LFM 脉压技术在天气雷达信号处理中的运用体现

南通市气象局 吴嘉伟 刘爱兵 姜淑杨 缪明榕 鲍磊磊

传统意义上的天气雷达信号处理技术在提高脉冲发射功率和降低脉冲时宽的基础上实现。从实践应用角度来看，虽然雷达方程可以提高1 倍的探测距离，提高16倍的发射功率，但整体设备体积会增加，不仅不利于提升机动性，而且会造成更为严重的雷达辐射伤害。在峰值功率受到限制的条件下，可以在增加脉冲宽度的基础上，来提升系统运行的平均功率，以此优化系统的探测水平和处理距离。由于宽脉冲会降低系统的距离分辨能力，因此为了有效解决雷达这一技术矛盾，科研学者在实践研究中提出运用脉冲压缩技术。下文主要研究LFM脉压技术在天气雷达信号处理中的运用体现，以此为我国现代气象观测工作提供有效依据。

由于在城市建设发展中天气雷达信号处理在气象观测工作中发挥重要作用，在现代科技技术的不断发展下，科研学者在实践中提出运用LFM 脉压技术。从本质上讲，脉冲压缩技术会在调制雷达发射宽脉冲信号之后，通过接收端科学处理相应信号，最终得到所需窄脉冲。从实践应用角度来看，LFM 脉压技术作为当前科研探讨关注的焦点，主要是用来解决雷达发射范围和分辨率等问题，确保其可以在规定范围中提升距离分辨率，因此其在天气雷达信号处理中拥有广阔的发展空间。

1 研究现状

1.1 气象雷达

气象雷达是指在明确观测目标后进行无线电定位和测量的具体工具，由于气象雷达是我国大气监测工作的主要手段，会在规定作用范围内的水汽凝结物或其他不均匀介质进行坐标定位和信号测量，因此在突发性和灾害性的监测预报等工作中占据重要作用。现如今全球总共有1000 多个气象雷达站，不仅分布在世界各地，还在各国气象观测工作中发挥了积极作用。

从整体发展角度来看，我国气象雷达技术已经经历了3 个阶段：首先是指模拟天气雷达，主要应用在20 世纪60 年代后期到80 年代初期。我国在技术研发中提出了51 部各类型号的雷达，并构成了较为规范的气象观测网络，主要用于参与人工影响天气、沿海台风防范、局部灾难性天气预警等工作。虽然在多个领域都展现出了积极作用，但和发达国家相比，整体技术水平并不高；其次是指数字天气雷达，主要是运用计算机技术处理雷达回波强度信息，由此得到各种准定量的监测分析和预警产品，这样不仅能提升实践工作的信息处理效率，还可以强化雷达监测预警能力。在20 世纪90 年代初期，我国已经利用数字天气雷达构成了58 部S 波段和C 波段的基本探测站网络，既可以做好区域联防工作，又能为雷达预警技术研发提供有效依据；最后是指新一代多普勒天气雷达。在进入21 世纪后，随着国际气象雷达技术的稳步提升，我国学者在实证分析中提出了新一代多普勒天气雷达的设计思路，并明确了相应的处理功能和技术规格。从本质上讲，多普勒天气雷达会运用全相参技术体制，不仅能监测云和降水回波强度，还可以获取大气风场和湍流信息。现如今，我国在研究多普勒天气雷达中取得了优异成绩，和发达国家相比，整体技术差距可以缩短在10 年以内。需要注意的是，虽然我国气象雷达的现代化建设已经取得了优异成绩，但整体效益有待提升，与发达国家相比依旧存在较大差距。

1.2 雷达脉冲压缩技术

为了达到脉冲压缩的技术效果，一方面要利用编码的形式发射宽脉冲；另一方面要在接收机中引用匹配滤波器，而这种处理机制就是脉冲压缩雷达。从实践应用角度来看，脉冲压缩雷达的最大优势在于能提高自身的距离分辨水平和作用距离。在技术发展初期，脉冲雷达会发射固定的载频脉冲，实际距离分辨率和发射脉冲宽度之间呈反比例关系，因此若是增加发射脉冲宽度，会导致距离分辨力下降。为了解决这一技术矛盾，科研学者在20 世纪40 年代提出了匹配滤波理论，在50 年代初期提出了雷达模糊理论，由此研究证明，雷达的距离分辨力和发射脉冲宽度之间并没有关系。从本质来看，只有完成发射宽脉冲的编码调制工作，增强其所拥有的频带宽度，并做好目标回波的匹配处理，才能得到分辨力更强的窄脉冲输出。结合这一原理分析可知，在发射脉冲宽度和带宽都具备极大信号的情况下，雷达可以同时强化自身的距离分辨力和作用距离。

