新型天氣雷達接收機動態范圍測試集成系統

張福貴 何建新

摘 要： 針對我國新一代天氣雷達站技術保障的現狀，介紹一種新型的天氣雷達接收機動態范圍測試集成系統，其包括數/模轉化器、數字下變頻處理模塊和VPX總線接口（VPX為交叉連接設備）。通過實際工作將傳統的測試方法和儀器與新型集成測試系統相比，新型天氣雷達接收機動態范圍檢測系統具有以下優點：采用高速高精度A/D采樣，全數字化處理，動態范圍結果判別采用優化算法，提高了接收機動態范圍測試結果的準確性；接收機動態范圍測試采用一鍵式測量，只需點擊終端軟件測試按鈕，程序自動完成動態范圍測試，避免了人為誤差的同時也提高了測試效率；測試完成后直接生成測試報告并參照大量雷達測試、檢修人員的經驗數據，結合雷達系統結構對測試中不合格項產生的原因進行簡要剖析，給出檢修建議，方便操作人員快速修復雷達故障。該系統帶來的有益效果為：采用VPX總線，可靠性好；全數字化處理、精度高、穩定性好；全自動測試流程，無需人工干預。

關鍵詞： 天氣雷達接收機； 動態范圍測試； VPX總線； 集成測試系統； 一鍵式測量； 全數字化處理

中圖分類號： TN95?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）18?0080?04

A new dynamic range integrated testing system for weather radar receiver

ZHANG Fugui1，2， HE Jianxin1

（1. Chengdu University of Information Technology， Chengdu 610225， China； 2. CMA Meteorological Observation Centre， Beijing 100086， China）

Abstract： In view of the current technical guarantee status of the new generation weather radar station in China， a new integrated system for dynamic range testing of the weather radar receiver is proposed. The system is composed of the digital?analog converter （ADC）， digital variable?frequency processing module， and VPX （cross connection device） bus interface. The traditional testing method and instruments are compared with the new integrated testing system in practical work， and the new dynamic range detection system for the weather radar receiver has a lot of advantages： high?speed high?precision A/D sampling， all?digital processing and the optimization algorithm with dynamic range result judgment， which can improve the accuracy of dynamic range testing results of the receiver. One?button measurement is adopted in the dynamic range testing of the receiver， that is， just click on the testing button of terminal software， and the dynamic range testing will be automatically completed by means of the program， which can not only avoid human error but also improve testing efficiency. The testing report is directly generated after completion of the testing. With reference to the experience data of the maintenance personnel and a great quantity of radar tests， brief reason analysis of unqualified items generated during the test is performed， combining with the structure of the radar system. Maintenance suggestions are given so that the operation personnel can quickly repair radar faults. The system has good reliability by using the VPX bus， high precision and good stability by using all?digital processing， and needs no manual intervention by using the whole automatic test process.

Keywords： weather radar receiver； dynamic range testing； VPX bus； integrated testing system； one?button measurement； all?digital processing

0 引 言

目前，雷達接收機動態范圍表征了接收機對微弱信號的無失真還原能力，通常用1 dB增益壓縮點的動態范圍來表征接收機的動態范圍。1 dB增益壓縮點動態范圍的定義為：當接收機的輸出功率大到產生1 dB增益壓縮時，輸入信號的功率與可檢測的最小信號或等效噪聲功率之比。氣象雷達接收機系統的動態范圍表示接收系統能夠正常工作容許的輸入信號的強度范圍，信號太弱，無法檢測到信號，信號太強接收機系統會發生飽和過載；傳統天氣雷達動態范圍的測量采用機內信號源或者機外信號源從接收機前端注入，由Rdasot軟件自動獲取A/D輸出的功率dB或反射率dBZ，通過改變信號源的輸出功率，測量接收機系統的輸入/輸出特性[1]。根據輸入/輸出數據，采用最小二乘法進行擬合，由實測曲線于擬合直線對應點的輸出數據差值（≤1.0 dB）來確定接收機系統的低端下拐點和高端上拐點（飽和點），上拐點和下拐點所對應的輸入信號功率的差值即為接收系統的動態范圍[1?2]。新一代天氣雷達的指標要求：擬合直線斜率：1[±]0.015；擬合均方根誤差≤0.5；動態范圍≥85 dB。

