用于天气雷达标定的便携式频谱仪设计

郑鹏斌，李昭春

（1.海南省气象探测中心，海南海口 570203；2.海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海南海口 570203）

我国目前已经部署了超过200 部新一代天气雷达（以下简称“天气雷达”），在预报服务、灾害性天气预警跟踪方面发挥着重要的作用。天气雷达标定的准确与否决定了其数据质量，进一步决定了天气预报的质量。邵楠等[1-7]从数据质量的需求出发，在多个方面对天气雷达标定技术以及故障诊断技术进行了研究。在天气雷达标定中，频谱仪有着不可代替的作用，可测量发射机输出频谱、极限改善因子以及接收机噪声系数，并且在故障诊断时，可通过分析被测信号频率、功率以及频谱信息，达到故障定位的目的。周秀珍等[8-16]从理论到实际对频谱仪进行了研究，已在各行各业投入使用。

在天气雷达标定业务中，往往用不到台式标准频谱仪的所有功能，并且台式标准频谱仪比较笨重，运输不便。借鉴以往在天气雷达标定过程中使用台式标准频谱仪的经验，基于是德科技的M9391A 频谱分析板卡，开发了一台专用于天气雷达标定的便携式频谱仪。该频谱仪针对天气雷达定标的需求，对各类指标的测量方法进行了定制，方便用于天气雷达标定。

1 总体设计

该设计基于是德科技M9391A 频谱分析板卡和官方驱动，设计了频谱功能软面板和噪声系数测量软面板，用于设置参数以及显示测量波形和结果[17-18]；开发了驱动管理程序，用于调动官方程序控制硬件资源对被测信号进行测量。总体框架如图1 所示。

图1 总体框图

2 M9391A简介

该设计采用是德科技的M9391A 频谱分析板卡作为硬件采集模块，其具备频率分辨率为0.001 Hz、最大分析带宽为160 MHz、频率范围为1 MHz～6 GHz的频谱分析能力。M9391A板卡由M9300A参考频率、M9301A 频率合成器、M9350A 下变频器和M9214A中频处理器四部分组成。考虑到成本，该设计采用恒温晶体振荡器SOXO18B 代替M9300A 作为参考频率，硬件连接图如图2 所示。SOXO18B 提供100 MHz参考频率给频率合成器，经频率合成器内部的锁相环和滤波器组处理，可输出频率为0.187 5～6 GHz、功率为-10～+10 dBm 的射频本振信号，M9350A 将射频测试信号与本振信号进行下变频处理，得出的中频信号传送给M9214A 进行数字化处理，从而得到测量数据。

图2 M9391A组成

3 软面板设计

该设计的软面板分为频谱测量软面板和噪声系数测量软面板。频谱测量软面板的各功能如下：Fre功能的Center Frequency、Start Frequency、Stop Frequency 可设置频谱的中心频率、起始频率和截止频率；Span 用于设置频率的扫描带宽；Amptd 功能下的Ref Level 用于设置频谱仪参考电平并同时设置波形图Y轴的最大值，Range 用于设置波形图Y轴显示范围，Auto Once 根据当前显示的数据由程序计算Y轴显示范围；RBW 用于设置频谱仪分辨率带宽，而Auto RBW 用于设置频谱仪分辨率带宽为自动模式，其值为Span/1 000；Trace 功能下的Clear 用于清除Trace 状态，Average 用于设置波形平均次数，Max Hold 用于设置最大保持；Trigger 用于设置频谱仪触发电平，Free Run 用于设置频谱仪触发模式为自由触发；Reset 用于重置频谱仪设置参数；PeakSearch 用于查找信号的峰值，并用游标在波形图上标识出来；Marker 功能下共有4 组Marker，每组Marker 有两个游标，分别为主游标和Delta 游标。噪声系数测量软面板的各功能如下：Frequency 功能下的Mode 用于设置点频或扫频模式，IFFrequency 用于设置中频频率，Show Mode 可设置噪声系数为固定频点、波形、列表的形式；DUT 用于设置被测器件的类型，分为放大器、上变频器、下变频器；SNR Table 用于设置超噪比；Calibrate 用于噪声源的校准；Average 用于设置平均功能的开关以及平均的次数。

