时频变换下的天气雷达异常回波信号增强系统设计

刘永强

（甘肃省气象信息与技术装备保障中心，甘肃兰州 730020）

气象雷达回波异常信号的传播距离较远，因此，准确地分析天气雷达异常回波信号具有重要意义。以往人们提出了基于模糊逻辑的新一代天气雷达径向干扰回波识别算法，该算法通过提取特征参量构建隶属函数，依据该函数设置阈值，由此识别天气雷达异常回波信号[1]；提出的利用双线性极化天气雷达零滞后相关系数进行临近预报的方法，其相关性为零滞后，相关系数是双线性极化天气雷达的唯一极化参数，应用双极化雷达的相关系数识别非降水回波、降水量回波、融化层和冰雹[2]。上述两种方法虽然能够精准识别天气雷达异常回波信号，但无法剔除信号中的伪信号，导致信号识别结果存在一定误差。为此，提出了时频变换下的天气雷达异常回波信号增强系统设计方法。

1 系统硬件结构设计

时频变换下的天气雷达异常回波信号增强系统硬件结构设计如图1 所示。

图1 系统硬件结构

由雷达发射的微波信号遇到云雨或地杂波时，会产生反射信号，雷达天线接收到回波能量，并通过馈线和馈线将其发射到雷达接收机上[3]。获取中频信号，通过A/D 变换、正交处理和数字检测等方法完成信息集成。雷达监控系统主要控制电磁波发射的开关和天线的转动，完成雷达控制和故障监控。监视系统还可以监测雷达伺服系统、发射机、接收机、频率合成器、信号处理等系统的工作状态[4]。

1.1 PXIe-8135 RT嵌入式控制器

PXI 机箱能够满足用户控制器及各模块之间的通信需求，该机箱中使用了PXIe-8135 RT 嵌入式控制器，并将其安装在机箱左侧槽中。PXIe-8135 RT适用于PXI 和紧凑的PCI 显示系统。该控制器具有单核睿频加速模式处理器、双通道1 600 MHz DDR3内存和8 GB/s 的总系统带宽，非常适用于带有密集处理器的数据采集模块和仪器[5]。

1.2 异常回波信号收发仪

PXIe-5645R 异常回波信号收发器FPGA 采用矢量信号分析仪和矢量信号发生器最具特色的RF I/O功能以及用户自定义完成的信号处理和控制功能。RF 信号变频为低频信号时，用I 和Q 信号分量表示，也就是基带[6-7]。通过异常回波信号收发器，用户可以同时分析基带输入、输出信号及相应的射频信号。非正常回波信号收发器以差分基I/Q 信号的方式向用户提供非常精确的基带I/Q 信号，并尽可能消除噪声[8]。微分基带I/Q 信号包含一个正信号(I+和Q+)，以及相应的负信号(I-和Q-)，可以消除正负信号上的噪声，极大地提高异常回波信号的接收精度。

PXIe-5645R 异常回波信号收发器结构如图2所示。

图2 PXIe-5645R异常回波信号收发器结构

如图2 所示，该结构由6 个端口组成，其中4 个主要端口介绍如下：

射频发射端口：信号产生经过变频后通过该端口发射，可直接与天线发射匹配。

射频接收端口：射频信号输入后，可下变频为中频信号，与天线直接匹配接收。

参考时钟输入端口：支持输入外部参考时钟数据，参考时钟基准信号由记忆合金接口输入[9]。当主机内部基准时钟或外部参考时钟被选定后，根据参考时钟产生器件内部信号，以保证产生的信号稳定。该系统通过标准的DB9 接口RS232 电平输入、1 PPS 触发信号可以通过BNC 接口输入，同时提供时钟端口和时序信息[10]。

基带数据差分输出端口：基带信号以差分方式输出，可从I+、I-、Q+、Q-等一端或四个端口抽取基带信号，用示波器进行分析。采用差分输出提高了信号抗噪声能力，进一步保证了信号传输的准确性。

1.3 增强电路设计

增强电路是进行电能传输和分配的基本电路，是电能传输配置的主要接收器。根据配电装置的结构，选择合适的电源电路，以进一步提高整个系统的安全可靠性[11]。适当调整系统的电路传输路径，选择左偏置开路，再引入电路转换器进行系统次级电路的选择。一次电路与二次电路联接在一起，在中央电路中形成了一个整体系统网络。增强电路图如图3所示。

图3 增强电路图

在选择电路时要特别注意，严格遵循电路基本特性的选择原则，并根据有关规范和标准进行选择，该方法可以在保证整个电路安全的前提下，较大程度地减少电源电路距离，降低设备成本，提高系统对弱电流信号特性的增强性能[12]。

