專利名稱：便攜式x波段多普勒天氣雷達信號處理方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣象探測電子設(shè)備，尤其是便攜式x波段多普勒天氣雷達信號處理方法及裝置。
背景技術(shù)：
1)目前磁控管中頻體制中，多普勒天氣雷達大多數(shù)采用模擬接收技術(shù)，如線性放大器，對數(shù)放大器，模擬I/Q解調(diào)，自動頻率跟蹤(AFC)等。其缺點有以下幾點 線性動態(tài)范圍低，滿足不了雷達的探測性能要求； I/Q信號的幅相平衡難以保證，影響多普勒速度和譜寬； 線性放大器受溫度影響較大，難以滿足探測精度要求； 自動頻率跟蹤方式，難以調(diào)整，且頻率穩(wěn)定度差。
2)傳統(tǒng)上，數(shù)字信號處理器采用低頻采樣(I/Q)，由專用的信號處理器芯片(DSP)進行信號處理，得到云、雨等降水的強度、速度和譜寬，缺點是需要獨立的電腦設(shè)備進行信號處理，增加了雷達設(shè)備量。
3)傳統(tǒng)普勒天氣雷達結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，重量重；一般在固定地點使用，無法靈活的選擇山頂、或一般樓頂作為觀測地點來使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提出一種多普勒天氣雷達，利用數(shù)字中頻及初相補償技術(shù)，提高了雷達的測速性能；對信號處理提出一種寬帶接收方法，省去了自動頻率跟蹤，簡化了接收裝置；提出一種虛擬信號處理技術(shù)，使用PC機直接進行實時信號處理，省去了專用的DSP處理器，使得設(shè)備簡化、可靠，使用維護更加方便；實現(xiàn)了遠程數(shù)據(jù)傳輸及遠程遙控功能；提出一種便攜式結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得該雷達更加機動、靈活，架設(shè)使用方便。
本發(fā)明技術(shù)方案是便攜式X波段多普勒天氣雷達的信號處理方法在由天饋線分系統(tǒng)、發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、數(shù)字中頻接收機、信號數(shù)據(jù)處理終端分系統(tǒng)、伺服分系統(tǒng)、監(jiān)控及電源分系統(tǒng)構(gòu)成的硬件基礎(chǔ)上，接收分系統(tǒng)對信號處理采用寬帶接收方法，以低噪聲場效應(yīng)管放大器構(gòu)成主路放大器、并與參考信號放大器(支路放大器)和鎖相本振，高穩(wěn)定鎖相本振和鏡象抑制混頻器構(gòu)成；采用寬帶接收技術(shù)，在中頻45MHz～75MHz范圍內(nèi)，自動捕獲和跟蹤目標信號；主路放大器由低噪聲場放、混頻器及前置中放等組成；主要用來選擇回波信號，并對其進行放大和頻率變換，輸出中頻回波信號；支路放大器由混頻器及中頻放大器組成；對小孔耦合起耦合過來的發(fā)射機主波進行頻率變換及幅度放大，直接混頻，變成中頻信號，輸出中頻參考信號送入信號處理分系統(tǒng)；基準時鐘信號發(fā)生器包括鎖相本振，鎖相本振由晶體振蕩器、單點介質(zhì)鎖相源及鎖相振蕩器、功分器等組成；它與高頻脈沖信號混頻產(chǎn)生中頻信號，同時輸出100MHz基準信號?；鶞市盘査偷交鶞蕰r鐘信號發(fā)生器；基準時鐘信號發(fā)生器經(jīng)過濾波、變頻、放大、濾波后輸出80MHz的時鐘基準，送到信號處理分系統(tǒng)作為時鐘基準；從天饋線分系統(tǒng)接收到的微弱的高頻回波信號，經(jīng)環(huán)行器、放電管限幅器后送入接收分系統(tǒng)的主路放大器，進行頻率變換和由低噪聲場放進行放大、然后送到鏡像抑制混頻器中，在混頻器中回波信號與本振信號進行混頻，輸出的60MHz±15MHz中頻信號；將中頻回波信號進行濾波放大后送往數(shù)字中頻接收機。
使用虛擬信號處理技術(shù)，使用PC機直接進行實時信號處理，省去了專用的DSP處理器。數(shù)字中頻接收機采用高速和高精度A/D變換器進行回波和發(fā)射脈沖(主波)中頻采樣，數(shù)字IQ解調(diào)利用浮點DSP進行發(fā)射脈沖進行本地實時頻譜分析和處理，提取發(fā)射脈沖樣本信息進行幅相校正，產(chǎn)生系統(tǒng)時序信號；傳遞伺服系統(tǒng)控制信息以及系統(tǒng)監(jiān)控狀態(tài)信息；相干處理后的雙路相互正交數(shù)據(jù)(IQ數(shù)據(jù))由光纜傳輸至異地信號處理終端。
便攜式X波段多普勒天氣雷達，由天饋線分系統(tǒng)、發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、數(shù)字中頻接收機、信號數(shù)據(jù)處理終端分系統(tǒng)、伺服分系統(tǒng)、監(jiān)控及電源分系統(tǒng)組成；所述接收分系統(tǒng)包括低噪聲場效應(yīng)管放大器(主路放大器)、參考信號放大器(支路放大器)組成；主路放大器由低噪聲場放、高穩(wěn)定鎖相本振和鏡相抑制混頻器，混頻器及前置中放等組成。支路放大器由混頻器及中頻放大器組成；對小孔耦合起耦合過來的發(fā)射機主波進行頻率變換及幅度放大，直接混頻，變成中頻信號，輸出中頻參考信號送入信號處理分系統(tǒng)；從天饋線分系統(tǒng)接收到的微弱的高頻回波信號，經(jīng)環(huán)行器、放電管限幅器后送入接收分系統(tǒng)的主路放大器，由低噪聲場放進行放大、然后送到鏡像抑制混頻器中，在混頻器中回波信號與本振信號進行混頻，輸出的60MHz±15MHz中頻信號，將中頻回波信號進行濾波放大后送往數(shù)字中頻接收機；基準時鐘信號發(fā)生器包括鎖相本振，鎖相本振由晶體振蕩器、單點介質(zhì)鎖相源及鎖相振蕩器、功分器等組成。