劉永強

（甘肅省氣象信息與技術裝備保障中心，甘肅蘭州 730020）

氣象雷達回波異常信號的傳播距離較遠，因此，準確地分析天氣雷達異?；夭ㄐ盘柧哂兄匾饬x。以往人們提出了基于模糊邏輯的新一代天氣雷達徑向干擾回波識別算法，該算法通過提取特征參量構建隸屬函數(shù)，依據(jù)該函數(shù)設置閾值，由此識別天氣雷達異?；夭ㄐ盘朳1]；提出的利用雙線性極化天氣雷達零滯后相關系數(shù)進行臨近預報的方法，其相關性為零滯后，相關系數(shù)是雙線性極化天氣雷達的唯一極化參數(shù)，應用雙極化雷達的相關系數(shù)識別非降水回波、降水量回波、融化層和冰雹[2]。上述兩種方法雖然能夠精準識別天氣雷達異?；夭ㄐ盘?，但無法剔除信號中的偽信號，導致信號識別結果存在一定誤差。為此，提出了時頻變換下的天氣雷達異?；夭ㄐ盘栐鰪娤到y(tǒng)設計方法。

1 系統(tǒng)硬件結構設計

時頻變換下的天氣雷達異?；夭ㄐ盘栐鰪娤到y(tǒng)硬件結構設計如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結構

由雷達發(fā)射的微波信號遇到云雨或地雜波時，會產(chǎn)生反射信號，雷達天線接收到回波能量，并通過饋線和饋線將其發(fā)射到雷達接收機上[3]。獲取中頻信號，通過A/D 變換、正交處理和數(shù)字檢測等方法完成信息集成。雷達監(jiān)控系統(tǒng)主要控制電磁波發(fā)射的開關和天線的轉(zhuǎn)動，完成雷達控制和故障監(jiān)控。監(jiān)視系統(tǒng)還可以監(jiān)測雷達伺服系統(tǒng)、發(fā)射機、接收機、頻率合成器、信號處理等系統(tǒng)的工作狀態(tài)[4]。

1.1 PXIe-8135 RT嵌入式控制器

PXI 機箱能夠滿足用戶控制器及各模塊之間的通信需求，該機箱中使用了PXIe-8135 RT 嵌入式控制器，并將其安裝在機箱左側槽中。PXIe-8135 RT適用于PXI 和緊湊的PCI 顯示系統(tǒng)。該控制器具有單核睿頻加速模式處理器、雙通道1 600 MHz DDR3內(nèi)存和8 GB/s 的總系統(tǒng)帶寬，非常適用于帶有密集處理器的數(shù)據(jù)采集模塊和儀器[5]。

1.2 異?；夭ㄐ盘柺瞻l(fā)儀

PXIe-5645R 異?；夭ㄐ盘柺瞻l(fā)器FPGA 采用矢量信號分析儀和矢量信號發(fā)生器最具特色的RF I/O功能以及用戶自定義完成的信號處理和控制功能。RF 信號變頻為低頻信號時，用I 和Q 信號分量表示，也就是基帶[6-7]。通過異常回波信號收發(fā)器，用戶可以同時分析基帶輸入、輸出信號及相應的射頻信號。非正?；夭ㄐ盘柺瞻l(fā)器以差分基I/Q 信號的方式向用戶提供非常精確的基帶I/Q 信號，并盡可能消除噪聲[8]。微分基帶I/Q 信號包含一個正信號(I+和Q+)，以及相應的負信號(I-和Q-)，可以消除正負信號上的噪聲，極大地提高異?；夭ㄐ盘柕慕邮站取?/p>

