CN101017203A - 便携式x波段多普勒天气雷达信号处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

便携式X波段多普勒天气雷达的信号处理方法：接收分***对信号处理采用宽带接收方法，以低噪声场效应管放大器构成主路放大器、与参考信号放大器和锁相本振，高稳定锁相本振和镜象抑制混频器构成接收分***；采用宽带接收，在中频45MHz～75MHz范围内，自动捕获和跟踪目标信号；主路放大器由低噪声场放、混频器及前置中放等组成；主要用来选择回波信号，并对其进行放大和频率变换，输出中频回波信号；参考信号放大器即支路放大器由混频器及中频放大器组成；对小孔耦合起耦合过来的发射机主波进行频率变换及幅度放大，直接混频，变成中频信号，输出中频参考信号送入信号处理分***。

Description

便携式X波段多普勒天气雷达信号处理方法及装置

技术领域

本发明属于气象探测电子设备，尤其是便携式x波段多普勒天气雷达信号处理方法及装置。

背景技术

1)目前磁控管中频体制中，多普勒天气雷达大多数采用模拟接收技术，如线性放大器，对数放大器，模拟I/Q解调，自动频率跟踪(AFC)等。其缺点有以下几点：

线性动态范围低，满足不了雷达的探测性能要求；

I/Q信号的幅相平衡难以保证，影响多普勒速度和谱宽；

线性放大器受温度影响较大，难以满足探测精度要求；

自动频率跟踪方式，难以调整，且频率稳定度差。

2)传统上，数字信号处理器采用低频采样(I/Q)，由专用的信号处理器芯片(DSP)进行信号处理，得到云、雨等降水的强度、速度和谱宽，缺点是需要独立的电脑设备进行信号处理，增加了雷达设备量。

3)传统普勒天气雷达结构复杂，体积大，重量重；一般在固定地点使用，无法灵活的选择山顶、或一般楼顶作为观测地点来使用。

发明内容

本发明目的是：提出一种多普勒天气雷达，利用数字中频及初相补偿技术，提高了雷达的测速性能；对信号处理提出一种宽带接收方法，省去了自动频率跟踪，简化了接收装置；提出一种虚拟信号处理技术，使用PC机直接进行实时信号处理，省去了专用的DSP处理器，使得设备简化、可靠，使用维护更加方便；实现了远程数据传输及远程遥控功能；提出一种便携式结构设计，使得该雷达更加机动、灵活，架设使用方便。

本发明技术方案是：便携式X波段多普勒天气雷达的信号处理方法：在由天馈线分***、发射分***、接收分***、数字中频接收机、信号数据处理终端分***、伺服分***、监控及电源分***构成的硬件基础上，接收分***对信号处理采用宽带接收方法，以低噪声场效应管放大器构成主路放大器、并与参考信号放大器(支路放大器)和锁相本振，高稳定锁相本振和镜象抑制混频器构成；采用宽带接收技术，在中频45MHz～75MHz范围内，自动捕获和跟踪目标信号；

主路放大器由低噪声场放、混频器及前置中放等组成；主要用来选择回波信号，并对其进行放大和频率变换，输出中频回波信号；

支路放大器由混频器及中频放大器组成；对小孔耦合起耦合过来的发射机主波进行频率变换及幅度放大，直接混频，变成中频信号，输出中频参考信号送入信号处理分***；基准时钟信号发生器包括锁相本振，锁相本振由晶体振荡器、单点介质锁相源及锁相振荡器、功分器等组成；它与高频脉冲信号混频产生中频信号，同时输出100MHz基准信号。基准信号送到基准时钟信号发生器；基准时钟信号发生器经过滤波、变频、放大、滤波后输出80MHz的时钟基准，送到信号处理分***作为时钟基准；从天馈线分***接收到的微弱的高频回波信号，经环行器、放电管限幅器后送入接收分***的主路放大器，进行频率变换和由低噪声场放进行放大、然后送到镜像抑制混频器中，在混频器中回波信号与本振信号进行混频，输出的60MHz±15MHz中频信号；将中频回波信号进行滤波放大后送往数字中频接收机。

使用虚拟信号处理技术，使用PC机直接进行实时信号处理，省去了专用的DSP处理器。数字中频接收机采用高速和高精度A/D变换器进行回波和发射脉冲(主波)中频采样，数字IQ解调利用浮点DSP进行发射脉冲进行本地实时频谱分析和处理，提取发射脉冲样本信息进行幅相校正，产生***时序信号；传递伺服***控制信息以及***监控状态信息；相干处理后的双路相互正交数据(IQ数据)由光缆传输至异地信号处理终端。

