技术领域
[0001] 本申请涉及雷达仿真技术领域，具体涉及一种相控阵天气雷达回波信号仿真方法及装置。
相关背景技术
[0002] 常规天气雷达由于扫描周期长，难以对强对流等中小尺度天气过程很好地监测预警。相控阵天气雷达采用了电扫方法，控制扫描过程中仰角或方位角的波束变化，相较于常规天气雷达最主要的优势是其具有快速扫描能力。因此是当前对强对流等中小尺度天气进行监测、预警的有效的工具之一。
[0003] 强对流等灾害天气具有突发性和局地性强、尺度小、生命史短、灾害严重等特点，一直是天气预报业务中的重点和难点。结合这些需求对相控阵的探测性能提出了更高的要求。目前针对相控阵天气雷达特性和探测能力的研究主要是通过外场观测，采集现有的相控阵天气雷达观测数据与常规天气雷达观测数据做对比分析，才能得到提高相控阵探测性能的影响，且在此过程中，多数雷达参数难以调节为研制调试相控阵天气雷达增加了更多时间和成本。
[0004] 现有的天气雷达回波仿真方法，多是根据多普勒天气雷达利用高斯谱功率模型构建回波信号的仿真方法，根据输入的回波功率、速度和谱宽仿真出回波的I/Q信号。该方法仅考虑了常规多普勒天气雷达的雷达特性，且没有引入天气雷达天线方向图，无法仿真出相控阵天气雷达扫描过程中天线方向图变化导致的波束宽度变化、天线增益变化对探测结果的影响。
[0005] 现有的天气雷达回波仿真方法，由于仅有一层仰角数据作为输入，只能对当前仰角进行回波仿真，不能仿真出天气雷达完整的体扫过程，不能仿真得到所有仰角角度下的天气回波。无法仿真出相控阵天气雷达在不同扫描方式下回波的结构性差异。
具体实施方式
[0033] 这里将详细地对示例性实施例执行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
[0034] 附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
[0035] 附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
[0036] 在本申请中提及的“多个”是指两个或者两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0037] 如图1所示，本申请实施例提供了一种相控阵天气雷达回波仿真信号方法，包括相控阵天气雷达回波仿真方法以及不同扫描方式下的回波仿真方法。
[0038] 其中，相控阵天气雷达回波信号仿真主要目标是从三维的天气回波（包含反射率因子、速度、谱宽三种参数），通过数学建模和引入相控阵天气雷达参数，模拟相控阵天气雷达扫描过程，仿真得到在给定相控阵天线方向图和雷达参数下的相控阵天气雷达回波信号。在数学建模中，引入的扫描参数包括雷达站点坐标、扫描仰角、扫描方位角，水平波束宽度、垂直波束宽度、距离库长度、距离库数，引入的雷达参数包括雷达波长、脉冲宽度、脉冲重复频率（PRF）、脉冲积累数、噪声系数、天线发射增益、天线接受增益等。
[0039] 所述的相控阵天气雷达回波信号仿真方法包括以下步骤：S1:读取雷达基数据通过双线性插值产生三维天气回波。
[0040] S2:相控阵天气雷达天线方向图建模，模拟天线发射增益和接收增益。
[0041] S3:相控阵天气雷达雷达参数配置及模拟波束扫描建模。如图2所示，本发明中相控阵天气雷达波束扫描建模示意图。
[0042] S4:根据模拟波束扫描，计算每个距离库内回波强度，并构建每个距离库内复频谱信。
[0043] S5:根据每个距离库的复频谱信号生成时域的I/Q回波信号，计算速度和谱宽。
[0044] 在一些实施例中，所述步骤S1中读取雷达基数据通过双线性插值产生三维天气回波的具体步骤包括：读取天气雷达基数据文件中的体扫数据，包括不同仰角角度下的反射率、径向速度、谱宽信息。相邻仰角角度数据之间双线性插值，分别计算在插值点垂直和水平方向上相邻的四个有值点对于插值点的权重，具体的计算方法为：
， ，
， （1）
其中 和 为垂直方向上的两点对于插值点的权重； 和 为水平方
向上两点对于插值点的权重； 和 为垂直方向上两点的仰角角度，单位为 ；
