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。

　　（2）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(zhuān)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)。

　　（4）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)。

　　（5）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(chēng)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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