文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)11-0136-03
0 引言
在現(xiàn)代地基主動(dòng)氣象遙感領(lǐng)域,多普勒天氣雷達(dá)占據(jù)著重要的地位,,特別是在對(duì)一些突發(fā)性,、災(zāi)害性等中小尺度天氣過(guò)程的捕獲與跟蹤時(shí),其較高的時(shí)間與空間分辨能力就顯得越來(lái)越重要[1],。隨著多普勒天氣雷達(dá)在氣象探測(cè)業(yè)務(wù)運(yùn)行中的廣泛使用,,在雷達(dá)的研發(fā)與維護(hù)過(guò)程中,對(duì)雷達(dá)的性能進(jìn)行完整測(cè)試就顯得非常重要[2],。由于實(shí)驗(yàn)條件及天氣狀況等因素的影響,,要在完全真實(shí)的天氣過(guò)程的環(huán)境中對(duì)雷達(dá)各個(gè)模塊及系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試將非常困難。國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段對(duì)雷達(dá)接收機(jī)性能測(cè)試所采用的方法一般是給其提供一個(gè)不具有天氣目標(biāo)回波特征的單一頻率的信號(hào),,這些信號(hào)能夠通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)通道的技術(shù)參數(shù)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)硬件的性能,。但由于這些測(cè)試信號(hào)不具有天氣信號(hào)的時(shí)頻特征,故測(cè)試結(jié)果仍與處理真實(shí)天氣回波時(shí)的狀態(tài)存在差異。而將實(shí)時(shí)天氣目標(biāo)回波作為接收機(jī)的測(cè)試信號(hào)的方法卻有成本過(guò)高,、測(cè)試過(guò)程復(fù)雜,、所需時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。除此之外,,由于實(shí)時(shí)氣象目標(biāo)的參數(shù)是不可控的,所以這種方法不能實(shí)現(xiàn)對(duì)接收機(jī)性能參數(shù)的定量測(cè)試,。如果能夠模擬產(chǎn)生具有真實(shí)天氣目標(biāo)特征的雷達(dá)回波信號(hào),,就可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中模擬完成外場(chǎng)試驗(yàn)所需的測(cè)試,同時(shí)也可以降低測(cè)試成本,,縮短研發(fā)周期,,提高工作效率[3]。除此之外,,對(duì)模擬回波的參數(shù)進(jìn)行控制,,可以實(shí)現(xiàn)定量測(cè)試,進(jìn)而可對(duì)接收機(jī)及后端的信號(hào)處理算法進(jìn)行驗(yàn)證,。
1 天氣回波信號(hào)模擬的原理
由于天氣目標(biāo)的徑向移動(dòng)會(huì)造成接收信號(hào)的頻率相對(duì)于發(fā)射信號(hào)的頻率存在一定的頻移(多普勒頻移),,即天氣雷達(dá)回波信號(hào)可以看成原始發(fā)射信號(hào)在時(shí)間上的延遲并且頻譜進(jìn)行搬移后的一個(gè)時(shí)間序列,這就是回波信號(hào)模擬的基本原理[4],。
ZRNIC D S[5]在總結(jié)了濾波器法與快速卷積法等模擬算法后,,從天氣雷達(dá)回波信號(hào)的功率譜的角度,提出了簡(jiǎn)單實(shí)用的基于譜模型的直接擬合法,。氣象回波的功率譜密度函數(shù)為Pn(f):
其中,,pr為回波的功率,fd為多普勒頻率,,f為頻率標(biāo)準(zhǔn)差,,PRF為脈沖重復(fù)頻率,N為樣本個(gè)數(shù),。
由氣象雷達(dá)方程及相關(guān)理論可知:pr=CZ/r2,,fd=2vr。其中,,C為雷達(dá)常數(shù),,只與雷達(dá)系統(tǒng)的參數(shù)有關(guān);Z為反射率因子,;r為氣象目標(biāo)與雷達(dá)站的徑向距離,;vr、v分別為徑向速度和速度譜寬,;為雷達(dá)發(fā)射電磁波波長(zhǎng),。
為了模擬出具有真實(shí)回波信號(hào)的頻譜特性,需要在式(1)中加入噪聲,然后進(jìn)行隨機(jī)化可得式(4):
式中,,隨機(jī)變量rnd在區(qū)間[0,,1]上具有均勻分布,PN(f)為每秒鐘噪聲總功率,,則PN(f)/PRF為噪聲功率譜密度,。
為了獲取回波信號(hào)的復(fù)頻譜特征,需要在Pn(f)中引入0~2π變化的隨機(jī)相位譜?漬n(f)=rnd·2π/rndmax,,即可以構(gòu)成回波信號(hào)的復(fù)頻譜,,然后將其進(jìn)行離散傅里葉逆變換(IDFT)得到對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列sn:
其中In、Qn分別為天氣雷達(dá)正交接收機(jī)I通道,、Q通道的數(shù)值,。