为插值点的仰角角度，单位为 ；为插值点到雷达站点的距离，单位为 ； 和为水平方向上两点到雷达站点的距离，单位为 。
[0045] 根据权重系数和相邻数据点值计算插值点值，具体计算方式为：（2）
其中 、 、 、 为相邻四个数据点值，包括反射率、速度、谱宽，分别做三次计算。
[0046] 将极坐标系下的每个数据点转化到笛卡尔直角坐标系下，坐标系转换的具体的计算方式为， ， （3）
其中 、 、为相应直角坐标系下数据点到雷达站点的水平和垂直距离，为数据点较雷达站点的高度；为每个数据点在极坐标系下到雷达站点的距离，单位为 ， 为每个数据点的仰角角度，单位为 ， 为每个数据点的方位角角度，单位为 ； 为雷达站点相对于水平面的高度，单位为 ；插值和坐标系转换后的三维数据每一个数据点视为一个散射体，模拟天气回波。
[0047] 在一些实施例中，所述步骤S2中相控阵天气雷达天线方向图建模，模拟天线发射增益和接收增益的具体步骤包括：根据线性阵列的阵元数量、阵元因子、阵元方向图、雷达波长建模相控阵天气雷达天线方向图，发射状态下相控阵天气雷达天线方向图具体表示方式为（4）
其中 为发射状态天线方向图， 为接收状态天线方向图， 为阵元因
子；为阵元数量； 为当前阵元的复电压，默认为1；为雷达波长，单位为 ； 为当前阵元位置，计算方式为 ，其中 为阵元间距，
单位为 ，通常情况下 ； 为当前发射状态天线阵面扫描角度与阵面法向处夹角，单位为 ， 为当前接收状态天线阵面扫描角度与阵面法向处夹角，单位为 ，初始发射状态天线方向图建模时 ，初始接收状态天线方向图建模时 。后续根据初始
天线方向图求得波束宽度计算得到后更新天线方向图；通过控制阵元数量的改变来改变发射和接收状态下的天线方向图，接收状态的天线方向图建模参考上述方法建模。
[0048] 根据发射状态相控阵天气雷达天线方向图计算天线发射状态时半功率垂直波束宽度，计算方式为 （5）
其中 为波束宽度因子，通常 ；为天线口径长度，单位为 ， ；
为阵元数量。
[0049] 此时根据 计算得到 ，计算方式为 （6）
其中 代表了当前第几个发射波束； 为初始发射状态天线方向图下计算得
到的波束宽度；为天线阵面法向处与水平面的夹角，单位为 ；将更新后的 带入发射状态天线方向图中更新天线方向图，根据更新后的天线方向图带入发射波束宽度计算公式中得到当前发射扫描夹角 下的发射波束宽度 。
[0050] 根据接收状态相控阵天气雷达天线方向图天线接收状态半功率垂直波束宽度，计算方式为 （7）
为接收状态天线阵面扫描角度与阵面法向处夹角，单位为 。此时根据
计算得到 ，计算方式为
（8）
其中 代表了当前第几个接收波束； 为初始接收状态天线方向图下计算得
到的波束宽度；将更新后的 带入接收状态天线方向图中更新天线方向图，根据更新后的天线方向图带入接收波束宽度计算公式中得到当前接收扫描夹角 下的接收波束宽度。
[0051] 根据波束宽度计算天线增益，天线发射增益计算方式为 （9）
其中 为该发射波束中心轴处的发射增益，单位为 ； 为水平波束宽度，单
位为 ；
根据接收波束宽度计算天线接收增益计算方式为
（10）
其中 为该接收波束中心轴处的发射增益，单位为 ；因为是线性阵列，水平方向上波束宽度不随扫描角变化，且收发状态下 。
[0052] 相控阵天气雷达主要采用的扫描模式为窄发窄收和宽发窄收。窄发窄收即发射和接收采用相同波束宽度，这种发射模式下天线发射增益和天线接收增益保持一致；宽发窄收为发射一个宽波束，用多个窄波束接收，这种发射模式下天线发射增益和天线接收增益不一致；两种扫描模式下均通过上述天线增益计算公式分别得到天线发射增益和天线接收增益，发射波束展宽和接收波束展宽的计算步骤同上述。
[0053] 在一些实施例中，所述步骤S3中相控阵天气雷达雷达参数配置及模拟波束扫描建模的具体步骤包括：根据设定的相控阵天气雷达雷达参数脉冲重复周期和脉冲宽度，计算出相控阵天气雷达的最大探测距离，距离库长度和距离库数。最大探测距离的计算方式为
（11）
其中 为光速，单位为 ，通常取 ； 为脉冲重复频率，单位
为 。
[0054] 距离库长度的计算方式为 （12）
其中 为脉冲宽度，单位为 。
[0055] 距离库数的计算方式为 （13）
