天氣雷達(dá)回波模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

天氣雷達(dá)回波模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要：天氣雷達(dá)回波模擬系統(tǒng)能夠成功模擬出具有真實(shí)天氣目標(biāo)特征的回波信號，利用這種回波信號可以實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中完成本需在外場試驗(yàn)條件下才可以進(jìn)行的雷達(dá)性能測試。首先介紹了天氣雷達(dá)回波模擬的原理，設(shè)計(jì)出回波模擬流程圖，其次給出了回波模擬硬件平臺的設(shè)計(jì)及模擬軟件實(shí)現(xiàn)的思路，最后根據(jù)真實(shí)天氣回波的特征等信息生成模擬回波圖，并對模擬前后的回波圖進(jìn)行對比分析。關(guān)鍵詞：天氣雷達(dá)；回波；信號模擬0引言在現(xiàn)代地基主動(dòng)氣象遙感領(lǐng)域，多普勒天氣雷達(dá)占據(jù)著重要的地位，特別是在對一些突發(fā)性、災(zāi)害性等中小尺度天氣過程的捕獲與跟蹤時(shí)，其較高的時(shí)間與空間分辨能力就顯得越來越重要［1］。隨著多普勒天氣雷達(dá)在氣象探測業(yè)務(wù)運(yùn)行中的廣泛使用，在雷達(dá)的研發(fā)與維護(hù)過程中，對雷達(dá)的性能進(jìn)行完整測試就顯得非常重要［2］。由于實(shí)驗(yàn)條件及天氣狀況等因素的影響，要在完全真實(shí)的天氣過程的環(huán)境中對雷達(dá)各個(gè)模塊及系統(tǒng)進(jìn)行測試將非常困難。國內(nèi)現(xiàn)階段對雷達(dá)接收機(jī)性能測試所采用的方法一般是給其提供一個(gè)不具有天氣目標(biāo)回波特征的單一頻率的信號，這些信號能夠通過測量系統(tǒng)通道的技術(shù)參數(shù)來驗(yàn)證系統(tǒng)硬件的性能。但由于這些測試信號不具有天氣信號的時(shí)頻特征，故測試結(jié)果仍與處理真實(shí)天氣回波時(shí)的狀態(tài)存在差異。而將實(shí)時(shí)天氣目標(biāo)回波作為接收機(jī)的測試信號的方法卻有成本過高、測試過程復(fù)雜、所需時(shí)間長等缺點(diǎn)。除此之外，由于實(shí)時(shí)氣象目標(biāo)的參數(shù)是不可控的，所以這種方法不能實(shí)現(xiàn)對接收機(jī)性能參數(shù)的定量測試。如果能夠模擬產(chǎn)生具有真實(shí)天氣目標(biāo)特征的雷達(dá)回波信號，就可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中模擬完成外場試驗(yàn)所需的測試，同時(shí)也可以降低測試成本，縮短研發(fā)周期，提高工作效率［3］。除此之外，對模擬回波的參數(shù)進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)定量測試，進(jìn)而可對接收機(jī)及后端的信號處理算法進(jìn)行驗(yàn)證。1天氣回波信號模擬的原理由于天氣目標(biāo)的徑向移動(dòng)會(huì)造成接收信號的頻率相對于發(fā)射信號的頻率存在一定的頻移(多普勒頻移)，即天氣雷達(dá)回波信號可以看成原始發(fā)射信號在時(shí)間上的延遲并且頻譜進(jìn)行搬移后的一個(gè)時(shí)間序列，這就是回波信號模擬的基本原理［4］。ZRNICDS［5］在總結(jié)了濾波器法與快速卷積法等模擬算法后，從天氣雷達(dá)回波信號的功率譜的角度，提出了簡單實(shí)用的基于譜模型的直接擬合法。氣象回波的功率譜密度函數(shù)為Pn(f):其中，pr為回波的功率，fd為多普勒頻率，f為頻率標(biāo)準(zhǔn)差，PRF為脈沖重復(fù)頻率，N為樣本個(gè)數(shù)。由氣象雷達(dá)方程及相關(guān)理論可知：pr=CZ/r2，fd=2vr。其中，C為雷達(dá)常數(shù)，只與雷達(dá)系統(tǒng)的參數(shù)有關(guān)；Z為反射率因子；r為氣象目標(biāo)與雷達(dá)站的徑向距離；vr、v分別為徑向速度和速度譜寬；為雷達(dá)發(fā)射電磁波波長。為了模擬出具有真實(shí)回波信號的頻譜特性，需要在式(1)中加入噪聲，然后進(jìn)行隨機(jī)化可得式(4)：式中，隨機(jī)變量rnd在區(qū)間［0，1］上具有均勻分布，PN(f)為每秒鐘噪聲總功率，則PN(f)/PRF為噪聲功率譜密度。