便携式X波段多普勒天气雷达，由天馈线分***、发射分***、接收分***、数字中频接收机、信号数据处理终端分***、伺服分***、监控及电源分***组成；所述接收分***包括低噪声场效应管放大器(主路放大器)、参考信号放大器(支路放大器)组成；主路放大器由低噪声场放、高稳定锁相本振和镜相抑制混频器，混频器及前置中放等组成。支路放大器由混频器及中频放大器组成；对小孔耦合起耦合过来的发射机主波进行频率变换及幅度放大，直接混频，变成中频信号，输出中频参考信号送入信号处理分***；从天馈线分***接收到的微弱的高频回波信号，经环行器、放电管限幅器后送入接收分***的主路放大器，由低噪声场放进行放大、然后送到镜像抑制混频器中，在混频器中回波信号与本振信号进行混频，输出的60MHz±15MHz中频信号，将中频回波信号进行滤波放大后送往数字中频接收机；基准时钟信号发生器包括锁相本振，锁相本振由晶体振荡器、单点介质锁相源及锁相振荡器、功分器等组成。它与高频脉冲信号混频产生中频信号，同时输出100MHz基准信号。基准信号连接基准时钟信号发生器。基准时钟信号发生器经过滤波、变频、放大、滤波后输出80MHz的时钟基准，送到信号处理分***作为时钟基准；数字中频接收机采用对60MHz的回波和发射参考脉冲分别进行采样的高速、高精度14位的A/D变换器，在数字域里进行I/Q变换，

晶体振荡器输出一路100MHz的信号作为基准时钟信号发生器的输入信号，基准时钟信号发生器经过滤波、变频、放大、滤波后输出80MHz的时钟基准，送到信号处理分***作为时钟基准。

数字中频接收机采用DIFR6数字接收机和OPTIC PCI光纤接口板组成。DIFR6数字接收机完成中频采样，数字IQ解调，伺服信号的传递等，形成的数字IQ信号由光纤传输；OPTIC PCI接口板实现光纤接口转换，进行双路数字中频采样，完成数字IQ解调，输出正交IQ信号；实现远程数据传输；对发射脉冲进行瞬时采样，并进行幅相校正；产生***时序信号；传递伺服***控制信息以及***监控状态信息；

本***采用宽带接收设计，省去了自动频率跟踪装置。

数字接收机产生整个雷达的定时信号，数字接收机缺省设置为12个触发输出，为RS422差分输出。各个触发的延时，脉宽，极性及重复频率等软件可设。数字中频接收机还产生数字AFC或模拟AFC输出，连接控制***的磁控管振荡频率或本振频率的控制端。模拟AFC输出的增益和偏置可调。

发明效果：本发明利用数字中频及初相补偿技术，提高雷达探测性能；  采用宽带接收技术，省去了自动频率跟踪，简化了接收装置；采用虚拟终端软件信号处理技术，使用PC机直接进行实时信号处理，省去了专用的DSP处理器，使得设备简化、可靠，使用维护更加方便；实现了远程数据传输及远程遥控功能；  新颖的结构设计，使雷达更加机动、灵活，架设使用方便。

主要技术参数：

工作频率：X波段；探测目标：中等强度的降水目标；

探测范围：距离：2km～150km；高度：0km～20km；

方位：0°～360°；仰角：0°～90°；强度：≤80dBz；

速度：+24m/s(距离150km)；谱宽：16m/s。

探测误差(标准偏差)：    距离：≤150m；    角度：≤1°；

高度：≤300m(距离＜100km)；    强度：≤1dB；

速度：1m/s；    谱宽：1m/s。传输距离：500m

分辨率  距离：150m；    方位：1.5°；    仰角：1.5°；    强度：1dBz；

速度：1m/s；    谱宽：1m/s。

开机时间：  正常：≤10min。连续工作时间：8h。

电源：供电方式：市电、油机；

电源电压：220(1±10％)V  频率：50(1土3％)H

全机耗电量：≤1.5kW。

环境条件要求：温度：-10℃～40℃；相对湿度：0～95％(35℃)；海拔高度：3000m以下。电磁兼容：连接电阻不大于10Ω。

可靠性和维修性：MTBF：500h；MTTR：30min(有备件情况下)。

附图说明

图1是本发明雷达组成框图

图2接收分***组成框图

图3是数字中频接收机组成框图

图4监控输入MON串口时序图如图4。

图5监控串行CNTL输出接口时序图

图6便携式X波段多普勒天气雷达终端***

图7多普勒天气雷达终端信号处理框图

图8是雷达发射脉冲示意图

图9便携式X波段多普勒天气雷达组成示意图

图10本发明构成框图

图11是本发明高放电路

图12是本发明得到的雷达波形(两点间距波形)

图13是本发明得到的雷达波形弱(回波区波形)

图9中1.工作车2.主控箱与电源机箱  3.天线  4.天线座  5.发射机箱6.撑脚、7.千斤顶8.光缆盘9.汽油发电机组10.接线板11.电脑12.UPS  13.进线盒

具体实施方式

便携式X波段多普勒天气雷达由天馈线分***、发射分***、接收分***、数字中频接收机、信号数据处理终端分***、伺服分***、监控及电源分***等8个分***组成。雷达组成框图如图1所示：主要分***技术方案：

