脉冲多普勒气象雷达信号处理系统研究

于 希，周 辉

邵阳市气象局，湖南邵阳 422000

0 引言

自二战时期出现雷达以来，经过几十年的探究与创新，人们对雷达的运用也发生了极大的转变，例如在1955 年，产生了匹配滤波与时域滤波，能够对处理极为复杂的信号且对杂波进行抑制。随着科学技术的飞速发展，人类对雷达信号处理系统的研究将逐渐趋于系统化、全面化，而雷达的运用范围也将越来越大。

1 脉冲多普勒气象雷达概述

多普勒气象雷达，是一种通过各种散射体（雨、云）和雷达两者之间相对运动，进而产生多普勒效应，最终实现气象探测目的雷达[1]。这种类型的雷达不仅可以对云、雨的位置及其强度分布状况等情况有效的探测，同时还能够对气象目标内部质点的运动状况加以探测。强风暴从最初的形成到最终的消散，都和强风暴内部的质点运动有一定的关联，然而一般的气象雷达不能提供该方面的参数，仅仅只可对气象目标的位置及其强度情况进行探测，所以，针对这种情况，美国等国家在上世纪六十年代开始将多普勒技术运用到气象雷达中，而在八十年代就涌现出不同类型的多普勒气象雷达。

2 雷达信号处理软硬件设计和实现

2.1 软件设计

多普勒气象雷达信号处理系统的软件设计必须经过几个过程，即距离积累、空间积累、校正直流零漂以及校正距离与强度等，以下将对其展现详细说明。

1）距离积累：通过数字中频接收机之后，雷达回波转化为I/O 两路数字信号，最初应该对采样信号实行距离积累，使其转变到400 点之内，之后对直流零漂予以消除，以便使最终获得的信号无直流零漂，且全部方位与距离上增益均相同；

2）空间积累：依据距离门，对以上数据重新排列，之后依据距离门展开空间积累，之后对SQI 进行计算，且把这个值和SQI 门限相对比，假使比门限小，那么把最后的结果归零处理；如果比门限大，那么对V、W、SNR 以及dBZ 等进行计算[2]；把SNR 和门限进行对比，假使比门限小，那么把最后的结果归零处理；如果比门限大，那么将上述中的计算结果予以输出；

3）校正直流零漂：在开启雷达或者是雷达使用一段时期之后，对其直流零漂加以测定。把雷达接收机的输入端与地面相连接，收集一些数据，进而测定直流零漂。其中，可以选择的测定方式有求和，亦或者是FFT 计算取零通道。把最终测出来的值储存起来，便于之后校正直流零漂；

4）校正距离与强度：依据气象雷达方程，回波能量依据距离平方而逐渐减退，大小相同的气象目标在近端与远端，其回波能量是不同的。人们把回波信号依据STC 的控制强度与距离平方规律，对其距离加以校正，以便促使回波信号可以将实际的情况体现出来。另外，对于强度的校正，是通过数据处理机控制实行人工校正。

2.2 硬件设计

信号处理模块系统主要由几个部分构成，即数字中频接收机、缓冲器、预处理器、定时器、RAM、DSP1 以及DSP2 等，以下将对其数字中频接收部分与信号处理部分进行分析。

1）数字中频接收部分：采取模拟接收机的天气雷达系统，是通过LOG 通道达到预估强度的目的。采取数字中频的天气雷达系统，是从线性支路通过求模来达到预估强度的目的的，所以数字中频的天气雷达系统相较于传统模拟接收机而言，成本较低，可靠性较高，同时在性能上也更为强大，其中，它的线性动态范畴能够达到92-102dB，并且将一些零部件予以去除，例如中频带通滤波器、对数接收机、自动增益控制电路以及AFC 反馈电路等等。A/D 变换器的选取是达到中频的关键所在，A/D 变换器的性能主要包含分辨率的比特数、采样速率等，这两者在一定程度上决定着A/D 变换器的输出信号信噪比的动态范畴；

2）信号处理部分：该部分主要包含四个方面，即预处理器和定时器、DSP1、缓冲器与RAM 以及DSP 板卡等。首先：预处理器和定时器利用1 片三万门的FPGA 芯片10K30QC208，在DSP1 的控制基础之上达到距离积累为2-16 径向的要求，同时形成实际需要的全部脉冲定时信号[3]。其次，DSP1，其是选取16 位定点TI TMS320F206，DSP1 由RAM 读取工控机内的控制信息，之后依据所获得的信息来展开各类控制工作，例如将控制数据予以打包处理，然后置于数据流内，对控制系统实现自检等等。再次，缓冲器与RAM。缓冲器中的数据主要是来源于通过预处理的DSP1 和A/D 中的数据，缓冲器输出端与DSP2通用数据口相连接。在其中的一个端口设定为工控机存储器，而另外一个端口则与DSP1 的总线相连接，进而实现DSP1 和工控机两者间的信息交流。最终，DSP 板卡可以选取高速信号处理板卡，能够当做高速信号处理的一个平台，其是采取TI 公司所研制的浮点DSP 器件，运行速度最大能够达到1000MIPS，在板卡上安装了极为快速的同步存储器SDSRAM 与SBSRAM，能够使客户获得较快的储存速度与极大的储存空间。

3 结论

综上，文章对采取数字中频接收机的脉冲多普勒气象雷达的信号处理系统进行了研究，首先对气象雷达进行了一定的阐述，然后重点说明了脉冲多普勒气象雷达信号处理的硬件与软件设计。通过研究发现，可以发现多普勒气象雷达信号处理系统必须对庞大的数据量进行有效的处理，其中所涉及的计算极为繁杂，对精度有极高的要求与标准，同时该系统还必须达到实时处理的需求，这就要求人们还要不断对雷达信号处理系统进行研究与探索，以便促使脉冲多普勒气象雷达信号处理系统能够趋于完善，从而为人们提供更为优质、更为精确的气象监测。

[1]杜云峰.机载脉冲多普勒气象雷达信号处理技术研究[D].西安电子科技大学，2010.

[2]张忠传，等.基于Stretch处理的毫米波调频步进雷达信号处理技术研究[J].南京理工大学学报，2010.

[3]宁丽鹏.雷达信号处理系统关键技术研究[J].科技信息，2012.