為了獲取回波信號的復(fù)頻譜特征，需要在Pn(f)中引入0~2n變化的隨機(jī)相位譜？漬n(f)=rnd?2n/rndmax，即可以構(gòu)成回波信號的復(fù)頻譜，然后將其進(jìn)行離散傅里葉逆變換(IDFT)得到對應(yīng)的時(shí)間序列sn：其中In、Qn分別為天氣雷達(dá)正交接收機(jī)I通道、Q通道的數(shù)值。由以上分析可得，在已知雷達(dá)基本參數(shù)的情況下，對天氣雷達(dá)回波信號進(jìn)行模擬時(shí)，可以先根據(jù)設(shè)想的回波特征（不同距離處的反射率因子、平均徑向速度、譜寬）等信息計(jì)算出回波功率、多普勒頻移、頻率標(biāo)準(zhǔn)差等信息，然后根據(jù)這些信息構(gòu)建出回波功率譜密度函數(shù)，最后加入噪聲生成具有真實(shí)天氣目標(biāo)特征的回波信號，即I/Q信號。天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)逆變I/Q序列算法設(shè)計(jì)流程圖。經(jīng)過逆變算法獲取的具有真實(shí)天氣目標(biāo)特征的I/Q信號，再通過回波模擬系統(tǒng)中的變頻處理可以將信號的頻率變成射頻（中頻）。射頻信號（中頻信號）可以被輸入到天氣雷達(dá)的接收機(jī)前端（中頻前端），從而可以實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，利用具有真實(shí)天氣特征的回波信號對天氣接收機(jī)的性能參數(shù)進(jìn)行定量測試。2回波模擬系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)多普勒天氣雷達(dá)回波模擬系統(tǒng)由回波模擬計(jì)算機(jī)（內(nèi)插PCI板卡）、數(shù)字接口N5102A、射頻信號源E8267D、信號定時(shí)器、數(shù)字中頻組件、雷達(dá)信號處理工控機(jī)等模塊組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖?；夭M系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)流程如下：（1）用戶給出所需模擬回波的特征信息（不同距離處回波的反射率因子、徑向速度、譜寬等），此時(shí)回波模擬計(jì)算機(jī)將根據(jù)譜模型的直接擬合法模擬出具有真實(shí)回波特征信息的回波信號，即數(shù)字I/Q信號。16bit串行I/Q數(shù)據(jù)將按照規(guī)則被輸送到PCI板卡，串行I/Q數(shù)據(jù)時(shí)序圖。（2）N5102A數(shù)字基帶信號接口模塊是射頻信號源E8267D外置的基帶數(shù)字信號數(shù)據(jù)傳輸專用接口模塊。在N5102向模擬系統(tǒng)發(fā)送同步傳輸時(shí)鐘的條件下，16bit的I/Q信號串行輸出到數(shù)字接口N5102A，經(jīng)N5102A將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后傳給E8267D射頻信號源。（3）射頻信號源接收到數(shù)字I/Q信號后，將對其進(jìn)行雙路D/A轉(zhuǎn)換，使數(shù)字I/Q轉(zhuǎn)換成模擬的I/Q信號。模擬I/Q信號再經(jīng)過調(diào)制得到視頻信號，最后經(jīng)上變頻處理使其頻率達(dá)到雷達(dá)工作的射頻頻率或雷達(dá)中頻系統(tǒng)的工作頻率，最后輸出射頻（中頻）模擬回波信號。（4）射頻信號源輸出的模擬中頻信號被傳送到數(shù)字中頻組件，數(shù)字中頻組件的作用為將中頻信號進(jìn)行欠采樣（由鎖相環(huán)產(chǎn)生采樣頻率）、下變頻、濾波等處理后生成基帶的I/Q信號，并經(jīng)由網(wǎng)線傳送給雷達(dá)信號處理工控機(jī)。（5）雷達(dá)信號處理工控機(jī)采用的是標(biāo)準(zhǔn)工控機(jī)平臺IPC-8462，是整個(gè)天氣雷達(dá)回波信號模擬系統(tǒng)的控制核心。雷達(dá)信號處理工控機(jī)接收到數(shù)字中頻傳送的I/Q信號及回波模擬計(jì)算機(jī)傳送的雷達(dá)天線角碼等信息后，將實(shí)時(shí)繪制出用戶設(shè)定的天氣雷達(dá)模擬回波的反射率、徑向速度、譜寬等天氣雷達(dá)回波圖。