它與高頻脈沖信號混頻產(chǎn)生中頻信號，同時輸出100MHz基準信號?；鶞市盘栠B接基準時鐘信號發(fā)生器?；鶞蕰r鐘信號發(fā)生器經(jīng)過濾波、變頻、放大、濾波后輸出80MHz的時鐘基準，送到信號處理分系統(tǒng)作為時鐘基準；數(shù)字中頻接收機采用對60MHz的回波和發(fā)射參考脈沖分別進行采樣的高速、高精度14位的A/D變換器，在數(shù)字域里進行I/Q變換，晶體振蕩器輸出一路100MHz的信號作為基準時鐘信號發(fā)生器的輸入信號，基準時鐘信號發(fā)生器經(jīng)過濾波、變頻、放大、濾波后輸出80MHz的時鐘基準，送到信號處理分系統(tǒng)作為時鐘基準。
數(shù)字中頻接收機采用DIFR6數(shù)字接收機和OPTIC PCI光纖接口板組成。DIFR6數(shù)字接收機完成中頻采樣，數(shù)字IQ解調(diào)，伺服信號的傳遞等，形成的數(shù)字IQ信號由光纖傳輸；OPTIC PCI接口板實現(xiàn)光纖接口轉(zhuǎn)換，進行雙路數(shù)字中頻采樣，完成數(shù)字IQ解調(diào)，輸出正交IQ信號；實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸；對發(fā)射脈沖進行瞬時采樣，并進行幅相校正；產(chǎn)生系統(tǒng)時序信號；傳遞伺服系統(tǒng)控制信息以及系統(tǒng)監(jiān)控狀態(tài)信息；本系統(tǒng)采用寬帶接收設(shè)計，省去了自動頻率跟蹤裝置。
數(shù)字接收機產(chǎn)生整個雷達的定時信號，數(shù)字接收機缺省設(shè)置為12個觸發(fā)輸出，為RS422差分輸出。各個觸發(fā)的延時，脈寬，極性及重復(fù)頻率等軟件可設(shè)。數(shù)字中頻接收機還產(chǎn)生數(shù)字AFC或模擬AFC輸出，連接控制系統(tǒng)的磁控管振蕩頻率或本振頻率的控制端。模擬AFC輸出的增益和偏置可調(diào)。
發(fā)明效果本發(fā)明利用數(shù)字中頻及初相補償技術(shù)，提高雷達探測性能； 采用寬帶接收技術(shù)，省去了自動頻率跟蹤，簡化了接收裝置；采用虛擬終端軟件信號處理技術(shù)，使用PC機直接進行實時信號處理，省去了專用的DSP處理器，使得設(shè)備簡化、可靠，使用維護更加方便；實現(xiàn)了遠程數(shù)據(jù)傳輸及遠程遙控功能； 新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使雷達更加機動、靈活，架設(shè)使用方便。
主要技術(shù)參數(shù)工作頻率X波段；探測目標中等強度的降水目標；探測范圍距離2km～150km；高度0km～20km；方位0°～360°；仰角0°～90°；強度≤80dBz；速度+24m/s(距離150km)；譜寬16m/s。
探測誤差(標準偏差)距離≤150m；角度≤1°；高度≤300m(距離＜100km)；強度≤1dB；速度1m/s；譜寬1m/s。傳輸距離500m分辨率 距離150m；方位1.5°；仰角1.5°；強度1dBz；速度1m/s；譜寬1m/s。
開機時間 正常≤10min。連續(xù)工作時間8h。
電源供電方式市電、油機；電源電壓220(1±10％)V 頻率50(1土3％)H全機耗電量≤1.5kW。
環(huán)境條件要求溫度-10℃～40℃；相對濕度0～95％(35℃)；海拔高度3000m以下。電磁兼容連接電阻不大于10Ω。
可靠性和維修性MTBF500h；MTTR30min(有備件情況下)。


圖1是本發(fā)明雷達組成框2接收分系統(tǒng)組成框3是數(shù)字中頻接收機組成框4監(jiān)控輸入MON串口時序圖如圖4。
圖5監(jiān)控串行CNTL輸出接口時序6便攜式X波段多普勒天氣雷達終端系統(tǒng)圖7多普勒天氣雷達終端信號處理框8是雷達發(fā)射脈沖示意9便攜式X波段多普勒天氣雷達組成示意10本發(fā)明構(gòu)成框11是本發(fā)明高放電路圖12是本發(fā)明得到的雷達波形(兩點間距波形)圖13是本發(fā)明得到的雷達波形弱(回波區(qū)波形)圖9中1.工作車2.主控箱與電源機箱 3.天線 4.天線座 5.發(fā)射機箱6.撐腳、7.千斤頂8.光纜盤9.汽油發(fā)電機組10.接線板11.電腦12.UPS 13.進線盒具體實施方式
便攜式X波段多普勒天氣雷達由天饋線分系統(tǒng)、發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、數(shù)字中頻接收機、信號數(shù)據(jù)處理終端分系統(tǒng)、伺服分系統(tǒng)、監(jiān)控及電源分系統(tǒng)等8個分系統(tǒng)組成。雷達組成框圖如圖1所示主要分系統(tǒng)技術(shù)方案1、接收分系統(tǒng)接收分系統(tǒng)的構(gòu)成是，對天饋線分系統(tǒng)輸出的的微弱的高頻脈沖回波信號進行放大和頻率變換，將中頻回波信號進行濾波放大后送往數(shù)字中頻接收機。本分系統(tǒng)采用了低噪聲場效應(yīng)管放大器、高穩(wěn)定鎖相本振和鏡頻抑制混頻器，具有噪聲系數(shù)低，接收靈敏度高的顯著特點。中頻接收機是數(shù)字中頻及初相補償技術(shù)，提高了雷達的測速性能；對信號處理提出一種寬帶接收方法，省去了自動頻率跟蹤，簡化了接收裝置；提出一種虛擬信號處理技術(shù)，使用PC機直接進行實時信號處理，省去了專用的DSP處理器，接收分系統(tǒng)由低噪聲場效應(yīng)管放大器(主路放大器)、參考信號放大器(支路放大器)、鎖相本振等部分組成。
