一种基于费兰克码的风廓线雷达相位编码方法及电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了一种基于费兰克码的风廓线雷达相位编码方法及电路，涉及风廓线 雷达的波形设计、信号处理、波形产生方法和频综电路技术领域。
【背景技术】
[0002] 风廓线雷达以晴空湍流探测为主，是一种气象雷达。风廓线雷达主要是利用大气 湍流对电磁波的散射（布拉格散射）作用对大气风场等物理量进行探测而获取风廓线等数 据。风廓线雷达与传统的有球测风相比，可以获得连续的实时的高时空分辨力的基础性数 据。
[0003] 风廓线雷达一般采用相控阵全相参脉冲雷达的工作体制，采用五波束轮流探测， 测出每个波束的径向风速，进行矢量投影计算得到风向和风速以及其它数据产品和图形产 品。
[0004] 风廓线雷达根据最大探测高度的不同，分为边界层风廓线雷达、对流层风廓线雷 达和平流层风廓线雷达。边界层的工作频率多为L波段，对流层的工作频率多为P波段，平 流层的多为UHF频段。风廓线雷达按照安装方式分为固定式、可移动式，可移动式又分为车 载式和方舱式。
[0005] 风廓线雷达的信号处理，主要完成对大气湍流回波信号的时域积累、脉压、去地杂 波、谱分析和谱积累，用于获得风向和风速等风场信息。在风廓线雷达信号处理的相参处理 时间内包括多个雷达周期，通常采用512点的FFT进行波束径向速度的信号分析，时域积累 数一般为30至200之间，雷达周期在20 μ S至240 μ S之间，最大探测高度在2km至25km 之间，高度分辨率一般为60m至480m之间。
[0006] 风廓线雷达通常是一种全相参脉冲风廓线雷达，大气目标的多普勒频率较低，探 测高度有限，雷达的重复周期较短，采样率较高，距离映像问题不严重，经常可以忽略。这种 全相参脉冲风廓线雷达通常即无距离模糊也无速度模糊问题。脉冲波形的匹配接收，可以 忽略多普勒效应，即在一个雷达周期内不需要提取多普勒信息而在雷达周期之间提取多普 勒信息，利用多周期的回波信号进行频谱分析，提取大气目标的多普勒频率。
[0007] 由于大气目标的多普勒频率较低，雷达的重复周期较短，采样率较高，因此相参时 间内的用于提取多普勒信息的雷达周期数较大，即相参样本数较大。相参样本数较大造成 频谱分析的输入数据量太大。为了降低数据量，使频谱分析减少运算量，风廓线雷达的信号 处理通常采用时域积累处理（分段累加求平均），在时域积累之后，获得每个数据段（长度 为时域积累数N。）的平均值，在对这些样本平均值进行速度FFT频谱分析。相参时间内的 周期数为时域积累数N。和FFT点数N FFT的乘积N。乂"。
[0008] 这种先进行时域积累、后进行速度FFT频谱分析的方法，在计算上可以理解为减 少计算量的快速算法，用信号处理的观点看，可以理解为在时域积累的时间内不进行多普 勒信息的提取，而提取一个样本平均值，在用多个样本平均值提取多普勒信息。
[0009] 时域积累时间内的雷达周期所采集的雷达距离单元的样本，可以认为多普勒效应 引起的雷达回波相位变化不大，近似相等，从而可以在时域积累时间内的多个周期进行相 位编码。一个周期无法实现脉冲压缩，而多个周期的编码形成一个编码周期，就可以实现脉 冲压缩。一个雷达编码周期是指由多个雷达周期组成的一组周期，在一个雷达编码周期内 的每个雷达周期可以采用不同的相位编码向量。
[0010] 风廓线雷达的探测模式可以按照探测高度的范围，分为低模式和高模式，高模式 采用相位编码。风廓线雷达的脉冲雷达发射机通常有一个最大占空比的限制，最大占空比 一般在10%至20%。雷达周期的大小，即要满足探测高度范围的要求，又要满足占空比的 要求。特别是高模式探测，为了保证雷达的探测威力，相位编码后的占空比一般小于但接近 最大占空比。
[0011] 现有风廓线雷达使用相位编码技术以提高占空比和平均功率，从而即保证雷达的 高度分辨力又保证雷达的最大探测高度。现有风廓线雷达相位编码一般采用二相互补码。 二相互补码的原理是找到成对的相位编码序列，它们的长度相同，其中一个自相关函数的 旁瓣是另一个的负数，编码输出相加，旁瓣的代数和将为零。此外在波形上，二相互补码的 两个编码向量要求在两个单独的发射脉冲上发射，分开检测，然后两者相加。发射脉冲由紧 邻的子脉冲组成，对每个子脉冲进行互补码相位调制。互补码在无多普勒效应的条件下，脉 冲压缩的距离旁瓣为零。
