基于精細化探測需求的天氣雷達性能提升方案設計

文/王軍　余小強

天氣雷達在災害性天氣監測、預警方面，發揮著不可替代的作用。目前我國已建成一定規模的天氣雷達網，組網雷達主要包括S波段雷達和C波段雷達。近年來 X波段雷達投入使用的數量也逐步提升，以進行本場飛行保障、補盲和應急支援等工作。天氣雷達已成為氣象局、民航、軍方等氣象保障的主要裝備，但隨著氣象業務單元保障體系建設要求的提高和完善，在精細化探測方面，雷達已經不能夠完全滿足現代天氣雷達探測需求，急需在現有雷達的基礎上進行相應的性能優化提升工作。

1　需求分析

隨著雷達技術的不斷創新發展和電子器件水平的提升，為了更好地突出系統精細化探測，并進一步提高雷達可靠性、維修性和保障性，對天雷達進行性能提升工作勢在必行。提升工作突出“三化”性能，實現雷達前端的“通用化”、“系列化”、“組合化”和后端的“數字化”、“集成化”、“軟件化”。前端“三化”設計在規模上高度集成，物理接口、傳輸格式趨于統一；后端“三化”采用基于通用平臺實現軟件化數字處理，進行精細化、智能化探測，更好的滿足氣象保障需求。根據多年來天氣雷達實際使用情況及氣象保障的進一步需求，對天氣雷達可提升之處進行梳理、總結，主要有以下幾點：

（1）探測精細化、智能化處理能力不足，需進一步提升雷達數據質量；

（2）隨著微波技術的發展，相位穩定度可進一步提升，以提高多普勒速度探測及地物抑制效果；

（3）隨著電子器件更新換代，選擇性能更優的元器件，提升接收機回波處理性能；

（4）針對現有氣象保障需求，需進一步提升裝備任務可靠性。

2　總體思路和目標

圖1：信號處理軟件化功能組成模塊

天氣雷達性能提升可利用現有成熟技術，在不降低原雷達技術指標要求的前提下，對雷達系統進行針對性改進，具體思路和目標如下：

（1）采用更先進的頻率鎖相合成技術，對頻率源進行改進升級，提高系統相位穩定度，提升多普勒速度探測及地物抑制效果。

（2）選用性能參數更優的低噪聲放大器，對接收通道進行改進升級，提高接收靈敏度，提升回波處理能力。

（3）大動態、雙通道數字中頻接收機，提高采樣頻率和IQ數據率，探測更精細。

（4）采用FPGA（大規模可編程邏輯門陣列）集成電路技術實現伺服控制，替代原嵌入式計算機形式的伺服控制板，提升伺服控制精度，環境適應性更好。

（5）基于通用服務器平臺實現信號處理全軟件化，可融合更多、更復雜的功能和信號處理算法，提高雷達精細化處理能力，改善雷達數據質量。

（6）基于軟件化信號處理提供的精細化估值參數，進一步優化產品算法，提高數據產品的準確性和實用性。

（7）信號處理服務器采用雙套冗余熱備份設計，接收通道及數字接收機采用雙通道冗余設計，大幅提升系統任務可靠性。

3　改進方案

3.1　接收系統

早前雷達接收機大多采用兩次變頻超外差體制，當時采用的低噪聲放大器芯片、鎖相環芯片和晶振等型號較老，目前同等器件相關指標已明顯提升。另外從雷達實際運行情況來看，接收機長期工作后指標臨界，一致性差異較大。

現在可采用新的電路設計，選用性能更優的器件，對接收機頻率源、接收通道及數字中頻接收機進行升級改進，重點提升系統相位穩定度、噪聲系數及IQ數據率等性能指標。另外，接收通道、數字中頻接收機改進升級設計時采用雙通道冗余設計，提升雷達任務可靠性。

頻率源內部設計倍頻振蕩器和頻率綜合器，一本振采用先進的直接頻率合成方式產生，一本振單邊帶相位噪聲功率譜密度約可提升10dB，顯著提升系統相位穩定度，有利于改善速度探測和地物抑制效果。