2 系统软件部分设计

2.1 基于时频变换的信号增益处理

2.1.1 C波段雷达多普勒探测频率计算

对于C 波段雷达多普勒探测频率计算，需依据初始多普勒工作频率分析电磁波接收到的相位：

式中，f0表示C 波段雷达多普勒工作频率；L表示雷达和目标间距离；φ0表示由雷达发出的电磁波相位。雷达波束从发射到接收所经过的距离为2L，该波段是通过波长长度度量的，相当于个弧度[13]。相位随着雷达发射和接收时间的变化而产生的变化率可表示为：

在距离L所述目标相对于雷达发射的电磁波的轴向运动分量v为径向速度，将其代入式（2），可计算C 波段雷达多普勒探测频率：

通过式（3）可确定C波段雷达多普勒探测频率。

2.1.2 信号增益处理

在确定C 波段雷达多普勒探测频率的情况下，对信号进行增益处理。时频变换STFT(f,g)的表示式为：

式中，w(f＇-f)表示发射的电磁波宽度。如果对某个待分析信号x(f＇)时域上的某个时间点f特征进行研究，将把中心在f＇时刻的窗函数exp(-2πgf＇)与待分析信号x(f＇)相乘，通过对f时间点下的信号增益进行处理后，可达到对伪信号衰减的目的[14]。

2.2 完整的跟踪环设计

码跟踪环通过不停地修改本机C/A 码的相位，对准接收信号的C/A 相位，从而消除接收信号的扩展项。码跟踪环采用的是延迟锁定环，通常包括码环鉴别器、码环滤波器和伪码发生器，其结构如图4所示。

图4 完整的跟踪环

E、P、L分别表示伪码产生器产生的前导码、实时码和滞后码[15]。然而，在实际应用环境下，局部产生的载波无法与实时输入的信号具备相同的发射频率和相位，因此，只能在局部产生两个正交载波(I 和Q)，并将该载波与实际输入信号数值相乘，实现载波分离。接着对I、Q 信号进行E、P、L相乘，进行积分累积和相关运算，就可以得到六个相关值的数据。再将处理的数据送至回路滤波器，经过筛选的数据被作为代码发生器的输入，修改本地生成代码的相位，只有具有相同编码单元和严格对齐码相位的C/A 码，才能使两码间的相关性最大[16]。在两个C/A 码序列不一致或码相位相差很大时，它们的互相关性几乎为零。通过完整的跟踪环设计，完成天气雷达异常回波信号的增强处理。

3 信号捕获与跟踪验证

实验台软件运行在LabVIEW 平台上，软件界面如图5 所示。

图5 实验平台可视化界面

图5 所示的平台主要功能是接收信号中心频率、电平和存储数据时长，通过该平台验证时频变换下天气雷达异常回波信号增强系统设计的可用性。

对接收的回波信号进行分析，解调出雷达电磁波，对系统设计的合理性进行验证。在测试平台上设置单载波，载波频率为1.5 MHz，伪码率为1.5 MHz，使用1号雷达的伪码序列，接收到的数据文件大小为14 MB。

3.1 信号捕获验证

使用Matlab 捕获相关性信号如图6 所示。

图6 1号雷达信号捕获结果

将图6 所示的实际捕获结果作为基础，分别使用基于模糊逻辑的新一代天气雷达径向干扰回波识别算法、双线偏振天气雷达零滞后相关系数应用方法和时频变换信号增强系统，对比分析信号捕获结果如图7所示。

图7 三种方法信号雷达捕获对比结果

由图7 可知，使用天气雷达异常回波信号增强系统的相关性峰值与实际捕获的信号峰值一致，说明捕获成功。而使用干扰回波识别算法和零滞后相关系数应用方法的相关性峰值与实际捕获的信号峰值相差较小或较大，说明捕获失败。

3.2 信号跟踪验证

在设置好的环路滤波器参数下，分析信号实际跟踪情况，如图8 所示。

图8 1号雷达信号跟踪结果

由图8 可知，频率偏移跟踪值有较大幅度地波动，随着时间的推进，频率偏移跟踪曲线逐渐处于稳定趋势，进入跟踪锁定状态。将图8 所示的频率偏移跟踪结果作为基础，分别使用三种方法对比分析频率偏移跟踪结果，如图9 所示。

图9 三种方法频率偏移跟踪结果对比

由图9 可知，使用干扰回波识别算法和使用零滞后相关系数应用方法的频率偏移跟踪曲线，随着时间的推进，一直处于上、下波动的状态，无法锁定目标；使用时频变换增强系统的频率偏移跟踪曲线与目标曲线一致，能够锁定目标。

4 结束语

该文设计的时频变换下的天气雷达异常回波信号增强系统，在时频变换下，通过对信号进行增益处理，在衰减伪信号的同时能够实现对多分量雷达信号有效正确跟踪与监测。