脈沖多普勒氣象雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)研究

于 希，周 輝

邵陽(yáng)市氣象局，湖南邵陽(yáng) 422000

0 引言

自二戰(zhàn)時(shí)期出現(xiàn)雷達(dá)以來(lái)，經(jīng)過(guò)幾十年的探究與創(chuàng)新，人們對(duì)雷達(dá)的運(yùn)用也發(fā)生了極大的轉(zhuǎn)變，例如在1955 年，產(chǎn)生了匹配濾波與時(shí)域?yàn)V波，能夠?qū)μ幚順O為復(fù)雜的信號(hào)且對(duì)雜波進(jìn)行抑制。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的研究將逐漸趨于系統(tǒng)化、全面化，而雷達(dá)的運(yùn)用范圍也將越來(lái)越大。

1 脈沖多普勒氣象雷達(dá)概述

多普勒氣象雷達(dá)，是一種通過(guò)各種散射體（雨、云）和雷達(dá)兩者之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)氣象探測(cè)目的雷達(dá)[1]。這種類型的雷達(dá)不僅可以對(duì)云、雨的位置及其強(qiáng)度分布狀況等情況有效的探測(cè)，同時(shí)還能夠?qū)庀竽繕?biāo)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀況加以探測(cè)。強(qiáng)風(fēng)暴從最初的形成到最終的消散，都和強(qiáng)風(fēng)暴內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)有一定的關(guān)聯(lián)，然而一般的氣象雷達(dá)不能提供該方面的參數(shù)，僅僅只可對(duì)氣象目標(biāo)的位置及其強(qiáng)度情況進(jìn)行探測(cè)，所以，針對(duì)這種情況，美國(guó)等國(guó)家在上世紀(jì)六十年代開始將多普勒技術(shù)運(yùn)用到氣象雷達(dá)中，而在八十年代就涌現(xiàn)出不同類型的多普勒氣象雷達(dá)。

2 雷達(dá)信號(hào)處理軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件設(shè)計(jì)

多普勒氣象雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)必須經(jīng)過(guò)幾個(gè)過(guò)程，即距離積累、空間積累、校正直流零漂以及校正距離與強(qiáng)度等，以下將對(duì)其展現(xiàn)詳細(xì)說(shuō)明。

1）距離積累：通過(guò)數(shù)字中頻接收機(jī)之后，雷達(dá)回波轉(zhuǎn)化為I/O 兩路數(shù)字信號(hào)，最初應(yīng)該對(duì)采樣信號(hào)實(shí)行距離積累，使其轉(zhuǎn)變到400 點(diǎn)之內(nèi)，之后對(duì)直流零漂予以消除，以便使最終獲得的信號(hào)無(wú)直流零漂，且全部方位與距離上增益均相同；

2）空間積累：依據(jù)距離門，對(duì)以上數(shù)據(jù)重新排列，之后依據(jù)距離門展開空間積累，之后對(duì)SQI 進(jìn)行計(jì)算，且把這個(gè)值和SQI 門限相對(duì)比，假使比門限小，那么把最后的結(jié)果歸零處理；如果比門限大，那么對(duì)V、W、SNR 以及dBZ 等進(jìn)行計(jì)算[2]；把SNR 和門限進(jìn)行對(duì)比，假使比門限小，那么把最后的結(jié)果歸零處理；如果比門限大，那么將上述中的計(jì)算結(jié)果予以輸出；

3）校正直流零漂：在開啟雷達(dá)或者是雷達(dá)使用一段時(shí)期之后，對(duì)其直流零漂加以測(cè)定。把雷達(dá)接收機(jī)的輸入端與地面相連接，收集一些數(shù)據(jù)，進(jìn)而測(cè)定直流零漂。其中，可以選擇的測(cè)定方式有求和，亦或者是FFT 計(jì)算取零通道。把最終測(cè)出來(lái)的值儲(chǔ)存起來(lái)，便于之后校正直流零漂；

4）校正距離與強(qiáng)度：依據(jù)氣象雷達(dá)方程，回波能量依據(jù)距離平方而逐漸減退，大小相同的氣象目標(biāo)在近端與遠(yuǎn)端，其回波能量是不同的。人們把回波信號(hào)依據(jù)STC 的控制強(qiáng)度與距離平方規(guī)律，對(duì)其距離加以校正，以便促使回波信號(hào)可以將實(shí)際的情況體現(xiàn)出來(lái)。另外，對(duì)于強(qiáng)度的校正，是通過(guò)數(shù)據(jù)處理機(jī)控制實(shí)行人工校正。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