PXIe-5645R 異?；夭ㄐ盘柺瞻l(fā)器結構如圖2所示。

圖2 PXIe-5645R異?；夭ㄐ盘柺瞻l(fā)器結構

如圖2 所示，該結構由6 個端口組成，其中4 個主要端口介紹如下：

射頻發(fā)射端口：信號產(chǎn)生經(jīng)過變頻后通過該端口發(fā)射，可直接與天線發(fā)射匹配。

射頻接收端口：射頻信號輸入后，可下變頻為中頻信號，與天線直接匹配接收。

參考時鐘輸入端口：支持輸入外部參考時鐘數(shù)據(jù)，參考時鐘基準信號由記憶合金接口輸入[9]。當主機內(nèi)部基準時鐘或外部參考時鐘被選定后，根據(jù)參考時鐘產(chǎn)生器件內(nèi)部信號，以保證產(chǎn)生的信號穩(wěn)定。該系統(tǒng)通過標準的DB9 接口RS232 電平輸入、1 PPS 觸發(fā)信號可以通過BNC 接口輸入，同時提供時鐘端口和時序信息[10]。

基帶數(shù)據(jù)差分輸出端口：基帶信號以差分方式輸出，可從I+、I-、Q+、Q-等一端或四個端口抽取基帶信號，用示波器進行分析。采用差分輸出提高了信號抗噪聲能力，進一步保證了信號傳輸?shù)臏蚀_性。

1.3 增強電路設計

增強電路是進行電能傳輸和分配的基本電路，是電能傳輸配置的主要接收器。根據(jù)配電裝置的結構，選擇合適的電源電路，以進一步提高整個系統(tǒng)的安全可靠性[11]。適當調(diào)整系統(tǒng)的電路傳輸路徑，選擇左偏置開路，再引入電路轉(zhuǎn)換器進行系統(tǒng)次級電路的選擇。一次電路與二次電路聯(lián)接在一起，在中央電路中形成了一個整體系統(tǒng)網(wǎng)絡。增強電路圖如圖3所示。

圖3 增強電路圖

在選擇電路時要特別注意，嚴格遵循電路基本特性的選擇原則，并根據(jù)有關規(guī)范和標準進行選擇，該方法可以在保證整個電路安全的前提下，較大程度地減少電源電路距離，降低設備成本，提高系統(tǒng)對弱電流信號特性的增強性能[12]。

2 系統(tǒng)軟件部分設計

2.1 基于時頻變換的信號增益處理

2.1.1 C波段雷達多普勒探測頻率計算

對于C 波段雷達多普勒探測頻率計算，需依據(jù)初始多普勒工作頻率分析電磁波接收到的相位：

式中，f0表示C 波段雷達多普勒工作頻率；L表示雷達和目標間距離；φ0表示由雷達發(fā)出的電磁波相位。雷達波束從發(fā)射到接收所經(jīng)過的距離為2L，該波段是通過波長長度度量的，相當于個弧度[13]。相位隨著雷達發(fā)射和接收時間的變化而產(chǎn)生的變化率可表示為：

在距離L所述目標相對于雷達發(fā)射的電磁波的軸向運動分量v為徑向速度，將其代入式（2），可計算C 波段雷達多普勒探測頻率：

通過式（3）可確定C波段雷達多普勒探測頻率。

2.1.2 信號增益處理

在確定C 波段雷達多普勒探測頻率的情況下，對信號進行增益處理。時頻變換STFT(f,g)的表示式為：

式中，w(f＇-f)表示發(fā)射的電磁波寬度。如果對某個待分析信號x(f＇)時域上的某個時間點f特征進行研究，將把中心在f＇時刻的窗函數(shù)exp(-2πgf＇)與待分析信號x(f＇)相乘，通過對f時間點下的信號增益進行處理后，可達到對偽信號衰減的目的[14]。

2.2 完整的跟蹤環(huán)設計

碼跟蹤環(huán)通過不停地修改本機C/A 碼的相位，對準接收信號的C/A 相位，從而消除接收信號的擴展項。碼跟蹤環(huán)采用的是延遲鎖定環(huán)，通常包括碼環(huán)鑒別器、碼環(huán)濾波器和偽碼發(fā)生器，其結構如圖4所示。

圖4 完整的跟蹤環(huán)