由以上分析可得,在已知雷達(dá)基本參數(shù)的情況下,,對(duì)天氣雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行模擬時(shí),,可以先根據(jù)設(shè)想的回波特征(不同距離處的反射率因子、平均徑向速度,、譜寬)等信息計(jì)算出回波功率,、多普勒頻移、頻率標(biāo)準(zhǔn)差等信息,,然后根據(jù)這些信息構(gòu)建出回波功率譜密度函數(shù),,最后加入噪聲生成具有真實(shí)天氣目標(biāo)特征的回波信號(hào),即I/Q信號(hào),。天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)逆變I/Q序列算法設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示,。
經(jīng)過(guò)逆變算法獲取的具有真實(shí)天氣目標(biāo)特征的I/Q信號(hào),再通過(guò)回波模擬系統(tǒng)中的變頻處理可以將信號(hào)的頻率變成射頻(中頻),。射頻信號(hào)(中頻信號(hào))可以被輸入到天氣雷達(dá)的接收機(jī)前端(中頻前端),,從而可以實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中,利用具有真實(shí)天氣特征的回波信號(hào)對(duì)天氣接收機(jī)的性能參數(shù)進(jìn)行定量測(cè)試,。
2 回波模擬系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)
多普勒天氣雷達(dá)回波模擬系統(tǒng)由回波模擬計(jì)算機(jī)(內(nèi)插PCI板卡),、數(shù)字接口N5102A、射頻信號(hào)源E8267D,、信號(hào)定時(shí)器,、數(shù)字中頻組件、雷達(dá)信號(hào)處理工控機(jī)等模塊組成,,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,。
回波模擬系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)流程如下:
(1)用戶給出所需模擬回波的特征信息(不同距離處回波的反射率因子,、徑向速度,、譜寬等),,此時(shí)回波模擬計(jì)算機(jī)將根據(jù)譜模型的直接擬合法模擬出具有真實(shí)回波特征信息的回波信號(hào),即數(shù)字I/Q信號(hào),。16 bit串行I/Q數(shù)據(jù)將按照規(guī)則被輸送到PCI板卡,,串行I/Q數(shù)據(jù)時(shí)序圖如圖3所示。
?。?)N5102A數(shù)字基帶信號(hào)接口模塊是射頻信號(hào)源E8267D外置的基帶數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸專用接口模塊,。在N5102向模擬系統(tǒng)發(fā)送同步傳輸時(shí)鐘的條件下,16 bit的I/Q信號(hào)串行輸出到數(shù)字接口N5102A,,經(jīng)N5102A將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后傳給E8267D射頻信號(hào)源,。
(3)射頻信號(hào)源接收到數(shù)字I/Q信號(hào)后,,將對(duì)其進(jìn)行雙路D/A轉(zhuǎn)換,使數(shù)字I/Q轉(zhuǎn)換成模擬的I/Q信號(hào),。模擬I/Q信號(hào)再經(jīng)過(guò)調(diào)制得到視頻信號(hào),,最后經(jīng)上變頻處理使其頻率達(dá)到雷達(dá)工作的射頻頻率或雷達(dá)中頻系統(tǒng)的工作頻率,最后輸出射頻(中頻)模擬回波信號(hào),。
?。?)射頻信號(hào)源輸出的模擬中頻信號(hào)被傳送到數(shù)字中頻組件,數(shù)字中頻組件的作用為將中頻信號(hào)進(jìn)行欠采樣(由鎖相環(huán)產(chǎn)生采樣頻率),、下變頻,、濾波等處理后生成基帶的I/Q信號(hào),并經(jīng)由網(wǎng)線傳送給雷達(dá)信號(hào)處理工控機(jī),。
?。?)雷達(dá)信號(hào)處理工控機(jī)采用的是標(biāo)準(zhǔn)工控機(jī)平臺(tái)IPC-8462,是整個(gè)天氣雷達(dá)回波信號(hào)模擬系統(tǒng)的控制核心,。雷達(dá)信號(hào)處理工控機(jī)接收到數(shù)字中頻傳送的I/Q信號(hào)及回波模擬計(jì)算機(jī)傳送的雷達(dá)天線角碼等信息后,,將實(shí)時(shí)繪制出用戶設(shè)定的天氣雷達(dá)模擬回波的反射率、徑向速度,、譜寬等天氣雷達(dá)回波圖,。
3 回波模擬系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)
天氣雷達(dá)回波模擬系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)均是基于VC++平臺(tái)和英特爾集成性能基元(Integrated Performance Pri-mitives,簡(jiǎn)稱Intel IPP)開(kāi)發(fā)的,。在VC++平臺(tái)主要完成應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā),,而IPP庫(kù)的使用主要是利用其中高度優(yōu)化的軟件函數(shù)庫(kù),以此來(lái)實(shí)現(xiàn)天氣雷達(dá)基本產(chǎn)品的生成及應(yīng)用程序運(yùn)行效率的提高,。