主路放大器由低噪聲場放、混頻器及前置中放等組成。主要用來選擇回波信號，并對其進行放大和頻率變換，輸出中頻回波信號。
主路放大器增益為30dB，帶寬為±15MHz，滿足寬帶接收的需要。
支路放大器是對小孔耦合起耦合過來的發(fā)射機主波進行頻率變換及幅度放大，輸出中頻參考信號。它由混頻器及中頻放大器組成。支路放大器的增益為0～10dB可調(diào)，滿足數(shù)據(jù)中頻接收機對輸入“Brust”信號(突發(fā)信號)幅度的要求。
基準時鐘信號發(fā)生器包括鎖相本振，鎖相本振由晶體振蕩器、單點介質(zhì)鎖相源及鎖相振蕩器、功分器等組成。它是超外差雷達接收機主要組成部分，它與高頻脈沖信號混頻產(chǎn)生中頻信號，同時輸出100MHz基準信號?；鶞市盘査偷交鶞蕰r鐘信號發(fā)生器。基準時鐘信號發(fā)生器輸出時鐘基準到信號處理系統(tǒng)，作為信號處理信號的時鐘基準，設(shè)定輸出時鐘信號頻率為80MHz。
組成框圖如圖2所示工作原理從天饋線分系統(tǒng)接收到的微弱的高頻回波信號，經(jīng)環(huán)行器、放電管限幅器后送入接收分系統(tǒng)的主路放大器，由低噪聲場放進行放大、然后送到鏡像抑制混頻器中，在混頻器中回波信號與本振信號進行混頻，輸出的60MHz±15MHz中頻信號，本系統(tǒng)采用寬帶接收設(shè)計，省去了自動頻率跟蹤裝置。
由小孔耦合器耦合輸出的發(fā)射機主波信號送入接收系統(tǒng)的支路放大器，直接混頻，變成中頻信號，再進行放大，然后將中頻參考信號送入信號處理分系統(tǒng)。
晶體振蕩器輸出一路100MHz的信號作為基準時鐘信號發(fā)生器的輸入信號，基準時鐘信號發(fā)生器經(jīng)過濾波、變頻、放大、濾波后輸出80MHz的時鐘基準，送到信號處理分系統(tǒng)作為時鐘基準。
2、數(shù)字中頻接收機數(shù)字中頻接收機功能數(shù)字中頻接收機采用高速和高精度A/D變換器進行回波和發(fā)射脈沖(主波)采樣，利用浮點DSP進行發(fā)射脈沖進行本地實時頻譜分析和處理，提取發(fā)射脈沖樣本信息進行幅相校正，相干處理后的IQ數(shù)據(jù)(雙路相互正交數(shù)據(jù))由光纜傳輸至異地信號處理終端。數(shù)字中頻接收機主要有DIFR6數(shù)字接收機和OPTIC PCI光纖接口板等組成。DIFR6數(shù)字接收機完成中頻采樣，數(shù)字IQ解調(diào)，伺服信號的傳遞等，形成的數(shù)字IQ信號由光纖傳輸；OPTIC PCI接口板實現(xiàn)光纖接口轉(zhuǎn)換，并具有模擬IQ輸出功能。該系統(tǒng)的主要功能如下a) 進行雙路數(shù)字中頻采樣，完成數(shù)字IQ解調(diào)，輸出正交IQ信號；實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸。對發(fā)射脈沖進行瞬時采樣，并進行幅相校正；b)產(chǎn)生系統(tǒng)時序信號；傳遞伺服系統(tǒng)控制信息以及系統(tǒng)監(jiān)控狀態(tài)信息；數(shù)字中頻接收機組成框圖如圖3構(gòu)成其構(gòu)成和主要特點a、采用高速、高精度14位的A/D變換器，對60MHz的回波和發(fā)射參考脈沖分別進行采樣，在數(shù)字域里進行I/Q變換，并對發(fā)射脈沖的初相進行校正，從而極大地擴大了雷達的線性動態(tài)范圍，提高了雷達的探測精度。去掉了傳統(tǒng)模擬接收機中的對數(shù)放大支路、AGC電路、STC控制等電路，大幅減少系統(tǒng)離散元器件，提高系統(tǒng)的可靠性。數(shù)字中頻接收機的應(yīng)用，使得信號傳輸更加簡單，可進行遠距離(500m)的數(shù)據(jù)傳輸，同時增強了抗干擾能力。
b、寬帶接收技術(shù)，可在中頻45MHz～75MHz范圍內(nèi)，自動捕獲和跟蹤目標信號，從而省去了自動頻率跟蹤裝置(如電機調(diào)諧裝置)，使得設(shè)備簡化，提高了雷達的性能和可靠性。
工作原理數(shù)字中頻接收機首先對回波IF和主波(磁控管)中頻信號進行采用和分析，處理得到相干的零中頻正交IQ信號，然后通過全雙工光纖接口傳送至異地終端處，異地終端處配有光纖接口PCI接口和其行通信。數(shù)字接收除了完成常規(guī)的中頻處理及分析外，還產(chǎn)生整個雷達的定時信號，數(shù)字接收機缺省設(shè)置為12個觸發(fā)輸出，為RS422差分輸出。各個觸發(fā)的延時，脈寬，極性及重復(fù)頻率等軟件可設(shè)。數(shù)字中頻接收機還產(chǎn)生數(shù)字AFC或模擬AFC輸出，用于控制系統(tǒng)的磁控管振蕩頻率或本振頻率。模擬AFC輸出的增益和偏置可調(diào)。數(shù)字接收機帶有前端監(jiān)控接口和狀態(tài)指示輸出。監(jiān)控接口包括串行的方位，俯仰輸入及監(jiān)控狀態(tài)輸入和監(jiān)控命令輸出，其均為RS422電平。同時保留有3位的RS422差分輸出和3位RS422差分輸入作為備用接口。
輸入輸出接口數(shù)字中頻接收機主要有模擬接口和數(shù)字接口兩部分，模擬接口如下