在现代技术革新发展中，脉冲压缩技术在雷达系统中的应用越发成熟，各国学者在实证分析中提出了多项研究成果。比如说，Fetter 等人在研究中提出，将7 位巴克二相编码发射脉冲和一个匹配滤波器应用在MeGill大学的FPS-18 相干雷达上。这一试验结果证明，脉压技术是可以应用在气象雷达领域中的。又比如说，Katsuhito Nakagawa 等人在研究中提出，将升余弦调制信号看作是C 波段气象雷达信号的脉冲压缩波形，能有效抑制虚假回波和距离副瓣。同时，在实证分析中提出，搭配使用单脉冲和长脉冲，能有效处理脉压长脉冲的测距盲区[1]。根据近几年的实验结果显示，在气象天气雷达信号处理工作中应用脉冲压缩技术，其目的在于抑制副瓣和处理回波脉压。

2 LFM 脉压技术分析

为了进一步提升脉冲雷达发射信号的范围，科研学者在实证探究中提出要注重优化发射机的峰值功率，逐步扩大发射脉冲的宽度。根据近年来LFM 脉压技术的应用情况分析可知，实际发射功率的峰值变化会受传输通道、放大器、电源等器件所影响，直接增加发射脉冲信号的宽度，会导致发射信号的带宽下降。现如今，有学者提出为了提高具备相同时宽的发射脉冲的带宽，要利用线性调频的方式处理脉冲内部的载波，并在接受端口利用脉冲压缩处理回波信号。

2.1 原理分析

雷达会在发射脉冲信号后，测量分析目标回波信号和发射脉冲之间的时间延迟情况，以此判断目标距离。从技术原理来看，雷达的距离分辨能力与回波脉冲宽度具有紧密联系[2]。从本质来看随着脉冲宽度的逐步上升，雷达距离分辨能力会越来越强；但若是雷达发射脉冲越来越窄，那么发射的平均功率会越来越低，直接限制雷达的作用距离。现如今很多雷达都会利用大时宽和大带宽来解决分辨能力和作用距离之间的矛盾，前者可以提升雷达发射的平均功率，而后者可以在接收信号时，将脉冲压缩转变成窄脉冲，以此提高雷达的距离分辨水平。线性调频脉冲压缩的原理图如图1 所示。

图1 脉冲压缩的技术原理图Fig.1 Technical schematic diagram of pulse compression

而目前常见的脉冲压缩低滤波器如图2 所示。

图2 脉冲压缩滤波器Fig.2 Pulse compression filter

结合图2 分析可知，雷达距离分辨能力会受发射信号的带宽所影响，实际脉冲越窄，相应的带宽越大，分辨能力越高。如图3 所示代表脉冲压缩滤波器输入信号的包络和频谱。

结合图3 分析可知，在输入信号的包络曲线图中，时宽的计算公式如式（1）所示：

图3 脉冲压缩滤波器的输入信号Fig.3 Input signal of pulse compression filter

在输入信号的频谱曲线图中，由于其中具备真正的斜率，所以相应带宽的计算公式如式（2）所示：

由于脉冲压缩滤波器具有延迟频率的特征，所以信号在经过脉冲压缩滤波器之后，脉冲脉宽被压缩的倍数，被看作是脉冲压缩比，具体计算公式如式（3）所示：

在公式（3）中，tp代表输入大时宽信号的时宽，τ代表输出窄脉冲的脉宽。

现如今，线性调频信号是脉冲雷达中最常见的脉冲压缩信号，不仅应用技术较为成熟，整体原理非常简单，而且可以同时覆盖较宽的多普勒范围，实际目标检测效果较好[3]。需要注意的是线性脉冲也存在一定的技术问题，比如说，整体技术线路较为复杂，在实时性要求较高的条件下，传统硬件实现部分较大。同时，线性脉压的旁瓣相比之下更大，为了将其电平下降到规定范围内，要加权处理脉压信号。在这一状态下，脉压信号在时域和频率加权的效果具有一致性，都可以将信噪比下降1～3dB 之间，具体的调频信号实现公式如式（4）所示：

上述公式符合如式（5）所示的条件：

结合上述公式分析可知，线性调频信号分为两路信号，一方面是指同相信号（t）；另一方面是指正交信号（Q）。

2.2 技术优势

在现代技术革新发展中，我国气象预报和灾难预警气象的技术要求越来越高，有关雷达目标回波的精确度也会随之提升。为了保障气象雷达的探测能力和距离，分辨力得到提升，科研学者在整合以往实证研究经验的基础上，提出了脉冲压缩技术。从整体应用角度来看，脉冲压缩技术在处理信号的过程中，不会降低实际发射信号的灵敏度，且能逐步提升雷达发射距离的分辨率[4]。与此同时，脉冲压缩技术具备的雷达体制，有助于降低重复频率，提高实际输出功率，以此减少雷达的距离模糊度。另外，因为脉冲压缩技术支持减少发射机的峰值功率，所以在气象领域中应用，可以优先选择固态型，这样不仅能减少系统设计成本，还可以增强系统运行的稳定性和安全性。需要注意的是，在天气雷达信号处理工作中，距离副瓣作为应用脉冲压缩技术的核心内容，为了在实践操作时可以精确计算目标的速度、功率等参数，要结合抑制技术进行处理，以此保障距离副瓣可以达到最小值[5]。

