天气雷达回波模拟系统的设计与实现*

唐顺仙 ，李 睿 ，史 朝 ，魏 超 ，王 皓

（1.成都信息工程学院 电子工程学院，四川 成都 610225；2.中国气象局 大气探测重点开放实验室，四川 成都 610225；3.中国科学院大学 大气物理研究所，北京 100029）

0 引言

在现代地基主动气象遥感领域，多普勒天气雷达占据着重要的地位，特别是在对一些突发性、灾害性等中小尺度天气过程的捕获与跟踪时，其较高的时间与空间分辨能力就显得越来越重要[1]。随着多普勒天气雷达在气象探测业务运行中的广泛使用，在雷达的研发与维护过程中，对雷达的性能进行完整测试就显得非常重要[2]。由于实验条件及天气状况等因素的影响，要在完全真实的天气过程的环境中对雷达各个模块及系统进行测试将非常困难。国内现阶段对雷达接收机性能测试所采用的方法一般是给其提供一个不具有天气目标回波特征的单一频率的信号，这些信号能够通过测量系统通道的技术参数来验证系统硬件的性能。但由于这些测试信号不具有天气信号的时频特征，故测试结果仍与处理真实天气回波时的状态存在差异。而将实时天气目标回波作为接收机的测试信号的方法却有成本过高、测试过程复杂、所需时间长等缺点。除此之外，由于实时气象目标的参数是不可控的，所以这种方法不能实现对接收机性能参数的定量测试。如果能够模拟产生具有真实天气目标特征的雷达回波信号，就可以在实验室环境中模拟完成外场试验所需的测试，同时也可以降低测试成本，缩短研发周期，提高工作效率[3]。除此之外，对模拟回波的参数进行控制，可以实现定量测试，进而可对接收机及后端的信号处理算法进行验证。

1 天气回波信号模拟的原理

由于天气目标的径向移动会造成接收信号的频率相对于发射信号的频率存在一定的频移（多普勒频移），即天气雷达回波信号可以看成原始发射信号在时间上的延迟并且频谱进行搬移后的一个时间序列，这就是回波信号模拟的基本原理[4]。

ZRNIC D S[5]在总结了滤波器法与快速卷积法等模拟算法后，从天气雷达回波信号的功率谱的角度，提出了简单实用的基于谱模型的直接拟合法。气象回波的功率谱密度函数为Pn(f)：

其中，pr为回波的功率，fd为多普勒频率，δf为频率标准差，PRF为脉冲重复频率，N为样本个数。

由气象雷达方程及相关理论可知：pr=CZ/r2，fd=2vr/λ，δf=2δv/λ。其中，C为雷达常数，只与雷达系统的参数有关；Z为反射率因子；r为气象目标与雷达站的径向距离；vr、δv分别为径向速度和速度谱宽；λ为雷达发射电磁波波长。

为了模拟出具有真实回波信号的频谱特性，需要在式(1)中加入噪声，然后进行随机化可得式(4)：

式中，随机变量 rnd在区间[0，1]上具有均匀分布，PN(f)为每秒钟噪声总功率，则PN(f)/PRF为噪声功率谱密度。

为了获取回波信号的复频谱特征，需要在Pn(f)中引入 0～2π 变化的随机相位谱 φn(f)=rnd·2π/rndmax，即可以构成回波信号的复频谱，然后将其进行离散傅里叶逆变换（IDFT）得到对应的时间序列 sn：

其中 In、Qn分别为天气雷达正交接收机 I通道、Q通道的数值。

由以上分析可得，在已知雷达基本参数的情况下，对天气雷达回波信号进行模拟时，可以先根据设想的回波特征(不同距离处的反射率因子、平均径向速度、谱宽)等信息计算出回波功率、多普勒频移、频率标准差等信息，然后根据这些信息构建出回波功率谱密度函数，最后加入噪声生成具有真实天气目标特征的回波信号，即I/Q信号。天气雷达基数据逆变I/Q序列算法设计流程图如图1所示。

图1 基数据逆变I/Q序列算法流程图

经过逆变算法获取的具有真实天气目标特征的I/Q信号，再通过回波模拟系统中的变频处理可以将信号的频率变成射频（中频）。射频信号（中频信号）可以被输入到天气雷达的接收机前端（中频前端），从而可以实现在实验室环境中，利用具有真实天气特征的回波信号对天气接收机的性能参数进行定量测试。

2 回波模拟系统的硬件实现

多普勒天气雷达回波模拟系统由回波模拟计算机(内插 PCI板卡)、数字接口 N5102A、射频信号源 E8267D、信号定时器、数字中频组件、雷达信号处理工控机等模块组成，其系统结构示意图如图2所示。

图2 天气雷达回波模拟器框图

回波模拟系统的硬件设计流程如下：

普通高校社区学院以非学历教育培训为主要形式。少数社区成员具有学历提升的需求，希望通过成人高等教育、远程教育取得学历层次的进一步提升。而多数社区成员接受的社会培训则以非学历教育培训为主，他们不以学历为主要学习目的，而是以提高自身综合素养和生活品质为目的。