天氣雷達(dá)回波模擬系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)主要包括回波模擬計(jì)算機(jī)上位機(jī)模擬軟件及數(shù)據(jù)采集分析軟件和PCI驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì),。
(1)回波模擬計(jì)算機(jī)上位機(jī)軟件可實(shí)現(xiàn)回波模擬參數(shù)設(shè)置,、基數(shù)據(jù)生成,、基數(shù)逆向I/Q數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法以及對(duì)I/Q數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行頻譜和功率譜的分析等功能,。當(dāng)用戶設(shè)定需模擬產(chǎn)生的回波特征信息后,經(jīng)基數(shù)據(jù)逆向轉(zhuǎn)I/Q算法處理生成I/Q數(shù)據(jù),。雷達(dá)I/Q數(shù)據(jù)采集軟件對(duì)生成的I/Q數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,,此軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)內(nèi)SA、SB,、CA,、CB以及XD等型號(hào)的多普勒天氣雷達(dá)I/Q數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取,并進(jìn)行算法處理顯示出基本產(chǎn)品,。圖4為多普勒天氣雷達(dá)I/Q數(shù)據(jù)采集及分析軟件的顯示界面,。
(2)由于天氣目標(biāo)一般為體目標(biāo),,故模擬出的天氣回波的數(shù)據(jù)量較大,。較大的數(shù)據(jù)量一般均超過(guò)了FPGA芯片ROM的存儲(chǔ)量,而直接往FPGA的ROM中寫(xiě)入少量模擬數(shù)據(jù)的方法不能完整模擬出大片天氣雷達(dá)回波信息,。對(duì)天氣雷達(dá)回波模擬系統(tǒng)而言,,采用數(shù)據(jù)流傳輸?shù)姆绞絹?lái)實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的傳輸就顯得非常重要。因此,,PCI的上位機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)是整個(gè)回波模擬系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部分,。PCI的上位機(jī)驅(qū)動(dòng)程序主要包含程序初始化、卸載,、讀數(shù)據(jù)和寫(xiě)數(shù)據(jù),,其程序設(shè)計(jì)如圖5所示。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及評(píng)價(jià)
為了驗(yàn)證天氣雷達(dá)回波模擬系統(tǒng)的效果,,還需根據(jù)真實(shí)天氣雷達(dá)回波的結(jié)構(gòu)及特征信息開(kāi)展回波模擬實(shí)驗(yàn),,以使模擬的回波結(jié)構(gòu)具有真實(shí)天氣目標(biāo)的特征。
在進(jìn)行真實(shí)天氣回波模擬實(shí)驗(yàn)時(shí),,選取小雨天氣條件下的雷達(dá)回波反射率因子作為模擬對(duì)象,,如圖6(a)所示。首先在回波模擬計(jì)算機(jī)上位機(jī)軟件中對(duì)圖6(a)中的左上部分(龍門(mén)山脈),、右下部分(小雨區(qū))等區(qū)域的回波特征進(jìn)行信息提取,,生成模擬的基本反射率因子數(shù)據(jù);然后再經(jīng)過(guò)基數(shù)據(jù)逆變I/Q序列算法處理,,生成模擬的I/Q數(shù)據(jù),;最后經(jīng)過(guò)天氣雷達(dá)回波模擬硬件系統(tǒng)后,生成模擬的天氣雷達(dá)回波圖,,如圖6(b)所示,。
為了驗(yàn)證模擬系統(tǒng)的正確性,現(xiàn)對(duì)圖6中(a),、(b)進(jìn)行比較分析,。從模擬回波的結(jié)構(gòu)分布及強(qiáng)度等特征可以看出,,圖(b)具有與圖(a)幾乎一致的回波結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度分布等,特別體現(xiàn)在左上方的龍門(mén)山脈結(jié)構(gòu),、右下方的條狀回波及三角狀回波,。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,該天氣雷達(dá)回波模擬系統(tǒng)能夠成功模擬出具有真實(shí)天氣目標(biāo)特征的回波信號(hào),。因此,,該模擬系統(tǒng)能夠?yàn)樘鞖饫走_(dá)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中完成外場(chǎng)試驗(yàn)所需的性能測(cè)試提供較大的幫助,具有很廣的應(yīng)用前景,。
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