolong@mirslab.cn

作者简介: 刘顺飞（1997-），男，湖南邵阳人，硕士研究生，主要从事微波遥感探测等方面的研究。E?mail:m15971270145@163.com

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引用本文:

刘顺飞,朱迪,董晓龙. 星载多普勒雷达云中大气风场测量仿真研究[J]. 遥感技术与应用, 2023, 38(4): 903-912.

Shunfei LIU,Di ZHU,Xiaolong DONG. Study and Simulation on Measurement of Atmospheric Wind Field in Cloud by Spaceborne Doppler Radar. Remote Sensing Technology and Application, 2023, 38(4): 903-912.

链接本文:

http://www.rsta.ac.cn/CN/10.11873/j.issn.1004-0323.2023.4.0903 或 http://www.rsta.ac.cn/CN/Y2023/V38/I4/903

图1 传统脉冲对时序和PDPP脉冲时序对比

图2 实现三维风速反演的观测几何

参数符号	说明	单位	数值
$λ$	波长	mm	3.2
$P t$	发射峰值功率	W	1800
$τ$	脉冲宽度	μs	3.3
$Θ$	俯仰向波束宽度	°	0.1~0.2
$Φ$	方位向波束宽度	°	0.1~0.2
$F n$	噪声系数	dB	5
B	接收带宽	MHz	0.36
T	绝对温度	K	290
L	系统损耗	dB	4

表1 W波段雷达系统参数

图3 回波信噪比与反射率因子关系

图4 速度精度与反射率因子的关系

参数(m²/s²)	方位角0°	方位角90°
$σ m o v e 2$	7.79	13.69
$σ r 2$	0.1~9.69	0.1~9.69
$σ v f o b 2$	0.25~1	0.25~1
$σ w s 2$	1~16	1~16
$σ t o t a l 2$	9.14~34.48	15.04~44.38

表2 谱方差变化范围

图5 观测示意图

图6 不同方位角和俯仰角下的相关系数

图7 速度精度与谱宽的关系

图8 速度精度与波束宽度的关系

图9 受LDR影响的速度精度和脉冲间隔的关系

图10 速度精度和脉冲间隔的关系

图11 速度精度与PRT的关系

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