地球同步轨道星载降雨雷达多普勒速度测量问题研究

Compared with the low-orbit spaceborne precipitation radar, the geostationary weather radar not only has some prominent characteristics of high-time resolution and wide-area coverage,but also can simultaneously acquire the information of vertical and horizontal motion of precipitation, and will become one of the most powerful measures to supervise the disaster weather system of hurricane and strong storm based on the spaceborne platform in the future.However,the problems of poor surface horizontal resolution and Doppler ambiguity will seriously affect the exact measurement of Doppler velocity. This project aims at the improvement of high precise measurement for geostationary spaceborne precipitation radar, lucubrates the influencing facts of Doppler velocity precise measurements from geostationary platform,such as Doppler spectrum,NUBF and velocity ambiguity . Combined the methods of improved DFT algorithm with staggered PRT,investigates the methods and its applications of high-precise spectral moments estimation and velocity ambiguity dealiasing, based on soft simulated and radar measured datas, investigates the performance of Doppler velocity measurement that geostationary weather radar cound acquire..The project could be developed to provide some theory basises and technique methods for the high-precise and high- reliability Doppler velocity measurement and its appilcaiton for the geostationary precipitation radar.

与低轨星载降雨雷达相比，地球同步轨道星载降雨雷达除了具有高频次、宽覆盖等显著特点外，还能同时获取降水过程的垂直上下运动和水平风场运动，是未来利用星载平台监测台风、强风暴等灾害性天气最强有力手段之一。但由于地球同步轨道星载降雨雷达地面水平分辨率差、速度模糊等问题，将严重影响到降雨雷达多普勒速度的准确测量。本项目以提高地球同步轨道星载降雨雷达多普勒速度测量准确度为研究目标，深入研究速度谱特征、NUBF、速度模糊等影响因子对地球同步轨道星载雷达多普勒速度准确测量的影响机理及影响程度，并结合参差PRT方法和优化DFT谱估计方法，研究星上可实施、同时满足退速度模糊和高精度多普勒速度估计的处理方法及应用，以软件模拟和雷达实测数据为基础，研究地球同步轨道星载降雨雷达对台风等降水过程的多普勒速度测量性能。.本项目的研究有望为地球同步轨道星载降雨雷达多普勒速度的高准确测量及应用提供理论分析基础和技术方法。

与低轨星载降雨雷达相比，地球同步轨道降雨雷达具有高频次、高精度、宽覆盖等显著优点，是未来利用星载降雨平台监测全球潜热、台风和强风暴强有力的手段之一。本项目针对未来地球同步轨道降雨雷达的多普勒速度测量问题，研究与分析了回波相干性、重复频率、速度模糊、非均匀波束充塞等因素对降雨雷达速度测量的影响；结合地球同步轨道卫星平台、星地几何关系、雷达系统等特点，建立了地球同步轨道降雨雷达多普勒速度谱分析模型，并通过数据模拟方式研究分析了地球同步轨道降雨雷达功率谱特征。针对星载降雨雷达速度模糊和速度估计问题，提出了参差PRT和频率分集脉冲对两种退速度模糊方法，并深入分析了不同速度估计算法的估计性能，以APR-2和GPM/DPR数据模拟地球同步轨道降雨雷达回波，仿真验证了算法在地球同步轨道降雨雷达的应用性能，同时针对不同降雨情况下地球同步轨道降雨雷达多普勒速度测量的准确度进行了分析与对比。研究结果表明，在层状云降水情况下，地球同步轨道降雨雷达的多普勒速度谱宽有所展宽，但谱型仍然为高斯谱，采用现有速度估计方法误差不大。但在对流云降水情况下，多普勒速度谱宽展宽较大，谱型出现为非高斯型，且存在多个谱峰，采取一些改进速度估计方法来提高速度估计测量精度是非常有必要的。频率分集脉冲方法不仅较大地扩展雷达测速范围，同时具有较小的速度估计误差，是一种可行的星载降雨雷达退速度模糊方法；DFT_I方法在大谱宽，非高斯谱型情况下，具有比PPP和DFT更好的速度估计性能，更适合星载降雨雷达的应用。此外，由于水平分辨率较差，地球同步轨道降雨雷达速度测量结果与实际天气过程的速度存在较大误差，层状云降水情况一般在2-3m/s左右，而对流云降水下的误差可达4-5m/s，最大可达10m/s。. 本项目通过对地球同步轨道星载降雨雷达影响因子及多普勒速度谱特征分析与研究，不同多普勒速度估计方法和不同降雨情况下的多普勒速度测量准确度的分析与评估，以及基于参差PRT、频率分集脉冲对等星载降雨雷达退速度模糊方法的研究，实现了为未来地球同步轨道星载降雨雷达多普勒速度高准确度测量及应用提供分析基础和技术方法的预期目标。项目开展过程中发表了科技论文21篇，其中SCI收录5篇，培养研究生4名，参加了国际会议6次。