1 傳統天氣雷達接收機動態范圍測試與不足

傳統天氣雷達接收機動態范圍測試有機內信號源測試和機外信號源測試兩種方法。機內信號源測試采用頻率源作為測試信號源，通過控制標定單元內部的數控衰減器改變進入接收機的信號功率，根據信號處理輸出值測得接收機的動態范圍[3]。常用的機外信號源測試方法是使用外部信號源注入射頻信號到接收機前端，記錄接收機的輸出功率，從而測得接收機的動態范圍。

1.1 機內信號源測試與不足

機內信號源測試：采用雷達系統中的頻率源輸出的測試射頻信號作為測試信號源；控制標定單元的十位開關和射頻數控衰減器，測試信號經過十位開關和數控衰減器后進入接收機；通過調整數控衰減器的步進衰減量來設置進入接收機的測試信號功率。從信號處理終端測得接收機輸出功率，得到1 dB壓縮點，從而測到接收機的動態范圍。測試信號流程圖如圖1傳統機內信號源測試信號流程所示。

使用機內信號源測試接收機動態范圍存在以下不足：采用雷達系統中的標定單元控制測試信號的功率，過分依賴標定單元的數控衰減器的性能，測試結果不準確；通過信號處理終端觀測接收機輸出功率，測試結果受接收機數字中頻的動態影響，結果不準確；測試過程中雷達系統中頻率源屬于射頻輸出狀態，而射頻開關隔離度偏低，對接收通道影響較大，測試結果不準確。

1.2 機外信號源測試與不足

機外信號源測試：使用外部射頻信號源的輸出信號作為測試信號，將測試信號輸入保護器及低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA），通過接收前端定向耦合器注入接收機。調整外部信號源輸出信號功率，從信號處理終端測得接收機輸出功率，得到1 dB壓縮點，從而測得接收機的動態范圍，測試框圖如圖2傳統機外信號源測試信號流程所示。

使用機外信號源測試接收機動態范圍存在以下不足：采用外部射頻信號源產生測試信號，儀器設備成本較高，測試條件不易滿足；對測試人員的專業技能要求較高；測試采用全人工操作，效率低，操作不方便，引入的人為誤差較大；測試完成后不能直接生成測試報告。

2 新型天氣雷達接收機動態范圍測試集成系統

2.1 集成測試系統特點

為了解決上述傳統的天氣雷達接收機動態范圍測試方法中存在的不足，這里提供一種新型的天氣雷達接收機動態范圍檢測集成系統。其包括數/模轉化器、數字下變頻處理模塊和VPX總線接口（VPX為交叉連接設備）。數/模轉化器的輸出端與數字下變頻處理模塊的輸入端相連；數字下變頻處理模塊包括混頻處理模塊、低通濾波模塊和抽取模塊，混頻處理模塊的輸出端與低通濾波模塊的輸入端相連，低通濾波模塊的輸出端與抽取模塊的輸入端相連；數字下變頻處理模塊的輸出端與VPX總線接口輸入端相連。圖3為新型接收機動態范圍檢測集成系統結構框圖。

數/模轉化器中的A/D轉化器采用高速高精度ADC芯片，最大采樣率可達100 MSPS，采樣精度16位，SFDR高達89 dB，典型信噪比為83 dB，有效提升了系統靈敏度和線性動態范圍，保證了測量精度。中頻回波信號經A/D直接采樣，輸出二進制補碼格式的16位數字量。

