8 mm脈沖磁控管測(cè)云雷達(dá)測(cè)速多普勒化*

(成都信息工程學(xué)院 電子工程學(xué)院，成都 610225)

1 引 言

國(guó)內(nèi)新一代天氣雷達(dá)主要以測(cè)量降水為主，測(cè)云雷達(dá)成為近幾年新型天氣雷達(dá)研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)近3年研制成功的8 mm全相參測(cè)云雷達(dá)，其發(fā)射機(jī)均利用昂貴的行波管放大器[1]。相比較而言，磁控管的優(yōu)點(diǎn)明顯：8 mm行波管的發(fā)射功率為600 W，而8 mm磁控管的發(fā)射功率可達(dá)為12 kW，其價(jià)格為行波管的1/5左右。因此，對(duì)脈沖磁控管測(cè)云雷達(dá)測(cè)速多普勒化研究與實(shí)現(xiàn)就具有重要的社會(huì)現(xiàn)實(shí)經(jīng)濟(jì)意義。在8 mm磁控管測(cè)云雷達(dá)的研制過(guò)程中，為了獲得準(zhǔn)確的速度回波圖產(chǎn)品，必須克服磁控管頻率不穩(wěn)定問(wèn)題，需要對(duì)發(fā)射脈沖樣本采樣到接收機(jī)進(jìn)行接收相參處理。

非相參雷達(dá)的穩(wěn)定技術(shù)主要包括自動(dòng)頻率控制(AFC)與接收相參處理兩大技術(shù)。在自動(dòng)頻率控制方面，一種相位注入鎖定技術(shù)[2-4]用來(lái)克服這種不穩(wěn)定的問(wèn)題，在磁控管點(diǎn)火前瞬間時(shí)刻，給磁控管注入一個(gè)高功率的相參信號(hào)。磁控管末級(jí)發(fā)射時(shí)腔體的自然諧振頻率稱為“冷頻”，發(fā)射時(shí)的頻率稱為“熱頻”。文獻(xiàn)[2,5]中所述的冷熱跟蹤頻率穩(wěn)定技術(shù)，系統(tǒng)利用磁控管的“冷頻”來(lái)頂置本振頻率。美國(guó)SIGMET公司研制生產(chǎn)的天氣雷達(dá)信號(hào)處理器RVP8[6]是在接收機(jī)中完成AFC，由發(fā)射機(jī)發(fā)射樣本信號(hào)及中頻的本地振蕩器構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)頻率控制環(huán)路，本地振蕩器跟隨發(fā)射信號(hào)變化。

在接收相參處理技術(shù)方面，文獻(xiàn)[7]提出了一種簡(jiǎn)單的采用樣本信號(hào)相位對(duì)回波信號(hào)相位相減方法。最早由萬(wàn)山虎[8]提出的幅相聯(lián)合算法是一種性能良好的實(shí)現(xiàn)測(cè)速多普勒化技術(shù)。這些方法的相位信息都是由零中頻回波IQ信號(hào)與發(fā)射樣本IQ信號(hào)進(jìn)行復(fù)卷積提取。文獻(xiàn)[8]的幅度信息由回波包絡(luò)與發(fā)射樣本包絡(luò)歸一化提取，文獻(xiàn)[9]的幅度信息由正常視頻經(jīng)放大、限幅及積累后提取，文獻(xiàn)[10] 的幅度信息由零中頻回波IQ信號(hào)與發(fā)射樣本IQ信號(hào)進(jìn)行復(fù)相關(guān)運(yùn)算，再與樣本自相關(guān)歸一化后提取。