1、接收分***

接收分***的构成是，对天馈线分***输出的的微弱的高频脉冲回波信号进行放大和频率变换，将中频回波信号进行滤波放大后送往数字中频接收机。本分***采用了低噪声场效应管放大器、高稳定锁相本振和镜频抑制混频器，具有噪声系数低，接收灵敏度高的显著特点。中频接收机是数字中频及初相补偿技术，提高了雷达的测速性能；对信号处理提出一种宽带接收方法，省去了自动频率跟踪，简化了接收装置；提出一种虚拟信号处理技术，使用PC机直接进行实时信号处理，省去了专用的DSP处理器，接收分***由低噪声场效应管放大器(主路放大器)、参考信号放大器(支路放大器)、锁相本振等部分组成。

主路放大器由低噪声场放、混频器及前置中放等组成。主要用来选择回波信号，并对其进行放大和频率变换，输出中频回波信号。

主路放大器增益为30dB，带宽为±15MHz，满足宽带接收的需要。

支路放大器是对小孔耦合起耦合过来的发射机主波进行频率变换及幅度放大，输出中频参考信号。它由混频器及中频放大器组成。支路放大器的增益为0～10dB可调，满足数据中频接收机对输入“Brust”信号(突发信号)幅度的要求。

基准时钟信号发生器包括锁相本振，锁相本振由晶体振荡器、单点介质锁相源及锁相振荡器、功分器等组成。它是超外差雷达接收机主要组成部分，它与高频脉冲信号混频产生中频信号，同时输出100MHz基准信号。基准信号送到基准时钟信号发生器。基准时钟信号发生器输出时钟基准到信号处理***，作为信号处理信号的时钟基准，设定输出时钟信号频率为80MHz。

组成框图如图2所示：工作原理：从天馈线分***接收到的微弱的高频回波信号，经环行器、放电管限幅器后送入接收分***的主路放大器，由低噪声场放进行放大、然后送到镜像抑制混频器中，在混频器中回波信号与本振信号进行混频，输出的60MHz±15MHz中频信号，本***采用宽带接收设计，省去了自动频率跟踪装置。

由小孔耦合器耦合输出的发射机主波信号送入接收***的支路放大器，直接混频，变成中频信号，再进行放大，然后将中频参考信号送入信号处理分***。

晶体振荡器输出一路100MHz的信号作为基准时钟信号发生器的输入信号，基准时钟信号发生器经过滤波、变频、放大、滤波后输出80MHz的时钟基准，送到信号处理分***作为时钟基准。

2、数字中频接收机

数字中频接收机功能

数字中频接收机采用高速和高精度A/D变换器进行回波和发射脉冲(主波)采样，利用浮点DSP进行发射脉冲进行本地实时频谱分析和处理，提取发射脉冲样本信息进行幅相校正，相干处理后的IQ数据(双路相互正交数据)由光缆传输至异地信号处理终端。数字中频接收机主要有：DIFR6数字接收机和OPTIC PCI光纤接口板等组成。DIFR6数字接收机完成中频采样，数字IQ解调，伺服信号的传递等，形成的数字IQ信号由光纤传输；OPTIC PCI接口板实现光纤接口转换，并具有模拟IQ输出功能。该***的主要功能如下：

a)  进行双路数字中频采样，完成数字IQ解调，输出正交IQ信号；实现远程数据传输。对发射脉冲进行瞬时采样，并进行幅相校正；

b)产生***时序信号；传递伺服***控制信息以及***监控状态信息；

数字中频接收机组成框图如图3构成：其构成和主要特点：

a、采用高速、高精度14位的A/D变换器，对60MHz的回波和发射参考脉冲分别进行采样，在数字域里进行I/Q变换，并对发射脉冲的初相进行校正，从而极大地扩大了雷达的线性动态范围，提高了雷达的探测精度。去掉了传统模拟接收机中的对数放大支路、AGC电路、STC控制等电路，大幅减少***离散元器件，提高***的可靠性。数字中频接收机的应用，使得信号传输更加简单，可进行远距离(500m)的数据传输，同时增强了抗干扰能力。

b、宽带接收技术，可在中频45MHz～75MHz范围内，自动捕获和跟踪目标信号，从而省去了自动频率跟踪装置(如电机调谐装置)，使得设备简化，提高了雷达的性能和可靠性。

工作原理：数字中频接收机首先对回波IF和主波(磁控管)中频信号进行采用和分析，处理得到相干的零中频正交IQ信号，然后通过全双工光纤接口传送至异地终端处，异地终端处配有光纤接口PCI接口和其行通信。数字接收除了完成常规的中频处理及分析外，还产生整个雷达的定时信号，数字接收机缺省设置为12个触发输出，为RS422差分输出。各个触发的延时，脉宽，极性及重复频率等软件可设。数字中频接收机还产生数字AFC或模拟AFC输出，用于控制***的磁控管振荡频率或本振频率。模拟AFC输出的增益和偏置可调。数字接收机带有前端监控接口和状态指示输出。监控接口包括串行的方位，俯仰输入及监控状态输入和监控命令输出，其均为RS422电平。同时保留有3位的RS422差分输出和3位RS422差分输入作为备用接口。

输入输出接口：数字中频接收机主要有模拟接口和数字接口两部分，模拟接口如下：

信号名称	说明	接口形式
			IF	中频回波，幅度最大可为±14dBm，50欧	SMA JACK FEMALE
BURST/IF2	发射脉冲中频样本或二通道中频回波，样本输入幅度0-6dBm，而中频回波输入幅度最大为+14dBm 50欧参考时钟，80MHz，幅度0-6dBm，正弦波，50欧，相噪声优于70dBc@10Hz	SMA JACK FEMALE
			CLK	SMA JACK FEMALE

