地基主動式天氣雷達是氣象雷達中的一種，其發(fā)射的電磁波在大氣傳播過程碰到氣體分子(云、雨、雪等降水粒子)時，將產生散射，可造成回波信號的幅度、相位、頻率、偏振等特征發(fā)生變化[1]。通過對這些變化的特征進行分析，可以獲取粒子的相態(tài)、形狀、尺度分布及垂直結構等信息。從20世紀70年代開始，天氣雷達就為我國氣象事業(yè)服務并逐漸成為探測暴雨、冰雹、臺風、龍卷等災害性天氣過程最有效的工具[2]。
    固態(tài)發(fā)射體制天氣雷達由于采用了固態(tài)發(fā)射機，因此相比真空管雷達具有以下優(yōu)勢：雷達不需要預熱;在硬件方面去除了高壓器件，使用過程更加安全;工作性能穩(wěn)定，壽命長、無噪音、體積小、重量輕等[3]。由于固態(tài)天氣雷達采用了固態(tài)發(fā)射機，發(fā)射的峰值功率有限，故為了保證雷達具有較遠的探測距離，需采用寬脈沖進行發(fā)射。為了獲取較高的距離分辨率，發(fā)射信號需具有較大的帶寬,因此需要發(fā)射信號具有較大的時寬帶寬積[4]。然而,普通的單載頻脈沖信號的時寬與帶寬之積約為1，但大時寬與帶寬不可兼得。于是在匹配濾波器理論指導下，提出了線性調頻(LFM)脈沖壓縮的概念，國內很多學者也在進行這方面的研究[5-6]。
1 LFM脈沖壓縮技術
　LFM是在脈沖寬度內其頻率按照線性變化的信號，其時寬、帶寬可調。這類信號的匹配濾波器具有對回波信號的多普勒頻移不敏感的特性，即當天氣回波存在較大的多普勒頻移時，匹配濾波器仍然能對回波信號進行較好的壓縮，從而避免了對壓縮網絡的重新設計，極大地簡化了信號處理系統(tǒng)。

    由式(4)可以較容易地計算出輸出波形的最大旁瓣與主瓣峰值比(RMS)、-3 dB處主瓣加寬系數(?茁)、信噪比損失(Loss)等主要性能指標。
2 仿真實驗
　在仿真實驗中，固態(tài)天氣雷達發(fā)射信號的脈沖寬度T=100 ?滋s,帶寬B=2 MHz,采樣頻率為8 MHz，仿真結果如圖2所示。

    對脈沖壓縮旁瓣抑制效果評判的主要性能指標有RMS、和Loss。表1給出了上述仿真實驗中輸出波形的主要性能指標。
    通過對表1中的各項數據進行比較可知，窗函數的旁瓣抑制能力越強，則輸出波形的主瓣展寬也就越大。因此，在進行加權濾波處理時，窗函數的選擇需對各種性能參數進行綜合考慮。對氣象目標而言，當加權后脈壓信號的-3 dB主瓣展寬系數在1.5以內,且信噪比損失少于1.5 dB，主旁瓣比達到40 dB以上時，可以選擇此類窗函數進行脈壓旁瓣的抑制[7]。綜合以上分析，在廣義余弦窗中，選擇海明加權函數作為脈壓加權網絡所獲得的輸出波形整體效果更好。
3 工程實現
3.1 軟件實現脈壓
    由于軟件處理比較靈活，且修改方便，故脈沖壓縮采用軟件的方式實現。脈沖壓縮軟件的開發(fā)是基于VC++平臺和英特爾集成性能基元Intel IPP(Integrated Performance Primitives)之上的應用程序。在VC++平臺主要完成應用程序的開發(fā)，而IPP的引用主要是利用其中的高度優(yōu)化的軟件函數庫，以此來提高應用程序運行的效率。
    在實現脈沖壓縮的工程時，需注意以下兩點：
 
