脈沖多普勒氣象雷達信號處理系統(tǒng)研究

于 希，周 輝

邵陽市氣象局，湖南邵陽 422000

0 引言

自二戰(zhàn)時期出現(xiàn)雷達以來，經(jīng)過幾十年的探究與創(chuàng)新，人們對雷達的運用也發(fā)生了極大的轉(zhuǎn)變，例如在1955 年，產(chǎn)生了匹配濾波與時域濾波，能夠?qū)μ幚順O為復雜的信號且對雜波進行抑制。隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，人類對雷達信號處理系統(tǒng)的研究將逐漸趨于系統(tǒng)化、全面化，而雷達的運用范圍也將越來越大。

1 脈沖多普勒氣象雷達概述

多普勒氣象雷達，是一種通過各種散射體（雨、云）和雷達兩者之間相對運動，進而產(chǎn)生多普勒效應，最終實現(xiàn)氣象探測目的雷達[1]。這種類型的雷達不僅可以對云、雨的位置及其強度分布狀況等情況有效的探測，同時還能夠?qū)庀竽繕藘?nèi)部質(zhì)點的運動狀況加以探測。強風暴從最初的形成到最終的消散，都和強風暴內(nèi)部的質(zhì)點運動有一定的關(guān)聯(lián)，然而一般的氣象雷達不能提供該方面的參數(shù)，僅僅只可對氣象目標的位置及其強度情況進行探測，所以，針對這種情況，美國等國家在上世紀六十年代開始將多普勒技術(shù)運用到氣象雷達中，而在八十年代就涌現(xiàn)出不同類型的多普勒氣象雷達。

2 雷達信號處理軟硬件設(shè)計和實現(xiàn)

2.1 軟件設(shè)計

多普勒氣象雷達信號處理系統(tǒng)的軟件設(shè)計必須經(jīng)過幾個過程，即距離積累、空間積累、校正直流零漂以及校正距離與強度等，以下將對其展現(xiàn)詳細說明。

1）距離積累：通過數(shù)字中頻接收機之后，雷達回波轉(zhuǎn)化為I/O 兩路數(shù)字信號，最初應該對采樣信號實行距離積累，使其轉(zhuǎn)變到400 點之內(nèi)，之后對直流零漂予以消除，以便使最終獲得的信號無直流零漂，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SQI 進行計算，且把這個值和SQI 門限相對比，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V、W、SNR 以及dBZ 等進行計算[2]；把SNR 和門限進行對比，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，那么將上述中的計算結(jié)果予以輸出；

3）校正直流零漂：在開啟雷達或者是雷達使用一段時期之后，對其直流零漂加以測定。把雷達接收機的輸入端與地面相連接，收集一些數(shù)據(jù)，進而測定直流零漂。其中，可以選擇的測定方式有求和，亦或者是FFT 計算取零通道。把最終測出來的值儲存起來，便于之后校正直流零漂；

4）校正距離與強度：依據(jù)氣象雷達方程，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在近端與遠端，其回波能量是不同的。人們把回波信號依據(jù)STC 的控制強度與距離平方規(guī)律，對其距離加以校正，以便促使回波信號可以將實際的情況體現(xiàn)出來。另外，對于強度的校正，是通過數(shù)據(jù)處理機控制實行人工校正。

2.2 硬件設(shè)計

信號處理模塊系統(tǒng)主要由幾個部分構(gòu)成，即數(shù)字中頻接收機、緩沖器、預處理器、定時器、RAM、DSP1 以及DSP2 等，以下將對其數(shù)字中頻接收部分與信號處理部分進行分析。

1）數(shù)字中頻接收部分：采取模擬接收機的天氣雷達系統(tǒng)，是通過LOG 通道達到預估強度的目的。采取數(shù)字中頻的天氣雷達系統(tǒng)，是從線性支路通過求模來達到預估強度的目的的，所以數(shù)字中頻的天氣雷達系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)模擬接收機而言，成本較低，可靠性較高，同時在性能上也更為強大，其中，它的線性動態(tài)范疇能夠達到92-102dB，并且將一些零部件予以去除，例如中頻帶通濾波器、對數(shù)接收機、自動增益控制電路以及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數(shù)、采樣速率等，這兩者在一定程度上決定著A/D 變換器的輸出信號信噪比的動態(tài)范疇；

2）信號處理部分：該部分主要包含四個方面，即預處理器和定時器、DSP1、緩沖器與RAM 以及DSP 板卡等。首先：預處理器和定時器利用1 片三萬門的FPGA 芯片10K30QC208，在DSP1 的控制基礎(chǔ)之上達到距離積累為2-16 徑向的要求，同時形成實際需要的全部脈沖定時信號[3]。其次，DSP1，其是選取16 位定點TI TMS320F206，DSP1 由RAM 讀取工控機內(nèi)的控制信息，之后依據(jù)所獲得的信息來展開各類控制工作，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)，對控制系統(tǒng)實現(xiàn)自檢等等。再次，緩沖器與RAM。緩沖器中的數(shù)據(jù)主要是來源于通過預處理的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。在其中的一個端口設(shè)定為工控機存儲器，而另外一個端口則與DSP1 的總線相連接，進而實現(xiàn)DSP1 和工控機兩者間的信息交流。最終，DSP 板卡可以選取高速信號處理板卡，能夠當做高速信號處理的一個平臺，其是采取TI 公司所研制的浮點DSP 器件，運行速度最大能夠達到1000MIPS，在板卡上安裝了極為快速的同步存儲器SDSRAM 與SBSRAM，能夠使客戶獲得較快的儲存速度與極大的儲存空間。

3 結(jié)論

綜上，文章對采取數(shù)字中頻接收機的脈沖多普勒氣象雷達的信號處理系統(tǒng)進行了研究，首先對氣象雷達進行了一定的闡述，然后重點說明了脈沖多普勒氣象雷達信號處理的硬件與軟件設(shè)計。通過研究發(fā)現(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)多普勒氣象雷達信號處理系統(tǒng)必須對龐大的數(shù)據(jù)量進行有效的處理，其中所涉及的計算極為繁雜，對精度有極高的要求與標準，同時該系統(tǒng)還必須達到實時處理的需求，這就要求人們還要不斷對雷達信號處理系統(tǒng)進行研究與探索，以便促使脈沖多普勒氣象雷達信號處理系統(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。

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

[2]張忠傳，等.基于Stretch處理的毫米波調(diào)頻步進雷達信號處理技術(shù)研究[J].南京理工大學學報，2010.

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