全固态多普勒天气雷达脉冲压缩技术研究

公益性行业（气象）科研专项经费项目，项目编号：GYHY201106046第一作者：吴海军，男，1980年生，硕士，工程师，研究方向：雷达总体工程，邮箱：[e-mail]波段全固态多普勒天气雷达研究摘要：全固态多普勒天气雷达作为一种新型的雷达探测系统，它具有结构简单、可靠性高、使用维护方便等特点，但是输出峰值功率有限，所以需要采用脉冲压缩技术，但是增大时宽会增加雷达近距离盲区；脉冲压缩后的距离副瓣会影响弱信号的检测与定量精度；脉压加权处理后的主瓣展宽会降低雷达距离分辨力。本文介绍了一种自研的X波段全固态双线偏振多普勒天气雷达，并对其中的系统设计、脉冲压缩、补盲等关键技术进行了详细的论述。最后与其他类型雷达进行了对比观测和分析，结果表明该固态雷达能够探测150km范围内强于5dBz的降水回波。关键词：全固态雷达、天气雷达、线性调频脉冲压缩、补盲ResearchofX-bandsolid-stateDopplerweatherradar(NanjingReasearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210013,China)Abstract：Solid-stateDopplerweatherradarisanewkindofweatherdetectionradarsystem，thesystemhassomecharacteristicssuchassimplestructure,reliability，convenientlymaintenanceandsoon.Becauseofpeakpower,pulsecompressionisusedinthesystem.Theblindspotofradarnear-fieldwillbecausedbywidepulse;therangesidelobeleakedbypulsecompressionwillimpactthedetectionofweakpoint.Therangeresolutionwillbereducedbymain-lobebroadeningInthispaper,thedesignofX-bandsolid-stateDopplerweatherradarofdual-linearpolarizationisdescribedandtheprimarytechnologyisdiscussed,forexample,dual-linearsystemdesign;pulsecompression;blindzonecompensation.theprecipitationdetectioncapabilityoftheX-bandradariscomparedwiththeMagnetronradarinafieldobservationcase．ItshowsthattheX-bandsolid-stateradarcandetectprecipitationechoesstrongerthan5dBzwithin150km.Keywords：solid-stateradar；weatherradar；LinearFMpulsecompression；Blindzonecompensation0引言多普勒天气雷达是现代气象综合观测系统中的一个重要工具，能够提供雷达反射率、径向风速和速度谱等雷达基本数据，可以观测降水区中水平风场的结构，垂直气流的场结构等，测定降水位置和强度，降水内部气流的速度和流向。对高影响天气的研究，短期和临近预报以及气象灾害的预警发挥着重要的作用[1]。随着雷达技术的发展，雷达系统越来越复杂，对系统各组成部分要求也越来越高，尤其是对雷达发射机。现代雷达要求发射机能够发射相位全相参的信号，具有很高的频率稳定度，能产生复杂信号波形，适用带宽频率捷变雷达等[2]。