（1）用户给出所需模拟回波的特征信息（不同距离处回波的反射率因子、径向速度、谱宽等），此时回波模拟计算机将根据谱模型的直接拟合法模拟出具有真实回波特征信息的回波信号，即数字I/Q信号。16 bit串行I/Q数据将按照规则被输送到PCI板卡，串行I/Q数据时序图如图3所示。

图3 16 bit串行I/Q数据时序图

（2）N5102A数字基带信号接口模块是射频信号源E8267D外置的基带数字信号数据传输专用接口模块。在N5102向模拟系统发送同步传输时钟的条件下，16 bit的I/Q信号串行输出到数字接口N5102A，经N5102A将数据格式转换后传给E8267D射频信号源。

（3）射频信号源接收到数字I/Q信号后，将对其进行双路D/A转换，使数字I/Q转换成模拟的I/Q信号。模拟I/Q信号再经过调制得到视频信号，最后经上变频处理使其频率达到雷达工作的射频频率或雷达中频系统的工作频率，最后输出射频（中频）模拟回波信号。

（4）射频信号源输出的模拟中频信号被传送到数字中频组件，数字中频组件的作用为将中频信号进行欠采样（由锁相环产生采样频率）、下变频、滤波等处理后生成基带的I/Q信号，并经由网线传送给雷达信号处理工控机。

（5）雷达信号处理工控机采用的是标准工控机平台IPC-8462，是整个天气雷达回波信号模拟系统的控制核心。雷达信号处理工控机接收到数字中频传送的I/Q信号及回波模拟计算机传送的雷达天线角码等信息后，将实时绘制出用户设定的天气雷达模拟回波的反射率、径向速度、谱宽等天气雷达回波图。

3 回波模拟系统的软件实现

天气雷达回波模拟系统的软件实现均是基于VC++平台和英特尔®集成性能基元(Integrated Performance Primitives，简称Intel IPP)开发的。在 VC++平台主要完成应用程序的开发，而IPP库的使用主要是利用其中高度优化的软件函数库，以此来实现天气雷达基本产品的生成及应用程序运行效率的提高。

天气雷达回波模拟系统的软件实现主要包括回波模拟计算机上位机模拟软件及数据采集分析软件和PCI驱动程序的设计。

（2）由于天气目标一般为体目标，故模拟出的天气回波的数据量较大。较大的数据量一般均超过了FPGA芯片ROM的存储量，而直接往FPGA的ROM中写入少量模拟数据的方法不能完整模拟出大片天气雷达回波信息。对天气雷达回波模拟系统而言，采用数据流传输的方式来实现大量数据的传输就显得非常重要。因此，PCI的上位机驱动程序的设计是整个回波模拟系统的实现的关键部分。PCI的上位机驱动程序主要包含程序初始化、卸载、读数据和写数据，其程序设计如图5所示。

4 实验结果及评价

为了验证天气雷达回波模拟系统的效果，还需根据真实天气雷达回波的结构及特征信息开展回波模拟实验，以使模拟的回波结构具有真实天气目标的特征。

图4 回波模拟及分析软件界面

图5 PCI驱动程序设计图

在进行真实天气回波模拟实验时，选取小雨天气条件下的雷达回波反射率因子作为模拟对象，如图6（a）所示。首先在回波模拟计算机上位机软件中对图6（a）中的左上部分（龙门山脉）、右下部分（小雨区）等区域的回波特征进行信息提取，生成模拟的基本反射率因子数据；然后再经过基数据逆变I/Q序列算法处理，生成模拟的I/Q数据；最后经过天气雷达回波模拟硬件系统后，生成模拟的天气雷达回波图，如图6（b）所示。

为了验证模拟系统的正确性，现对图 6中（a）、（b）进行比较分析。从模拟回波的结构分布及强度等特征可以看出，图（b）具有与图（a）几乎一致的回波结构及强度分布等，特别体现在左上方的龙门山脉结构、右下方的条状回波及三角状回波。

图6 模拟效果对比图

实验结果证明，该天气雷达回波模拟系统能够成功模拟出具有真实天气目标特征的回波信号。因此，该模拟系统能够为天气雷达在实验室环境中完成外场试验所需的性能测试提供较大的帮助，具有很广的应用前景。

[1]何建新.现代天气雷达[M].成都：电子科技大学出版社，2004.

[2]王江，何建新，李学华.基于 Linux平台的天气雷达高速数据采集系统设计[J].电子技术应用，2009(5)：123-125.

[3]李曦，潘志明.机载雷达杂波环境模拟器实现方法研究[J].现代雷达，2009，31（12）：5-9.

[4]高志球，肖艳姣，袁立功，等．天气多普勒雷达回波信号处理的模拟试验[J]．遥感技术与应用，1998，13(4)：43-49.

[5]DOVIAK R J，ZRINC D S.Doppler radar and weather observations[M].California：Academic Press，Inc，1993.