數(shù)字中頻接收機工作在磁控管方式，模擬輸入信號為IF回波和IF主波，要求輸入的主波脈沖幅度為-5～6dBm之間，為了獲得較好的信噪比，推薦幅度范圍為0～6dBm，但最大幅度不能超過+6dBm。
數(shù)字接收機的動態(tài)范圍高達80dB以上，數(shù)字接收機能夠正常工作的最大輸入功率為+14dBm，但是數(shù)字接收機在輸入回波功率大于+6dBm時有一定的非線性失真，為了保持整機具有較大的動態(tài)范圍同時留有裕量，推薦前端對IF回波的最大驅(qū)動能力應(yīng)可達+10dBm左右，但是如果整機系統(tǒng)對動態(tài)范圍要求不需這么高，則高端的驅(qū)動能力可以降低。
參考時鐘的輸入幅度可為0～6dBm，為了避免時鐘信號對IF信號的干擾，參考時鐘的幅度最大不要超過+6dBm，推薦為0dBm，如過強，應(yīng)加外部衰減器。同時為了獲得整機的高性能，參考時鐘應(yīng)具有較高的相噪指標。
數(shù)字接口信號數(shù)字中頻接收機的所有數(shù)字輸入輸出信號通過一個DB37/Female插座和一個DB25/Female插座輸出。
DIFR6輸出的數(shù)字控制信號包括數(shù)字接收機本身的工作狀態(tài)信號，監(jiān)控輸入輸出信號及部分保留信號。標有“+-”的輸出信號為RS422差分電平，其余為TTL，但RS422輸出信號的“+”端可作為TTL輸出。所有的保留信號或不用的信號應(yīng)懸空。
監(jiān)控串行接口時序數(shù)字中頻接收機具有兩個同步串行接口，其中一個為控制命令輸出至監(jiān)控的CNTL串口，另一個為來自監(jiān)控的ON串口。其中CNTL輸出串口幀長為24位，推薦方式為高8位為命令類型，低16位為相應(yīng)命令下的參數(shù)(數(shù)字接收機本身只提供相應(yīng)的物理通信通道，無需知道數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容和格式)。而MON輸入端口為48位，其中高16位為方位，中16位為俯仰，低16位監(jiān)控狀態(tài)。所有串行接口均為高位在前，低位在后(左移方式)。
圖4監(jiān)控輸入MON串口時序圖如圖4。先送AZ最高位至AZ最低位，再送EL最高位置最低位，最后為狀態(tài)最高位至最低位，所有數(shù)據(jù)在時鐘上升沿有效，一幀共48位。MONSCK時鐘頻率最大可為20MHz。
終端向監(jiān)控輸出的CNTL串口時序一幀共24位，先送最高位，再至最低位，所有數(shù)據(jù)在時鐘上升沿有效。當前缺省輸出時鐘頻率為500KHz，監(jiān)控串行CNTL輸出接口時序5。
觸發(fā)輸出數(shù)字中頻接收機共有12個通用觸發(fā)輸出，其輸出電平為RS422，輸出插座形式為DB25/Female。電源接口數(shù)字接收機工作于單5V電源，電源插座為四芯，引腳分配如下

數(shù)字中頻接收機最大工作電流為近2.2A，我們采用3A模擬電源供電。
由于數(shù)字接收機實際為高速大型信號處理器，所以其對電源電流的消耗較大，并且其產(chǎn)生的高頻數(shù)字噪聲可能通過電源耦合到其他地方，所以在接收機中將數(shù)字接收機的電源和前端噪聲敏感性模塊的電源進行隔離，場放，前中等使用獨立的線性電源，以獲得更好的系統(tǒng)性能。
3、信號數(shù)據(jù)處理終端分系統(tǒng)便攜式X波段多普勒天氣雷達終端的獨到之處，就是利用計算機(PC機)來完成實時信號數(shù)據(jù)處理的工作，即虛擬終端信號處理技術(shù)。本雷達終端處理軟件包含雷達信號的實時處理(含數(shù)據(jù)預(yù)處理)、數(shù)據(jù)存儲、實時顯示(用戶圖形交互界面)(1)圖象顯示(2)狀態(tài)監(jiān)控(3)雷達工作參數(shù)設(shè)置)、雷達的二次產(chǎn)品等。本軟件采用了C++語言開發(fā)，支持WINDOWS系統(tǒng)如WINDOWS2000/NT/9X操作系統(tǒng)。
本軟件包括兩個主要部分，一是負責管理PCI接收卡的設(shè)備驅(qū)動程序，主要功能是完成對實時采集數(shù)據(jù)進行接收、緩沖和傳輸。二是雷達終端實時信號處理軟件，主要功能是對實時采集的原始數(shù)字信號進行處理，生成強度、速度和譜寬信號，實時顯示雷達掃描數(shù)據(jù)和后處理數(shù)據(jù)分析，控制整個雷達系統(tǒng)的工作方式和存儲回波數(shù)據(jù)。
圖6是整個軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖中清楚的反映了兩層應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)關(guān)系和功能，應(yīng)用層的雷達終端處理軟件通過用戶交互的方式向驅(qū)動程序發(fā)出控制命令，再由驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)對接收卡相應(yīng)的控制。驅(qū)動程序通過接收卡獲取實時觀測的數(shù)據(jù)后，通知雷達終端處理軟件對采集的數(shù)據(jù)進行信號處理、存儲和顯示。