文獻(xiàn)[11]對(duì)各種算法的評(píng)述結(jié)論是：某低空磁控管脈沖雷達(dá)AFC精度為±16.7 kHz, 論證表明選擇文獻(xiàn)[10]的幅相聯(lián)合算法,并用DSP實(shí)現(xiàn)其硬件電路,具有最佳的性能價(jià)格比。然而，8 mm測(cè)云雷達(dá)經(jīng)過(guò)AFC控制后的脈間頻率在中頻段變化范圍為±2 MHz，脈內(nèi)頻率有500 kHz跳動(dòng)范圍。本文提出了一種改進(jìn)的適合于測(cè)云雷達(dá)接收相參處理算法，該算法已經(jīng)在該雷達(dá)中實(shí)際應(yīng)用，觀察到回波速度圖效果明顯。

本文中的符號(hào)約定：τ為脈沖寬度，ωd為多普勒頻率，Kr為接收機(jī)增益，Tr為延時(shí)，a為脈內(nèi)寄生調(diào)頻系數(shù)，at2為脈內(nèi)寄生調(diào)頻，A為發(fā)射信號(hào)的振幅，B為氣象目標(biāo)強(qiáng)度信息，φ0為發(fā)射信號(hào)初始隨機(jī)相位，φl(shuí)為本地振蕩器輸出信號(hào)初始相位，Kt為發(fā)射樣本中頻復(fù)信號(hào)通道增益。

2 測(cè)速多普勒化算法

2.1 算法設(shè)計(jì)

本文改進(jìn)的接收相參處理算法，幅度信息提取方法不同于以往的方法，從回波數(shù)字下變頻經(jīng)低通濾波器后直接提取。這樣保留了回波強(qiáng)度信息，減少了運(yùn)算量，便于實(shí)時(shí)處理實(shí)現(xiàn)，同時(shí)低通濾波器可提高信號(hào)的信噪比。相位信息由零中頻回波IQ信號(hào)與發(fā)射樣本IQ信號(hào)進(jìn)行復(fù)卷積提取。此外，由于發(fā)射脈沖頻率跳動(dòng)大，本文還提出了由樣本自卷積進(jìn)行校正方法。算法的原理框圖如圖1所示。

圖1 測(cè)云雷達(dá)測(cè)速多普勒化算法原理框圖

發(fā)射樣本零中頻復(fù)信號(hào)為

uBurst=Aktexp{[j[Δωt+at2+φl(shuí)-φ0)]}，0≤t<τ

(1)

回波零中頻復(fù)信號(hào)為

uIF=BAKrexp{j[Δω(t-Tr)-ωd(t-Tr)+

a(t-Tr)2+ωlTr+φl(shuí)-φ0)]}，

Tr≤t<τ+Tr

(2)

則兩信號(hào)復(fù)卷積運(yùn)算為

BKrKtA2(τ-|t-Tr-τ|)·

exp{j[ωlTr-(t-Tr)ωd/2]}×

sinc{[Δω+a(t-Tr)-ωd/2]·

(τ-|t-Tr-τ|)}

(3)

式中，Tr≤t≤Tr+2τ。

發(fā)射樣本自卷積為

(4)

因?yàn)棣う刈兓秶鸀椤? MHz，在一個(gè)徑向內(nèi)Δωt變化范圍大，sinc函數(shù)會(huì)以正負(fù)變化向式(3)附加一個(gè)0°或180°相位， 式(3) 除以式(4)便可消除這種影響，則：

Phase(t)=B[(τ-|t-Tr-τ|)/t]·

exp{j[ωlTr-(t-Tr)ωd/2]}×

sinc{[Δω+a(t-Tr)-ωd/2]·

(τ-|t-Tr-τ|)/t}/sinc[(Δω+at)t]

(5)

相位信息由式(5)提取，幅度信息從回波數(shù)字下變頻經(jīng)低通濾波器后直接提取，合成一個(gè)新的幅相聯(lián)合信號(hào)：

uAP(t)=Bkr/Ktexp{j[ωlTr-(t-Tr)ωd/2]}，
Tr≤t≤Tr+2τ

(6)

