多普勒天氣雷達(dá)接收機(jī)的設(shè)計

1、多普勒天氣雷達(dá)接收機(jī)的設(shè)計魏敬義南京電子技術(shù)研究所南京210013【摘要】介紹了X波段脈沖多普勒天氣雷達(dá)接收機(jī)的一種設(shè)計方案闡述了針對氣象目標(biāo)回波信號特點的接收機(jī)通道、高純頻譜信號源的設(shè)計思想并給出了實驗結(jié)果。【關(guān)鍵詞】多普勒天氣雷達(dá)接收機(jī)動態(tài)范圍噪聲系數(shù)相位噪聲頻率綜合器DesignofDopplerWeatherRadarReceiverWeiJingyiNanjingResearchInstituteofElectronicsTechnologyNanjing210013【Abstract】ThispaperintroducesanXbandDopplerweatherradarrece

2、iverex2poundthedesignideaofthereceiverchannelsandthehigh-purespectrumsignalsourceonthecharacteristicsofweathertargetechosignalandtheresultsofexperimentsarealsopresented.【Keywords】Dopplerweatherradarreceiverdynamicrangenoisecoefficientphasenoisefrequencysynthesizer1引言早期的天氣雷達(dá)因為受條件限制采用非相干體制它只能通過時域檢測回波信

3、號的幅度來觀測天氣目標(biāo)。隨著技術(shù)的發(fā)展多普勒相干體制被引進(jìn)天氣雷達(dá)中。多普勒天氣雷達(dá)除了能檢測天氣目標(biāo)回波信號的幅度外還能通過對回波信號的多普勒頻率、多普勒頻譜寬度等參數(shù)的檢測來提取更多的天氣信息它大大提高了檢測惡劣天?哪芰捎諤炱勘攴瓷淠芰畋鸚獗浠醚桿倬嗬敕段愕賈路瓷浠夭藕歐缺浠段笠蚨筇炱狀锝郵棧哂寫蠖馱肷奶匭多普勒相干體制則要求接收機(jī)提供相參高穩(wěn)定信號源。本文介紹的天氣雷達(dá)接收機(jī)的設(shè)計方案就是圍繞上述要求擬出的。2大動態(tài)低噪聲接收通道的設(shè)計接收通道的動態(tài)范圍和靈敏度是一對相互制約的主要指標(biāo)根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)對接收機(jī)動態(tài)范圍和噪聲系數(shù)的要求及現(xiàn)有器件的水平本方案以動態(tài)范圍為第一指標(biāo)。首先選用瞬時動態(tài)

4、范圍盡可能大的器件和電路方案然后再在接收通道中的合適位置上設(shè)置適當(dāng)?shù)脑鲆婵刂屏俊?.1接收通道的組成接收通道的組成見圖1。接收通道的中視頻部分被設(shè)計成兩個支路:測幅支路和測速支路它們分別用來檢測天氣目標(biāo)回波信號的強(qiáng)度和多普勒參數(shù)。為了能對整個雷達(dá)探測范圍內(nèi)相差懸殊的各種天氣目標(biāo)回波信號的幅度進(jìn)行實時檢測1998年12月現(xiàn)代雷達(dá)第6期圖1接收通道方框圖測幅支路采用了對數(shù)放大器。對數(shù)放大器能把大動態(tài)范圍的輸入信號瞬時壓縮成小動態(tài)范圍的輸出信號使AD變換器的動態(tài)范圍與接收機(jī)的輸入信號動態(tài)范圍匹配。它使系統(tǒng)既在強(qiáng)信號作用下不過載又能對微弱信號進(jìn)行高增益放大。本方案采用的對數(shù)放大器包括中頻放大器、幅度檢

5、波器和射頻放大器三個部分輸出的視頻信號電平與輸入的中頻信號電平成對數(shù)關(guān)系。它能將80dB的輸入信號動態(tài)范圍瞬時壓縮成2530dB的輸出動態(tài)范圍確保落入8位AD的動態(tài)范圍之內(nèi)。測速支路主要用來檢測天氣目標(biāo)回波信號的多普勒信息不要求對回波信號的幅度進(jìn)行實時檢測因而采用了瞬時動態(tài)范圍相對較小的線性系統(tǒng)。該支路由線性中頻放大器、帶通濾波器、中頻衰減器、正交相位檢波器和視頻放大器組成。相位檢波器的參考信號由高純頻譜信號源提供該參考信號與同一信號源提供的發(fā)射機(jī)激勵信號和第一本振信號相參。接收機(jī)前端由微波低噪聲放大器、微波電調(diào)衰減器、鏡頻抑制混頻器和前置中頻放大器組成。2.2通道增益的設(shè)計考慮接收通道的主要

