基于Matlab模拟用于天气观测的极化雷达回波（附源码）

news2024/11/19 1:34:04

一、雷达定义

二、天线方向图

四、雷达脉冲合成

五、天气雷达力矩估计

六、仿真结果

6.1反射率

6.2 径向速度

6.3 频谱宽度

6.4 差分反射率

6.5 相关系数

6.6 差分相位

七、总结

八、程序

本示例展示了如何模拟满足天气观测要求的极化多普勒雷达回波。雷达在天气观测、灾害检测、降水分类和量化以及预报方面发挥着关键作用。此外，极化雷达以前所未有的质量和信息提供多参数测量。此示例演示如何模拟扫描分布式天气目标区域的极化多普勒雷达。仿真根据众所周知的NEXRAD雷达规范推导出雷达参数。合成接收到的脉冲后，进行雷达频谱矩估计和极化矩估计。将估计值与NEXRAD基本事实进行比较，从中获得误差统计数据并评估数据质量。

一、雷达定义

一个著名的天气雷达是天气监视雷达，1988年多普勒（WSR-88D），也称为NEXRAD。雷达系统规格设计如下。

max_range = 100e3;                      % Maximum unambiguous range (m)
range_res = 250;                        % Required range resolution (m)
pulnum = 32;                            % Number of pulses to process in an azimuth
fc = 2800e6;                            % Frequency (Hz)
prop_speed = physconst('LightSpeed');   % Propagation speed (m/s)
lambda = prop_speed/fc;                 % Wavelength (m)

为了将这些要求转化为雷达参数，在本例中，为简单起见，加载预先计算的雷达参数。

二、天线方向图

由于NEXRAD是极化特征，因此对天线和天气目标的极化特性进行建模非常重要。根据 NEXRAD 规范，天线方向图的波束宽度约为 1 度，第一旁瓣低于 -30 dB。

绘制天线方向图的方位角切割。

三、天气目标

通常，天气雷达数据分为三个级别。I级数据是原始时间序列I/Q数据，作为雷达数据采集单元中信号处理器的输入。II级数据由信号处理器输出的雷达光谱矩（反射率、平均径向速度和频谱宽度）和极化矩（差分反射率、相关系数和差分相位）组成。III级数据是雷达产品发生器的输出产品数据，如水汽凝结体分类、风暴总降水量、龙卷风涡旋特征等。

在本例中，使用来自 KTLX NEXRAD 雷达在 2013 年 5 月 20 日 20：08：11 UTC 的 II 级数据。这些数据来自俄克拉荷马州摩尔发生的强烈龙卷风，用于生成等效散射中心的平均雷达横截面（RCS）。数据可通过FTP下载获得。它表示体积扫描，其中包括在指定时间段内以预定仰角完成的一系列天线 360 度扫描。在数据文件名KTLX20130520_200811_V06中，KTLX指雷达站名，20130520_200811指采集数据的日期和时间，V06指版本6的数据格式。在此模拟中，从体积扫描数据中提取最低高程切割（0.5 度）作为示例。

将二级数据读入工作区。将其存储在nexrad结构数组中，该数组包含所有雷达力矩以及指定笛卡尔坐标系中每个径向数据点的方位角的方位角的方位角。为简单起见，加载从压缩文件转换为 MAT 文件的 NEXRAD 数据。

根据笛卡尔坐标中的方位角和范围定义感兴趣区域（AOI）。由于天气目标是极化的并且分布在一个平面中，因此可以通过指定离散方位角的散射矩阵来表示它们。天气目标反射率定义为每单位体积的平均反向散射截面。根据天气雷达方程，可以将天气目标视为每个分辨率体积内小目标的集合。整体反射率可以转换为平均RCS，并被视为等效散射中心。因此，散射矩阵中的每个元素都是相关偏振中RCS的平方根。