2.2 算法仿真

仿真條件：脈沖重復(fù)頻率為1 600 Hz,脈間頻率抖動(dòng)為2 MHz，脈內(nèi)寄生調(diào)頻系為6×107。6個(gè)氣象目標(biāo)的強(qiáng)度與多普勒頻率見(jiàn)表1。

表1 仿真目標(biāo)的參數(shù)

運(yùn)用樣本信號(hào)與回波信號(hào)進(jìn)行本文算法處理，再運(yùn)用脈沖對(duì)法或者FFT法計(jì)算出在距離庫(kù)不同位置上的6個(gè)氣象目標(biāo)的多普勒頻率值，如圖2所示。

圖2 脈沖對(duì)法提取目標(biāo)的多普勒頻率

表2是算法處理后經(jīng)脈沖對(duì)法提取的多普勒頻率與真實(shí)頻率對(duì)比得到的誤差，由表2可知誤差不超過(guò)4 Hz。

表2 算法處理后頻率誤差

2.3 算法實(shí)現(xiàn)

該算法在FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，幅度及相位提取采用工作在向量模式的CORDIC算法，如圖3所示。13級(jí)流水線的設(shè)計(jì)方法，可以實(shí)現(xiàn)高精確的反正切及開(kāi)平方等運(yùn)算。圖中DSU-I′和DSU-Q′是回波與樣本復(fù)卷積運(yùn)算輸出的復(fù)信號(hào)，CORDIC對(duì)該復(fù)信號(hào)提取相位輸出為14位的arctan(DSU-Q′/DSU-I′)反正切函數(shù)相位值。由這14位相位值作為正余弦函數(shù)查找表的輸入地址，輸出新的IQ值。幅度提取CORDIC模塊輸入為回波數(shù)字下變頻低通濾波后通道的IQ信號(hào)，這樣得到強(qiáng)度值為原回波的1.646 76倍。相參處理前后強(qiáng)度取對(duì)數(shù)后相差一個(gè)常數(shù)，可在雷達(dá)信號(hào)處理器中進(jìn)行標(biāo)定。

圖3 幅度及相位提取框圖

因復(fù)卷積器需要大量的乘法器，利用直接FIR結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致FPGA硬件資源不夠。直接FIR結(jié)構(gòu)的硬件使用情況為：9位的DSP乘法器資源用了448個(gè)，查找表使用了6 549個(gè)單元，邏輯寄存器使用了21 401個(gè)單元。利用高速緩存的思想，一個(gè)卷積單元只需要一個(gè)乘累加器完成直接FIR結(jié)構(gòu)運(yùn)算。優(yōu)化后的卷積硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。優(yōu)化后使用9位的DSP乘法器為64個(gè)，查找表使用了3 507個(gè)單元，邏輯寄存器為3 898個(gè)單元。算法硬件資源需求優(yōu)化情況為：9位的DSP乘法器減少使用了384個(gè)，查找表減少使用了3 042個(gè)，邏輯寄存器減少使用了17 503個(gè)。

圖4 復(fù)卷積器優(yōu)化后的硬件結(jié)構(gòu)

3 算法的測(cè)試

3.1 算法在雷達(dá)系統(tǒng)級(jí)中的測(cè)試

測(cè)試平臺(tái)如圖5所示。由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生兩路正弦信號(hào)，回波的多普勒頻率由回波通道信號(hào)頻率與樣本頻率偏離值模擬，兩路信號(hào)通過(guò)數(shù)字中頻及多普勒化算法單元，由雷達(dá)信號(hào)處理終端反演成速度并顯示。

圖5 算法測(cè)試平臺(tái)

3.1.1多普勒測(cè)速范圍測(cè)試

硬件定時(shí)器產(chǎn)生1 000 Hz的脈沖重復(fù)頻率，樣本通道信號(hào)的頻率為59 MHz，幅度為0 dBm；回波通道信號(hào)的幅度為-20 dBm?；夭ㄍǖ佬盘?hào)頻率與樣本頻率偏離值為-496～500 Hz，顯示終端顯示的速度值與公式(7)理論計(jì)算值一致。