3.2 外場試驗
　固態(tài)天氣雷達基本參數：發(fā)射峰值功率為50 W,時寬為100 ?滋s，帶寬為2 MHz，采樣率為8 MHz，波束寬度為1.5°。數據采集時間為2013年3月12日17點30分。
    為了更加直觀地體現脈沖壓縮、海明加權處理對天氣回波結構及天氣雷達弱目標獲取能力的影響，現給出回波強度對比圖，如圖3所示。
    圖3中方位290°~360°范圍內強度較大的回波為地物雜波(龍門山脈)。從圖3(a)、圖3(b)中地物的結構可以清晰地看出，脈壓后回波圖(圖3(b)、圖3(c))中地物的輪廓更清晰，甚至可以看到山脈的縫隙，即脈沖壓縮后探測的距離分辨力提高了。對比圖3(b)、圖3(c)中右下角圓圈內的天氣回波，從回波面積上可以看出，圖3(c)圓圈內回波面積較圖3(b)圖大，而多出來的部分為較弱的天氣回波，強度在15 dB左右。這一現象同時也證明了海明加權后輸出波形獲取更高的RMS將有利于弱天氣目標的提取。除了圖3(b)、圖3(c)圓圈內回波面積大小不同外，其中心回波的強度也有一些差異。通過定量分析可知，圖3(b)中心回波強度約比圖3(c)中心回波強度高2 dB。這一現象可以通過表1中信噪比損失這一參數進行解釋，因為海明加權會導致信噪比損失，由表1可知信噪比損失大約為1.5 dB，這一現象正是由于加權導致信噪比損失引起的。

　為了對回波數據進行定量分析，現取同一徑向(方位為310.5°)的回波數據，繪制輸出信號的功率圖，如圖4所示。當脈壓網絡僅由匹配濾波器組成時，RMS約為13.2 dB；當脈壓網絡由匹配濾波器與海明加權函數級聯時，RMS約為43.2 dB，?茁約為1.47，Loss約為1.85 dB。海明加權后RMS提高了約30 dB，RMS的提高可以顯著增強天氣雷達對弱天氣目標的探測能力。同時， 因信噪比有所損失,圖4(c)發(fā)射信號的樣本峰值功率比圖4(b)略低。

    在全固態(tài)天氣雷達發(fā)射峰值功率受限的情況下，脈沖壓縮技術可以很好地解決發(fā)射寬脈沖所帶來的探測距離與距離分辨力的矛盾。本文首先介紹了LFM信號脈沖壓縮技術的原理，其次采用海明加權的方式對脈壓輸出波形的距離旁瓣進行有效抑制并進行了理論仿真，在此基礎上將脈沖壓縮技術在工程應用中進行了實現。最后，利用全固態(tài)天氣雷達探測到的天氣回波強度信息對脈沖壓縮理論仿真結果進行分析與驗證。結果表明,脈沖壓縮技術在全固態(tài)天氣雷達中得到了較好的實現,探測到的天氣回波特征與理論分析結果相一致。
參考文獻
[1] 邱金恒，陳洪濱. 大氣物理與大氣探測學[M].北京：氣象出版社，2006
[2] 何建新.現代天氣雷達[M].成都：電子科技大學出版社，2004.
[3] SKOLNIK M. 雷達手冊[M]. 南京電子技術研究所，譯. 北京：電子工業(yè)出版社，2010.
[4] 張直中.雷達信號的理論及脈沖壓縮[J].電子學報，1962,1(2)：1-14.
[5] 陳勇，姚新宇，潘玉林，等. 雷達實時仿真中的脈沖壓縮技術研究[J]. 電子技術應用，2012，38(1)：118-119.
[6] 劉敬興. 地面探測脈沖壓縮雷達的動目標檢測[J].電子技術應用，2010,36(1)：132-135.
[7] 林茂庸，柯有安. 雷達信號理論[M].北京：國防工業(yè)出版社，1984.