機載測云雷達信號處理系統研制難點分析

安徽四創電子股份有限公司　高　磊　黃興玉　余小強　郭　俊

1.大動態數字接收機技術

機載測云雷達由于受到多種雜波的干擾，包括主瓣雜波，副瓣雜波，等高線雜波等，當天線仰角向下時，雜波十分強烈，為了避免接收機飽和，要求雷達的瞬時動態在90dB以上。假設本雷達系統的距離分辨率高（最高30米），其最大帶寬為5MHz，所以對數字接收機的設計帶來了挑戰，根據中頻欠采樣的原理，數字接收機的處理增益為AD采樣率/2倍視頻帶寬，所以對于5MHz IQ帶寬，若采用100M采樣率，其處理增益為10dB，如果需要達到90dB的動態，則AD必須采用16位，14位的AD變換器不能滿足要求。16位的高速AD變換器功耗大，因而對于系統的散熱要求也相對較高。

2.實時平臺速度補償

機載平臺為高速移動平臺，而雷達系統需要測量的云雨目標相比于飛機本身的移動速度而言，其速度較小，為了能夠得到相對準確的云雨速度值，系統需要進行平臺速度的實時補償。其補償的速度值需要根據當前平臺的姿態和天線掃描的方位俯仰角等信息進行復雜計算得到，為了快速響應，需要采用專用的DSP進行計算并控制進行補償，速度補償還需要脈間嚴格同步，避免破壞回波的相干信息從而導致速度估值的不正確。

3.高速數據傳輸和實時處理

由于數字接收機放置在飛機的吊艙之內，而信號處理器和顯控終端放置在乘員艙內，所以數字接收機需要將兩個通道的回波數據傳輸至信號處理器。除回波數據外，可能還需要傳輸一些系統的其他狀態或監控信息。并行傳輸需要的電纜多，可靠性低，所以在該系統中不宜采用，而采用光纖傳輸，可降低連接線數，提高傳輸可靠性并實現光電隔離，也可降低電磁干擾。假設雷達系統的最大距離分辨率高達30米，通道IQ速率高達5M，需要的處理能力是一般天氣雷達的3倍以上，所以信號處理器需要較高的硬件配置。系統需要同時處理兩個通道的數據，尤其是主通道需要進行多普勒參數的估計，運算量大，因而信號處理器采用多片DSP并行處理，如果采用當前最新的高速DSP，使用2片可以實時實現。同時由于輸入的數據量大，在選擇DSP時其IO帶寬能力也十分重要。如雷達采用相干積累/非相干積累組合，因而脈沖積累數要求高，需要配置較大的高速緩存。

4.精確雜波跟蹤

由于探測的目標相對速度較低，同時需要對速度進行定量測量，所以系統必須具有高精度的雜波跟蹤能力，系統的雜波跟蹤處理帶來的很大的挑戰性，大大加重了信號處理的處理壓力和設計難度。

5.嵌入式網絡接口

由于機載終端計算機為專用計算機，信號處理器為了避免和其硬件的過多耦合，因而采用脫機獨立模塊設計，利用標準的以太網和終端實現命令和處理結果的傳輸。處理結果的傳送數據量相對較小，同時考慮到機載計算機的典型配置，信號處理器網絡接口可采用100M以太網，并由DSP實現網絡協議和通信，采用嵌入式無縫設計而不采用外掛的網絡模塊，以提高可靠性和縮小體積。

6.機載平臺算法的特殊處理

6.1　雜波處理

機載測云雷達系統相對于其他雷達系統而言，雜波干擾更強，雜波包括主瓣雜波，副瓣雜波，等高線雜波等，對于機載雷達，由于所探測的目標和警戒雷達不同，其目標速度相對于地面速度很小，而飛機本身的速度則很大。由于飛機相對速度的影響，掃描空間的動態相對變化，導致地物回波的譜寬展寬很多，中心頻率也不再為零頻，這給地物的對消處理帶來了很大的困難。在傳統的警戒雷達中，由于目標的相對速度在大多數情況下和地物有明顯區別，所以可以采用雜波跟蹤進行雜波多普勒頻移的估計，從而對回波進行校正，最后利用MTI/MTD進行雜波的抑制。但是在機載測云雷達系統中，由于波長短，其多普勒頻移遠比一般的雷達大，地物的高速運動可能導致回波目標速度的多次折疊，從而給雜波估計帶了困難。由于地物目標偏移零頻而導致其譜副瓣迅速抬高，可能會淹沒有用目標，所以在處理時必須加低副瓣的窗函數。數字接收機必須具有較高的動態范圍，不能使地物雜波飽和而惡化副瓣。由于是移動平臺，所以對于地物雜波的處理，既不能采用雜波圖的方式，而由于附加平臺移動速度的影響，傳統的高通濾波器性能受到很大的限制，所以雜波處理在信號處理器上取得很好的處理效果難度極大。為了降低雜波的影響，應當采用低副瓣天線，同時對于天線的掃描范圍在特定的條件下需作一定的控制，以避免強地物的干擾。同時可以選擇合適的安裝位置和探測方向，選擇垂直于平臺前進方向影響最小。

6.2　速度補償

由于雷達系統需要對云雨目標的速度進行定量測量，所以需要對飛機移動速度進行定量補償，而且補償的精度和實時性要求較高，補償的誤差最終成為回波目標的誤差。警戒雷達的補償只要求將雜波譜拉回到對消濾波器的阻帶之內能夠被對消即可，不需要確定目標速度，但是本雷達還需要測量回波的速度。為了提高速度補償的實時性，可采用在數字接收機中頻級進行速度補償，利用慣導信息控制計算單元實時計算出當前相對雷達天線波束指向的徑向分量，輸送給中頻處理單元進行校正，并同時將該慣導信息傳送給信號處理器，便于記錄和回放。由于需要對目標回波進行速度計算，所以在進行速度補償時，必須和信號處理處理同步進行，速度補償不能破壞回波的脈間相干性。由于慣導數據和波束指向等存在誤差，所以該速度補償也將存在較大的誤差，要做到Hz級的校正難度極大。速度補償是雜波跟蹤的第一級處理，其粗校正多普勒頻移。

6.3　信號處理流程

來自數字接收機的回波數據按通道分成兩路，主通道數據進行雜波跟蹤、地物對消、功率估計、速度和譜寬估計以質量控制等，而通道2數據則進行雜波跟蹤、IQ的功率估計以及質量控制等。兩個通道的功率估計用于計算LDR。需要注意的是求解LDR的數據必須使用雜波抑制前的功率值，否則雜波抑制會破壞LDR估值的正確性。而強度Z的計算，則必須通過CCOR的進行校正求得。

圖1　信號處理流程圖

7.結語

測云雷達自上世紀五十年代應用于研究云和降水以來，長期受制于硬件問題的困擾，隨著固態毫米波組件以及大功率速調管技術的成熟，帶動了W波段相參雷達的可喜的進展。同時，日本、美國等發達國家業已研制了Ka波段和W波段毫米波雷達。在對云目標發展過程的探測試驗中，機載測云雷達擴大了雷達的機動性和探測范圍。在毫米波衰減研究、毫米波雷達探測云高和云邊界、雙波長毫米波雷達在探測云水和固態水含量反演、雙線偏振毫米波雷達在云分類研究等方面都取得了明顯的進展。作為系統的核心部分，機載測云雷達信號處理系統的算法和處理性能仍需進一步的探索和升級。

[1][美]George W.Stimson,吳漢平等譯.機載雷達導論[M].電子工業出版社,2005.01.

[2]吳順君.雷達信號處理和數據處理技術[M].電子工業出版社,2008.03.