數字下變頻處理以ALTERA公司超大規模FPGA芯片為核心，結合外部SRAM（Static Random Access Memory，一種具有靜止存取功能的內存），以及動態隨機存儲器（Dynamic Random Access Memory，DRAM），從而實現實時高精度并行處理[4]。數字下變頻處理主要由 NCO 混頻 （Numerical Controlled Oscillator ）、CIC梳狀濾波（Compensated Ionization Chamber）、 FIR 抽取濾波器 （Finite Impulse Response）等部分組成。

ADC輸出的并行數字信號與FPGA內部集成的NCO進行數字混頻得到零中頻信號，經過CIC濾波器和FIR濾波器濾波抽取處理后，得到基帶I/Q信號，以滿足后端處理器處理速度和 VPX 總線傳輸速率要求。數字下變頻處理完全采用FPGA可編程方式實現，不受環境因素影響，靈活性高[5?8]。數字下變頻運算結果經VPX總線輸出至終端處理器進行數據分析和結果顯示，圖4為集成中的數字下變頻信號流程圖。

VPX總線是近幾年為滿足更大數據帶寬和更強散熱能力的要求下產生的一種新的總線規范。VPX全部采用的MultiGig RT2連接器，具有連接緊密、插入損耗小、和誤碼率低等優點，通過結合REDI（實時數據智能）構成的VPX?REDI平臺可滿足苛刻環境和大帶寬的工作需求。VPX支持多種并行和串行傳輸協議，主要包括VME64X和PCI并行總線協議[9?11]。為解決與CPCI（德國西匹茲）和傳統VME產品（Virtual Machine Environment）的兼容問題，VPX采用了一種同時帶有各種標準插槽的混合式背板結構，這樣在系統升級時仍可以保留大部分現有模塊。圖5為實現的集成測試系統硬件接口。

新型天氣雷達接收機動態范圍檢測集成系統能夠實現以下主要技術指標：

1） ADC精度：16位，100 MSPS采樣率；

2） 中頻輸入帶寬：≤10 MHz；

3） I/Q數據位寬：32 bit；

4） 中頻測試范圍：-85～15 dBm；

5） 動態范圍測試誤差：≤2 dB。

2.2 終端軟件界面

終端軟件通過VPX總線實時獲取I/Q數據，采用多次平均算法和噪聲閾值判別算法，并結合氣象雷達方程和系統常數，計算得出當前注入信號的反射率值。然后步進衰減射頻信號源輸出功率，得到相應的反射率值，以此循環直到衰減到最大量程，測試結束。終端根據計算得到的該組反射率值，采用最小二乘法擬合出接收機的動態范圍曲線，計算出斜率、方差、動態范圍等結果。軟件實現了流程化的測試內容和提示，形成測試報告并給出檢測意見，測試報告的自動化編輯和生成極大地提高了測試工作效率。圖6為終端軟件界面。

3 臺站測試與應用實例

根據終端軟件測試界面中的流程操作提示，只需將平臺測試點接入，按照需求啟動動態范圍測試，點擊“開始測試”即可，系統便會自動完成對天氣雷達接收機動態范圍的測試，并記錄測試數據，完成測試后即可生成測試報表和自動生成測試報告。圖7為自動生成的臺站實測天氣雷達接收機動態范圍測試數據。從實際應用的測試案例可以看出，本系統的性能測試效果良好，符合其參數規范和要求，說明本系統具有很好的可靠性和可用性。目前該集成系統已經成功應用于某S波段的接收機動態范圍測試工裝系統中，應用效果良好。

4 結 語

本文針對我國新一代天氣雷達站技術保障的現狀，介紹一種新型的天氣雷達接收機動態范圍測試集成系統。該系統高度集成數/模轉化器、數字下變頻處理模塊和VPX總線接口。其能夠在測試接收機動態范圍時，將射頻輸出處于關斷狀態，降低雷達系統對接收通道的影響，提高測試結果的準確性，能有效地解決傳統測試方法存在的不足。同時降低測試成本及對測試人員專業技能的要求，能夠實現智能化測試，自動生成測試報告，提高測試效率。通過研究希望能夠為天氣雷達系統的性能測試、雷達維護維修保障體系提供一種新的解決方案。

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