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对全球降雨分布及垂直结构的观测有利于全球大气能量分布及变化规律的研究，有利于全球气候演变及环境变化的研究。地球同步轨道星载降雨雷达具有高频次、高精度和宽覆盖等特点，能够实现对全球降雨立体结构高时间分辨率的直接观测，能够实现对飓风和强风暴的跟踪和监测，是星载降雨雷达未来的发展趋势。然而，由于自上而下的扫描方式，地球同步轨道星载降雨雷达在未来实际工作中将会受到地表杂波干扰的影响，特别是在弱降雨的条件下，反射率较强的地表杂波将会通过天线主瓣、旁瓣和脉冲压缩距离旁瓣等严重影响降雨的准确测量。本文将基于NASA提出的下一代星载降雨雷达，即地球同步轨道星载降雨雷达(GDWR)的研究计划，并根据此雷达设计的扫描策略及系统基本参数，对GDWR地表杂波这一问题展开研究，主要研究内容和结论包括:
(1)利用GDWR扫描策略和基本系统参数，对GDWR的探测能力进行了仿真与分析。结果表明，为了满足GDWR在星下点附近5dBZ的探测能力要求，其脉冲非相参积累个数需达到260及以上。为了使GDWR的强度测量精度满足1dBZ的要求，其归一化谱宽的最小值应为0.03。为了使GDWR探测的目标平均径向速度、速度谱宽的估计精度满足1m/s的要求，选择FFT的方法要比PPP法对于回波信号SNR的要求更低且能容许的归一化谱宽的范围更大。
(2)研究了沙漠、森林两种类型陆地地表和不同风速条件下的海面地表的σ0经验模型，分析了地基毫米波探地雷达和APR-2对不同类型地表σ0实测数据的特征，并基于此获取了GDWR不同类型陆地地表和不同风速条件下海面的σ0特征。结果表明，从σ0经验模型的分析可知，沙漠和森林两种类型地表的σ0均随电磁波入射角的增大而呈衰减趋势，但两者衰减的速率却有着较大的不同。对于海面地表杂波，在0～10°入射角范围内，海面的σ0曲线下降速率将随海情等级的增大依次减小。从下视扫描的地基雷达和机载雷达实测的地表数据分析可以获取多种类型陆地地表和海洋地表的σ0随电磁波入射角变化的特征，以及在GDWR扫描时，不同植被覆盖类型的陆地和在0～15m/s风速条件下海面的σ0特征，这些特征将为之后GDWR地表杂波影响的评估工作提供科学的依据和基础。
(3)就GDWR天线主瓣、旁瓣及脉冲压缩距离旁瓣引起的地表杂波对降雨回波的污染程度进行了定量评估，同时对不同天线主瓣、旁瓣及脉冲压缩距离旁瓣性能指标对地表杂波强度及污染的范围进行了定量分析与评估。结果表明，GDWR受海洋表面和陆地表面杂波污染的高度最大可达6km以上，星下点最强杂波回波功率在-70dBm左右，高于雷达灵敏度50dBm以上。在偏离星下点的位置，海洋表面杂波普遍强于陆地表面杂波。当降雨强度为5mm/h，并以信杂比0dB作为阈值来评价时，海洋表面杂波污染的最大高度在1.5km左右，而陆地表面的降雨仅在星下点受地表杂波的污染。当降雨强度大于10mm/h时，除星下点外，中等风速下海面杂波的功率基本被完全衰减，从而不会对降雨测量产生影响。从改变天线主瓣、旁瓣及脉冲压缩距离旁瓣等参数的试验分析可知，GDWR地表杂波污染范围主要受天线主瓣的影响。当天线旁瓣电平和脉冲压缩距离旁瓣降低时，地表杂波污染范围会减少，但当这两个参数降低到一定程度后，杂波污染的范围将趋于稳定。从地表杂波的回波强度来看，若天线旁瓣水平低于-30dB且距离旁瓣在-55dB以下时，则降雨回波基本不受天线旁瓣和距离旁瓣地表杂波的干扰。
(4)基于地表杂波影响评估得出的脉冲压缩距离旁瓣抑制水平的结论，综合考虑了星载降雨雷达系统的要求及脉冲压缩信号的特点等，研究了线性调频信号的脉冲压缩低距离旁瓣抑制的方法。结果表明，在BT=54条件下，利用改进的双向加权方法并结合谱修正方法所设计的脉冲压缩滤波器，能够实现脉冲压缩距离旁瓣低于主瓣75dB且信噪比损失和主瓣展宽系数均符合星载降雨雷达的要求。
