《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁(yè) > 模擬設(shè)計(jì) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 脈沖壓縮技術(shù)在全固態(tài)天氣雷達(dá)中的實(shí)現(xiàn)
脈沖壓縮技術(shù)在全固態(tài)天氣雷達(dá)中的實(shí)現(xiàn)
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2014年第2期
唐順仙1,2, 何建新1,2, 史 朝1,2
(1. 成都信息工程學(xué)院 電子工程學(xué)院, 四川 成都610225; 2. 中國(guó)氣象局 大氣探測(cè)重點(diǎn)
摘要: 為了使固態(tài)天氣雷達(dá)同時(shí)具有較強(qiáng)的探測(cè)威力和較高的距離分辨力,需引入脈沖壓縮技術(shù)。介紹了線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮技術(shù),結(jié)合理論仿真結(jié)果,選用合適的加權(quán)網(wǎng)絡(luò)并在全固態(tài)天氣雷達(dá)中進(jìn)行了工程實(shí)現(xiàn)。最后利用探測(cè)的天氣回波強(qiáng)度信息對(duì)脈沖壓縮技術(shù)的理論進(jìn)行仿真驗(yàn)證,得到了與理論研究一致的結(jié)論。
中圖分類號(hào): P412.25
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)02-0122-03
Realization of pulse compression technique in all solid-state weather radar
Tang Shunxian1,2, He Jianxin1,2, Shi Zhao1,2
1. School of Electronic Engineering, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China;2. Key Lab of Atmospheric Sounding, CMA, Chengdu 610225, China
Abstract: In order to make the solid-state weather radar has the strong detective power and the high range resolution at the same time, the pulse compression technique is necessary to be used. First of all, this article introduces the principle of pulse compression technique. After that, based on the simulation result, the paper presents the system implementation of projects, including hardware and software. Finally, the simulation is verified by detecting weather echo using solid-state weather radar. The experimental results are close to the theoretical result obtained before.
Key words : pulse compression; solid-state; weather radar

    地基主動(dòng)式天氣雷達(dá)是氣象雷達(dá)中的一種,其發(fā)射的電磁波在大氣傳播過(guò)程碰到氣體分子(云、雨、雪等降水粒子)時(shí),將產(chǎn)生散射,可造成回波信號(hào)的幅度、相位、頻率、偏振等特征發(fā)生變化[1]。通過(guò)對(duì)這些變化的特征進(jìn)行分析,可以獲取粒子的相態(tài)、形狀、尺度分布及垂直結(jié)構(gòu)等信息。從20世紀(jì)70年代開始,天氣雷達(dá)就為我國(guó)氣象事業(yè)服務(wù)并逐漸成為探測(cè)暴雨、冰雹、臺(tái)風(fēng)、龍卷等災(zāi)害性天氣過(guò)程最有效的工具[2]。
    固態(tài)發(fā)射體制天氣雷達(dá)由于采用了固態(tài)發(fā)射機(jī),因此相比真空管雷達(dá)具有以下優(yōu)勢(shì):雷達(dá)不需要預(yù)熱;在硬件方面去除了高壓器件,使用過(guò)程更加安全;工作性能穩(wěn)定,壽命長(zhǎng)、無(wú)噪音、體積小、重量輕等[3]。由于固態(tài)天氣雷達(dá)采用了固態(tài)發(fā)射機(jī),發(fā)射的峰值功率有限,故為了保證雷達(dá)具有較遠(yuǎn)的探測(cè)距離,需采用寬脈沖進(jìn)行發(fā)射。為了獲取較高的距離分辨率,發(fā)射信號(hào)需具有較大的帶寬,因此需要發(fā)射信號(hào)具有較大的時(shí)寬帶寬積[4]。然而,普通的單載頻脈沖信號(hào)的時(shí)寬與帶寬之積約為1,但大時(shí)寬與帶寬不可兼得。于是在匹配濾波器理論指導(dǎo)下,提出了線性調(diào)頻(LFM)脈沖壓縮的概念,國(guó)內(nèi)很多學(xué)者也在進(jìn)行這方面的研究[5-6]。
1 LFM脈沖壓縮技術(shù)
 LFM是在脈沖寬度內(nèi)其頻率按照線性變化的信號(hào),其時(shí)寬、帶寬可調(diào)。這類信號(hào)的匹配濾波器具有對(duì)回波信號(hào)的多普勒頻移不敏感的特性,即當(dāng)天氣回波存在較大的多普勒頻移時(shí),匹配濾波器仍然能對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行較好的壓縮,從而避免了對(duì)壓縮網(wǎng)絡(luò)的重新設(shè)計(jì),極大地簡(jiǎn)化了信號(hào)處理系統(tǒng)。


    由式(4)可以較容易地計(jì)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(shù)(?茁)、信噪比損失(Loss)等主要性能指標(biāo)。
2 仿真實(shí)驗(yàn)
 在仿真實(shí)驗(yàn)中,固態(tài)天氣雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的脈沖寬度T=100 ?滋s,帶寬B=2 MHz,采樣頻率為8 MHz,仿真結(jié)果如圖2所示。

