用于天氣雷達標定的便攜式頻譜儀設計

鄭鵬斌，李昭春

（1.海南省氣象探測中心，海南海口 570203；2.海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海南海口 570203）

我國目前已經部署了超過200 部新一代天氣雷達（以下簡稱“天氣雷達”），在預報服務、災害性天氣預警跟蹤方面發揮著重要的作用。天氣雷達標定的準確與否決定了其數據質量，進一步決定了天氣預報的質量。邵楠等[1-7]從數據質量的需求出發，在多個方面對天氣雷達標定技術以及故障診斷技術進行了研究。在天氣雷達標定中，頻譜儀有著不可代替的作用，可測量發射機輸出頻譜、極限改善因子以及接收機噪聲系數，并且在故障診斷時，可通過分析被測信號頻率、功率以及頻譜信息，達到故障定位的目的。周秀珍等[8-16]從理論到實際對頻譜儀進行了研究，已在各行各業投入使用。

在天氣雷達標定業務中，往往用不到臺式標準頻譜儀的所有功能，并且臺式標準頻譜儀比較笨重，運輸不便。借鑒以往在天氣雷達標定過程中使用臺式標準頻譜儀的經驗，基于是德科技的M9391A 頻譜分析板卡，開發了一臺專用于天氣雷達標定的便攜式頻譜儀。該頻譜儀針對天氣雷達定標的需求，對各類指標的測量方法進行了定制，方便用于天氣雷達標定。

1 總體設計

該設計基于是德科技M9391A 頻譜分析板卡和官方驅動，設計了頻譜功能軟面板和噪聲系數測量軟面板，用于設置參數以及顯示測量波形和結果[17-18]；開發了驅動管理程序，用于調動官方程序控制硬件資源對被測信號進行測量。總體框架如圖1 所示。

圖1 總體框圖

2 M9391A簡介

該設計采用是德科技的M9391A 頻譜分析板卡作為硬件采集模塊，其具備頻率分辨率為0.001 Hz、最大分析帶寬為160 MHz、頻率范圍為1 MHz～6 GHz的頻譜分析能力。M9391A板卡由M9300A參考頻率、M9301A 頻率合成器、M9350A 下變頻器和M9214A中頻處理器四部分組成。考慮到成本，該設計采用恒溫晶體振蕩器SOXO18B 代替M9300A 作為參考頻率，硬件連接圖如圖2 所示。SOXO18B 提供100 MHz參考頻率給頻率合成器，經頻率合成器內部的鎖相環和濾波器組處理，可輸出頻率為0.187 5～6 GHz、功率為-10～+10 dBm 的射頻本振信號，M9350A 將射頻測試信號與本振信號進行下變頻處理，得出的中頻信號傳送給M9214A 進行數字化處理，從而得到測量數據。

圖2 M9391A組成

3 軟面板設計

該設計的軟面板分為頻譜測量軟面板和噪聲系數測量軟面板。頻譜測量軟面板的各功能如下：Fre功能的Center Frequency、Start Frequency、Stop Frequency 可設置頻譜的中心頻率、起始頻率和截止頻率；Span 用于設置頻率的掃描帶寬；Amptd 功能下的Ref Level 用于設置頻譜儀參考電平并同時設置波形圖Y軸的最大值，Range 用于設置波形圖Y軸顯示范圍，Auto Once 根據當前顯示的數據由程序計算Y軸顯示范圍；RBW 用于設置頻譜儀分辨率帶寬，而Auto RBW 用于設置頻譜儀分辨率帶寬為自動模式，其值為Span/1 000；Trace 功能下的Clear 用于清除Trace 狀態，Average 用于設置波形平均次數，Max Hold 用于設置最大保持；Trigger 用于設置頻譜儀觸發電平，Free Run 用于設置頻譜儀觸發模式為自由觸發；Reset 用于重置頻譜儀設置參數；PeakSearch 用于查找信號的峰值，并用游標在波形圖上標識出來；Marker 功能下共有4 組Marker，每組Marker 有兩個游標，分別為主游標和Delta 游標。噪聲系數測量軟面板的各功能如下：Frequency 功能下的Mode 用于設置點頻或掃頻模式，IFFrequency 用于設置中頻頻率，Show Mode 可設置噪聲系數為固定頻點、波形、列表的形式；DUT 用于設置被測器件的類型，分為放大器、上變頻器、下變頻器；SNR Table 用于設置超噪比；Calibrate 用于噪聲源的校準；Average 用于設置平均功能的開關以及平均的次數。