3 在天气雷达信号处理中运用脉压技术

3.1 线性调频技术

线性调频信号（LFM）作为一种比较典型的脉冲压缩信号是科研学者研究脉冲压缩技术最为广泛的内容。从实践应用角度来看，由于气象监测环境具有多变性和复杂性，因此选用雷达信号处理技术，必须要符合不同情况下的基本要求。结合近年来LFM 应用情况来看，内部匹配滤波器并不会对多普勒频移产生敏感，不管多谱勒频移如何变化，匹配滤波器都会充分发挥自身的压缩作用。载调制时间宽度的过程中，LFM 会结合线性发展规律进行研究处理。如果雷达脉冲功率受到限制，那么在实践应用中要关注发射机的功率和矩形脉冲包络[6]。另外，在信号经过压缩滤波器的处理之后，所获取的脉冲会拥有函数包络，其中第一旁瓣的高度可以达到－13.2dB，而其他旁瓣会按照固定零点间隔持续下降。

这种技术并不需要为随机编码序列，信号占用的宽度超过信息带宽，在气象雷达信号处理工作中运用，能进一步提高系统处理增益。整合时间累积经验发现，LFM 既能在接收端和发射端单独进行加权处理，又可以同时进行。在20 世纪60 年代初期，M.R.Wiorkler 将CSS 技术运用到通信领域中，不仅展现出了较强的抗干扰能力，还可以减少移动通信带来的衰落影响。这项技术也被称作是Chirp 扩展频谱技术。在进入21 世纪之后，将CSS 技术运用到扩频通信研究领域中，可以保障应用技术，具有抗干扰和抗噪声的独特优势。现如今，在雷达定位技术中运用CSS 技术，可以在增加通信距离和发射功率等基础上，保障信号频谱的宽度符合行业需求，且不会影响雷达的分辨率。

3.2 非线性调频技术

非线性调频脉冲信号（NLFM）属于调制技术的一种实现方式，和线性调频技术正好相对应。从实践应用角度来看，非线性调制和线性调制两者的区别在于，前者会改变信号的原本频谱结构，会占据较宽的带宽；而后者并不会改变信号的原有频谱结构。从实践应用角度来看，非线性调制在占据较宽的带宽时，所占据的带宽会受调制系数所影响，因此，这项信号技术具有极强的抗干扰能力。科研学者在实践探究中提出，计算分析NLFM 的调制函数发现，其具有对称性，相应的模糊图并不是倾斜刀刃型的，更加接近于图钉型。由此可见，NLFM 技术具有较高的测速分辨率和测距，虽然没有精确计算多值性，频谱具备矩形包络，但依旧可以提高发射机功率[7]。通常来讲，NLFM 技术主要是利用匹配滤波器压缩得到的波形，输出较低的距离副瓣。和宪性调频技术的加权处理结果相比，能减少损失1～2dB 之间的信噪比。在NLFM 技术中科学处理匹配滤波，就是指在线性调频信号加权之后，获取压缩脉冲的最终结果，以此增强副瓣抑制效果。在现代技术革新发展中，科研学者提出了DDS 技术和VLSI 技术，促使NLFM 得到了广泛运用。另外，NLFM 的旁瓣抑制幅度并没有LFM大，但旁瓣抑制之后的主副瓣要比LFM 抑制后的更大，并且NLFM 旁瓣抑制后的主瓣宽度展宽幅度会随之上升。在使用相同带宽、脉宽、窗函数的条件下，对比分析NLFM 和LFM 可知，前者的技术优势在于，在不加权的情况下，就可以获取较好的副瓣抑制性能，而旁瓣要比后者更低。需要注意的是，NLFM 技术对多普勒平移非常敏感。而在海上低速目标NLFM 可以看作是关键的雷达发射信号。

3.3 相位编码技术

相位编码型号作为目前最常见的脉冲压缩型号，在天气雷达信号处理中应用具有广泛范围，其中最具代表性的就是风廓线雷达。整体设计会选用二相编码型号，其中包含互补码、L 序列编码、巴克码等内容。现如今，科研学者在涉及雷达系统时，主要运用二相码。虽然巴克码的应用范围比较大，但因为这种形式的长度有限，所以要通过加权处理，从22.3dB 提高到33.4dB。二相码的特征在于容易实现，实际抗干扰水平更高，可以在保障自身信号安全性的基础上，满足低截获率的应用需求。

