X波段中頻相參多普勒天氣雷達接收機的設計

李旭+馬莞迪

摘要：本文就對X波段中頻相參多普勒天氣雷達接收機的方案設計進行探究，包括如何對接收機的噪聲系數、級靈敏度、系統動態范圍和前端增益進行計算，同時又對穩定本振信號的措施加以分析，提高數字中頻接收機的可靠性和靈敏性。

關鍵詞：X波段；中頻相參；多普勒；天氣雷達接收機

全相參雷達系統具有較長的使用壽命，性能穩定，不會受到機械震動、電源波動的影響，且噪聲低，但由于其價格成本較高，移動和架設較為麻煩，缺乏靈活性，如在天氣雷達系統設計過程中采用中頻相參脈沖多普勒體系，其雷達的性價比較高，雷達采用的是磁控管發射機，這種磁控管的價格較低，高壓工作時間長[1]。接收機采用的是本振數字中頻接受技術，動態線性范圍較大，采用這些先進技術可以有效提高雷達系統的性能，使其達到全相參雷達水平，同時在價格上和全壽命周期成本又比全相參雷達成本低。

一.X波段中頻相參多普勒天氣雷達接收機技術指標

在X波段中頻相參多普勒天氣雷達接收機中，接收機的工作頻率為9500MHz，接受系統的靈敏度為-120dBm，動態范圍≥80dB，噪聲系數≤5dB，本振短期頻率穩定度為10-10/ms，中頻輸出40MHz，中頻帶寬3MHz[2]。接收系統主要功能室為了將天線所發射的微弱回波信號放大變頻，再將其放大到所需功率電平，放大后中頻回波信號送到數字中頻接收機，將其轉換為數字中頻信號，經過正交相位運算獲得正交數字信號，送到信號處理器。

二.主要技術參數

（一）接收機噪聲系數計算

接收機噪聲系統的計算公式為： 。在X波段中低噪聲高頻放大器噪聲系數通常是小于等于3dB，增益為G1=253.5（24dB），40MHz中頻放大器噪聲系數小于等于5dB，混頻器噪聲系數通常在10dB左右，增益為G2=0.157（-10dB），因此取F1小于等于2.15，將數據帶入到噪聲系統計算公式中即可得出F（dB）=2.65dB，符合設計的要求[3]。

（二）接收機靈敏度計算

接收機靈敏度主要是接收機接收微弱信號能力的物理量，其表達式為 。根據工程設計的經驗，通常情況下取接收機輸出端信號噪聲功率之間的比D=1，接收機輸入端功率為其靈敏度，也是臨界靈敏度。通過公式可以發現，臨界另覓你讀通常只和噪聲系數F以及接收機帶寬B有關系，由于T0和K均為常數，標準室溫為290度K[4]。接收機帶寬設置通常和接收信號相關，在接收機中接收信號最小脈沖寬度為0.5μS，因此可以計算出接收機臨界靈敏度為 ，將數據帶入到公式中， 。因此接收機靈敏度和相應的指標要求相符合，具有一定余量，需要對器件老化、工程化等因素進行充分考慮，計算也需要按照靈敏度為-110dBm進行計算，接收機的輸入阻抗按照60Ω計算，輸入阻抗最小可辨電動勢為 ，按照場放輸入端的靈敏度 ，對場放輸入端的最小可測電壓Usmin進行計算，計算公式為 ，公式中R=60Ω，計算可以得出Usmin=0.8135uV。如果按照噪聲功率進行計算，場放輸入端噪聲功率按照公式 進行計算。

（三）前端增益計算

數字中頻轉換器接口電平為-84到+15dBm，最小的輸入信號電平為-84dBm，已知場放輸入端的最小可測電壓為uV，由此可以計算出接收機的前端總增益為34.45uV/0.8432uV=46.65（35dB），即-84dBm-（-110dBm）=35dB，在方案設計中取A=35dBm，接收機的前端增益分配：場放為24dB，預選濾波器為-3dB，混頻器為-10dB，前中為30dB。