6、任務(wù)是把輸入信號的最小可檢電平按一定信噪比放大到信號處理機(jī)中AD變換器能夠檢測的電平把輸入信號的最大電平保真地放大到不大于AD變換器動態(tài)范圍的上限電平。前者是計算通道增益的依據(jù)后者則決定增益控制量的數(shù)值。接收機(jī)與信號處理機(jī)之間的接口是AD變換器它把接收機(jī)輸出的模擬信號變成數(shù)字信號。AD變換器的量化噪聲將使接收機(jī)輸出端的信噪比惡化導(dǎo)致系統(tǒng)噪聲系數(shù)變壞。包括接收機(jī)和AD變換器的系統(tǒng)輸出噪聲功率Ns為:NsN0Nb1式中:N0為接收機(jī)輸出噪聲功率WNb為AD變換器量化噪聲功率W。系統(tǒng)噪聲系數(shù)FsF1NbN02式中:F為接收機(jī)噪聲系數(shù)。由2式可看出NbN0越小即AD變換器的量化噪聲功率相對于接收機(jī)輸出

7、噪聲功率越小AD變換器的量化噪聲對系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響就越小當(dāng)AD變換器的Nb一定時欲減小NbN0值只有增大接收機(jī)輸出噪聲功率N0但N0越大其覆蓋的AD變換器的位88現(xiàn)代雷達(dá)20卷數(shù)越多能夠利用的AD變換器的動態(tài)范圍就越小。接收機(jī)輸出噪聲功率N0為:N0NiGKT0BFG3式中:Ni為接收機(jī)機(jī)內(nèi)等效輸入噪聲功率WK1.38×10-23焦耳°KK為波爾茲曼常數(shù)T0290°K為標(biāo)準(zhǔn)室溫B為接收機(jī)的噪聲帶寬Hz近似等于接收機(jī)的通頻帶G為接收機(jī)的增益。于是GN0KT0BF4根據(jù)2式可導(dǎo)出:N0NbFFs-F5令MFs-FF6其物理意義為:因AD變換器量化噪聲引起的系統(tǒng)信噪比

8、的惡化程度。因此GNbMKT0BF對接收機(jī)而言一般以等于接收機(jī)機(jī)內(nèi)等效輸入噪聲功率的輸入信號電平為最小可檢電平Pimin即輸出信噪比等于1即PiminKT0BF。據(jù)此有GNbMPimin7這樣根據(jù)接收機(jī)的最小可檢電平Pimin、AD變換器的量化噪聲功率Nb以及所能接受的系統(tǒng)信噪比惡化程度M即可計算出對應(yīng)的接收機(jī)通道增益G。測速支路采用12位AD變換器根據(jù)7式計算出該支路的增益。具體的增益分配則須結(jié)合噪聲特性、選擇性及測幅支路增益等進(jìn)行綜合考慮。測幅支路采用8位AD變換器。接收機(jī)和AD變換器之間選用的對數(shù)放大器能夠把80dB的輸入信號動態(tài)范圍瞬時壓縮成25dB的輸出動態(tài)范圍確保其落入AD變換器的

9、動態(tài)范圍之內(nèi)。對該支路而言只需計算對數(shù)放大器前的通道增益見圖1。該增益應(yīng)把接收機(jī)最小可檢電平Pimin放大到對數(shù)放大器的正切靈敏度電平。2.3增益控制為了使AD變換器的動態(tài)范圍與接收機(jī)輸入信號動態(tài)范圍匹配在微波和中頻均設(shè)置了AGC。為了減小對靈敏度的影響主要控制量放在中頻部分位置盡可能后置。對測幅支路而言對數(shù)放大器實現(xiàn)了大部分的動態(tài)壓縮其余的增益控制量由微波前端的數(shù)控衰減器完成。對測速支路而言總增益控制量由微波和中頻兩部分的衰減器完成。微波部分的增益控制量已由測幅支路決定主要的增益控制量由步進(jìn)式中頻衰減器實現(xiàn)。為了使反射強(qiáng)度相同的天氣目標(biāo)在近程具有相同的回波信號幅度可采用可控STC并由微波電調(diào)

