天氣雷達回波模擬系統的設計與實現*

唐順仙 ，李 睿 ，史 朝 ，魏 超 ，王 皓

（1.成都信息工程學院 電子工程學院，四川 成都 610225；2.中國氣象局 大氣探測重點開放實驗室，四川 成都 610225；3.中國科學院大學 大氣物理研究所，北京 100029）

0 引言

在現代地基主動氣象遙感領域，多普勒天氣雷達占據著重要的地位，特別是在對一些突發性、災害性等中小尺度天氣過程的捕獲與跟蹤時，其較高的時間與空間分辨能力就顯得越來越重要[1]。隨著多普勒天氣雷達在氣象探測業務運行中的廣泛使用，在雷達的研發與維護過程中，對雷達的性能進行完整測試就顯得非常重要[2]。由于實驗條件及天氣狀況等因素的影響，要在完全真實的天氣過程的環境中對雷達各個模塊及系統進行測試將非常困難。國內現階段對雷達接收機性能測試所采用的方法一般是給其提供一個不具有天氣目標回波特征的單一頻率的信號，這些信號能夠通過測量系統通道的技術參數來驗證系統硬件的性能。但由于這些測試信號不具有天氣信號的時頻特征，故測試結果仍與處理真實天氣回波時的狀態存在差異。而將實時天氣目標回波作為接收機的測試信號的方法卻有成本過高、測試過程復雜、所需時間長等缺點。除此之外，由于實時氣象目標的參數是不可控的，所以這種方法不能實現對接收機性能參數的定量測試。如果能夠模擬產生具有真實天氣目標特征的雷達回波信號，就可以在實驗室環境中模擬完成外場試驗所需的測試，同時也可以降低測試成本，縮短研發周期，提高工作效率[3]。除此之外，對模擬回波的參數進行控制，可以實現定量測試，進而可對接收機及后端的信號處理算法進行驗證。

1 天氣回波信號模擬的原理

由于天氣目標的徑向移動會造成接收信號的頻率相對于發射信號的頻率存在一定的頻移（多普勒頻移），即天氣雷達回波信號可以看成原始發射信號在時間上的延遲并且頻譜進行搬移后的一個時間序列，這就是回波信號模擬的基本原理[4]。

ZRNIC D S[5]在總結了濾波器法與快速卷積法等模擬算法后，從天氣雷達回波信號的功率譜的角度，提出了簡單實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為Pn(f)：

其中，pr為回波的功率，fd為多普勒頻率，δf為頻率標準差，PRF為脈沖重復頻率，N為樣本個數。

由氣象雷達方程及相關理論可知：pr=CZ/r2，fd=2vr/λ，δf=2δv/λ。其中，C為雷達常數，只與雷達系統的參數有關；Z為反射率因子；r為氣象目標與雷達站的徑向距離；vr、δv分別為徑向速度和速度譜寬；λ為雷達發射電磁波波長。

為了模擬出具有真實回波信號的頻譜特性，需要在式(1)中加入噪聲，然后進行隨機化可得式(4)：

式中，隨機變量 rnd在區間[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。

為了獲取回波信號的復頻譜特征，需要在Pn(f)中引入 0～2π 變化的隨機相位譜 φn(f)=rnd·2π/rndmax，即可以構成回波信號的復頻譜，然后將其進行離散傅里葉逆變換（IDFT）得到對應的時間序列 sn：

其中 In、Qn分別為天氣雷達正交接收機 I通道、Q通道的數值。

由以上分析可得，在已知雷達基本參數的情況下，對天氣雷達回波信號進行模擬時，可以先根據設想的回波特征(不同距離處的反射率因子、平均徑向速度、譜寬)等信息計算出回波功率、多普勒頻移、頻率標準差等信息，然后根據這些信息構建出回波功率譜密度函數，最后加入噪聲生成具有真實天氣目標特征的回波信號，即I/Q信號。天氣雷達基數據逆變I/Q序列算法設計流程圖如圖1所示。

圖1 基數據逆變I/Q序列算法流程圖

經過逆變算法獲取的具有真實天氣目標特征的I/Q信號，再通過回波模擬系統中的變頻處理可以將信號的頻率變成射頻（中頻）。射頻信號（中頻信號）可以被輸入到天氣雷達的接收機前端（中頻前端），從而可以實現在實驗室環境中，利用具有真實天氣特征的回波信號對天氣接收機的性能參數進行定量測試。

2 回波模擬系統的硬件實現

多普勒天氣雷達回波模擬系統由回波模擬計算機(內插 PCI板卡)、數字接口 N5102A、射頻信號源 E8267D、信號定時器、數字中頻組件、雷達信號處理工控機等模塊組成，其系統結構示意圖如圖2所示。

圖2 天氣雷達回波模擬器框圖

回波模擬系統的硬件設計流程如下：

普通高校社區學院以非學歷教育培訓為主要形式。少數社區成員具有學歷提升的需求，希望通過成人高等教育、遠程教育取得學歷層次的進一步提升。而多數社區成員接受的社會培訓則以非學歷教育培訓為主，他們不以學歷為主要學習目的，而是以提高自身綜合素養和生活品質為目的。