(一)、信號處理主要功能從PCI數(shù)據(jù)接收卡得到的線性I和Q數(shù)據(jù)，先進行異步干擾消除運算，通過比較相鄰雷達周期相同距離單元上信號的幅度，可基本消除其它雷達對本雷達的干擾。通過對大信號進行幅度修正的算法，可提高接收機6dB左右的動態(tài)范圍，修正值根據(jù)實際測試結(jié)果而得到。然后進行地雜波抑制處理，如果采用PPP處理，則采用FIR算法對雜波進行消除；如果采用FFT處理，則在頻域進行地雜波抑制處理。PPP處理和FFT處理可由用戶進行選擇，得到強度、速度和譜寬的數(shù)據(jù)。軟件通過對不同脈沖進行相位編碼或隨機相位的方式，消除二次回波的干擾，從而擴展無模糊距離。通過雙重頻方式，擴展無模糊速度。通過SQI、LOG等參數(shù)對信號質(zhì)量進行控制。奇異點濾波處理是通過回波之間的相關(guān)性，濾除一些奇異點，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。為了保證計算的精確，全部數(shù)據(jù)都采用了32位浮點計算和存儲，一些函數(shù)如sin、log等，采用了計算機CPU內(nèi)部的浮點協(xié)處理器進行計算，而不采用硬件信號處理器所通常采用的查表和擬合的方法。軟件還具備對雷達發(fā)射功率、接收機噪聲系數(shù)、接收機增益等影響測量精度的因素進行補償?shù)墓δ?。見圖7多普勒天氣雷達終端信號處理框圖。
(二)、信號處理主要參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)距離庫長150m、300m；距離庫數(shù)最大為1000測量范圍150km(150m庫長)；300km(300m庫長)600km(600m庫長)；重復(fù)頻率200-2000Hz，頻率連續(xù)可變；脈寬控制1，2，4，8(us)。
強度處理處理方式DVIP；方位處理脈組累積平均；方位平均次數(shù)16/32/64/128/256次可選；強度處理范圍0-600Km。
輸出強度信號對消或不對消，16bit dB值；估值精度1dB。
基本速度和譜寬處理(PPP，F(xiàn)FT)處理方式對I、Q信號進行PPP或FFT處理PPP處理脈沖數(shù)16/32/64/128/256可選FFT處理點數(shù)16/32/64/128/256點(全程FFT)輸出平均徑向速度和譜寬。V，B為16Bit歸一化值，譜寬估計采用高精度的二價相關(guān)法。估值精度1m/s速度去模糊處理(APRF，DPRF)解速度模糊處理參差重頻APRF或雙重復(fù)頻率DPRF，參差比2/3，3/4脈沖積累數(shù)16/32/64/128/256，估值精度1m/s。
反射率差ZDR處理方式平方律估值，脈沖積累數(shù)16/32/64/128/256，估值精度0.2dB傳播相移PHDP處理方式PPP，脈沖積累數(shù)16/32/64/128/256。
地雜波抑制處理方式IIR濾波器；抑制能力30～50dB(八級可選)。單庫脈沖積累數(shù)16/32/64/128/256，IQ輸出方式，直接輸出未經(jīng)處理的來自數(shù)字接收機的距離向IQ信號，用于測試接收機的相位穩(wěn)，定度以及檢查雷達時域回波。
(三)、信號處理算法地雜波抑制為了濾除地物雜波，將采用FIR濾波器，對相參I、Q信號進行濾波處理。FIR濾波器的頻率響應(yīng)有很好的形狀(低旁瓣)，可以得到更大的雜波抑制，同時濾波的靈活性很好，對于不同的環(huán)境可選擇不同的權(quán)系數(shù)組，改變凹口的位置。
y(n)=Σk=0N-1h(k)x(n-k)]]>FIR濾波器的輸入信號和輸出信號關(guān)系如下其中N表示濾波器系數(shù)個數(shù)，h(k)表示濾波器系數(shù)。為了使濾波器組達到很好的截止特性，采用海明加權(quán)，來降低副瓣的影響。
強度處理采用數(shù)字中頻技術(shù)，大幅度提高了系統(tǒng)的線性動態(tài)范圍，因而接收機可取消對數(shù)中放，信號處理機也取消了LOG通道，而直接根據(jù)I、Q數(shù)據(jù)估計強度值，對于單點信號的強度，直觀地可由I、Q形成的復(fù)數(shù)的模的平方來表示Z=|I+jQ|2=SS*=I2+Q2]]>在實際處理中，為了滿足強度的估計精度優(yōu)于1db，同時為了降低噪聲干擾的影響，強度值需進行方位和距離上的平均。
dB=10logZ‾]]>Z‾=1NΣi=0N-1|Ii+jQi|2]]>速度和譜寬處理為提高系統(tǒng)測速精度，采用脈沖對處理器進行多卜勒信息的測量。PPP方法與FFT方法的主要區(qū)別就是不需要進行頻譜分析。PPP方法的優(yōu)點是運算設(shè)備量較小，靈敏度高，并具有一定的測速精度。
脈沖對處理的基本原理是基于運動目標的平均徑向速度可以用相鄰兩個回波信號的相位差的平均值來求得，即v‾r=1NΣi=1Nvi=λ4πTNΣi=1N(φi+1-φi)]]>式中T為雷達重復(fù)周期，N為相關(guān)平均次數(shù)，φi和φi+1分別為相鄰兩個回波信號的相位，λ為雷達波長。
設(shè)Si和S+1為相鄰兩個周期的回波信號Si=xi+jyi]]>Si+1=xi+1+jxi+1]]>φi+1-φi=tg-1[xiyi+1-xi+1yixixi+1+yiyi+1]=tg-1[Im{R(T)}Re{R(T)}]]]>根據(jù)公式推導(dǎo)，可以獲得相鄰兩個回波信號的相位差 即是間隔為T的相關(guān)函數(shù)R(T)。因此可以得到平均徑向速度為譜寬為w=λ4πTs23ln|R(1)R(2)|]]>去模糊算法對于一固定脈沖重復(fù)頻率的雷達，其最大無模糊速度可由下式表示
Vmax=±14λ×PRF]]>式中Vmax最大無模糊速度，λ雷達波長，PRF雷達脈沖重復(fù)頻度，其最大無模糊距離由下表示Rmax=12CTr=12C·1PRF]]>式中Rmax最大無模糊距離，C光速所以，其最大無模糊速度和最大無模糊距離的乘積為RmaxVmax＝±λC/8上式右邊為一常數(shù).因此，有時將會存在速度覆蓋和距離覆蓋不能兼顧的矛盾。為了克服這一矛盾，系統(tǒng)配備了速度和距離去模糊算法(APRF和DPRF)。