自20世纪80年代以来，固态发射机已经有了飞速发展，其工作频率已经扩展到C波段和X波段。它具有高可靠性、高效率、寿命长和可维修性等优点，应用前景广泛。全固态多普勒天气雷达采用全固态发射技术，无需系统预热时间，而且可以满足雷达发射复杂波形以及改善数据质量等要求，是目前国内最先进的多普勒天气雷达[3-5]。不过在当前技术条件下全固态多普勒天气雷达业务应用还面临许多挑战。目前一个固态组件提供的输出功率有限，为满足探测需要，一般会组合多个组件进行功率合成。要达到与速调管相当的输出功率水平，其组件数量将十分庞大而且价格昂贵。此时，将功率合成方式与脉冲压缩技术相结合，即能满足等效输出功率与距离分辨力要求又可控制组件规模与成本[6]。脉冲压缩技术是确保全固态雷达实现气象探测的关键。本文以自研的全固态X波段双线偏振多普勒天气雷达为基础，对其中的关键技术进行了详细的论述，并与其它类型雷达进行了观测对比试验。1系统设计X波段全固态多普勒天气雷达采用全相参脉冲多普勒（PD）体制，系统主要由全固态发射机、低噪大动态数字接收机、低副瓣天线、数字信号处理和显示终端等主要部分组成，系统工作时，用户终端通过雷达内部局域网对天线扫描、信号处理、发射和偏振等参数进行设置并发送控制命令使雷达按照设定的方式工作；雷达通过发射不同的脉冲重复频率和偏振脉冲波来监测或测量不同量程范围内的气象体目标。气象体目标信息的获取首先是气象回波通过天线进入馈线系统；馈线系统将回波信号送入接收机，接收前端将接收的微波信号放大后与本振信号混频，中频放大后对该信号进行欠采样生成数字正交I/Q信号；信号处理对正交I/Q信号进行处理，按照一定的算法提取强度、速度、速度谱宽和双偏振等参量，输出基本数据送数据处理计算机（前台计算机）进行数据合成、打包并进行实时显示，数据处理计算机打包操作的数据通过网络向用户终端（后台计算机）提供方位角、仰角、探测参量的基本数据，并生成用户所需的气象产品。图1(a)和1(b)分别为系统的组成框图和实物图：图1(a)系统的原理组成框图图1(b)系统的实物图雷达系统探测的主要参数除基本反射率因子(Z)、径向速度(V)和速度谱宽(W)外，还可以提取差分反射率因子Zdr、比差分传输相移Kdp和线性退极化比Ldr等双线偏振参数。雷达硬件的主要技术参数见表1。表1X波段全固态多普勒天气雷达系统参数2低距离副瓣脉冲压缩在目前的制造技术水平下，固态发射机组件的峰值输出功率十分有限，用组件组合功激励≥10dBm天线座俯仰电机、旋变及控保方位电机、旋变汇流环伺服分机设备机柜监控终端数据处理及用户终端配套设备远程遥控配电视频监控UPS交换机40dB耦合器通道H通道V测试单元数字处理模块射频处理模块数字中频信号处理DDS频率源接收电源模块极化开关耦合器功率测试耦合器环形器环形器耦合器耦合器测试信号H测试信号VIF1、IF2CLK波形控制定时正交模正馈天线全固态发射机综合电源控制\定时\BIT光纤交流220V交流220V控制\状态\BIT激励≥10dBm光纤TCP/IP率合成的办法又会大幅度提高成本，所以为获得理想的探测性能必须采用脉冲压缩技术。脉冲压缩技术能满足雷达在不降低距离分辨力的前提下增加发射脉宽来提高平均发射功率，进而改善回波信噪比，扩大最远探测距离。脉冲压缩技术最适合发射峰值功率受限的情形。现代雷达系统中常用的脉冲压缩信号有四类：线性调频(LFM)脉冲信号、非线性调频(NLFM)脉冲信号、频率编码脉冲信号和相位编码脉冲信号。前面三种可归结为调频脉冲压缩信号，均是通过频率调制实现非线性相位调制，从而获得大的时宽和带宽。在本系统中采用的是线性调频(LFM)脉冲压缩，线性调频脉压信号的理论公式为：tTtTKtftTKtftfjtXdddsinexp)(,Tt20（3.3）线性调频信号通过匹配滤波器后，其中最大的一对旁瓣为主瓣电平的-13.49dB，而气象目标呈分布式特征，信号变化范围很宽。