根据模拟当前发射状态扫描角角度、方位角角度、水平波束宽度、垂直波束宽度，计算每一个发射波束的角度约束范围确定照射的回波区域，计算方法为：
（14）
（15）
其中 为当前发射波束中心轴的方位角角度，单位为 ； 为当前发射波
束中心轴的仰角角度，单位为 ； 和 为发射波束照射区域约束的方位角和仰角范围。
[0056] 根据模拟接收状态扫描角角度、方位角角度、水平波束宽度、垂直波束宽度，计算每一个接收波束的角度约束范围确定照射的回波区域，计算方法为： （16）
（17）
其中 为当前接收波束中心轴的方位角角度，单位为 ； 为当前接收波
束中心轴的仰角角度，单位为 ； 和 为接收波束照射区域约束的方位角和仰角范围。
[0057] 通过投影法对符合角度约束范围的所有数据点计算其投影到接收波束中心轴上的长度，计算方法为 （18）
其中 雷达站点位置到当前接收波束中心轴末端（即当前距离库中心的末端）向量形式； 为雷达站点位置到数据点位置的向量形式；长度约束条件来得到每一距离库内的符合条件的数据点，长度约束的计算方法为 。通过角度约束范围和
长度约束范围获得了每一个距离库内符合条件的所有数据点，以水平波束宽度 作为每个方位角宽度对水平 范围模拟相控阵天气雷达的扫描过程。
[0058] 在一些实施例中，所述步骤S4中根据模拟波束扫描，计算每个距离库内回波强度，并构建每个距离库内复频谱信号的具体步骤包括：根据每个距离库内所有散射体的反射率因子、天线发射增益、天线接收增益来计算每一个距离库的回波强度。雷达探测到每个距离库内的回波强度实际是距离库内所有散射体反射率因子以天线增益作为权重的加权平均结果，加权平均前将距离库内每一散射体（数据点）反射率因子进行单位转换，具体的计算方式为
（19）
其中 为每一散射体的回波功率； 为每一散射体的反射率因子，单位为 ；
和 为当前每一散射体相对于雷达站点的方位角角度和仰角角度（规定正北方向为 方位角角度，雷达站点处平面为 仰角角度）。
[0059] 根据每一散射体的回波功率、仰角角度、方位角度计算当前距离库总的回波强度，具体的计算方式为 （20）
其中 为该距离库总的回波强度，单位为 ； 为每一散射体该处与发射波束
中心轴夹角角度，单位为 ； 为每一散射体该处与接收波束中心轴夹角角度，单位为 ；
为每一散射体该处的天线发射增益，单位为 ， ； 为每一散射体该处
的天线接收增益，单位为 ， 。
[0060] 根据雷达波长、脉冲重复频率、脉冲积累数、每一距离库内所有散射体的数据，包括径向速度、谱宽重构每一个散射体的回波信号功率谱 ，计算方式 为 （21）
其中 为单个散射体的回波信号功率谱， 为符合高斯分布，均值为0，
方差为1的随机数； 为每一散射体该处的回波功率， ， 为每一个散射体
的反射率因子； 为频域的谱宽，单位为 ， ； 为速度域的谱宽，即散射体数据中的谱宽数据，单位为 ； 为频域范围， ，为脉
冲积累数； 为多普勒频移，单位为 ， ； 为散射体数据中的径向速度数据，单位为 ；为加入的噪声系数。
[0061] 对每一距离库内所有散射体重构后的功率谱信号相干积分，得到每一距离库总的功率谱信号 ，计算方式为 （22）
其中 为每一距离库内散射体数量。
[0062] 根据每一距离库的回波强度、功率谱信号、随机相位信号计算其相应的复频谱信号，复频谱计算方式为 （23）
其中 为随机相位，单位为弧度，为虚部。
[0063] 在一些实施例中，所述步骤S5中，根据每个距离库的复频谱信号生成时域的I/Q回波信号，计算速度和谱宽的具体步骤包括：根据每一距离库处的复频谱信号通过逆傅里叶变化 得到时域的 回波
信号(或者称之为正交I/Q回波信号)，具体表示方式为
（24）
其中 为脉冲序列号， 为脉冲积累数； 和 分别为两路正交信号。
[0064] 根据时域的I/Q回波信号，使用脉冲对处理法计算出该距离库处的速度与谱宽。先获取正交I/Q回波信号的实部和虚部，具体表示方式为 （25）
其中 和 分别为时域的I/Q回波信号的实部和虚部。
[0065] 根据时域的I/Q回波信号的实部和虚部计算自相关函数，具体的计算方式为：；
；
；
； （26）
其中， 为时域 回波信号实部的自相关函数， 为时域 回波信号
的实部，为相乘符号， 为时域 回波信号虚部的自相关函数， 为时域 回