APRF算法根據(jù)速度公式V=λφ4πTr]]>當φ范圍超出(-π，π)時，速度估計將會產(chǎn)生模糊。APRF采用脈沖間隔依次為T1和T2(T1≠T2)的脈沖，對氣象目標進行采樣(一般T1＜T2)，該方法本質(zhì)上是對PPP的發(fā)展，其雷達發(fā)射的脈沖串如圖8所示)該法求相關(guān)值時，兩個相關(guān)值分別對S2k和S2k+1序列進行，見下兩式R(T1)=1NΣK=0N/2-1S2K+1S2K*]]>R(T2)=1NΣK=0N/2-1S2(K+1)S2K+1*]]>式中R(T1)相隔為T1脈沖串的自相關(guān)R(T2)相隔為T2脈沖串的自相關(guān)上述兩式相當于分別是脈沖重復(fù)時間為T1和T2時的脈沖對平均速度檢測，如用R(T1)檢測，其無模糊速度范圍為Vmax1＝±λ/4T1同理，僅用R(T2)檢測時Vmax2＝±λ/4T2但如果利用R(T1)和R(T2)的相差來檢測，即可擴大無模糊速度，速度估計公式為V=λ4π(T2-T1){arg[R(T2)]-arg[R(T1)]}]]>由于T2-T1可以比T1，T2中的任何一個小，如設(shè)φ＝arg[R(T2)]-arg[R(T1)]則同樣對于φ屬于(-π，π)，其速度估計Vmax將會擴大。即
V=λφ4πT2(1-K)]]>式中K＝T1/T2當K＝3/4時，Vmax可達3Vmax1或4Vmax2。顯然，T1和T2的差值越小，無模糊速度就越大，但同時其估計方差將會加大，因此，其差值不能太小，否則得到的估計將會無意義。同時對于距離Rmax=C(T1+T2)2]]>因此，該法擴展無模糊速度時對無模糊距離也有一定程度的擴展。這是因為對于Rmax之外無目標時，在計算R(T1)和R(T2)時，只有其中的一個取樣對存在，因此，對R(T1)和R(T2)的計算不存在影響。
根據(jù)理論計算結(jié)果如下


便攜式X波段多普勒天氣雷達主要由圖9中1.工作車2.主控箱與電源機箱3.天線4.天線座 5.發(fā)射機箱 6.撐腳7.千斤頂 8.光纜盤 9.汽油發(fā)電機組10.接線板11.電腦12.UPS 13.進線盒。其中，天線、天線座、發(fā)射機箱、主控箱及電源機箱、撐腳組合成一個整體，構(gòu)成系統(tǒng)的前端；而電腦終端和依維柯運輸工作車1構(gòu)成系統(tǒng)的后端。雷達的組成從電訊上分由八個分系統(tǒng)組成，分別是天饋線分系統(tǒng)；發(fā)射分系統(tǒng)；接收分系統(tǒng)；數(shù)字中頻接收機；伺服分系統(tǒng)；監(jiān)控分系統(tǒng)；信號數(shù)據(jù)處理終端分系統(tǒng)；電源分系統(tǒng)。
4、雷達從結(jié)構(gòu)上組成分為天線裝置、發(fā)射機箱、主控箱及電源機箱、雷達終端、汽油發(fā)電機組等五個部分。雷達的總布置圖如圖9所示。
數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)方案數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)在硬件上由一臺高性能計算機組成，輔助設(shè)備為一臺HUB與一臺UPS不間斷電源。在軟件上，數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)由四個部分組成，分別是實時接收程序、信號處理終端程序、二次產(chǎn)品處理程序以及產(chǎn)品管理系統(tǒng)四個部分組成。
(一)、實時處理程序的方案(1)、實時處理程序的功能a、完成雷達掃描方式的控制，如PPI、RHI、SPPI、CAPPI掃描，上下左右點動精確控制；b、支持掃描圖像以數(shù)據(jù)或者圖形方式(bmp，gif)的存儲，支持距離訂正和噪聲門限設(shè)置，支持圖像的打印輸出；c、實現(xiàn)對于雷達各個分機的狀態(tài)實時監(jiān)控并完成報警；d、實現(xiàn)對于雷達方位以及俯仰的標定功能，保證天線能停在用戶設(shè)定的任意位置，保護天線；e、實現(xiàn)對于雷達各個分系統(tǒng)的狀態(tài)實時監(jiān)控并完成報警；f、電子矢量地圖支持，支持矢量放大，實時定位，地圖分層，實時地圖疊加；g、另外，還有同屏多要素顯示、局部放大、接收GPS地理信息、操作員的用產(chǎn)管理等功能。
(2)、實時處理程序的界面實時處理程序的界面如下圖所示在圖形的最上方是菜單，中間主要部分是顯示圖形部分，在下方是捷面板，包括實時控制、掃描參數(shù)、系統(tǒng)狀態(tài)面板、歷史資料四個快捷面板。
(3)、實時接收程序的界面方案實時接收程序的界面如下(二)、信號處理程序方案(1)、信號處理程序的功能信號處理終端程序的主要功能是負責管理PCI接收卡的設(shè)備驅(qū)動程序，完成對實時采集數(shù)據(jù)進行接收、緩沖和傳輸，并監(jiān)控雷達狀態(tài)和天線位置。
在工作的時候，本程序負責對實時采集數(shù)據(jù)進行接收、緩沖和傳輸，并監(jiān)控雷達狀態(tài)和天線位置，并將數(shù)據(jù)送給實時接收程序。本程序的參數(shù)設(shè)置完畢以后，點擊“開始采集”按鈕，然后最小化，放在后臺運行。
(2)、界面的方案如下圖所示本程序也可以對雷達進行天線控制、開關(guān)發(fā)射機等方面操作，這些操作同實時接收程序是一樣的。在主界面左邊上半部分是雷達天線控制的按鈕，下半部分是信號處理器狀態(tài)顯示。在主界面的右半部分是一個圖形化的示波器，可以觀測接收到的數(shù)據(jù)。