（四）系統動態范圍分析

如果場放的輸入端靈敏度為-110dBm，按照系統輸入動態等于90dB進行計算，場放的輸入端最大信號功率則等于90dB-110dBm=-20dBm，根據系統前端增益可知，數字中頻轉換器的輸入端信號強度為-20dBm+35dB=15dBm，數字中頻轉換器最大的輸入信號強度為15dBm，也就是說輸入端信號范圍的靈敏度范圍在-110dBm到-20dBm計算，可以知道此時的系統仍以可保持線性輸出，達到90dB線性動態范圍，由此可知系統的線性動態范圍和設計性能要求相符合[5]。

（五）穩定本振信號

為了確保雷達測速精度，接收機本振采用高穩定度的固定頻率振蕩器，短期1ms的頻率穩定度為10-10量級。根據雷達的性能要求，因晶振倍頻源的雜散小、相位噪聲低等，為確保整機穩定性和系統工作狀態的可靠性，應避免可能存在環路失鎖等問題，因此在該系統中考慮采用晶振倍頻本振。

三.測試和結果分析

（一）靈敏度測試

靈敏度測試在接收機場放口輸入噪聲，在數字接收機的輸出端接示波器，并將輸入信號源輸出功率逐漸減小，并在示波器上對信號幅度進行觀察，當信號幅度和噪聲信號剛好相當時，記錄信號源輸出功率為AdBm，接收機的靈敏度為AdBm-LdBm，LdBm為電纜損耗，所測得的靈敏度為-110dBm。

（二）線性動態范圍測試

機外信號源主要是在接收機的前端注入，在數據終端對信號輸出數據進行讀取，輸入輸出曲線通過最小二乘法擬合，并通過輸入功率和對應輸出數據來明確擬合直線斜率，并將擬合直線和測量曲線之間的差值來明確接收系統高端飽和點和低端拐點，拐點和飽和點之間相應輸入信號功率值之間的差作為系統動態范圍[6]。經過測試發現，擬合直線斜率為2.1584，擬合均方根誤差為1.29，高端飽和點-15dBm，低端拐點-110dBm，動態范圍為96dBm。

結語：

在雷達系統中雷達接收機發揮著重要的作用，其主要功能是為了將小信號進行變頻、放大、濾波和數字化處理，并在信號處理中過濾掉干擾信號，將有用信號進行保留。本文主要是將中頻相參雷達接受系統作為主要研究對象，通過對X波段中頻相參多普勒天氣雷達接收機的設計方案進行分析，并對設計理論和計算方法加以探究與分析，同時對接受系統中各個部件的性能參數指標和功能進行分析，在小型中頻相參氣象雷達中的應用，經過生產測試后，根據其計算理論參數和設計要求已經完全滿足，由此說明該種設計方案是具有可行性的。

參考文獻：

[1]姜小云，李昭春，吳俞.基于STM32的新一代天氣雷達遠程監控系統設計[J].計算機技術與發展，2017，27（05）：196-200.

[2]毛飛，李建明，金龍，敬穎.新一代天氣雷達遠程視頻監控保障系統設計與實現[J].氣象科技，2017，45（01）：63-66.

[3]劉煥乾，胡燕，高爐東.新一代天氣雷達故障維修資料檢索系統設計與實現[J].氣象水文海洋儀器，2015，32（03）：62-64.

[4]楊奇.新一代天氣雷達臺站環境監控系統設計與實施[J].氣象與環境科學，2013，36（03）：84-89.

[5]王杰，何建新.基于LabVIEW的新一代天氣雷達測試與故障診斷系統設計[J].氣象科技，2012，40（06）：902-905.

[6]王紅艷，劉黎平，肖艷嬌，莊薇，王改利.新一代天氣雷達三維數字組網軟件系統設計與實現[J].氣象，2009，35（06）：13-18+130.

簡介：李旭，男（1983.10——），重慶市開縣人，工程師，本科，研究方向：火控雷達接收機。

二作馬莞迪，女（1984.9——），四川江油人，工程師，本科，研究方向：火控雷達接收機