波信号的虚部， 为时域 回波信号的自相关函数， 为时域 回波信号的零
阶自相关函数；
根据自相关函数计算速度和谱宽，速度和谱宽的计算方式为
（27）
其中 即为脉冲对处理法计算得出的该距离库处的速度，单位为 ； 为脉
冲重复时间，单位为 ， 。
[0066] 谱宽的计算方式为 （28）
其中 即为脉冲对处理法计算得出的该距离库处的谱宽，单位为 。
[0067] 在具体实施时，重复S2‑S5流程，实现对所有距离库、所有径向和所有仰角的I/Q回波信号产生。
[0068] 通过上述步骤S1‑S5，实现了以天气雷达基数据中的反射率因子、速度、谱宽三种基数据为输入插值产生三维天气回波，模拟相控阵天气雷达扫描方式的相控阵天气雷达I/Q回波信号的仿真，同时加入了相控阵天气雷达天线方向图建模体现相控阵天气雷达扫描特性，增加了雷达波长、脉冲宽度、脉冲重复频率、脉冲积累数、水平波束宽度、垂直波束宽度、发射增益、接受增益、噪声系数等雷达参数的计算方法，来尽可能真实地仿真天气回波的时域、频域特性，和仿真相控阵天气雷达中影响扫描性能的重要参数。
[0069] 本申请的另一实施例还提供了一种相控阵天气雷达回波信号仿真装置，所述装置包括处理器，所述处理器被配置为：基于雷达基数据，通过双线性插值产生三维天气回波；相控阵天气雷达天线方向图建模，模拟天线发射增益和接收增益；配置相控阵天气雷达雷达参数及模拟波束扫描建模；根据模拟波束扫描，计算每个距离库内回波强度，并构建每个距离库内复频谱信号；根据每个距离库的复频谱信号生成时域的I/Q回波信号，计算速度和谱宽。
[0070] 本文中所述的处理器可以是包括一个以上通用处理设备的处理设备，诸如微处理器、中央处理单元（CPU）、图形处理单元（GPU）等。更具体地，处理器可以是复杂指令集计算（CISC）微处理器、精简指令集计算（RISC）微处理器、超长指令字（VLIW）微处理器、运行其他指令集的处理器或运行指令集的组合的处理器。处理器还可以是一个以上专用处理设备，诸如专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）、数字信号处理器（DSP）、片上系统（SoC）等。处理器可以通信地耦合到存储器并且被配置为执行存储在其上的计算机可执行指令，以执行根据本发明各个实施例的相控阵天气雷达回波信号仿真方法。
[0071] 需要说明的是，上述实施例所提供的相控阵天气雷达回波信号仿真装置与前述实施例所提供的相控阵天气雷达回波信号仿真方法属于同一构思，其中处理器执行操作的具体方式已经在方法实施例中进行了详细描述，这里不再赘述。
[0072] 下面本发明将结合具体的实验测试来进一步说明本发明的可行性和进步性。具体的实验描述如下实施例1‑3。需要注意，实施例1‑3所应用的方法是在先已经阐述的相控阵天气雷达回波信号仿真方法。
[0073] 实施例一本实施例为相控阵天气雷达单个距离库的回波信号仿真方法，仿真流程参见图1。
单个距离库内的回波信号仿真，其具体步骤为：
（1）读取雷达基数据获取反射率因子 、速度 、谱宽 ，三种数据，通过双线性插值的方式和极坐标转换笛卡尔直角坐标系的方式仿真三维天气回波。
[0074] （2）根据仿真需要，配置设定的雷达系统参数 、 、、阵元数量 、 、 等，为本实施例中的公式做数据准备；（3）根据阵元数量 对相控阵天气雷达发射状态和接收状态的天线方向图建模，带入天线增益公式和波束宽度公式分别计算得到发射状态下的波束宽度和接收状态下的波束宽度；
（4）将 、 带入到模拟波束扫描的计算公式中得到雷达最大探测距离、距离库长度和距离库数。根据发射波束宽度和接收波束宽度带入波束角度约束公式和波束长度约束公式中计算得到符合要求的单个距离库内所有散射体，再带入到天线增益的计算公式中得到每一散射体该点处的发射增益和接收增益；
（5）将所有散射体的反射率因子带入到回波强度计算公式中得到该距离库处总的回波强度 ，再将所有散射体的速度和谱宽带入到回波功率谱计算方法中，得到的所有散射体的功率谱信号带入到总的功率谱计算方式中，得到总的回波功率谱 ，再将 带入到复频谱计算方式中得到复频谱 ，最后将 带入到时域I/Q回波信号得到时域序列 ；