强回波的旁瓣泄漏会被误认为有气象目标存在。为了抑制旁瓣以提高系统的信噪比，需要在接收时采用滤波器系数幅度加权进行矢配滤波，该方法是以主瓣展宽和信噪比损失为代价换取较低的距离副瓣，常用的加权网络及其性能如下表：加权函数最大旁瓣/dB信噪比损失/dB-3dB主瓣展宽系数矩形-13.201海明-42.51.341.473:1锥-25.70.521.21余弦平方-31.71.761.62余弦立方-392.381.87余弦四次方-472.882.2Blackman-572.41.9表2加权函数性能列表在本系统中采用的是海明窗和Blackman加权，以海明窗为例，发射时宽T为40μs、调频带宽为2MHz时，加权后的脉压信号旁瓣电平为-37dB，灵敏度损失1.34dB，-3dB主瓣展宽系数为1.47（图5）[9]。050100150200250300350400450-90-80-70-60-50-40-30-20-100LFM脉冲压缩海明加权SNR(灵敏度)损失1.34dB图5脉压信号海明窗加权效果示意图在本系统中脉冲宽度设计能力可达到200μs，当压缩后脉冲宽度是1μs时，采用线性调频时副瓣也能达到-48dB；当压缩后脉冲宽度是0.5μs时，采用线性调频时副瓣也能达到-52dB；系统工作时脉冲宽度0.5μs～200μs可选，脉压比40、80、160可选。常规工作时脉冲宽度为40μs，调频带宽2MHz，脉压比80。图6(a)和图6(b)为系统脉压前后的实际对比图。3距离分辨率和最大探测距离在系统中为了降低脉压后的的距离副瓣，采用了加权网络抑制距离副瓣，虽然取得了比较好的效果，但是是以主瓣展宽和信噪比损失为代价的，而主瓣展宽会降低雷达距离分辨率，信噪比损失会缩短雷达的最大作用距离。脉冲压缩雷达的距离分辨率雷达的调频带宽成反比，具体为：ΔR=C/2B固态雷达能够发现降水目标的最远探测距离直接取决于发射峰值功率、天线增益、接收灵敏度与信号处理检测能力等系统参数。固态雷达可通过增大脉宽、相干积累等方式改善雷达最远探测距离。由系统噪声系数可知，接收灵敏度为:Smin(dBmW)=-114+NF+10lgB(1)其中：NF为接收系统的噪声系数；B为接收带宽[7]。设计固态雷达即要考虑最远探测距离，又要兼顾提高雷达的分辨力。根据天气雷达方程，回波功率：22223)2(ln1024RZLKGPcPetr(2)将公式(2)转换成其对数形式并且ZedB取mm6/m3量纲：PrdBm=-180+30+CdB+|K|2dB+(PtdB+GdB+dB-2dB-LdB)–2RdB+ZedB(3)其中发射峰值功率Pt=150w；天线增益G=40dB；天线水平垂直波束宽度均为（Φ）=1.6；发射脉宽=0.5/1s；=3.2cm；L=3dB；|K|2=0.93（对于水）；发射脉宽为0.5μs时PrdBm=-43.45–2RdB+ZedB（4）此时，接收机匹配带宽B=2MHz,如果NF=3dB，接收机灵敏度：Smin=-108dBm。考虑采用对系统的宽脉冲信号进行LFM脉冲压缩，并用海明窗加权，信噪比SNR可以改善（10lg(B*T)-1.34）dB，采用64点相干积累，同时考虑到X波段双程大气损耗约为0.025dB/km。因此有，SNR=PrdBm-Smin+10lg(B*T)-1.34+10lg(64)-0.025*R3dB（5）增大脉宽可改善雷达最远作用距离，但也会增加探测盲区。窄脉冲可弥补大脉宽引入的探测盲区，但探测能力有限。为此，图3模拟了在150W峰值功率下，不同宽脉冲与满足观测10dBz目标的最远探测距离的对应关系。可以看出，脉宽在40μs处可以获得160km以上的探测能力，同时证明系统探测波形设计时150km的探测距离设计是合理的。图4模拟了脉宽为40μs，脉压比为80时雷达对水相粒子的探测能力。10203040506070809010080100120140160180200220240脉