数字中频接收机工作在磁控管方式，模拟输入信号为IF回波和IF主波，要求输入的主波脉冲幅度为-5～6dBm之间，为了获得较好的信噪比，推荐幅度范围为0～6dBm，但最大幅度不能超过+6dBm。

数字接收机的动态范围高达80dB以上，数字接收机能够正常工作的最大输入功率为+14dBm，但是数字接收机在输入回波功率大于+6dBm时有一定的非线性失真，为了保持整机具有较大的动态范围同时留有裕量，推荐前端对IF回波的最大驱动能力应可达+10dBm左右，但是如果整机***对动态范围要求不需这么高，则高端的驱动能力可以降低。

参考时钟的输入幅度可为0～6dBm，为了避免时钟信号对IF信号的干扰，参考时钟的幅度最大不要超过+6dBm，推荐为0dBm，如过强，应加外部衰减器。同时为了获得整机的高性能，参考时钟应具有较高的相噪指标。

数字接口信号：

数字中频接收机的所有数字输入输出信号通过一个DB37/Female插座和一个DB25/Female插座输出。

DIFR6输出的数字控制信号包括数字接收机本身的工作状态信号，监控输入输出信号及部分保留信号。标有“+-”的输出信号为RS422差分电平，其余为TTL，但RS422输出信号的“+”端可作为TTL输出。所有的保留信号或不用的信号应悬空。

监控串行接口时序：

数字中频接收机具有两个同步串行接口，其中一个为控制命令输出至监控的CNTL串口，另一个为来自监控的ON串口。其中CNTL输出串口帧长为24位，推荐方式为高8位为命令类型，低16位为相应命令下的参数(数字接收机本身只提供相应的物理通信通道，无需知道数据的具体内容和格式)。而MON输入端口为48位，其中高16位为方位，中16位为俯仰，低16位监控状态。所有串行接口均为高位在前，低位在后(左移方式)。

图4：监控输入MON串口时序图如图4。先送AZ最高位至AZ最低位，再送EL最高位置最低位，最后为状态最高位至最低位，所有数据在时钟上升沿有效，一帧共48位。MONSCK时钟频率最大可为20MHz。

终端向监控输出的CNTL串口时序一帧共24位，先送最高位，再至最低位，所有数据在时钟上升沿有效。当前缺省输出时钟频率为500KHz，监控串行CNTL输出接口时序图图5。

触发输出：数字中频接收机共有12个通用触发输出，其输出电平为RS422，输出

插座形式为DB25/Female。电源接口：数字接收机工作于单5V电源，电源插座为四芯，引脚分配如下：

1	GND，数字地
		2	+15V
3	+5.2V
		4	+52V
5	-15VV
		6	AGND，模拟地

数字中频接收机最大工作电流为近2.2A，我们采用3A模拟电源供电。

由于数字接收机实际为高速大型信号处理器，所以其对电源电流的消耗较大，并且其产生的高频数字噪声可能通过电源耦合到其他地方，所以在接收机中将数字接收机的电源和前端噪声敏感性模块的电源进行隔离，场放，前中等使用独立的线性电源，以获得更好的***性能。

3、信号数据处理终端分***

便携式X波段多普勒天气雷达终端的独到之处，就是利用计算机(PC机)来完成实时信号数据处理的工作，即虚拟终端信号处理技术。本雷达终端处理软件包含雷达信号的实时处理(含数据预处理)、数据存储、实时显示(用户图形交互界面)：(1)图象显示(2)状态监控(3)雷达工作参数设置)、雷达的二次产品等。本软件采用了C++语言开发，支持WINDOWS***如WINDOWS2000/NT/9X操作***。

本软件包括两个主要部分，一是负责管理PCI接收卡的设备驱动程序，主要功能是完成对实时采集数据进行接收、缓冲和传输。二是雷达终端实时信号处理软件，主要功能是对实时采集的原始数字信号进行处理，生成强度、速度和谱宽信号，实时显示雷达扫描数据和后处理数据分析，控制整个雷达***的工作方式和存储回波数据。

图6是整个软件***的结构框图。图中清楚的反映了两层应用程序的结构关系和功能，应用层的雷达终端处理软件通过用户交互的方式向驱动程序发出控制命令，再由驱动程序实现对接收卡相应的控制。驱动程序通过接收卡获取实时观测的数据后，通知雷达终端处理软件对采集的数据进行信号处理、存储和显示。