V=λf/2

(7)

式中，V為速度，λ為波長(zhǎng)，f為多普勒頻率。

3.1.2回波強(qiáng)度對(duì)多普勒測(cè)速精度影響測(cè)試

樣本通道信號(hào)的頻率為61 MHz，幅度為0 dBm,回波通道信號(hào)與樣本通道信號(hào)的頻率頻偏為200 Hz?；夭ㄍǖ佬盘?hào)幅度值為-76～6 dBm，顯示終端顯示的速度值與公式(7)理論計(jì)算值一致。

3.2 算法在實(shí)際雷達(dá)中的應(yīng)用

3.2.1目標(biāo)為地物雜波

圖6是雷達(dá)低仰角掃描地物雜波，用地物雜波進(jìn)行算法測(cè)試的結(jié)果。其中，(a)、(b)兩個(gè)回波圖為2010年3月4日08:44:10未經(jīng)本文算法處理得到的回波圖，(c)、(d)兩個(gè)回波圖為2010年3月4日08:45:31由本文算法處理得到的回波圖；(a)、(c)和(b)、(d)分別為強(qiáng)度及速度PPI回波圖。對(duì)比速度圖可知，地物雜波未經(jīng)算法處理的速度圖雜亂，經(jīng)算法處理后得到的速度圖在零值附近分布，符合實(shí)際情況。

圖6 地物雜波回波圖

3.2.2目標(biāo)為氣象目標(biāo)

圖 7是雷達(dá)高仰角掃描云體目標(biāo)，用氣象體目標(biāo)進(jìn)行算法測(cè)試。其中，(a)、(b)兩個(gè)回波圖為2010年3月4日18:32:09未經(jīng)本文算法處理得到的回波圖，(c)、(d)兩個(gè)回波圖為2010年3月4日18:29:22由本文算法處理得到的回波圖。(a)、(c)和(b)、(d)分別為強(qiáng)度及速度PPI回波圖。對(duì)比速度圖可知，未經(jīng)算法處理的速度圖雜亂，經(jīng)算法處理后得到的速度圖呈牛眼形狀，清晰可見(jiàn)。

圖7 云體目標(biāo)回波圖

4 結(jié)束語(yǔ)

毫米波頻段脈沖磁控管頻率抖動(dòng)范圍遠(yuǎn)大于X、S、C頻段磁控管，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種能適用于國(guó)內(nèi)第一套8 mm磁控管測(cè)云雷達(dá)系統(tǒng)的接收相參處理算法，使磁控管測(cè)云雷達(dá)具有了全相參雷達(dá)的多普勒測(cè)速功能，擴(kuò)展了接收相參處理技術(shù)在毫米波氣象雷達(dá)的應(yīng)用。仿真結(jié)果表明了算法的有效性，由多普勒測(cè)速范圍測(cè)試及回波強(qiáng)度對(duì)多普勒測(cè)速精度影響的測(cè)試結(jié)果證明了算法的正確性，在實(shí)際雷達(dá)業(yè)務(wù)運(yùn)行觀測(cè)中得到回波速度圖效果明顯，達(dá)到了測(cè)云雷達(dá)的測(cè)速要求。與國(guó)內(nèi)近3年研制成功的全相參毫米波測(cè)云雷達(dá)相比，本文的研究?jī)?nèi)容使毫米波測(cè)云雷達(dá)具有了發(fā)射功率大、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。

5 致 謝

一臺(tái)新型雷達(dá)的研制成功，凝集了許許多多研究人員的智慧和心血。感謝大氣探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室史朝老師、姚振東教授、李學(xué)華老師對(duì)本文算法設(shè)計(jì)過(guò)程提出的寶貴意見(jiàn)和建議，感謝成都遠(yuǎn)望科技有限公司的謝承華、王文明、羅繼成等3位工程師在算法調(diào)試過(guò)程中的幫助，最后特別感謝成都錦江電器有限公司工作人員在測(cè)云雷達(dá)系統(tǒng)調(diào)試中給予的熱情幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1] 仲凌志,劉黎平,葛潤(rùn)生.毫米波測(cè)云雷達(dá)的特點(diǎn)及其研究現(xiàn)狀與展望[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展,2009,24(4):383-391.