3回波模擬系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)天氣雷達(dá)回波模擬系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)均是基于VC++平臺和英特爾集成性能基元（IntegratedPerformancePri-mitives，簡稱IntelIPP）開發(fā)的。在VC++平臺主要完成應(yīng)用程序的開發(fā)，而IPP庫的使用主要是利用其中高度優(yōu)化的軟件函數(shù)庫，以此來實(shí)現(xiàn)天氣雷達(dá)基本產(chǎn)品的生成及應(yīng)用程序運(yùn)行效率的提高。天氣雷達(dá)回波模擬系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)主要包括回波模擬計(jì)算機(jī)上位機(jī)模擬軟件及數(shù)據(jù)采集分析軟件和PCI驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。（1）回波模擬計(jì)算機(jī)上位機(jī)軟件可實(shí)現(xiàn)回波模擬參數(shù)設(shè)置、基數(shù)據(jù)生成、基數(shù)逆向I/Q數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法以及對I/Q數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行頻譜和功率譜的分析等功能。當(dāng)用戶設(shè)定需模擬產(chǎn)生的回波特征信息后，經(jīng)基數(shù)據(jù)逆向轉(zhuǎn)I/Q算法處理生成I/Q數(shù)據(jù)。雷達(dá)I/Q數(shù)據(jù)采集軟件對生成的I/Q數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，此軟件可實(shí)現(xiàn)對國內(nèi)SA、SB、CA、CB以及XD等型號的多普勒天氣雷達(dá)I/Q數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并進(jìn)行算法處理顯示出基本產(chǎn)品。圖4為多普勒天氣雷達(dá)I/Q數(shù)據(jù)采集及分析軟件的顯示界面。（2）由于天氣目標(biāo)一般為體目標(biāo)，故模擬出的天氣回波的數(shù)據(jù)量較大。較大的數(shù)據(jù)量一般均超過了FPGA芯片ROM的存儲量，而直接往FPGA的ROM中寫入少量模擬數(shù)據(jù)的方法不能完整模擬出大片天氣雷達(dá)回波信息。對天氣雷達(dá)回波模擬系統(tǒng)而言，采用數(shù)據(jù)流傳輸?shù)姆绞絹韺?shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的傳輸就顯得非常重要。因此，PCI的上位機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)是整個(gè)回波模擬系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部分。PCI的上位機(jī)驅(qū)動(dòng)程序主要包含程序初始化、卸載、讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)，其程序設(shè)計(jì)。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及評價(jià)為了驗(yàn)證天氣雷達(dá)回波模擬系統(tǒng)的效果，還需根據(jù)真實(shí)天氣雷達(dá)回波的結(jié)構(gòu)及特征信息開展回波模擬實(shí)驗(yàn)，以使模擬的回波結(jié)構(gòu)具有真實(shí)天氣目標(biāo)的特征。在進(jìn)行真實(shí)天氣回波模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，選取小雨天氣條件下的雷達(dá)回波反射率因子作為模擬對象，。首先在回波模擬計(jì)算機(jī)上位機(jī)軟件中對圖6（a）中的左上部分（龍門山脈）、右下部分（小雨區(qū)）等區(qū)域的回波特征進(jìn)行信息提取，生成模擬的基本反射率因子數(shù)據(jù)；然后再經(jīng)過基數(shù)據(jù)逆變I/Q序列算法處理，生成模擬的I/Q數(shù)據(jù)；最后經(jīng)過天氣雷達(dá)回波模擬硬件系統(tǒng)后，生成模擬的天氣雷達(dá)回波圖，。為了驗(yàn)證模擬系統(tǒng)的正確性，現(xiàn)對圖6中（a）、（b）進(jìn)行比較