（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），此時回波模擬計算機將根據譜模型的直接擬合法模擬出具有真實回波特征信息的回波信號，即數字I/Q信號。16 bit串行I/Q數據將按照規則被輸送到PCI板卡，串行I/Q數據時序圖如圖3所示。

圖3 16 bit串行I/Q數據時序圖

（2）N5102A數字基帶信號接口模塊是射頻信號源E8267D外置的基帶數字信號數據傳輸專用接口模塊。在N5102向模擬系統發送同步傳輸時鐘的條件下，16 bit的I/Q信號串行輸出到數字接口N5102A，經N5102A將數據格式轉換后傳給E8267D射頻信號源。

（3）射頻信號源接收到數字I/Q信號后，將對其進行雙路D/A轉換，使數字I/Q轉換成模擬的I/Q信號。模擬I/Q信號再經過調制得到視頻信號，最后經上變頻處理使其頻率達到雷達工作的射頻頻率或雷達中頻系統的工作頻率，最后輸出射頻（中頻）模擬回波信號。

（4）射頻信號源輸出的模擬中頻信號被傳送到數字中頻組件，數字中頻組件的作用為將中頻信號進行欠采樣（由鎖相環產生采樣頻率）、下變頻、濾波等處理后生成基帶的I/Q信號，并經由網線傳送給雷達信號處理工控機。

（5）雷達信號處理工控機采用的是標準工控機平臺IPC-8462，是整個天氣雷達回波信號模擬系統的控制核心。雷達信號處理工控機接收到數字中頻傳送的I/Q信號及回波模擬計算機傳送的雷達天線角碼等信息后，將實時繪制出用戶設定的天氣雷達模擬回波的反射率、徑向速度、譜寬等天氣雷達回波圖。

3 回波模擬系統的軟件實現

天氣雷達回波模擬系統的軟件實現均是基于VC++平臺和英特爾?集成性能基元(Integrated Performance Primitives，簡稱Intel IPP)開發的。在 VC++平臺主要完成應用程序的開發，而IPP庫的使用主要是利用其中高度優化的軟件函數庫，以此來實現天氣雷達基本產品的生成及應用程序運行效率的提高。

天氣雷達回波模擬系統的軟件實現主要包括回波模擬計算機上位機模擬軟件及數據采集分析軟件和PCI驅動程序的設計。

（2）由于天氣目標一般為體目標，故模擬出的天氣回波的數據量較大。較大的數據量一般均超過了FPGA芯片ROM的存儲量，而直接往FPGA的ROM中寫入少量模擬數據的方法不能完整模擬出大片天氣雷達回波信息。對天氣雷達回波模擬系統而言，采用數據流傳輸的方式來實現大量數據的傳輸就顯得非常重要。因此，PCI的上位機驅動程序的設計是整個回波模擬系統的實現的關鍵部分。PCI的上位機驅動程序主要包含程序初始化、卸載、讀數據和寫數據，其程序設計如圖5所示。

4 實驗結果及評價

為了驗證天氣雷達回波模擬系統的效果，還需根據真實天氣雷達回波的結構及特征信息開展回波模擬實驗，以使模擬的回波結構具有真實天氣目標的特征。

圖4 回波模擬及分析軟件界面

圖5 PCI驅動程序設計圖

在進行真實天氣回波模擬實驗時，選取小雨天氣條件下的雷達回波反射率因子作為模擬對象，如圖6（a）所示。首先在回波模擬計算機上位機軟件中對圖6（a）中的左上部分（龍門山脈）、右下部分（小雨區）等區域的回波特征進行信息提取，生成模擬的基本反射率因子數據；然后再經過基數據逆變I/Q序列算法處理，生成模擬的I/Q數據；最后經過天氣雷達回波模擬硬件系統后，生成模擬的天氣雷達回波圖，如圖6（b）所示。

為了驗證模擬系統的正確性，現對圖 6中（a）、（b）進行比較分析。從模擬回波的結構分布及強度等特征可以看出，圖（b）具有與圖（a）幾乎一致的回波結構及強度分布等，特別體現在左上方的龍門山脈結構、右下方的條狀回波及三角狀回波。

圖6 模擬效果對比圖

實驗結果證明，該天氣雷達回波模擬系統能夠成功模擬出具有真實天氣目標特征的回波信號。因此，該模擬系統能夠為天氣雷達在實驗室環境中完成外場試驗所需的性能測試提供較大的幫助，具有很廣的應用前景。

[1]何建新.現代天氣雷達[M].成都：電子科技大學出版社，2004.

[2]王江，何建新，李學華.基于 Linux平臺的天氣雷達高速數據采集系統設計[J].電子技術應用，2009(5)：123-125.

[3]李曦，潘志明.機載雷達雜波環境模擬器實現方法研究[J].現代雷達，2009，31（12）：5-9.

[4]高志球，肖艷姣，袁立功，等．天氣多普勒雷達回波信號處理的模擬試驗[J]．遙感技術與應用，1998，13(4)：43-49.

[5]DOVIAK R J，ZRINC D S.Doppler radar and weather observations[M].California：Academic Press，Inc，1993.