在系統(tǒng)控制菜單下有定時控制的選項，點擊此選項打開如下圖所示的界面，可以對數(shù)據(jù)中頻接收機的工作模式進行控制。包括處理模式、脈沖積累數(shù)、重復(fù)頻率、觸發(fā)脈沖等控制。
定時控制的界面(三)、二次產(chǎn)品處理程序方案(1)、二次產(chǎn)品程序的功能二次處理系統(tǒng)主要對實時接收到的數(shù)據(jù)進行進一步的處理，來獲取更多的氣象信息。主要產(chǎn)品如下所示☆基本數(shù)據(jù)產(chǎn)品雷達反射率因子R；平均多普勒速度V；譜寬SW；實時PPI(平面位置顯示)；RHI(距離高度顯示)；非實時PPI、RHI、CASPPI(等高平面位置顯示)；VCS(任意方向垂直剖面)；ETSPPI(回波頂高平面位置顯示)。
☆ 雷達反射因子場產(chǎn)品；組合反射率因子(CR)；組合反射率因子等值線；回波頂(ET)；回波頂?shù)戎稻€(ETC)；冰雹指數(shù)(HI)；1小時累積防水量(OHP)；3小時累積降水量(THP)；風暴總累積降水量(STP)；垂直積分液壓含水量(VIL)；弱回波區(qū)(WER)；1小時降水數(shù)字陣列(DPA)。
☆風場產(chǎn)品速度方位顯示(VAD)；VAD垂直風廓線(VWP)及時間分布；風暴相對平均徑向速度(SRM)；龍卷渦旋特征(TVS)；速度體積處理(VVP)——水平風速顯示；中尺度氣旋(M)。
☆綜合產(chǎn)品風暴結(jié)構(gòu)分析(SS)；用戶報警信息(VAM)；風暴預(yù)報信息——強天氣概率(SWP)；風暴追蹤信息(STI)。
☆圖形處理單畫面、多畫面、動畫、局部放大、漫游、濾波。
(2)、二次產(chǎn)品處理程序界面方案部分二次產(chǎn)品處理程序生成的產(chǎn)品如下A、任意方向垂直剖面；B、任意兩點間測距；C、弱回波區(qū)圖11電路中，高頻回波信號經(jīng)低噪聲場效應(yīng)管60MHz放大后與本振信號一起加到鏡頻抑制混頻器(由微帶電路制作)，經(jīng)過混頻輸出中頻信號，經(jīng)過兩級放大與濾波Z1、Z2后輸出中頻回波信號到數(shù)字中頻接收機。特點是采用低噪聲場效應(yīng)管放大器，鏡頻抑制混頻器，噪聲系數(shù)低，鏡頻抑制度高，增益平坦度好。
本發(fā)明的實施例得到圖12兩點間距波形和圖13雷達回波區(qū)波形。
權(quán)利要求
1.便攜式X波段多普勒天氣雷達的信號處理方法在由天饋線分系統(tǒng)、發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、數(shù)字中頻接收機、信號數(shù)據(jù)處理終端分系統(tǒng)、伺服分系統(tǒng)、監(jiān)控及電源分系統(tǒng)構(gòu)成的硬件基礎(chǔ)上，其特征是接收分系統(tǒng)對信號處理采用寬帶接收方法，以低噪聲場效應(yīng)管放大器構(gòu)成主路放大器、與參考信號放大器和鎖相本振，高穩(wěn)定鎖相本振和鏡象抑制混頻器構(gòu)成接收分系統(tǒng)；采用寬帶接收，在中頻45MHz～75MHz范圍內(nèi)，自動捕獲和跟蹤目標信號；主路放大器由低噪聲場放、混頻器及前置中放等組成；主要用來選擇回波信號，并對其進行放大和頻率變換，輸出中頻回波信號；參考信號放大器即支路放大器由混頻器及中頻放大器組成；對小孔耦合起耦合過來的發(fā)射機主波進行頻率變換及幅度放大，直接混頻，變成中頻信號，輸出中頻參考信號送入信號處理分系統(tǒng)；基準時鐘信號發(fā)生器包括鎖相本振，鎖相本振由晶體振蕩器、單點介質(zhì)鎖相源及鎖相振蕩器、功分器等組成；它與高頻脈沖信號混頻產(chǎn)生中頻信號，同時輸出100MHz基準信號；基準信號送到基準時鐘信號發(fā)生器；基準時鐘信號發(fā)生器經(jīng)過濾波、變頻、放大、濾波后輸出80MHz的時鐘基準，送到信號處理分系統(tǒng)作為時鐘基準；從天饋線分系統(tǒng)接收到的微弱的高頻回波信號，經(jīng)環(huán)行器、放電管限幅器后送入接收分系統(tǒng)的主路放大器，進行頻率變換和由低噪聲場放進行放大、然后送到鏡像抑制混頻器中，在混頻器中回波信號與本振信號進行混頻，輸出的60MHz+15MHz中頻信號；將中頻回波信號進行濾波放大后送往數(shù)字中頻接收機。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X波段多普勒天氣雷達的信號處理方法其特征是使用虛擬信號處理方法，使用PC機直接進行實時信號處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X波段多普勒天氣雷達的信號處理方法其特征是數(shù)字中頻接收機采用高速和高精度A/D變換器進行回波和發(fā)射脈沖中頻采樣，數(shù)字IQ解調(diào)利用浮點DSP進行發(fā)射脈沖進行本地實時頻譜分析和處理，提取發(fā)射脈沖樣本信息進行幅相校正，產(chǎn)生系統(tǒng)時序信號；傳遞伺服系統(tǒng)控制信息以及系統(tǒng)監(jiān)控狀態(tài)信息；相干處理后的雙路相互正交數(shù)據(jù)即IQ數(shù)據(jù)由光纜傳輸至異地信號處理終端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的X波段多普勒天氣雷達的信號處理方法其特征是數(shù)字中頻接收機具有兩個同步串行接口，其中一個為控制命令輸出至監(jiān)控的CNTL串口，另一個為來自監(jiān)控的ON串口。