E、P、L分別表示偽碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的前導碼、實時碼和滯后碼[15]。然而，在實際應用環(huán)境下，局部產(chǎn)生的載波無法與實時輸入的信號具備相同的發(fā)射頻率和相位，因此，只能在局部產(chǎn)生兩個正交載波(I 和Q)，并將該載波與實際輸入信號數(shù)值相乘，實現(xiàn)載波分離。接著對I、Q 信號進行E、P、L相乘，進行積分累積和相關運算，就可以得到六個相關值的數(shù)據(jù)。再將處理的數(shù)據(jù)送至回路濾波器，經(jīng)過篩選的數(shù)據(jù)被作為代碼發(fā)生器的輸入，修改本地生成代碼的相位，只有具有相同編碼單元和嚴格對齊碼相位的C/A 碼，才能使兩碼間的相關性最大[16]。在兩個C/A 碼序列不一致或碼相位相差很大時，它們的互相關性幾乎為零。通過完整的跟蹤環(huán)設計，完成天氣雷達異?；夭ㄐ盘柕脑鰪娞幚怼?/p>

3 信號捕獲與跟蹤驗證

實驗臺軟件運行在LabVIEW 平臺上，軟件界面如圖5 所示。

圖5 實驗平臺可視化界面

圖5 所示的平臺主要功能是接收信號中心頻率、電平和存儲數(shù)據(jù)時長，通過該平臺驗證時頻變換下天氣雷達異?；夭ㄐ盘栐鰪娤到y(tǒng)設計的可用性。

對接收的回波信號進行分析，解調(diào)出雷達電磁波，對系統(tǒng)設計的合理性進行驗證。在測試平臺上設置單載波，載波頻率為1.5 MHz，偽碼率為1.5 MHz，使用1號雷達的偽碼序列，接收到的數(shù)據(jù)文件大小為14 MB。

3.1 信號捕獲驗證

使用Matlab 捕獲相關性信號如圖6 所示。

圖6 1號雷達信號捕獲結果

將圖6 所示的實際捕獲結果作為基礎，分別使用基于模糊邏輯的新一代天氣雷達徑向干擾回波識別算法、雙線偏振天氣雷達零滯后相關系數(shù)應用方法和時頻變換信號增強系統(tǒng)，對比分析信號捕獲結果如圖7所示。

圖7 三種方法信號雷達捕獲對比結果

由圖7 可知，使用天氣雷達異?；夭ㄐ盘栐鰪娤到y(tǒng)的相關性峰值與實際捕獲的信號峰值一致，說明捕獲成功。而使用干擾回波識別算法和零滯后相關系數(shù)應用方法的相關性峰值與實際捕獲的信號峰值相差較小或較大，說明捕獲失敗。

3.2 信號跟蹤驗證

在設置好的環(huán)路濾波器參數(shù)下，分析信號實際跟蹤情況，如圖8 所示。

圖8 1號雷達信號跟蹤結果

由圖8 可知，頻率偏移跟蹤值有較大幅度地波動，隨著時間的推進，頻率偏移跟蹤曲線逐漸處于穩(wěn)定趨勢，進入跟蹤鎖定狀態(tài)。將圖8 所示的頻率偏移跟蹤結果作為基礎，分別使用三種方法對比分析頻率偏移跟蹤結果，如圖9 所示。

圖9 三種方法頻率偏移跟蹤結果對比

由圖9 可知，使用干擾回波識別算法和使用零滯后相關系數(shù)應用方法的頻率偏移跟蹤曲線，隨著時間的推進，一直處于上、下波動的狀態(tài)，無法鎖定目標；使用時頻變換增強系統(tǒng)的頻率偏移跟蹤曲線與目標曲線一致，能夠鎖定目標。

4 結束語

該文設計的時頻變換下的天氣雷達異?；夭ㄐ盘栐鰪娤到y(tǒng)，在時頻變換下，通過對信號進行增益處理，在衰減偽信號的同時能夠?qū)崿F(xiàn)對多分量雷達信號有效正確跟蹤與監(jiān)測。