信號(hào)處理模塊系統(tǒng)主要由幾個(gè)部分構(gòu)成，即數(shù)字中頻接收機(jī)、緩沖器、預(yù)處理器、定時(shí)器、RAM、DSP1 以及DSP2 等，以下將對(duì)其數(shù)字中頻接收部分與信號(hào)處理部分進(jìn)行分析。

1）數(shù)字中頻接收部分：采取模擬接收機(jī)的天氣雷達(dá)系統(tǒng)，是通過(guò)LOG 通道達(dá)到預(yù)估強(qiáng)度的目的。采取數(shù)字中頻的天氣雷達(dá)系統(tǒng)，是從線性支路通過(guò)求模來(lái)達(dá)到預(yù)估強(qiáng)度的目的的，所以數(shù)字中頻的天氣雷達(dá)系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)模擬接收機(jī)而言，成本較低，可靠性較高，同時(shí)在性能上也更為強(qiáng)大，其中，它的線性動(dòng)態(tài)范疇能夠達(dá)到92-102dB，并且將一些零部件予以去除，例如中頻帶通濾波器、對(duì)數(shù)接收機(jī)、自動(dòng)增益控制電路以及AFC 反饋電路等等。A/D 變換器的選取是達(dá)到中頻的關(guān)鍵所在，A/D 變換器的性能主要包含分辨率的比特?cái)?shù)、采樣速率等，這兩者在一定程度上決定著A/D 變換器的輸出信號(hào)信噪比的動(dòng)態(tài)范疇；

2）信號(hào)處理部分：該部分主要包含四個(gè)方面，即預(yù)處理器和定時(shí)器、DSP1、緩沖器與RAM 以及DSP 板卡等。首先：預(yù)處理器和定時(shí)器利用1 片三萬(wàn)門的FPGA 芯片10K30QC208，在DSP1 的控制基礎(chǔ)之上達(dá)到距離積累為2-16 徑向的要求，同時(shí)形成實(shí)際需要的全部脈沖定時(shí)信號(hào)[3]。其次，DSP1，其是選取16 位定點(diǎn)TI TMS320F206，DSP1 由RAM 讀取工控機(jī)內(nèi)的控制信息，之后依據(jù)所獲得的信息來(lái)展開各類控制工作，例如將控制數(shù)據(jù)予以打包處理，然后置于數(shù)據(jù)流內(nèi)，對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自檢等等。再次，緩沖器與RAM。緩沖器中的數(shù)據(jù)主要是來(lái)源于通過(guò)預(yù)處理的DSP1 和A/D 中的數(shù)據(jù)，緩沖器輸出端與DSP2通用數(shù)據(jù)口相連接。在其中的一個(gè)端口設(shè)定為工控機(jī)存儲(chǔ)器，而另外一個(gè)端口則與DSP1 的總線相連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)DSP1 和工控機(jī)兩者間的信息交流。最終，DSP 板卡可以選取高速信號(hào)處理板卡，能夠當(dāng)做高速信號(hào)處理的一個(gè)平臺(tái)，其是采取TI 公司所研制的浮點(diǎn)DSP 器件，運(yùn)行速度最大能夠達(dá)到1000MIPS，在板卡上安裝了極為快速的同步存儲(chǔ)器SDSRAM 與SBSRAM，能夠使客戶獲得較快的儲(chǔ)存速度與極大的儲(chǔ)存空間。

3 結(jié)論

綜上，文章對(duì)采取數(shù)字中頻接收機(jī)的脈沖多普勒氣象雷達(dá)的信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行了研究，首先對(duì)氣象雷達(dá)進(jìn)行了一定的闡述，然后重點(diǎn)說(shuō)明了脈沖多普勒氣象雷達(dá)信號(hào)處理的硬件與軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)多普勒氣象雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)必須對(duì)龐大的數(shù)據(jù)量進(jìn)行有效的處理，其中所涉及的計(jì)算極為繁雜，對(duì)精度有極高的要求與標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)該系統(tǒng)還必須達(dá)到實(shí)時(shí)處理的需求，這就要求人們還要不斷對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行研究與探索，以便促使脈沖多普勒氣象雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)能夠趨于完善，從而為人們提供更為優(yōu)質(zhì)、更為精確的氣象監(jiān)測(cè)。

[1]杜云峰.機(jī)載脈沖多普勒氣象雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)研究[D].西安電子科技大學(xué)，2010.

[2]張忠傳，等.基于Stretch處理的毫米波調(diào)頻步進(jìn)雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010.

[3]寧麗鵬.雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].科技信息，2012.