(一)、信号处理主要功能

从PCI数据接收卡得到的线性I和Q数据，先进行异步干扰消除运算，通过比较相邻雷达周期相同距离单元上信号的幅度，可基本消除其它雷达对本雷达的干扰。通过对大信号进行幅度修正的算法，可提高接收机6dB左右的动态范围，修正值根据实际测试结果而得到。然后进行地杂波抑制处理，如果采用PPP处理，则采用FIR算法对杂波进行消除；如果采用FFT处理，则在频域进行地杂波抑制处理。PPP处理和FFT处理可由用户进行选择，得到强度、速度和谱宽的数据。软件通过对不同脉冲进行相位编码或随机相位的方式，消除二次回波的干扰，从而扩展无模糊距离。通过双重频方式，扩展无模糊速度。通过SQI、LOG等参数对信号质量进行控制。奇异点滤波处理是通过回波之间的相关性，滤除一些奇异点，提高数据质量。为了保证计算的精确，全部数据都采用了32位浮点计算和存储，一些函数如sin、log等，采用了计算机CPU内部的浮点协处理器进行计算，而不采用硬件信号处理器所通常采用的查表和拟合的方法。软件还具备对雷达发射功率、接收机噪声系数、接收机增益等影响测量精度的因素进行补偿的功能。见图7多普勒天气雷达终端信号处理框图。

(二)、信号处理主要参数

***参数：

距离库长150m、300m；距离库数最大为1000

测量范围150km(150m库长)；300km(300m库长)

600km(600m库长)；重复频率200-2000Hz，频率连续可变；

脉宽控制1，2，4，8(us)。

强度处理：

处理方式DVIP；方位处理脉组累积平均；

方位平均次数16/32/64/128/256次可选；强度处理范围0-600Km。

输出强度信号对消或不对消，16bit dB值；估值精度1dB。

基本速度和谱宽处理(PPP，FFT)：

处理方式对I、Q信号进行PPP或FFT处理

PPP处理脉冲数16/32/64/128/256可选

FFT处理点数16/32/64/128/256点(全程FFT)

输出平均径向速度和谱宽。V，B为16Bit归一化值，谱宽估计采用

高精度的二价相关法。估值精度1m/s

速度去模糊处理(APRF，DPRF)：

解速度模糊处理参差重频APRF或双重复频率DPRF，参差比2/3，3/4

脉冲积累数16/32/64/128/256，估值精度1m/s。

反射率差ZDR：

处理方式平方律估值，脉冲积累数16/32/64/128/256，估值精度0.2dB

传播相移PHDP：

处理方式PPP，脉冲积累数16/32/64/128/256。

地杂波抑制：

处理方式IIR滤波器；抑制能力30～50dB(八级可选)。单库：脉冲积累数16/32/64/128/256，IQ输出方式，直接输出未经处理的来自数字接收机的距离向IQ信号，用于测试接收机的相位稳，定度以及检查雷达时域回波。

(三)、信号处理算法

地杂波抑制：

为了滤除地物杂波，将采用FIR滤波器，对相参I、Q信号进行滤波处理。FIR滤波器的频率响应有很好的形状(低旁瓣)，可以得到更大的杂波抑制，同时滤波的灵活性很好，对于不同的环境可选择不同的权系数组，改变凹口的位置。

$y\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(k\right)x(n-k)$

FIR滤波器的输入信号和输出信号关系如下：

其中N表示滤波器系数个数，h(k)表示滤波器系数。为了使滤波器组达到很好的截止特性，采用海明加权，来降低副瓣的影响。

强度处理：采用数字中频技术，大幅度提高了***的线性动态范围，因而接收机可取消对数中放，信号处理机也取消了LOG通道，而直接根据I、Q数据估计强度值，对于单点信号的强度，直观地可由I、Q形成的复数的模的平方来表示：

$Z={|I+\mathrm{jQ}|}^2={\mathrm{SS}}^{*}=I^2{+Q}^2$

在实际处理中，为了满足强度的估计精度优于1db，同时为了降低噪声干扰的影响，强度值需进行方位和距离上的平均。

$\mathrm{dB}=10\log \stackrel{\‾}{Z}$

$\stackrel{\‾}{Z}=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{|I_i+{\mathrm{jQ}}_i|}^2$

速度和谱宽处理：

为提高***测速精度，采用脉冲对处理器进行多卜勒信息的测量。PPP方法与FFT方法的主要区别就是不需要进行频谱分析。PPP方法的优点是运算设备量较小，灵敏度高，并具有一定的测速精度。

脉冲对处理的基本原理是基于运动目标的平均径向速度可以用相邻两个回波信号的相位差的平均值来求得，即：

${\stackrel{\‾}{v}}_r=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\πTN}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\φ}}_{i+1}-{\mathrm{\φ}}_i)$

式中T为雷达重复周期，N为相关平均次数，φ_i和φ_i+1分别为相邻两个回波信号的相位，λ为雷达波长。

设S_i和S₊₁为相邻两个周期的回波信号：

$S_i=x_i+{\mathrm{jy}}_i$

$S_{i+1}=x_{i+1}+{\mathrm{jx}}_{i+1}$

${\mathrm{\φ}}_{i+1}-{\mathrm{\φ}}_i={\mathrm{tg}}^{-1}\left[\frac{x_i{y}_{i+1}-x_{i+1}{y}_i}{x_i{x}_{i+1}+y_i{y}_{i+1}}\right]={\mathrm{tg}}^{-1}\left[\frac{\mathrm{Im}\left\{R\left(T\right)\right\}}{\mathrm{Re}\left\{R\left(T\right)\right\}}\right]$