（6）将时域序列 带入到自相关函数计算方法中得到的速度 和谱宽 ；
以WSR‑88D天气雷达在某一时间的基数据为例，插值生成三维天回波，配置雷达参数，为了便于计算，如脉冲重复频率： ；脉冲宽度： ；雷达
波长： ；发射状态下阵元数量： ；接收状态下阵元数量： ；阵面法向处
夹角： ；水平波束宽度： 等。然后分别建模得到发射状态和接收状态的初
始天线方向图后，带入波束宽度公式中计算得到初始扫描角下发射波束宽度 和接收波束宽度 ，将初始状态下 、 分别带入扫描夹角公式计算得到 和 ，再将
和 带入天线方向图公式中更新当前发射角 和接收角 下的天线方向图，最后根据更新后的天线方向图带入波束宽度计算公式中得到当前扫描角下的发射波束宽度和接收波束宽度 。图3即为发射状态下 下的天线方向图，波束宽度
；图4即为接收状态下 下的天线方向图，波束宽度 。通
过波束宽度 、 、 进行波束扫描过程后，得到当前距离库下所有散射体的反射率因子分别为： 、 、 ；速度分别为： ， ，
；谱宽分别为： ， ， ；通过复频谱信号重构建模得
到功率谱信号以及生成时域I/Q回波信号，图5即为重构后的功率谱信号，图6即为时域I/Q回波信号。谱估计得到仿真的反射率因子： ；速度： ；谱宽：
。
[0075] 实施例二本实施例为一个完整体扫过程的相控阵天气雷达回波信号仿真方法。以插值生成的三维天气回波作为真实场作为参考。三维天气回波底部的反射率因子PPI图参见图7，三维天气回波底部的速度PPI图参见图8，三维天气回波底部的谱宽PPI图参见图9。为了实现完整体扫过程的回波信号仿真，首先按照实例一中对单个距离库的回波信号仿真，接着循环实例一的步骤执行单一径向到当前仰角下所有径向的回波仿真，最后重复上述步骤执行所有仰角角度下的回波信号仿真，即完成了整个体扫过程de 回波信号仿真。
[0076] 以实施例1中的三维天气回波和雷达系统参数为例，即 ，条件下模拟波束扫描建模，为了覆盖发射波束照射范围，需要4个接收波束才能够覆盖发射波束照射范围，对单波束发射、4波束接收进行完整体扫过程的回波信号仿真，得到图10‑12所示的仿真结果的PPI图。仿真的4层仰角下的反射率因子PPI参见图10，仿真的4层仰角下的速度PPI参见图11，仿真的4层仰角下的谱宽PPI参见图12。
[0077] 实施例三本实施例为第一层仰角下不同扫描方式即不同波束宽度扫描下的相控阵天气雷达回波信号仿真。以实施例1中的三维天气回波和雷达系统参数为例，仅控制天线阵元数量的改变达到不同，其具体步骤为：
（1）发射状态：阵元数量 ，先将其带入发射状态天线方向图公式中得到初
始扫描角下天线方向图，将其带入发射波束宽度计算公式中得到初始状态下的发射波束宽度 ，再将 带入到扫描夹角公式计算得到 ，重新将 带入
天线方向图公式中更新天线方向图，最后根据更新后的天线方向图带入波束宽度公式计算出当前扫描角度下波束宽度 。接收状态：阵元数量 ，参考发射状态计
算步骤得到初始状态下接收波束宽度 ，扫描夹角 ，最后计算出
当前扫描角度下波束宽度 。扫描方式一采用单波束 扫描，4波束 接
收。
[0078] （2）发射状态：阵元数量 ，参考（1）的计算步骤，分别计算得到初始状态下的发射波束宽度 ，扫描夹角 ，当前扫描角度下波束宽度。接收状态：阵元数量 ，计算初始状态下接收波束宽度
，扫描夹角 ，最后计算出当前扫描角度下波束宽度 。扫描方式二采
用单波束 扫描，4波束 接收。
[0079] （3）参考实施例2中波束扫描步骤分别对两种扫描方式当前仰角下所有径向、距离库回波信号仿真。
[0080] 扫描方式一仿真的反射率因子PPI参见图13，扫描方式一仿真的速度PPI参见图14，扫描方式一仿真的谱宽PPI参见图15；扫描方式二仿真的反射率因子PPI参见图16，扫描方式二仿真的速度PPI参见图17，扫描方式三仿真的谱宽PPI参见图18。
[0081] 上述内容，仅为本申请的较佳示例性实施例，并非用于限制本申请的实施方案，本领域普通技术人员根据本申请的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本申请的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。