4 驅動管理程序設計

按照新一代天氣雷達標定規范，頻譜儀需要具備頻譜、譜寬測量和噪聲系數測量兩項功能才能完成標定業務。為保證兼容性，需要借助M9391A 官方驅動程序重新編寫驅動管理程序。官方驅動由AgM90XA 驅動、AgM9391 驅動和KtXSAnNoiseFigure驅動3 部分組成。AgM90XA 驅動為頻譜儀模塊的中間驅動層，無法直接調用該驅動完成頻譜儀驅動程序的編寫，但需要該驅動完成所有控制指令的轉發，因此在驅動程序初始化時必須啟動該驅動程序；AgM9391 驅動程序為頻譜儀模塊實際控制程序，所有的頻譜儀模塊的操作最終均需由此完成，但該驅動未實現噪聲系數測試功能；噪聲系數測試功能由KtXSAnNoiseFigure 驅動通過連接到AgM90XA 驅動完成。

4.1 頻譜驅動管理程序設計

頻譜測量模塊通過調用AgM90XA 驅動程序中的AgM9391 驅動程序實現頻譜測試功能，主要用于雷達發射信號的譜寬、極限改善因子的測量，圖3 給出了頻譜測試功能的設計流程圖以及所調用的接口。

圖3 頻譜功能的設計流程以及所調用的接口

在調用Initialize 接口完成初始化后，頻譜儀模塊可以選擇工作在3 種模式下，分別為Spectrum、IQ和Power，通過調用AcquisitionMode 設置工作模式為頻譜模式。調用RF.Frequency 設置頻譜儀模塊的中心頻率前需要對設置的頻率進行校驗，防止設置的中心頻率處于頻譜儀模塊的工作頻率范圍之外。頻譜儀模塊通過設置參考電平來改變內部的放大器大小，提高頻譜儀模塊的動態范圍，調用RF.Power 設置頻譜儀模塊的參考電平之前對設置的參考電平進行校驗，防止設置的參考電平不被頻譜儀模塊支持。

調用SpectrumAcquisition.Configure 設置頻譜采集參數（Span 和RBW）之前需要對設置的參數進行校驗，對于頻跨，設置值不能太小，亦不能大于頻譜儀的工作頻率范圍；對于分析帶寬，將分析帶寬和視頻帶寬設置為相同值，即fRBW=fVBW，其值不能小于1且不能超過當前設置的頻跨，同時考慮到頻譜儀采集速度，在設計分析帶寬時限制了可輸入的范圍即限制了頻跨與分析帶寬的比值，其關系如下：

調用Triggers.AcquisitionTrigger.Mode 設置頻譜儀的觸發模式為立即觸發，等待頻譜儀模塊數據采集完成從AgM9391 驅動中獲取采集到的數據，根據設置的采集方式對數據進行處理。可使用的采集方式分別為原始數據顯示、平均、最大保持，其中采用平均的采集方式可以很大程度減小隨機噪聲對測試結果的影響。該設計采用滑動平均的算法，即該次所采集的數據與上一次已經平均過的數據進行比例相加，其公式如下：

其中，X為新采集到的波形數據，Avg[i-1] 為上次平均后的數據，N為平均次數。

4.2 噪聲系數驅動管理程序設計

噪聲系數測試模塊通過調用KtXSAnNoise Figure 驅動完成噪聲系數功能，用以測量天氣雷達接收機的噪聲系數。噪聲系數設計流程及調用接口如圖4 所示。

圖4 噪聲系數功能的設計流程

1）設置噪聲源工作模式

Corrections.ENR.SNSSetup.NoiseSourceState 接口用于設置噪聲源的工作模式，其可設置為冷熱態模式和自動模式。當噪聲源處于冷熱態模式時，表示用戶需要手動控制噪聲源關或開，驅動程序不再進行后面的流程，采用該模式需與雷達軟件相配合，完成整個接收通道（模擬段、數字段）的噪聲系數測量。當噪聲源為自動模式時，可自行控制噪聲源開關，用以完成模擬接收通道噪聲系數測量。

2）設置頻率

射頻工作頻率fRF可設置為點頻和掃頻兩種模式。通過Frequency.Fixed 接口設置fRF為點頻模式，調用Frequency.Center 和Frequency.Span 可設置為掃頻模式。另SweepCoupling.SweepPoint 可用以設置掃描點數。

3）設置噪聲系數測試的測量模式

通過DUTSetup.Type 接口設置噪聲系數測試的測量模式。噪聲系數測試共有3 種測量模式，分別為放大器模式、上變頻模式和下變頻模式。當選擇放大器模式時，噪聲系數測試無需再設置其他參數，準備開始噪聲源的校準。當噪聲系數測試處于上變頻模式或者下變頻模式時，需要設置噪聲系數測試的邊帶模式、本振頻率、中頻頻率，當為下變頻模式時，分別通過調用DUTSetup.DownConverter.Sideband、DUTSetup.DownConverter.LOFrequency、D UTSetup.DownConverter.IFFrequency 接口設置邊帶模式、本振頻率和中頻頻率，而當為上變頻模式時，則是通過DUTSetup.UpConverter.Sideband、DUTSetup.UpConverter.LOFrequency、DUTSetup.UpConverter.IF Frequency 接口來實現。