    對(duì)脈沖壓縮旁瓣抑制效果評(píng)判的主要性能指標(biāo)有RMS、和Loss。表1給出了上述仿真實(shí)驗(yàn)中輸出波形的主要性能指標(biāo)。
    通過(guò)對(duì)表1中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可知,窗函數(shù)的旁瓣抑制能力越強(qiáng),則輸出波形的主瓣展寬也就越大。因此,在進(jìn)行加權(quán)濾波處理時(shí),窗函數(shù)的選擇需對(duì)各種性能參數(shù)進(jìn)行綜合考慮。對(duì)氣象目標(biāo)而言,當(dāng)加權(quán)后脈壓信號(hào)的-3 dB主瓣展寬系數(shù)在1.5以內(nèi),且信噪比損失少于1.5 dB,主旁瓣比達(dá)到40 dB以上時(shí),可以選擇此類窗函數(shù)進(jìn)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(quán)函數(shù)作為脈壓加權(quán)網(wǎng)絡(luò)所獲得的輸出波形整體效果更好。
3 工程實(shí)現(xiàn)
3.1 軟件實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)。脈沖壓縮軟件的開發(fā)是基于VC++平臺(tái)和英特爾集成性能基元Intel IPP(Integrated Performance Primitives)之上的應(yīng)用程序。在VC++平臺(tái)主要完成應(yīng)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(shù)庫(kù),以此來(lái)提高應(yīng)用程序運(yùn)行的效率。
    在實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮的工程時(shí),需注意以下兩點(diǎn):
 
3.2 外場(chǎng)試驗(yàn)
 固態(tài)天氣雷達(dá)基本參數(shù):發(fā)射峰值功率為50 W,時(shí)寬為100 ?滋s,帶寬為2 MHz,采樣率為8 MHz,波束寬度為1.5°。數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2013年3月12日17點(diǎn)30分。
    為了更加直觀地體現(xiàn)脈沖壓縮、海明加權(quán)處理對(duì)天氣回波結(jié)構(gòu)及天氣雷達(dá)弱目標(biāo)獲取能力的影響,現(xiàn)給出回波強(qiáng)度對(duì)比圖,如圖3所示。
    圖3中方位290°~360°范圍內(nèi)強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(cè)的距離分辨力提高了。對(duì)比圖3(b)、圖3(c)中右下角圓圈內(nèi)的天氣回波,從回波面積上可以看出,圖3(c)圓圈內(nèi)回波面積較圖3(b)圖大,而多出來(lái)的部分為較弱的天氣回波,強(qiáng)度在15 dB左右。這一現(xiàn)象同時(shí)也證明了海明加權(quán)后輸出波形獲取更高的RMS將有利于弱天氣目標(biāo)的提取。除了圖3(b)、圖3(c)圓圈內(nèi)回波面積大小不同外,其中心回波的強(qiáng)度也有一些差異。通過(guò)定量分析可知,圖3(b)中心回波強(qiáng)度約比圖3(c)中心回波強(qiáng)度高2 dB。這一現(xiàn)象可以通過(guò)表1中信噪比損失這一參數(shù)進(jìn)行解釋,因?yàn)楹C骷訖?quán)會(huì)導(dǎo)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(xiàn)象正是由于加權(quán)導(dǎo)致信噪比損失引起的。

 

 

 為了對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析,現(xiàn)取同一徑向(方位為310.5°)的回波數(shù)據(jù),繪制輸出信號(hào)的功率圖,如圖4所示。當(dāng)脈壓網(wǎng)絡(luò)僅由匹配濾波器組成時(shí),RMS約為13.2 dB;當(dāng)脈壓網(wǎng)絡(luò)由匹配濾波器與海明加權(quán)函數(shù)級(jí)聯(lián)時(shí),RMS約為43.2 dB,?茁約為1.47,Loss約為1.85 dB。海明加權(quán)后RMS提高了約30 dB,RMS的提高可以顯著增強(qiáng)天氣雷達(dá)對(duì)弱天氣目標(biāo)的探測(cè)能力。同時(shí), 因信噪比有所損失,圖4(c)發(fā)射信號(hào)的樣本峰值功率比圖4(b)略低。

    在全固態(tài)天氣雷達(dá)發(fā)射峰值功率受限的情況下,脈沖壓縮技術(shù)可以很好地解決發(fā)射寬脈沖所帶來(lái)的探測(cè)距離與距離分辨力的矛盾。本文首先介紹了LFM信號(hào)脈沖壓縮技術(shù)的原理,其次采用海明加權(quán)的方式對(duì)脈壓輸出波形的距離旁瓣進(jìn)行有效抑制并進(jìn)行了理論仿真,在此基礎(chǔ)上將脈沖壓縮技術(shù)在工程應(yīng)用中進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。最后,利用全固態(tài)天氣雷達(dá)探測(cè)到的天氣回波強(qiáng)度信息對(duì)脈沖壓縮理論仿真結(jié)果進(jìn)行分析與驗(yàn)證。結(jié)果表明,脈沖壓縮技術(shù)在全固態(tài)天氣雷達(dá)中得到了較好的實(shí)現(xiàn),探測(cè)到的天氣回波特征與理論分析結(jié)果相一致。
參考文獻(xiàn)
[1] 邱金恒,陳洪濱. 大氣物理與大氣探測(cè)學(xué)[M].北京:氣象出版社,2006
[2] 何建新.現(xiàn)代天氣雷達(dá)[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,2004.
[3] SKOLNIK M. 雷達(dá)手冊(cè)[M]. 南京電子技術(shù)研究所,譯. 北京:電子工業(yè)出版社,2010.
[4] 張直中.雷達(dá)信號(hào)的理論及脈沖壓縮[J].電子學(xué)報(bào),1962,1(2):1-14.
[5] 陳勇,姚新宇,潘玉林,等. 雷達(dá)實(shí)時(shí)仿真中的脈沖壓縮技術(shù)研究[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2012,38(1):118-119.
[6] 劉敬興. 地面探測(cè)脈沖壓縮雷達(dá)的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2010,36(1):132-135.
[7] 林茂庸,柯有安. 雷達(dá)信號(hào)理論[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1984.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。