4 驱动管理程序设计

按照新一代天气雷达标定规范，频谱仪需要具备频谱、谱宽测量和噪声系数测量两项功能才能完成标定业务。为保证兼容性，需要借助M9391A 官方驱动程序重新编写驱动管理程序。官方驱动由AgM90XA 驱动、AgM9391 驱动和KtXSAnNoiseFigure驱动3 部分组成。AgM90XA 驱动为频谱仪模块的中间驱动层，无法直接调用该驱动完成频谱仪驱动程序的编写，但需要该驱动完成所有控制指令的转发，因此在驱动程序初始化时必须启动该驱动程序；AgM9391 驱动程序为频谱仪模块实际控制程序，所有的频谱仪模块的操作最终均需由此完成，但该驱动未实现噪声系数测试功能；噪声系数测试功能由KtXSAnNoiseFigure 驱动通过连接到AgM90XA 驱动完成。

4.1 频谱驱动管理程序设计

频谱测量模块通过调用AgM90XA 驱动程序中的AgM9391 驱动程序实现频谱测试功能，主要用于雷达发射信号的谱宽、极限改善因子的测量，图3 给出了频谱测试功能的设计流程图以及所调用的接口。

图3 频谱功能的设计流程以及所调用的接口

在调用Initialize 接口完成初始化后，频谱仪模块可以选择工作在3 种模式下，分别为Spectrum、IQ和Power，通过调用AcquisitionMode 设置工作模式为频谱模式。调用RF.Frequency 设置频谱仪模块的中心频率前需要对设置的频率进行校验，防止设置的中心频率处于频谱仪模块的工作频率范围之外。频谱仪模块通过设置参考电平来改变内部的放大器大小，提高频谱仪模块的动态范围，调用RF.Power 设置频谱仪模块的参考电平之前对设置的参考电平进行校验，防止设置的参考电平不被频谱仪模块支持。

调用SpectrumAcquisition.Configure 设置频谱采集参数（Span 和RBW）之前需要对设置的参数进行校验，对于频跨，设置值不能太小，亦不能大于频谱仪的工作频率范围；对于分析带宽，将分析带宽和视频带宽设置为相同值，即fRBW=fVBW，其值不能小于1且不能超过当前设置的频跨，同时考虑到频谱仪采集速度，在设计分析带宽时限制了可输入的范围即限制了频跨与分析带宽的比值，其关系如下：

调用Triggers.AcquisitionTrigger.Mode 设置频谱仪的触发模式为立即触发，等待频谱仪模块数据采集完成从AgM9391 驱动中获取采集到的数据，根据设置的采集方式对数据进行处理。可使用的采集方式分别为原始数据显示、平均、最大保持，其中采用平均的采集方式可以很大程度减小随机噪声对测试结果的影响。该设计采用滑动平均的算法，即该次所采集的数据与上一次已经平均过的数据进行比例相加，其公式如下：

其中，X为新采集到的波形数据，Avg[i-1] 为上次平均后的数据，N为平均次数。

4.2 噪声系数驱动管理程序设计

噪声系数测试模块通过调用KtXSAnNoise Figure 驱动完成噪声系数功能，用以测量天气雷达接收机的噪声系数。噪声系数设计流程及调用接口如图4 所示。

图4 噪声系数功能的设计流程

1）设置噪声源工作模式

Corrections.ENR.SNSSetup.NoiseSourceState 接口用于设置噪声源的工作模式，其可设置为冷热态模式和自动模式。当噪声源处于冷热态模式时，表示用户需要手动控制噪声源关或开，驱动程序不再进行后面的流程，采用该模式需与雷达软件相配合，完成整个接收通道（模拟段、数字段）的噪声系数测量。当噪声源为自动模式时，可自行控制噪声源开关，用以完成模拟接收通道噪声系数测量。

2）设置频率

射频工作频率fRF可设置为点频和扫频两种模式。通过Frequency.Fixed 接口设置fRF为点频模式，调用Frequency.Center 和Frequency.Span 可设置为扫频模式。另SweepCoupling.SweepPoint 可用以设置扫描点数。

3）设置噪声系数测试的测量模式

通过DUTSetup.Type 接口设置噪声系数测试的测量模式。噪声系数测试共有3 种测量模式，分别为放大器模式、上变频模式和下变频模式。当选择放大器模式时，噪声系数测试无需再设置其他参数，准备开始噪声源的校准。当噪声系数测试处于上变频模式或者下变频模式时，需要设置噪声系数测试的边带模式、本振频率、中频频率，当为下变频模式时，分别通过调用DUTSetup.DownConverter.Sideband、DUTSetup.DownConverter.LOFrequency、D UTSetup.DownConverter.IFFrequency 接口设置边带模式、本振频率和中频频率，而当为上变频模式时，则是通过DUTSetup.UpConverter.Sideband、DUTSetup.UpConverter.LOFrequency、DUTSetup.UpConverter.IF Frequency 接口来实现。

