X波段中頻相參多普勒天氣雷達(dá)接收機(jī)的設(shè)計(jì)

吳志毅，徐秀會(huì)

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 廣元 620840）

全相參雷達(dá)需然具有性能穩(wěn)定，噪聲低，壽命長(zhǎng)，不受電源波動(dòng)和機(jī)械震動(dòng)的影響等特點(diǎn)。但價(jià)格比較高，架設(shè)、移動(dòng)比較麻煩，靈活性不夠。如果采用中頻相參脈沖多普勒體制，雷達(dá)性價(jià)比高。雷達(dá)采用磁控管發(fā)射機(jī)，其使用的磁控管價(jià)格低，高壓工作時(shí)間超過(guò)2 000小時(shí)[1]。接收機(jī)采用可變本振數(shù)字中頻接收技術(shù)，具有大動(dòng)態(tài)線性范圍。采用這些先進(jìn)技術(shù)的雷達(dá)在性能上達(dá)到全相參雷達(dá)的水平，在價(jià)格上特別是在全壽命期成本上大大低于全相參雷達(dá)。

1 X波段中頻相參多普勒天氣雷達(dá)接收機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

1）接收機(jī)工作頻率： 9 700 MHz

2）接收系統(tǒng)靈敏度： -105 dBm（0.5 μs）

3）動(dòng)態(tài)范圍： ≥90 dB

4）噪聲系數(shù)： ≤3 dB

5）本振的短期頻率穩(wěn)定度為：10-10/ms

6）中頻輸出：30 MHz

7）中頻帶寬：2 MHz

2 接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖

接收系統(tǒng)的主要功能是將來(lái)自天線的微弱回波信號(hào)放大變頻，再放大到所需的功率電平。放大后的中頻回波信號(hào)送到數(shù)字中頻接收機(jī)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)并且經(jīng)過(guò)正交相位運(yùn)算獲得正交的數(shù)字信號(hào)送到信號(hào)處理器。雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖如圖1所示。

圖1 接收機(jī)框圖Fig.1 Receiver block diagram

3 主要技術(shù)參數(shù)計(jì)算

3.1 接收機(jī)噪聲系數(shù)計(jì)算

我們知道，接收機(jī)的總噪聲系數(shù)可以用（1）所示計(jì)算。

在X波段中，低噪聲高頻放大器的噪聲系數(shù)一般≤2 dB，增益為G1＝251.2（24 dB）。30 MHz中頻放大器的噪聲系數(shù)≤4 dB，混頻器的噪聲系數(shù)一般為8 dB左右，增益為G2＝0.158（－8 dB）。因此取 F1≤1.58（可以自己選）。將數(shù)據(jù)代入（1）可求出：F（dB）＝2.15 dB。 滿足設(shè)計(jì)要求（≤3 dB）。

3.2 接收機(jī)靈敏度計(jì)算

接收機(jī)的靈敏度是表征接收機(jī)接收微弱信號(hào)能力的一個(gè)物理量，它的表達(dá)式為：

根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般情況下，我們?nèi)〗邮諜C(jī)輸出端的信號(hào)噪聲功率比為1時(shí)（即識(shí)別系數(shù)D=1）接收機(jī)輸入端的功率為靈敏度，也就是所謂的“臨界靈敏度”：

由（3）式可看出“臨界靈敏度”只與接收機(jī)帶寬B和噪聲系數(shù)F有關(guān)，因?yàn)镵（波茨曼常數(shù)）、T0均為常數(shù)——標(biāo)準(zhǔn)室溫（290°K）。接收機(jī)帶寬的設(shè)置與所接收的信號(hào)有關(guān)，在該接收機(jī)中，接收信號(hào)最小脈沖寬度為0.5μs。對(duì)應(yīng)匹配濾波器帶寬為2 MHz，因此雷達(dá)系統(tǒng)的中頻帶寬按2 MHz帶寬計(jì)算。即取：B=2 MHz（0.5 μs），由此可算出接收機(jī)的“臨界靈敏度”

數(shù)據(jù)代入（4）式可以計(jì)算出Psmin≈-110dBm。

由此可見，接收機(jī)靈敏度是滿足指標(biāo)要求的，且有一定的余量。考慮工程化、器件老化等因數(shù)，以下的計(jì)算仍按靈敏度為－109 dBm計(jì)算。接收機(jī)輸入阻抗按50Ω計(jì)算，輸入阻抗上的最小可辨電動(dòng)勢(shì)[5]為：

按場(chǎng)放輸入端靈敏度Psmin=-109 dBm計(jì)算場(chǎng)放輸入端最小可測(cè)電壓Umin:

式中：R=50Ω為場(chǎng)放輸入阻抗，計(jì)算可得Umin=0.7934 uV。如果按噪聲功率考慮：

場(chǎng)放輸入端的噪聲功率按下式計(jì)算：

式中：

TR=T0（F-1）=290°（1.64-1）=185.6°

PN=1.38×10-23×（290°+185.6°）×1×106-6.563 3×10-15

噪聲電壓

式中：R=50 Ω，UN=0.572 9 uV

可以看出Usmin與UN的比值是>1的，因而從背景噪聲中檢出信號(hào)是沒問題的。

3.3 前端增益計(jì)算

數(shù)字中頻轉(zhuǎn)換器的接口電平為-76～+14 dBm，即最小輸入信號(hào)電平為-76 dBm（35.44 uV），前面已算得場(chǎng)放輸入端最小可測(cè)電壓uV，由此可算得接收機(jī)前端總增益：35.44 uV/0.7934 uV=44.67（33 dB），即：-76 dBm-（-109 dBm）=33 dB。在設(shè)計(jì)時(shí)取A=33 dBm。接收機(jī)前端增益分配為：場(chǎng)放為+24 dB、預(yù)選濾波器為－3 dB、混頻器為－8 dB、前中為+20 dB。