[0012] 另一种风廓线雷达相位编码方法采用沃尔什码。沃尔什码是一种正交码，沃尔什 码矩阵是对连续的沃尔什函数采样形成的，沃尔什码矩阵其列向量（或行向量）之间是正 交的。采用沃尔什码相位编码，是在雷达编码周期内N个雷达周期的同一个子脉冲位置上， 用一个N维沃尔什码矩阵的向量进行相位编码。
[0013] 这种多周期的正交码相位编码，利用了编码向量的正交性，在无多普勒效应的条 件下，脉冲压缩的距离旁瓣与互补码一样为零。在考虑多普勒效应的情况下，互补码和沃尔 什码的脉冲压缩距离旁瓣虽不为零但很小，能够应用于风廓线雷达。
[0014] 现有技术的不足是：
[0015] (1)二相互补码，脉冲压缩子脉冲数为底数2的幂数，在设计上不够方便，限制了 脉冲压缩子脉冲数的选择灵活性。
[0016] (2)沃尔什码，要求雷达编码周期内的雷达周期数为底数2的幂数，也同样在设计 上不够方便，限制了信号处理时域积累数的选择灵活性。
[0017] (3)二相互补码和沃尔什码对抗无线电点频干扰的能力不足。
[0018] 风廓线雷达的发射脉冲最大占空比Duty_cycle、雷达周期IV、子脉冲宽度τ、径速 测量范围Vftliax和工作波长λ，速度FFT频谱分析的FFT点数N FFT，这些指标参数将根据雷达 的探测性能技术要求进行设计。本发明方法在此基础上，给出一种基于费兰克码的风廓线 雷达相位编码方法及电路。
[0019] 本发明公开的这种基于费兰克码的风廓线雷达相位编码方法及电路，在电路结构 方面与现有技术没有实质性区别，其电路中固化或下载的程序是按照本发明的方法完成 的。本发明公开的这种基于费兰克码的风廓线雷达相位编码电路，通常属于雷达频综电路 的一部分，属于频综波形产生电路部分。
【发明内容】
[0020] 本发明针对现有技术的不足，公开了一种基于费兰克码的风廓线雷达相位编码方 法及电路，使本发明的方法及电路与现有技术相比具备更好的对抗无线电点频干扰信号的 能力，解决二相互补码子脉冲数不能灵活选择、沃尔什码在雷达编码周期内的雷达周期数 不能灵活选择的问题，从而可以获得更广泛的应用。
[0021] 费兰克码编码矩阵为：
[0022]
[0023] 实现本发明方法并解决现有技术不足的技术方案是：
[0024] -种基于费兰克码的风廓线雷达相位编码方法，用编码矩阵进行多个编码周期发 射脉冲信号的相位编码，包括如下步骤：
[0025] 步骤1，计算编码子脉冲数M。
[0026] 根据发射脉冲最大占空比Duty_cycle、雷达周期?；以及子脉冲宽度τ计算出每 个雷达周期内的子脉冲数Μ。
[0027] 发射脉冲占空比Duty_cycle为发射脉冲的有效宽度与雷达周期之比，即Duty_ cycle = M τ /Tr，有
[0028] M = uint[Duty_cycle Tr/ τ ]uint□表示取无符号的整数。
[0029] 步骤2,计算时域积累数Nc。
[0030] 根据工作波长λ、径速测量范围Vftliax和雷达周期?\计算出时域积累数N。。
[0031] 径速测量范围Vftnax所确定的多普勒频率范围为2V Kmax/ λ。按照采样定理，采样率 应为最大多普勒频率的2倍，即采样率应为Msmax/ λ，对应的采样时间为λ A4VKmax)。信号 处理速度FFT的采样时间为ΤΛ，因此有ΤΛ= λ A4V Kmax)，所以
[0032] Nc= uint[ A/(4VKmaxTr)]uint□表示取无符号的整数。
[0033] 步骤3,选择编码周期数N。
[0034] 根据编码子脉冲数M和信号处理时域积累数N。选择编码周期数N，使N满足 M < N < Nc〇
[0035] 步骤4,调整时域积累数N。和编码周期数N。
[0036] 调整时域积累数N。和编码周期数N，使N eNFFT可被N整除，N FFT是信号处理时域积 累后FFT频谱分析的FFT点数。
[0037] 步骤5,形成编码矩阵F' NXM。
[0038] 选择N维度的费兰克码矩阵Fnxn，在Fnxn中挑选M个列向量，按任意顺序组合形成 NXM维编码矩阵P NXM。