4）校 准

参数设置完成后，根据用户选择是否开始对噪声源进行校准，通过Calibration.Initiate 接口对噪声源进行校准。

5）读取数据

校准完成后读取频谱仪模块的测量结果，根据是否完成校准调用不同的接口读取测试结果，如完成校准通过Trace.ArrayData.FetchUncorrected 接口获取数据，若未完成校准则通过Trace.ArrayData.FetchCorrected 接口获取数据。

5 雷达指标测量

在天气雷达年度标定中，需要使用到频谱仪项目的有3 项：发射机输出频谱及谱宽测量、发射机输入输出极限改善因子测量、接收机噪声系数测量。

5.1 发射机输出频谱及脉宽测量

采用该设计的频谱测量功能可完成发射机输出频谱及谱宽测量。在测量谱宽时，需设置采集方式为最大保持：首先存储历史数据，判断现有数据与历史数据长度是否一致，若不一致，意味着参数已修改，则清除历史数据，从现有数据开始做最大保持；若一致，则把历史数据的每一个点与现有数据的每一个点做对比，取较大值。该设计可自动读取标定所需要的偏移功率-60～-10 dB 的谱宽，即谱宽读取功能：根据Span 和RBW 可知采样点数，把每一个采样点编号，已知第一个点的频率值和每相邻两个点之间的频率差值Δf，即可根据编号得知每个点的频率值。谱宽计算分左谱宽和右谱宽，左谱宽的计算方法：先找到频谱功率最大值的点的编号X，找出从第一个点到X点的所有偏移功率值且为上升沿经过的点，取得编号最大值Y，用X减去Y得到值Z，Δf与Z相乘即可得到此偏移功率值的左谱宽。右谱宽的计算方法：先找到频谱功率最大值的编号A，找出从第A点到最后一个点的所有偏移功率值且为下降沿经过的点，取得编号最小值B，用B减去A得到值C，Δf与C相乘即可得到此偏移功率值的右谱宽。左谱宽与右谱宽相加即可得到此偏移功率值的谱宽。

5.2 发射机输入输出极限改善因子测量

极限改善因子是反映信号在一定条件下的信号功率谱与噪声功率谱之间的关系，采用该设计的频谱测量功能可完成发射机输入输出极限改善因子测量。极限改善因子和信噪比的关系如下：

其中，I为极限改善因子，S/N为信噪比（dB），B为频谱仪分析带宽（Hz），F为雷达重复频率（Hz）。利用该频谱仪对某天气雷达发射机的输入极限改善因子进行实际测量，首先在面板上输入测量参数：中心频率为2.96 GHz，Span 为2 kHz，RBW 为3 Hz，调整参考电平至合理位置，读取信噪比。例如重复频率为644 Hz 的发射机输入信噪比为75.24 dB，可算出输入极限改善因子为51.92 dB。在测量过程中需注意发射机速调管的输入信号功率大约为2 W，而该频谱仪的最大输入功率为1 W，需要在测量端加至少6 dB 的衰减器，以保证频谱仪的安全。

5.3 接收机噪声系数测量

接收机噪声系数表征的是接收通道输入与输出的信噪比的值。在整个接收通道中，越前端的器件对噪声系数的影响越大[19]。根据标定规范，天气雷达中一般采用Y 因子方法测量整个接收通道噪声系数，即在接收系统前端连接噪声源，分别在噪声源冷态（关闭噪声源电源）和热态（打开噪声源电源）时测量接收系统的输出噪声功率P1和P2，计算公式为：

其中，ENR 为噪声源超噪比（dB），P1为断开噪声源的读数（mW），P2为接通噪声源的读数（mW），NF为噪声系数（dB）。在实际应用中，为更好地了解接收通道器件的性能，特别是低噪声放大器的噪声性能和增益性能，一般采取DUT 方法测量模拟通道的噪声系数。以采用下变频模式的某雷达为例，在测量噪声系数之前，需对噪声源进行标校：设置模式为下变频模式，边带模式为上边带，本振频率为2.960 245 GHz，中频频率为57.55 MHz，然后进行噪声源校准，校准完成后，噪声源连接至低噪声放大器的前端，通过专用的+28 V 电源供电，信号处理器的输入端连接至频谱仪，读取噪声系数值。

6 结论

该频谱仪根据天气雷达标定的要求，定制设计了频谱测量功能、噪声系数测量功能，在实际的测量中可准确测量天气雷达的发射机输入和输出的频谱、谱宽、极限改善因子以及接收通道的噪声系数，用于天气雷达年维护标定和年巡检标定。在频谱仪使用过程中，需对天气雷达系统的输出信号特性较为了解，以便于设置测量参数和防止烧毁频谱仪。