根据公式推导，可以获得相邻两个回波信号的相位差：

即是间隔为T的相关函数R(T)。因此可以得到平均径向速度为：谱宽为

$w=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}{T}_s}\sqrt{\frac{2}{3}}\sqrt{\ln \left|\frac{R\left(1\right)}{R\left(2\right)}\right|}$

去模糊算法：

对于一固定脉冲重复频率的雷达，其最大无模糊速度可由下式表示

$V_{\max }=\±\frac{1}{4}\mathrm{\λ}\×\mathrm{PRF}$

式中：V_max：最大无模糊速度，λ：雷达波长，PRF：雷达脉冲重复频度，其最大无模糊距离由下表示：

$R_{\max }=\frac{1}{2}{\mathrm{CT}}_r=\frac{1}{2}C\·\frac{1}{\mathrm{PRF}}$

式中：R_max：最大无模糊距离，C：光速

所以，其最大无模糊速度和最大无模糊距离的乘积为

R_maxV_max＝±λC/8

上式右边为一常数.因此，有时将会存在速度覆盖和距离覆盖不能兼顾的矛盾。为了克服这一矛盾，***配备了速度和距离去模糊算法(APRF和DPRF)。

APRF算法：

根据速度公式

$V=\frac{\mathrm{\λ\φ}}{4\mathrm{\πTr}}$

当φ范围超出(-π，π)时，速度估计将会产生模糊。APRF采用脉冲间隔依次为T1和T2(T1≠T2)的脉冲，对气象目标进行采样(一般T1＜T2)，该方法本质上是对PPP的发展，其雷达发射的脉冲串如图8所示)

该法求相关值时，两个相关值分别对S_2k和S_2k+1序列进行，见下两式

$R\left(T1\right)=\frac{1}{N}\underset{K=0}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{2K+1}{S}_{2K}^{*}$

$R\left(T2\right)=\frac{1}{N}\underset{K=0}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{2(K+1)}{S}_{2K+1}^{*}$

式中

R(T1)：相隔为T1脉冲串的自相关

R(T2)：相隔为T2脉冲串的自相关

上述两式相当于分别是脉冲重复时间为T1和T2时的脉冲对平均速度检测，如用R(T1)检测，其无模糊速度范围为

V_max1＝±λ/4T1

同理，仅用R(T2)检测时

V_max2＝±λ/4T2

但如果利用R(T1)和R(T2)的相差来检测，即可扩大无模糊速度，速度估计公式为：

$V=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}(T2-T1)}\left\{\arg \right[R\left(T2\right)]-\arg [R\left(T1\right)\left]\right\}$

由于T2-T1可以比T1，T2中的任何一个小，如设

φ＝arg[R(T2)]-arg[R(T1)]

则同样对于φ属于(-π，π)，其速度估计Vmax将会扩大。即

$V=\frac{\mathrm{\λ\φ}}{4\mathrm{\π}{T}_2(1-K)}$

式中    K＝T₁/T₂

当K＝3/4时，Vmax可达3Vmax1或4Vmax2。显然，T1和T2的差值越小，无模糊速度就越大，但同时其估计方差将会加大，因此，其差值不能太小，否则得到的估计将会无意义。同时对于距离

$R_{\max }=\frac{C(T1+T2)}{2}$

因此，该法扩展无模糊速度时对无模糊距离也有一定程度的扩展。这是因为对于Rmax之外无目标时，在计算R(T1)和R(T2)时，只有其中的一个取样对存在，因此，对R(T1)和R(T2)的计算不存在影响。

根据理论计算结果如下：

PRF1＝          750          Hz				PRF2＝            1000             Hz
							速度1＝	6.05	m/s	距离1＝	200.00	km
速度2＝	8.06	m/s		距离2＝	150.00	km
							不模糊速度	32.26	m/s	不模糊距离	350.00	km

PRF1＝         1000          Hz				PRF2＝            1500              Hz
							速度1＝	8.06	m/s	距离1＝	150.00	km
速度2＝	12.10	m/s		距离2＝	100.00	km
							不模糊速度	36.29	m/s	不模糊距离	250.00	km

便携式X波段多普勒天气雷达主要由图9中1.工作车2.主控箱与电源机箱3.天线4.天线座  5.发射机箱  6.撑脚7.千斤顶  8.光缆盘  9.汽油发电机组10.接线板11.电脑12.UPS  13.进线盒。其中，天线、天线座、发射机箱、主控箱及电源机箱、撑脚组合成一个整体，构成***的前端；而电脑终端和依维柯运输工作车1构成***的后端。雷达的组成从电讯上分由八个分***组成，分别是：

天馈线分***；发射分***；接收分***；数字中频接收机；

伺服分***；监控分***；信号数据处理终端分***；电源分***。

4、雷达从结构上组成分为：天线装置、发射机箱、主控箱及电源机箱、雷达终端、汽油发电机组等五个部分。雷达的总布置图如图9所示。

数据处理分***方案：数据处理分***在硬件上由一台高性能计算机组成，辅助设备为一台HUB与一台UPS不间断电源。在软件上，数据处理分***由四个部分组成，分别是：实时接收程序、信号处理终端程序、二次产品处理程序以及产品管理***四个部分组成。

