毫米波MIMO雷达云闪烁抑制及云内参数反演研究

In earth and atmospheric system, clouds have an important influence on the atmospheric energy distribution, transfer and especially water cycle system. Millimeter wave radar can obtain high spatial and temporal resolution of cloud's horizontal and vertical dimensions,while the electromagnetic scattering scintillations of clouds can cause large degradations in the cloud microphysical parameter estimation performances of the monostatic millimeter wave radar. In order to allow us to better study the characteristics of the cloud and its important role in climate change, the multiple-input multiple-output(MIMO) technology is applied to millimeter wave cloud radar in this project. The electromagnetic scattering scintillations can be overcome by observing the horizontal and vertical structure of cloud from multiple angles at the same time. The received signal is a superposition of independently faded signals, and then the microphysical parameters of clouds can be estimated accurately by averaging the received signal from the different observation paths. Firstly,the spatial diversity gain when the MIMO technology is applied to detect the cloud with complex microstructure is analyzed in this project. Then the inversion method for cloud's microphysical parameters and intensity attenuation correction using the cloud echo data from different observation paths are studied. Finally, experimental study in anechoic chamber for the model analysis and evaluation of the inversion performance is introduced to verify the validity of millimeter MIMO cloud radar.

在地球与大气系统中，云在大气的能量分配、辐射传输，尤其是水分循环系统中有重要影响。毫米波雷达能获得高时空分辨率的云水平和垂直结构。然而，云目标的电磁散射闪烁严重影响单基地毫米波雷达对云内微物理参数的探测性能。为更好地研究云特性及其在气候变化中的重要作用，本项目拟将多输入多输出(Multiple-input Multiple-output，MIMO)技术应用于毫米波测云雷达中，从多个角度同时观测云水平和垂直结构，通过多角度观测数据处理以降低云目标电磁散射闪烁的影响，更精确地反演出云内微物理参数。本项目首先分析MIMO技术应用于探测微观结构复杂云目标时所带来的空间分集增益，之后研究利用不同观测路径的云散射数据反演云内微物理参数的方法，以及多通道回波强度衰减订正算法，最后用实验进一步验证毫米波MIMO测云雷达反演云内微物理参数的有效性，开展微波暗室内的MIMO云雷达实验测试研究。

云目标的电磁散射闪烁严重影响单基地毫米波雷达对云内微物理参数的探测性能。为更好地研究云物理特性，将MIMO技术应用于毫米波测云雷达中，通过多角度观测数据处理以降低云目标电磁散射闪烁的影响，为更精确地反演出云内微物理参数建立理论基础。.研究了空间分集MIMO技术在闪烁抑制中的应用；验证了相干累积平均在云目标回波涨落中的应用以及RCS起伏与角闪烁之间的关系，证明RCS起伏与角闪烁之间存在着负相关性。在叠加RCS加权算法后，复杂目标的角闪烁得到了进一步抑制，采用平方加权和最大加权均能获得较好的抑制效果，证明MIMO雷达相比于单部雷达而言能够较好地抑制RCS的起伏。.为了探究毫米波雷达探测云粒子时回波信号涨落以及定位的偏差问题， 研究与分析了单个云粒子模型散射特性。冰云辐射特性数值研究中的误差主要是由于将卷云中常见的六角棱柱粒子等效成球形粒子而产生的。利用离散偶极子近似方法（DDA）研究了卷云中非球形粒子（六角棱柱以及六角平板）的不同空间旋转效应对散射效率、吸收效率、不对称因子、后向散射截面以及散射相函数的影响。研究了模糊逻辑方法在毫米波雷达反演识别云粒子相态基本原理和应用，并对实际探测数据进行反演。.建立了不同观测路径的衰减系数与雷达发射率因子之间的理论关系，研究了毫米波MIMO雷达的大气衰减，发现衰减系数的变化对于云目标的宏观物理特征反演有着明显的影响，并且分级逐库衰减订正法的订正效果强于逐库衰减订正法。.最后，设计研制了MIMO云雷达模拟实验测试系统。根据微波暗室毫米波MIMO云雷达测试实验要求，设计研制出一套四发四收方式Ka波段MIMO雷达系统，以时分方式模拟MIMO毫米波测云雷达。实验结果表明：毫米波MIMO测云雷达可以有效地抑制云目标电磁散射闪烁的现象，抑制效果达到8.8dB。.本项目研究期间发表相关学术论文31篇，其中SCI 15篇，EI 7篇，获得专利授权21件，培养毕业研究生16人，其中博士1人，硕士15人，培养青年教师5人。