3.4 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍分析

當(dāng)場(chǎng)放輸入端靈敏度為-109 dBm時(shí)，按系統(tǒng)輸入動(dòng)態(tài)為90 dB計(jì)算，則場(chǎng)放輸入端最大信號(hào)功率為：90dB-109 dBm=-19 dBm；由系統(tǒng)前端增益設(shè)置可知，此時(shí)到達(dá)數(shù)字中頻轉(zhuǎn)換器輸入端的信號(hào)強(qiáng)度為：-19 dBm+33 dB=14 dBm；如前所述數(shù)字中頻轉(zhuǎn)換器最大輸入信號(hào)強(qiáng)度為14 dBm，即輸入信號(hào)范圍在靈敏度（-109 dBm）至-19 dBm計(jì)算，可以知道此時(shí)系統(tǒng)仍可保持線性輸出，達(dá)到90 dB的線性動(dòng)態(tài)范圍，因此系統(tǒng)線性動(dòng)態(tài)范圍滿足設(shè)計(jì)性能要求。

結(jié)合前面分析，前端在輸入最大信號(hào)狀態(tài)下，信號(hào)流程各段電平、動(dòng)態(tài)分析框圖見圖2所示。

圖2 前端信號(hào)流程各段電平、動(dòng)態(tài)分析框圖Fig.2 The front-end signal process paragraphs、Dynamic analysis diagram

3.5 穩(wěn)定本振

為保證雷達(dá)的測(cè)速精度，接收機(jī)本振采用高穩(wěn)定度固定頻率振蕩器，其短期1 ms頻率穩(wěn)定度為10-10量級(jí)。根據(jù)雷達(dá)性能要求，由于晶振倍頻源具有相位噪聲低、雜散小等特點(diǎn)，為保證系統(tǒng)、整機(jī)穩(wěn)定可靠工作，避免可能存在的環(huán)路失鎖等問題，本系統(tǒng)考慮選用晶振倍頻本振。

對(duì)頻率穩(wěn)定度的要求：

由于采用了數(shù)字校正技術(shù)（DSI）[6]，降低了發(fā)射機(jī)對(duì)整機(jī)改善因子的限制，提高了整機(jī)地雜波中目標(biāo)可見度，使改善因子≥30 dB，取30 dB。

4 測(cè)試與結(jié)果分析

靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、噪聲系數(shù)的測(cè)試驗(yàn)證。

4.1 靈敏度測(cè)試

靈敏度測(cè)試方框圖如圖3所示。在接收機(jī)場(chǎng)放口輸入噪聲（由微波信號(hào)源代替），在數(shù)字接收機(jī)輸出端接示波器。逐漸減小輸入信號(hào)源的輸出功率，當(dāng)在示波器上觀察的信號(hào)幅度剛好與噪聲信號(hào)相當(dāng)時(shí)，記錄信號(hào)源的輸出功率為AdBm，則接收機(jī)靈敏度為AdBm－LdBm，LdBm為電纜的損耗。所測(cè)靈敏度可以達(dá)到為-110.5 dBm。

圖3 接收機(jī)靈敏度測(cè)試方框圖Fig.3 The receiver sensitivity test block diagram

4.2 線性動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試

采用機(jī)外信號(hào)源，由接收機(jī)前端注入，在數(shù)據(jù)終端讀取信號(hào)的輸出數(shù)據(jù)。輸入輸出曲線采用最小二乘法進(jìn)行擬合，擬合直線的斜率由輸入功率和對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)來(lái)確定。由測(cè)量曲線與擬和直線的差值≤1 dB來(lái)確定接收系統(tǒng)低端的拐點(diǎn)和高端的飽和點(diǎn)，飽和點(diǎn)和拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)功率值的差值為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。經(jīng)測(cè)試，擬和直線斜率為1.005 7，擬和均方根誤差為0.14，高端飽和點(diǎn)為-16 dBm，低端拐點(diǎn)為-110 dBm。因此，動(dòng)態(tài)范圍為94 dBm。

表1 噪聲系數(shù)值測(cè)量值Tab.1 Noise factor values measured values

4.3 噪聲系數(shù)

測(cè)試方框圖如圖4所示。在雷達(dá)終端顯示上讀出噪聲功率值，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖4 噪聲系數(shù)測(cè)試方框圖Fig.4 Noise factor test block diagram

因此噪聲系數(shù)平均值為2.83 dB。滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 論

波段中頻相參多普勒天氣雷達(dá)接收機(jī)設(shè)計(jì)理論分析與計(jì)算方法，已經(jīng)在一些小型中頻相參氣象雷達(dá)中運(yùn)用，在這些雷達(dá)中，經(jīng)過(guò)生產(chǎn)測(cè)試，對(duì)計(jì)算出的理論參數(shù)完全滿足了設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明這種設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行。

[1]Merrill l.Skolnik.雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論[M].北京：電子工業(yè)出版社2007.

[2]蔡成仁.雷達(dá)原理與氣象雷達(dá)系統(tǒng)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2001.

[3]弋穩(wěn).雷達(dá)接收機(jī)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[4]丁鷺飛.雷達(dá)原理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[5]焦中生，沈超玲，張?jiān)?氣象雷達(dá)原理[M].北京：氣象出版社，2005.

[6]王小謨.雷達(dá)與探測(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2000.