(一)、实时处理程序的方案

(1)、实时处理程序的功能

a、完成雷达扫描方式的控制，如PPI、RHI、SPPI、CAPPI扫描，上下左右点动精确控制；

b、支持扫描图像以数据或者图形方式(bmp，gif)的存储，支持距离订正和噪声门限设置，支持图像的打印输出；

c、实现对于雷达各个分机的状态实时监控并完成报警；

d、实现对于雷达方位以及俯仰的标定功能，保证天线能停在用户设定的任意位置，保护天线；

e、实现对于雷达各个分***的状态实时监控并完成报警；

f、电子矢量地图支持，支持矢量放大，实时定位，地图分层，实时地图叠加；

g、另外，还有同屏多要素显示、局部放大、接收GPS地理信息、操作员的用产管理等功能。

(2)、实时处理程序的界面

实时处理程序的界面如下图所示：

在图形的最上方是菜单，中间主要部分是显示图形部分，在下方是捷面板，包括：    实时控制、扫描参数、***状态面板、历史资料四个快捷面板。

(3)、实时接收程序的界面方案：

实时接收程序的界面如下：

(二)、信号处理程序方案

(1)、信号处理程序的功能

信号处理终端程序的主要功能是负责管理PCI接收卡的设备驱动程序，完成对实时采集数据进行接收、缓冲和传输，并监控雷达状态和天线位置。

在工作的时候，本程序负责对实时采集数据进行接收、缓冲和传输，并监控雷达状态和天线位置，并将数据送给实时接收程序。本程序的参数设置完毕以后，点击“开始采集”按钮，然后最小化，放在后台运行。

(2)、界面的方案如下图所示：

本程序也可以对雷达进行天线控制、开关发射机等方面操作，这些操作同实时接收程序是一样的。在主界面左边上半部分是雷达天线控制的按钮，下半部分是信号处理器状态显示。在主界面的右半部分是一个图形化的示波器，可以观测接收到的数据。

在***控制菜单下有定时控制的选项，点击此选项打开如下图所示的界面，可以对数据中频接收机的工作模式进行控制。包括处理模式、脉冲积累数、重复频率、触发脉冲等控制。

定时控制的界面：

(三)、二次产品处理程序方案

(1)、二次产品程序的功能

二次处理***主要对实时接收到的数据进行进一步的处理，来获取更多的气象信息。主要产品如下所示：

☆基本数据产品：雷达反射率因子R；平均多普勒速度V；

谱宽SW；实时PPI(平面位置显示)；RHI(距离高度显示)；

非实时PPI、RHI、CASPPI(等高平面位置显示)；

VCS(任意方向垂直剖面)；ETSPPI(回波顶高平面位置显示)。

☆  雷达反射因子场产品；组合反射率因子(CR)；

组合反射率因子等值线；回波顶(ET)；

回波顶等值线(ETC)；冰雹指数(HI)；1小时累积防水量(OHP)；

3小时累积降水量(THP)；风暴总累积降水量(STP)；

垂直积分液压含水量(VIL)；弱回波区(WER)；1小时降水数字阵列(DPA)。

☆风场产品

速度方位显示(VAD)；VAD垂直风廓线(VWP)及时间分布；

风暴相对平均径向速度(SRM)；龙卷涡旋特征(TVS)；

速度体积处理(VVP)——水平风速显示；中尺度气旋(M)。

☆综合产品

风暴结构分析(SS)；用户报警信息(VAM)；

风暴预报信息——强天气概率(SWP)；风暴追踪信息(STI)。

☆图形处理

单画面、多画面、动画、局部放大、漫游、滤波。

(2)、二次产品处理程序界面方案

部分二次产品处理程序生成的产品如下：

A、任意方向垂直剖面；B、任意两点间测距；C、弱回波区

图11电路中，高频回波信号经低噪声场效应管60MHz放大后与本振信号一起加到镜频抑制混频器(由微带电路制作)，经过混频输出中频信号，经过两级放大与滤波Z1、Z2后输出中频回波信号到数字中频接收机。特点是采用低噪声场效应管放大器，镜频抑制混频器，噪声系数低，镜频抑制度高，增益平坦度好。

本发明的实施例得到图12两点间距波形和图13雷达回波区波形。

Claims (9)

1、便携式X波段多普勒天气雷达的信号处理方法：在由天馈线分***、发射分***、接收分***、数字中频接收机、信号数据处理终端分***、伺服分***、监控及电源分***构成的硬件基础上，其特征是接收分***对信号处理采用宽带接收方法，以低噪声场效应管放大器构成主路放大器、与参考信号放大器和锁相本振，高稳定锁相本振和镜象抑制混频器构成接收分***；采用宽带接收，在中频45MHz～75MHz范围内，自动捕获和跟踪目标信号；主路放大器由低噪声场放、混频器及前置中放等组成；主要用来选择回波信号，并对其进行放大和频率变换，输出中频回波信号；

参考信号放大器即支路放大器由混频器及中频放大器组成；对小孔耦合起耦合过来的发射机主波进行频率变换及幅度放大，直接混频，变成中频信号，输出中频参考信号送入信号处理分***；