从本质上讲，匹配滤波器能让滤波器输出端口的信号瞬时功率和噪声平均功率的比值达到最大。在某一时刻下，如果滤波器输出信噪比达到最大数值，那么就可以获取最佳线性滤波器，也被称作是匹配滤波器。在信号处理中匹配滤波器主要用来解调脉冲信号。为了保障调制结果为最大，匹配滤波器要明确传输信号和信号同步，由此科学调制出传送的信号。

4 案例分析

为了进一步解决新时代下天气雷达信号处理算法升级和双线偏振升级等问题，各国科研学者在实践探究中提出的标准化信号处理系统。从实践工作角度来看，新一代天气雷达标准化信号处理器，需要按照处理的不同对象进行划分，将各类处理功能安装到系统平台中，交给信号处理器和计算机软件分别处理。这种设计结构可以让功能应用变得更加灵活，而引入的信号处理算法程序，可以快速将天气雷达信号处理研究成果转变为具体应用。同时，系统设计还运用了信号处理器，与标准化信号处理器相对比，具体结果如表1 所示。

表1 处理器的性能对比结果Tab.1 Performance comparison results of processors

一方面，软件设计。对比国外天气雷达信号处理累积经验显示，我国在运用LFM 脉压技术处理天气雷达信号时，要结合目标物径向速度和多普勒频率结果，根据近年来实证研究获取的理论知识和技术经验，选用接近软件无线电的接收系统，由此规范设计软件架构。

另一方面，信号处理器。由于信号处理器会利用天线获取各频段的广播电视信号，在经过科学处理后，转变成有线电视系统指定的频道，所以可以将其看作是功能完善、结构复杂、指标较高的频道变换器。在天气雷达信号处理中运用，能进一步提高信号应用质量。在本文研究的雷达系统中，所选用的处理器具有良好的一致性和较高的隔离度，能充分满足天气雷达双线偏振技术的升级需求。同时，全新标准化信号处理器具备快速实时的处理能力，在监测分析气象雷达信号时，可以同步完成多渠道的气象回波运算处理。另外，这种标准化信号处理器还包含不同类型的标准电平接口，能将时序信号提供给雷达，以此管控雷达同步运行。

5 趋势分析

虽然在电子计算机技术革新发展中，人们加快了科技成果的转化速度，但受技术理论、行业经费等因素所影响，各国气象部门选用新一代天气雷达参与业务的概率极低。因此在今后几十年的发展中，气象雷达技术主要向着以下几方面前进：一方面，多普勒天气雷达将成为天气雷达信号处理工作发展的主要方向，各国学者要在加强技术理念研究力度的同时，逐步扩展实践工作的探测功能。现如今，多普勒天气雷达主要用于监测预报工作，因此如何获取晴空风场信息，将会是多普勒天气雷达功能拓展的下个目标；另一方面，气象雷达脉冲压缩技术将得到进一步拓展，不仅可以扩大技术探测分析的距离，还能进一步加强距离的分辨率。同时，脉冲压缩之后的雷达还能提供充足的时间分辨率，对所在地区的降水模式进行三维快速扫描，由此全方位追踪时间变化。与单脉冲雷达相比，脉冲压缩雷达为了得到更加精准的距离测量结果，会在减少脉冲停留时间的基础上，储存更多独立样本，这样有助于加快我国气象雷达技术研究发展速度。

6 结语

综上所述，在天气雷达信号处理工作中应用LFM 技术，一方面可以提升探测技术的灵敏性；另一方面能在改变回波探测能力的基础上，不会影响雷达距离分辨力，对增强气象目标观测的结构清晰度具有积极影响。同时，在脉冲压缩技术的影响下，雷达发射器可以选择低发射功率器件，这样不仅能降低技术设备的研发成本，还可以减少整体设备的运行体系。由此可见，我国要在整合以往天气雷达信号研究成果的基础上，继续探讨相关技术理论的应用方向，以此为我国现代气象监测工作提供有效依据。

引用

[1] 王龙,陈昌迪,冯婉悦,等.VR技术在天气雷达速调管更换中的应用[J].气象水文海洋仪器,2021,38(4):80-83.

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[3] 曹仁仲.多普勒天气雷达在人工影响天气中的应用[J].无线互联科技,2021,18(12):96-97.

[4] 王钱雨晨,王旭,何建新.SystemVue在天气雷达模拟中的初步应用[J].成都信息工程大学学报,2020,35(3):259-263.

[5] 吴从权.新一代天气雷达信息大楼防雷技术分析[J].广东气象,2022,44(2):66-69.

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[7] 邹涛.攀枝花天气雷达在人工增雨作业中的应用[J].农业与技术,2020,40(5):135-137.