4）校 準

參數設置完成后，根據用戶選擇是否開始對噪聲源進行校準，通過Calibration.Initiate 接口對噪聲源進行校準。

5）讀取數據

校準完成后讀取頻譜儀模塊的測量結果，根據是否完成校準調用不同的接口讀取測試結果，如完成校準通過Trace.ArrayData.FetchUncorrected 接口獲取數據，若未完成校準則通過Trace.ArrayData.FetchCorrected 接口獲取數據。

5 雷達指標測量

在天氣雷達年度標定中，需要使用到頻譜儀項目的有3 項：發射機輸出頻譜及譜寬測量、發射機輸入輸出極限改善因子測量、接收機噪聲系數測量。

5.1 發射機輸出頻譜及脈寬測量

采用該設計的頻譜測量功能可完成發射機輸出頻譜及譜寬測量。在測量譜寬時，需設置采集方式為最大保持：首先存儲歷史數據，判斷現有數據與歷史數據長度是否一致，若不一致，意味著參數已修改，則清除歷史數據，從現有數據開始做最大保持；若一致，則把歷史數據的每一個點與現有數據的每一個點做對比，取較大值。該設計可自動讀取標定所需要的偏移功率-60～-10 dB 的譜寬，即譜寬讀取功能：根據Span 和RBW 可知采樣點數，把每一個采樣點編號，已知第一個點的頻率值和每相鄰兩個點之間的頻率差值Δf，即可根據編號得知每個點的頻率值。譜寬計算分左譜寬和右譜寬，左譜寬的計算方法：先找到頻譜功率最大值的點的編號X，找出從第一個點到X點的所有偏移功率值且為上升沿經過的點，取得編號最大值Y，用X減去Y得到值Z，Δf與Z相乘即可得到此偏移功率值的左譜寬。右譜寬的計算方法：先找到頻譜功率最大值的編號A，找出從第A點到最后一個點的所有偏移功率值且為下降沿經過的點，取得編號最小值B，用B減去A得到值C，Δf與C相乘即可得到此偏移功率值的右譜寬。左譜寬與右譜寬相加即可得到此偏移功率值的譜寬。

5.2 發射機輸入輸出極限改善因子測量

極限改善因子是反映信號在一定條件下的信號功率譜與噪聲功率譜之間的關系，采用該設計的頻譜測量功能可完成發射機輸入輸出極限改善因子測量。極限改善因子和信噪比的關系如下：

其中，I為極限改善因子，S/N為信噪比（dB），B為頻譜儀分析帶寬（Hz），F為雷達重復頻率（Hz）。利用該頻譜儀對某天氣雷達發射機的輸入極限改善因子進行實際測量，首先在面板上輸入測量參數：中心頻率為2.96 GHz，Span 為2 kHz，RBW 為3 Hz，調整參考電平至合理位置，讀取信噪比。例如重復頻率為644 Hz 的發射機輸入信噪比為75.24 dB，可算出輸入極限改善因子為51.92 dB。在測量過程中需注意發射機速調管的輸入信號功率大約為2 W，而該頻譜儀的最大輸入功率為1 W，需要在測量端加至少6 dB 的衰減器，以保證頻譜儀的安全。

5.3 接收機噪聲系數測量

接收機噪聲系數表征的是接收通道輸入與輸出的信噪比的值。在整個接收通道中，越前端的器件對噪聲系數的影響越大[19]。根據標定規范，天氣雷達中一般采用Y 因子方法測量整個接收通道噪聲系數，即在接收系統前端連接噪聲源，分別在噪聲源冷態（關閉噪聲源電源）和熱態（打開噪聲源電源）時測量接收系統的輸出噪聲功率P1和P2，計算公式為：

其中，ENR 為噪聲源超噪比（dB），P1為斷開噪聲源的讀數（mW），P2為接通噪聲源的讀數（mW），NF為噪聲系數（dB）。在實際應用中，為更好地了解接收通道器件的性能，特別是低噪聲放大器的噪聲性能和增益性能，一般采取DUT 方法測量模擬通道的噪聲系數。以采用下變頻模式的某雷達為例，在測量噪聲系數之前，需對噪聲源進行標校：設置模式為下變頻模式，邊帶模式為上邊帶，本振頻率為2.960 245 GHz，中頻頻率為57.55 MHz，然后進行噪聲源校準，校準完成后，噪聲源連接至低噪聲放大器的前端，通過專用的+28 V 電源供電，信號處理器的輸入端連接至頻譜儀，讀取噪聲系數值。

6 結論

該頻譜儀根據天氣雷達標定的要求，定制設計了頻譜測量功能、噪聲系數測量功能，在實際的測量中可準確測量天氣雷達的發射機輸入和輸出的頻譜、譜寬、極限改善因子以及接收通道的噪聲系數，用于天氣雷達年維護標定和年巡檢標定。在頻譜儀使用過程中，需對天氣雷達系統的輸出信號特性較為了解，以便于設置測量參數和防止燒毀頻譜儀。