[0039] 步骤6 :用编码矩阵F' NXM进行编码周期的发射脉冲的相位编码。
[0040] 用编码矩阵F' NXM进行NJ^/N个编码周期的发射脉冲的相位编码，编码矩阵 F' NXM的N个行向量分别对编码周期内的N个雷达周期的发射脉冲进行相位编码，编码矩 阵F' NXM每个行向量中的M个元素分别对相应周期内的M个子脉冲进行相位编码。
[0041] 编码周期在时间上一个接一个，用编码矩阵F' NXM-个接一个地循环完成多个编 码周期的相位编码，共完成^ΝΡΡΤ/Ν个编码周期的相位编码。
[0042] 本发明方法，风廓线雷达的信号处理采用时域积累处理，在时域积累之后进行速 度FFT频谱分析。这种方法能够简单直观地表明在时域积累这段时间内，多普勒效应引起 的雷达回波相位变化不大、近似相等，从而可以在时域积累时间内的多个周期进行相位编 码和实现脉冲压缩。NJfft可被N整除，以保证形成整数个数的编码周期，从而实现多周期 相位编码。
[0043] 本发明方法的有益效果是：费兰克码矩阵Fnxn的维数N满足M彡N彡N。且N eNFFT可被N整除，编码矩阵Fnxn的维数N是满足上述要求的整数，而F NXN的维数N可以取较小 的值，从而允许时域积累数N。可以取较小的数，为信号处理相参时间N JfftI;的调整带来方 便。
[0044] 而沃什码的编码矩阵的维数N -定是底数为2的幂数，此时NJfft-定可被N整 除（因 Nfft是底数为2的幂数，且一般N FFT> > N)，满足M彡N彡N。时，N。不能取小于N的 值，使调整Nc^fft不够方便，从而使信号处理相参时间N JfftI;的调整也不够方便。
[0045] 由于信号处理相参时间在风廓线雷达的探测中有时需要根据天气条件进行调整， 因此灵活调整时域积累数N。可以提高风廓线雷达的探测性能。
[0046] 此外在一些情况下，风廓线雷达在信号处理的设计上要求N。取值较小，限制了 N， 此时允许使用费兰克码矩阵Fnxn，而沃什码无法应用。
[0047] 需要说明的是，可以用大点数的FFT代替时域积累，如进行NeNm点数的FFT频谱 分析。此时，大于风廓线雷达径速测量范围的频谱数据是没有意义的，应当予以抛弃，风廓 线雷达径速测量范围内的频谱数据是有效的数据。此时的时域积累数作为风廓线雷达径速 测量范围的一个重要参数，它和雷达周期共同决定了径速测量范围。尽管信号处理可以不 进行实际的时域积累，但是按照时域积累参数设计出来的编码方法仍然是有效的。因此本 发明方法，按照具有时域积累来进行描述。
[0048] 本发明所述的风廓线雷达相位编码方法，所述的发射脉冲包括M个子脉冲，其发 射波形为脉冲串波形，子脉冲之间具有一个确定的时间间隔。
[0049] 发射脉冲信号，可以是普通脉冲波形，子脉冲在时间上是连续的，也可以是脉冲串 波形，子脉冲之间具有一个确定的时间间隔。费兰克码和沃什码都是可以采用脉冲串波形 的编码。
[0050] 采用脉冲串波形的有益效果主要是降低了对接收机带宽的要求，使脉冲压缩比达 到理论计算值，并且也能降低发射信号的带宽，使发射频谱容易满足无线电管理的要求。
[0051] 采用脉冲串波形对于互补码来说，加大了近距离盲区，因此互补码一般采用普通 脉冲波形。费兰克码和沃什码都是正交码，由于都可以降低近距离盲区，因此可以实际应用 脉冲串波形。
[0052] 本发明方法所述的风廓线雷达相位编码方法，步骤3,选择编码周期数N时，进一 步地改进为，使N满足LM彡N彡凡/k，L是正整数，k为满足k彡1的正实数，并且k、L满 足约束kL彡4,步骤5,形成编码矩阵P NXM时，进一步地改进为，在费兰克码矩阵F NXN中 按照间隔L和任意顺序挑选M个列向量，形成NXM维编码矩阵F' NXM。
[0053] 其有益效果说明如下：
[0054] (1)费兰克码矩阵Fnxn中的一个列向量，对应编码周期内N个雷达周期的一个子 脉冲位置。列向量中的一个元素对应N个雷达周期中的一个雷达周期。对一个子脉冲的多 周期相位编码相当于载频的改变。费兰克码矩阵Fnxn中的每个列向量对应一个载频频点， 相邻列向量的频点间距为（I/%)/N。
[0055] (2)N满足LM < N < Nc/k，并按照频点间隔L挑选列向量，这样加大