ZHONG Ling-zhi, LIU Li-ping, GE Run-sheng. Characteristics about the Millimeter-Wave length Radar and Its Status and Prospect in and Abroad [J]. Advances in Earth Science, 2009, 24(4):383-391. (in Chinese)

[2] 茅于海.頻率捷變雷達(dá)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1981.

MAO Yu-hai. Frequency Agility Radar [M].Beijing: National Defense Industry Press, 1981.(in Chinese)

[3] 張國(guó)興.磁控管的鎖頻技術(shù)[J]. 電子器件, 1995, 18(4):211-217.

ZHANG Guo-xing. The injection Locked Technology for Magnetron[J].Journal of Electron Devices, 1995, 18(4):211-217. (in Chinese)

[4] 趙恒軒,顧松山,黃興友.多普勒天氣雷達(dá)激發(fā)式注人鎖定的磁控管發(fā)射機(jī)[J]. 氣象教育與科技,1989(2):21-26.

ZHAO Heng-xuan, GU Song-shan, HUANG Xing-you. The active-injection Locked Technology for Magnetron transmitter in Doppler weather Radar [J].Meteorological Education and Technology, 1989(2):21-26.(in Chinese)

[5] 宋全祥.頻率捷變雷達(dá)的快速自動(dòng)頻率調(diào)整系統(tǒng)[J]. 現(xiàn)代雷達(dá),1995,17(2):99-104.

SONG Quan-xiang. A Fast Automatic Frequency Regulation System of Frequency Agility Radar[J]. Modern Radar, 1995,17(2):99-104.(in Chinese)

[6] SIGMET Inc.RVP8 User′s Manual[M].MA，USA：SIGMET Inc,2006.

[7] Hua Li, Anthony J Illingworth, Jon Eastment. A Simple Method of Dopplerizing a Pulsed Magnetron Radar [J].Microwave Journal, 1994, 37(4):226-236.

[8] 萬(wàn)山虎.雷達(dá)接收相干研究[D]. 西安:西北電訊工程學(xué)院,1988.

WAN Shan-hu.Research on Radar Coherent Reception Processing [D].Xi′an: Northwest Telecommunication Institute,1988.(in Chinese)

[9] 俞志強(qiáng),萬(wàn)山虎,武文,等.雷達(dá)幅相聯(lián)合接收相干處理系統(tǒng)[J]. 現(xiàn)代雷達(dá),2000,22(5):32-36.

YU Zhi-qiang,WAN Shan-hu,WU Wen,et al. Radar Coherent Reception processing system with Amplitude-phase Combination [J]. Modern Radar, 2000, 22(5):32-36.(in Chinese)

[10] 丁建江,張賢達(dá).幅相聯(lián)合處理算法的分析和實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)[J].清華大學(xué)報(bào),2002,42(3):398-402.

DING Jian-jiang, ZHANG Xian-da. Analysis and real-tine implementation of A-P combined processing algorithm [J].Journal of Tsinghua University(Sci &Tech), 2002, 42(3):398-402. (in Chinese)

[11] 丁建江,張賢達(dá).接收相干處理算法的分析與評(píng)述[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2002,24(11):61-62,72.

DING Jian-jiang,ZHANG Xian-da.Analysis and Discussions on the Coherent On-receive Processing Arithmetic[J].Systems Engineering and Electronics,2002,24(11):61-62,72. (in Chinese)