一種天氣雷達三脈沖拼接方法研究與實現

四創電子股份有限公司 吳曉燕

氣象雷達在業務應用上越來越多的使用固態發射機，發射寬脈沖達到一定的探測距離，通過脈沖壓縮技術對回波壓縮處理來獲得較好的距離分辨率，通過不同寬窄的脈沖組合發射波形解決寬脈沖產生的近距離盲區問題。本文探討了一種三脈沖拼接技術在某型號全固態雙偏振天氣雷達中的應用。主要介紹了三脈沖補盲的具體實現和數據拼接計算方法，結合全固態天氣雷達實際回波數據進行分析。結果表明三脈沖拼接技術有效解決了寬脈沖近距離盲區問題。

本文主要介紹了應用于四創電子股份有限公司的一部全固態雙偏振天氣雷達使用的頻率分集三脈沖拼接技術，能夠解決探測量程與探測盲區的矛盾。采用并行多進程分布式設計方式，完成信號處理功能的實時處理，開放陣地優化配置參數，可根據實際陣地配置處理參數，使得算法更加優化，得到更好的氣象回波。

1 傳統組合脈沖組合方法

傳統補盲方法主要采用組合發射脈沖模式，先發射窄脈沖，然后發射寬脈沖，窄脈沖對寬脈沖產生的近距離盲區進行補盲。然而這種組合發射短脈沖的探測能力差，會導致近區一些弱回波探測不到。如圖1所示，紅線圈住的地方短脈沖弱回波探測不到，與長脈沖連接處出現空缺，補盲效果差。

圖1 傳統長短脈沖拼接反射率圖

2 頻率分集三脈沖拼接

采用頻率分集三脈沖拼接的方式處理回波，實現中脈沖對長脈沖的盲區進行補盲，短脈沖對中脈沖的盲區進行補盲，這樣就可以達到即能夠擁有大的探測距離量程，又能使得近距離的探測盲區在使用者的接受范圍之內。如圖2所示，在導前之后，首先發射t_1us用于采樣和測試的數據，然后發射長脈沖T_lus，接著是中脈沖T_mus，最后才是短脈沖T_sus，短脈沖發射結束后，才開啟接收機收取回波信號。采樣率為fsMHZ，因此各通道的偏移量如下所述。

圖2 三脈沖時序示意圖

圖3 三脈沖時序零庫位置圖

零庫偏移量：三個脈沖通道的回波數據所在的零庫位置是不一致的，每個脈沖通道其回波零庫所在的位置在該通道的發射脈沖前沿，因此在做各通道的數據截取時需要每個通道單獨對齊該通道的零庫位置，如長中短脈沖需要分別偏移如圖3中Bin_l，Bin_m，Bin_s個距離單元才能找到真正的零庫。其中距離庫數如下式求得：

脈壓偏移量：脈沖壓縮會帶來壓縮后的脈尖（主瓣)偏離信號的前沿（脈尖在信號的后沿)，假設脈沖寬度為N點，那么脈壓后信號的點數為2*N-1點，由于零庫對齊的位置在脈沖前沿，因此需要偏移N-1點使得脈尖指向脈沖信號的前沿，為了便于說明，將中脈沖，長脈沖通道關于脈沖壓縮的偏移量定義為N1，N2。

數據選取偏移量：在經過零庫偏移后，各通道的零庫位置已經對齊，那么接下來需要截取各通道的數據。T_sus短脈沖是針對T_mus中脈沖的補盲，T_mus的中脈沖通道，從其脈沖前沿至接收觸發時刻，至少有(T_m+T_s)us的盲區，再加上門套等因素，需要加上部分冗余(ΔTus)，設定T_sus對T_mus的補盲區域為Tbm=(T_m+T_s+ΔT)us，fs*Tbm個距離單元，即L1=fs*Tbm。T_mus中脈沖是針對T_lus長脈沖的補盲。長脈沖通道盲區從其脈沖前沿到接收觸發時刻，至少有(T_m+T_s+T_l)us，再加上門套等因素，冗余ΔT2us，長脈沖通道盲區至少有Tbl=(T_l+T_m+T_s+ΔT2)us。但由于Tblus中有Tbmus的數據通過短脈沖實現了補盲（即圖4中拼接后數據的藍色部分)，因此中脈沖通道需要在零庫的Tbmus（L1個距離單元)后截取(Tbl－Tbm)us、L2=fs*(Tbl－Tbm)個距離單元的數據，即拼接后的紅色部分。長脈沖通道中的數據在零庫后的Tblus、(L1+L2)個距離單元之后開始截取數據。如圖4、圖5所示。

圖4 三脈沖數據拼接

圖5 三脈沖拼接示意

圖7 體掃仰角6°濾波前水平反射率PPI圖

圖8 體掃仰角14°濾波前水平反射率PPI圖

圖9 圖7-15到20km放大圖

圖10 體掃仰角14°速度PPI圖

綜上所述，如顯示拼接前和拼接后數據變化。短脈沖我們取中短脈沖通道(t_1+T_l+T_m)～(t_1+T_l+T_m+t_short)us，其中t_short=T_m+T_s+T0，T0為接收機多送的短脈沖，通過配置冗余ΔTus，得到補盲區域Tbmus，L1個距離單元。

中脈沖選擇中脈沖通道(t_1+T_l+T_m)～(t_1+T_l+T_m+t_mid)us數據，其中t_mid=T_l+T_m+T1，多送了(T_m+T1)us，多送T_m是中脈沖脈壓時防止后續計算數據不夠導致脈壓結果.最后一個模目所示，導致中脈沖與長脈沖之間脈壓數據不夠填零快速下降而不連續。脈壓計算后通過數據偏移和截取選擇使得拼接區域連續。多送的T1us中脈沖，通過配置冗余ΔT2us，得到補盲脈壓偏移后的區域t2=T_l+ΔT2－ΔT=Tbl－Tbmus，L2個距離單元。

長脈沖選擇長脈沖通道(T_1+T_l+T_m)～下一個導前數據，得到脈壓偏移后的區域t3=t_long－ΔT2－T_lus，L3=fs*t3個距離單元。

3 工程實現

四創電子股份有限公司某型號全固態雙偏振天氣雷達信號處理系統主要采用基于通用服務器的軟件化平臺，三脈沖拼接和脈沖壓縮算法實現主要是基于Qt和英特爾R集成性能Intel IPP(Integrated Performance Primitives)庫開發，選用多線程并行處理的軟件架構進行程序設計。軟件化平臺可以通過配置不同脈沖寬度拼接長度調整參數，使得回波拼接效果更好。圖6為2020年05月01日17分使用(1+20+50)us三脈沖體掃探測經信號處理器處理后保存回波基數據，Matlab根據基數據繪制的仰角6°左右濾波前水平反射率PPI圖。圖7和圖9這兩張圖中三脈沖拼接出過渡較為連續，補盲效果較好。圖8為圖7-15到20km放大圖，從圖中可以看到拼接處的圓環，對比傳統脈沖拼接效果要好很多，窄脈沖都能探測到弱回波，拼接效果很好。

結束語：本文研究了三脈沖拼接技術在全固態雙偏振天氣雷達中的應用。利用全固態天氣雷達探測到的回波信息對三脈沖拼接補盲理論進行了分析和驗證。結果表明三脈沖拼接技術對比傳統長短脈沖拼接，在全固態天氣雷達中得到了很好的實現，有效改善了寬脈沖近距離盲區問題，探測到的天氣回波特征與理論分析結果一致。