10、衰減器實現(xiàn)。為確保整個接收通道在意外情況下也不發(fā)生過載微波電調(diào)衰減器設(shè)置在接收機(jī)前端第一級其衰減量及中頻衰減器的衰減量均有冗余。3高純頻譜信號源的設(shè)計高穩(wěn)定信號源是相參多普勒雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)之一為了保證相參性發(fā)射機(jī)的激勵信號、98第6期魏敬義:多普勒天氣雷達(dá)接收機(jī)的設(shè)計接收機(jī)的本振信號和相位檢波器的參考信號必須出自同一個參考源。本方案采用了60MHz的高穩(wěn)定晶體振蕩器做參考源采用諧波鎖相技術(shù)將60MHz的參考信號分別倍頻到發(fā)射信號頻率和本振頻率而將晶體振蕩器的60MHz的信號直接送相位檢波器做參考信號。諧波鎖相頻率綜合技術(shù)與直接倍頻式頻率綜合技術(shù)相比具有遠(yuǎn)端噪聲好、雜散少、輸出功率大、電路簡單、

11、體積小等優(yōu)點。3.1高純頻譜信號源的組成高純頻譜信號源含參考源、本振信號源和激勵信號源。參考源由60MHz的高穩(wěn)定晶體振蕩器、放大器、功分器組成它分別為本振信號源、激勵信號源和測速支路的相位檢波器提供參考信號見圖2。本振源由階躍管倍頻器、鎖相環(huán)和X波段壓控振蕩器組成。來自參考源的60MHz信號被送至階躍管倍頻器產(chǎn)生各次諧波信號再用濾波器選出所需諧波信號并送至簽相器與壓控振蕩器的X波段信號比相。鑒相器輸出的誤差電壓經(jīng)低通濾波器送至壓控振蕩器對其進(jìn)行調(diào)整完成鎖相過程見圖3。圖2參考源方框圖圖3本振源方框圖激勵信號源由階躍管倍頻器、鎖相環(huán)、X波段壓控振蕩器、相位編碼電路和脈沖調(diào)制器組成見圖4。圖4激

12、勵源方框圖3.2相位編碼為消除測速模糊多普勒天氣雷達(dá)常采用多個脈沖重復(fù)頻率交替工作。天氣目標(biāo)不是點目標(biāo)一般來說都具有延伸性這就可能產(chǎn)生不同距離回波信號相互重疊的現(xiàn)象使信號的頻譜特性發(fā)生變化。為解決回波信號重疊的問題本方案采用發(fā)射脈沖信號相位編碼技術(shù)利用本振信號和激勵信號的相參性使前一個重復(fù)周期的回波信號抵消。相位編碼在激勵源中實現(xiàn)。3.3校準(zhǔn)信號的形成校準(zhǔn)信號源的參考信號由激勵源提供。輸入信號經(jīng)功分器分成兩路:一種經(jīng)檢波后送調(diào)整電路其輸出信號送微波衰減器控制衰減量另一路送相位調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制再經(jīng)微波衰減器輸出作為雷達(dá)的校準(zhǔn)信號見圖5。09現(xiàn)代雷達(dá)20卷圖5校準(zhǔn)信號源方框圖4實驗結(jié)果按上述方案設(shè)計

13、的接收機(jī)經(jīng)調(diào)試后測得的主要技術(shù)指標(biāo)如下:接收機(jī)通道部分:噪聲系數(shù)3.0dB瞬時動態(tài)范圍80dB測幅支路75dB測速支路數(shù)控AGC40dB微波60dB中頻-2STC40dBR-2鏡頻抑制度20dB信號源部分:相位噪聲-90dBcHz400Hz雜散譜抑制度65dB5結(jié)束語本文針對多普勒天氣雷達(dá)的特點介紹了一種接收機(jī)的設(shè)計方案闡述了大動態(tài)低噪聲接收機(jī)通道、通道增益、增益控制、定標(biāo)信號的形成以及消除回波信號重疊等的設(shè)計思想。調(diào)試結(jié)果表明接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到或超過設(shè)計要求該方案是可行的。參考文獻(xiàn)1DLSharpinJBYTsui.AnalysisoftheLinearAmplifierAnalog-DigitalConverterInterfaceinaDigitalMicrowaveReceiver.IEEE.TransactionsonAerospaceandElectronicSystems.Jan.1995311:24