(5)研究了GDWR数据模拟的方法，并利用两部相邻位置且不同发射体制的地基天气雷达对其进行了有效性检验。之后利用APR-2的数据对GDWR回波数据进行了模拟，并利用IIR椭圆滤波器法和GMAP法对模拟的回波进行地表杂波抑制处理及效果分析。结果表明，基于功率谱合成的数据模拟方法能够对低分辨率雷达的数据进行有效地模拟。针对受影响的气象回波，利用IIR椭圆滤波器法和GMAP方法分别对海面杂波进行了抑制处理。在非星下点观测时，GMAP方法相比于IIR法在抑制地表杂波的同时，也对误滤除的降雨回波进行了有效的恢复，且GMAP方法对此条件下的中雨及小雨天气过程的地表杂波抑制成功率均在85％以上。当GDWR在星下点附近观测时，IIR和GMAP方法对地表杂波的抑制能力相当，又因IIR椭圆滤波器运算量小的原因，故在GDWR整个观测区域的地表杂波抑制处理时，可以采用两种方法相结合的方式。
(1)利用GDWR扫描策略和基本系统参数，对GDWR的探测能力进行了仿真与分析。结果表明，为了满足GDWR在星下点附近5dBZ的探测能力要求，其脉冲非相参积累个数需达到260及以上。为了使GDWR的强度测量精度满足1dBZ的要求，其归一化谱宽的最小值应为0.03。为了使GDWR探测的目标平均径向速度、速度谱宽的估计精度满足1m/s的要求，选择FFT的方法要比PPP法对于回波信号SNR的要求更低且能容许的归一化谱宽的范围更大。
(2)研究了沙漠、森林两种类型陆地地表和不同风速条件下的海面地表的σ0经验模型，分析了地基毫米波探地雷达和APR-2对不同类型地表σ0实测数据的特征，并基于此获取了GDWR不同类型陆地地表和不同风速条件下海面的σ0特征。结果表明，从σ0经验模型的分析可知，沙漠和森林两种类型地表的σ0均随电磁波入射角的增大而呈衰减趋势，但两者衰减的速率却有着较大的不同。对于海面地表杂波，在0～10°入射角范围内，海面的σ0曲线下降速率将随海情等级的增大依次减小。从下视扫描的地基雷达和机载雷达实测的地表数据分析可以获取多种类型陆地地表和海洋地表的σ0随电磁波入射角变化的特征，以及在GDWR扫描时，不同植被覆盖类型的陆地和在0～15m/s风速条件下海面的σ0特征，这些特征将为之后GDWR地表杂波影响的评估工作提供科学的依据和基础。
(3)就GDWR天线主瓣、旁瓣及脉冲压缩距离旁瓣引起的地表杂波对降雨回波的污染程度进行了定量评估，同时对不同天线主瓣、旁瓣及脉冲压缩距离旁瓣性能指标对地表杂波强度及污染的范围进行了定量分析与评估。结果表明，GDWR受海洋表面和陆地表面杂波污染的高度最大可达6km以上，星下点最强杂波回波功率在-70dBm左右，高于雷达灵敏度50dBm以上。在偏离星下点的位置，海洋表面杂波普遍强于陆地表面杂波。当降雨强度为5mm/h，并以信杂比0dB作为阈值来评价时，海洋表面杂波污染的最大高度在1.5km左右，而陆地表面的降雨仅在星下点受地表杂波的污染。当降雨强度大于10mm/h时，除星下点外，中等风速下海面杂波的功率基本被完全衰减，从而不会对降雨测量产生影响。从改变天线主瓣、旁瓣及脉冲压缩距离旁瓣等参数的试验分析可知，GDWR地表杂波污染范围主要受天线主瓣的影响。当天线旁瓣电平和脉冲压缩距离旁瓣降低时，地表杂波污染范围会减少，但当这两个参数降低到一定程度后，杂波污染的范围将趋于稳定。从地表杂波的回波强度来看，若天线旁瓣水平低于-30dB且距离旁瓣在-55dB以下时，则降雨回波基本不受天线旁瓣和距离旁瓣地表杂波的干扰。
(4)基于地表杂波影响评估得出的脉冲压缩距离旁瓣抑制水平的结论，综合考虑了星载降雨雷达系统的要求及脉冲压缩信号的特点等，研究了线性调频信号的脉冲压缩低距离旁瓣抑制的方法。结果表明，在BT=54条件下，利用改进的双向加权方法并结合谱修正方法所设计的脉冲压缩滤波器，能够实现脉冲压缩距离旁瓣低于主瓣75dB且信噪比损失和主瓣展宽系数均符合星载降雨雷达的要求。
(5)研究了GDWR数据模拟的方法，并利用两部相邻位置且不同发射体制的地基天气雷达对其进行了有效性检验。之后利用APR-2的数据对GDWR回波数据进行了模拟，并利用IIR椭圆滤波器法和GMAP法对模拟的回波进行地表杂波抑制处理及效果分析。结果表明，基于功率谱合成的数据模拟方法能够对低分辨率雷达的数据进行有效地模拟。针对受影响的气象回波，利用IIR椭圆滤波器法和GMAP方法分别对海面杂波进行了抑制处理。在非星下点观测时，GMAP方法相比于IIR法在抑制地表杂波的同时，也对误滤除的降雨回波进行了有效的恢复，且GMAP方法对此条件下的中雨及小雨天气过程的地表杂波抑制成功率均在85％以上。当GDWR在星下点附近观测时，IIR和GMAP方法对地表杂波的抑制能力相当，又因IIR椭圆滤波器运算量小的原因，故在GDWR整个观测区域的地表杂波抑制处理时，可以采用两种方法相结合的方式。