基准时钟信号发生器包括锁相本振，锁相本振由晶体振荡器、单点介质锁相源及锁相振荡器、功分器等组成；它与高频脉冲信号混频产生中频信号，同时输出100MHz基准信号；基准信号送到基准时钟信号发生器；基准时钟信号发生器经过滤波、变频、放大、滤波后输出80MHz的时钟基准，送到信号处理分***作为时钟基准；

从天馈线分***接收到的微弱的高频回波信号，经环行器、放电管限幅器后送入接收分***的主路放大器，进行频率变换和由低噪声场放进行放大、然后送到镜像抑制混频器中，在混频器中回波信号与本振信号进行混频，输出的60MHz+15MHz中频信号；将中频回波信号进行滤波放大后送往数字中频接收机。

2、根据权利要求1所述的X波段多普勒天气雷达的信号处理方法：其特征是使用虚拟信号处理方法，使用PC机直接进行实时信号处理。

3、根据权利要求1所述的X波段多普勒天气雷达的信号处理方法：其特征是数字中频接收机采用高速和高精度A/D变换器进行回波和发射脉冲中频采样，数字IQ解调利用浮点DSP进行发射脉冲进行本地实时频谱分析和处理，提取发射脉冲样本信息进行幅相校正，产生***时序信号；传递伺服***控制信息以及***监控状态信息；相干处理后的双路相互正交数据即IQ数据由光缆传输至异地信号处理终端。

4、根据权利要求3所述的X波段多普勒天气雷达的信号处理方法：其特征是数字中频接收机具有两个同步串行接口，其中一个为控制命令输出至监控的CNTL串口，另一个为来自监控的ON串口。

5、根据权利要求4所述的X波段多普勒天气雷达的信号处理方法：其特征是其中CNTL输出串口帧长为24位，推荐方式为高8位为命令类型，低16位为相应命令下的参数，而MON输入端口为48位，其中高16位为方位，中16位为俯仰，低16位监控状态。所有串行接口均为高位在前，低位在后(左移方式)；监控输入ON串口时序如下。先送AZ最高位至AZ最低位，再送EL最高位置最低位，最后为状态最高位至最低位，所有数据在时钟上升沿有效，一帧共48位；MONSCK时钟频率最大为20MHz。

6、根据权利要求4所述的X波段多普勒天气雷达的信号处理方法：其特征是数字接收机带有前端监控接口和状态指示输出；监控接口包括串行的方位，俯仰输入及监控状态输入和监控命令输出，其均为RS422电平；同时保留有3位的RS422差分输出和3位RS422差分输入作为备用接口。

7、便携式X波段多普勒天气雷达，由天馈线分***、发射分***、接收分***、数字中频接收机、信号数据处理终端分***、伺服分***、监控及电源分***组成；所述接收分***包括低噪声场效应管放大器、参考信号放大器组成；其特征是主路放大器由低噪声场放、高稳定锁相本振和镜相抑制混频器，混频器及前置中放等组成；支路放大器由混频器及中频放大器组成；对小孔耦合起耦合过来的发射机主波进行频率变换及幅度放大，直接混频，变成中频信号，输出中频参考信号送入信号处理分***；从天馈线分***接收到的微弱的高频回波信号，经环行器、放电管限幅器后送入接收分***的主路放大器，由低噪声场放进行放大、然后送到镜像抑制混频器中，在混频器中回波信号与本振信号进行混频，输出的60MHz±15MHz中频信号，将中频回波信号进行滤波放大后送往数字中频接收机；基准时钟信号发生器包括锁相本振，锁相本振由晶体振荡器、单点介质锁相源及锁相振荡器、功分器等组成；与高频脉冲信号混频产生中频信号，同时输出100MHz基准信号；基准信号连接基准时钟信号发生器；数字中频接收机采用对60MHz的回波和发射参考脉冲分别进行采样的高速、高精度14位的A/D变换器，在数字域里进行I/Q变换，晶体振荡器输出一路100MHz的信号作为基准时钟信号发生器的输入信号，基准时钟信号发生器经过滤波、变频、放大、滤波后输出80MHz的时钟基准，送到信号处理分***作为时钟基准。

8、根据权利要求7所述的便携式X波段多普勒天气雷达，其特征是数字中频接收机采用中频采样，数字IQ解调，伺服信号的传的DIFR6数字接收机和OPTIC PCI光纤接口板组成；形成的数字IQ信号由光纤传输；OPTIC PCI接口板实现光纤接口转换，进行双路数字中频采样，完成数字IQ解调，输出正交IQ信号；实现远程数据传输；对发射脉冲进行瞬时采样，并进行幅相校正；产生***时序信号；传递伺服***控制信息以及***监控状态信息。

9、根据权利要求7所述的便携式X波段多普勒天气雷达，其特征是数字接收机输出整个雷达的定时信号，数字接收机缺省设置为12个触发输出，为RS422差分输出；数字中频接收机输出数字AFC或模拟AFC输出，用于连接控制***的磁控管振荡频率或本振频率的控制端。

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