原接收通道使用的低噪聲放大器芯片型號較老，目前同等器件相關指標已明顯提升,升級改進時，采用更優的芯片，并優化電路設計，提升接收機噪聲系數和靈敏度指標；并采用雙通道冗余設計，提升任務可靠性。

數字中頻接收機采用通用的雙通道、大動態硬件模塊，并采用性能更優的AD器件，將采樣頻率由原來的18M提升至80M，IQ輸出數據率由1M提升至4M，有利于回波精細化處理。

改進后的接收系統在噪聲系數、相位穩定度和靈敏度等技術指標上均得到改善，并可減少一致性差異，提高設備的批產適應性。另外，雙通道冗余設計將大大提升接收系統的任務可靠性，當其中一路通道發生故障時，可通過更改電纜連接的方式，便捷、快速地更換到另外一路進行工作。

3.2　伺服系統

目前伺服系統仍有采用嵌入式計算機形式的伺服控制板，啟動有一定延時，體積大，通用性不高，控制精度和環境適應性有進一步提升空間?，F可將伺服控制主控單元由嵌入式計算機模塊（PC104）改為FPGA芯片，使用性能更優的AD器件獲取角度信息，數據容錯率更好。FPGA芯片與PC104模塊相比具有體積小、功耗低、易擴展、工作效率高等優點，改進后的伺服系統將有效提升系統啟動速度、控制精度以及環境適應性。

3.3　信號處理系統

當前的信號處理系統絕大部分基于DSP芯片硬件平臺開發，由于芯片的運算、處理能力的限制，很難進行功能的擴展，回波處理能力有限，無法實現精細化探測。另外，隨著芯片技術的發展，芯片廠商將逐漸停止早期芯片的供應，給雷達裝備的生產帶來一定程度影響。

在性能提升工作中，信號處理系統是整個工作的重點。信號處理系統采用軟件化設計思想，以高性能通用服務器為硬件處理平臺，硬件上按雙套冗余熱備份配置，軟件上采用并行多線程設計方式，對數字接收機送來的IQ信號進行實時數字化處理。該處理方式打破了原有DSP芯片的硬件限制，可以融合更多、更復雜的信號處理功能和算法，實現氣象要素精細化、智能化處理，具有設計、調試、維護、部署方便等特點，具有良好的拓展性，有利于雷達裝備后端處理架構統一性設計。

信號處理軟件模塊設計靈活，各模塊之間相互獨立，模塊接口清晰，便于軟件的調試和維護，從而提高了軟件的可靠性；軟件功能模塊可以融合更多、更復雜的信號處理功能和算法，涵蓋數據采集模塊、信號處理任務管理、地物濾波、氣象要素估計模塊、晴空雜波圖處理模塊、陣地優化、網絡輸入輸出模塊、質量控制模塊等；每一個處理過程的處理結果，都可以以視頻信號的形式發送到顯示界面進行監測，并且數據流全程可存儲，方便檢查軟件配置是否正確、雷達接收或處理通道是否正常，為用戶提供更直觀便利的檢測手段；同時，每一個功能模塊均提供精細化參數設置接口，根據實際陣地情況可配置多項優化參數，實現良好的陣地優化探測效果。

3.4　終端系統

針對軟件化信號處理提供的精細化參數，進一步優化數據產品算法，提升數據產品的準確性和適用性。對數據處理算法進行優化和完善，提高顯示精度，改善回波探測分辨率，進一步貼合氣象保障實際業務工作需求。

4　結束語

天氣雷達性能提升工作將逐步開展，也是下一階段雷達裝備質量工作的重點。性能提升方案中提到的信號處理軟件化設計，也是后期新設計雷達的主要體制，因為軟件模塊開放的大量參數，可根據雷達陣地的具體環境，實現柔性的、自適應的、精細的信號和數據處理，改善雷達數據質量。