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的X波段多普勒天氣雷達的信號處理方法其特征是其中CNTL輸出串口幀長為24位，推薦方式為高8位為命令類型，低16位為相應(yīng)命令下的參數(shù)，而MON輸入端口為48位，其中高16位為方位，中16位為俯仰，低16位監(jiān)控狀態(tài)。所有串行接口均為高位在前，低位在后(左移方式)；監(jiān)控輸入ON串口時序如下。先送AZ最高位至AZ最低位，再送EL最高位置最低位，最后為狀態(tài)最高位至最低位，所有數(shù)據(jù)在時鐘上升沿有效，一幀共48位；MONSCK時鐘頻率最大為20MHz。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的X波段多普勒天氣雷達的信號處理方法其特征是數(shù)字接收機帶有前端監(jiān)控接口和狀態(tài)指示輸出；監(jiān)控接口包括串行的方位，俯仰輸入及監(jiān)控狀態(tài)輸入和監(jiān)控命令輸出，其均為RS422電平；同時保留有3位的RS422差分輸出和3位RS422差分輸入作為備用接口。
7.便攜式X波段多普勒天氣雷達，由天饋線分系統(tǒng)、發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、數(shù)字中頻接收機、信號數(shù)據(jù)處理終端分系統(tǒng)、伺服分系統(tǒng)、監(jiān)控及電源分系統(tǒng)組成；所述接收分系統(tǒng)包括低噪聲場效應(yīng)管放大器、參考信號放大器組成；其特征是主路放大器由低噪聲場放、高穩(wěn)定鎖相本振和鏡相抑制混頻器，混頻器及前置中放等組成；支路放大器由混頻器及中頻放大器組成；對小孔耦合起耦合過來的發(fā)射機主波進行頻率變換及幅度放大，直接混頻，變成中頻信號，輸出中頻參考信號送入信號處理分系統(tǒng)；從天饋線分系統(tǒng)接收到的微弱的高頻回波信號，經(jīng)環(huán)行器、放電管限幅器后送入接收分系統(tǒng)的主路放大器，由低噪聲場放進行放大、然后送到鏡像抑制混頻器中，在混頻器中回波信號與本振信號進行混頻，輸出的60MHz±15MHz中頻信號，將中頻回波信號進行濾波放大后送往數(shù)字中頻接收機；基準時鐘信號發(fā)生器包括鎖相本振，鎖相本振由晶體振蕩器、單點介質(zhì)鎖相源及鎖相振蕩器、功分器等組成；與高頻脈沖信號混頻產(chǎn)生中頻信號，同時輸出100MHz基準信號；基準信號連接基準時鐘信號發(fā)生器；數(shù)字中頻接收機采用對60MHz的回波和發(fā)射參考脈沖分別進行采樣的高速、高精度14位的A/D變換器，在數(shù)字域里進行I/Q變換，晶體振蕩器輸出一路100MHz的信號作為基準時鐘信號發(fā)生器的輸入信號，基準時鐘信號發(fā)生器經(jīng)過濾波、變頻、放大、濾波后輸出80MHz的時鐘基準，送到信號處理分系統(tǒng)作為時鐘基準。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的便攜式X波段多普勒天氣雷達，其特征是數(shù)字中頻接收機采用中頻采樣，數(shù)字IQ解調(diào)，伺服信號的傳的DIFR6數(shù)字接收機和OPTIC PCI光纖接口板組成；形成的數(shù)字IQ信號由光纖傳輸；OPTIC PCI接口板實現(xiàn)光纖接口轉(zhuǎn)換，進行雙路數(shù)字中頻采樣，完成數(shù)字IQ解調(diào)，輸出正交IQ信號；實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸；對發(fā)射脈沖進行瞬時采樣，并進行幅相校正；產(chǎn)生系統(tǒng)時序信號；傳遞伺服系統(tǒng)控制信息以及系統(tǒng)監(jiān)控狀態(tài)信息。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的便攜式X波段多普勒天氣雷達，其特征是數(shù)字接收機輸出整個雷達的定時信號，數(shù)字接收機缺省設(shè)置為12個觸發(fā)輸出，為RS422差分輸出；數(shù)字中頻接收機輸出數(shù)字AFC或模擬AFC輸出，用于連接控制系統(tǒng)的磁控管振蕩頻率或本振頻率的控制端。
全文摘要
便攜式X波段多普勒天氣雷達的信號處理方法接收分系統(tǒng)對信號處理采用寬帶接收方法，以低噪聲場效應(yīng)管放大器構(gòu)成主路放大器、與參考信號放大器和鎖相本振，高穩(wěn)定鎖相本振和鏡象抑制混頻器構(gòu)成接收分系統(tǒng)；采用寬帶接收，在中頻45MHz～75MHz范圍內(nèi)，自動捕獲和跟蹤目標信號；主路放大器由低噪聲場放、混頻器及前置中放等組成；主要用來選擇回波信號，并對其進行放大和頻率變換，輸出中頻回波信號；參考信號放大器即支路放大器由混頻器及中頻放大器組成；對小孔耦合起耦合過來的發(fā)射機主波進行頻率變換及幅度放大，直接混頻，變成中頻信號，輸出中頻參考信號送入信號處理分系統(tǒng)。
文檔編號G01S13/95GK101017203SQ20061009643
公開日2007年8月15日 申請日期2006年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月26日
發(fā)明者陳之典, 王玉, 張健, 許沛, 胡明星, 馬德山, 陳永付, 徐伯雄 申請人:南京大橋機器有限公司