地基主動式天氣雷達(dá)是氣象雷達(dá)中的一種，其發(fā)射的電磁波在大氣傳播過程碰到氣體分子(云、雨、雪等降水粒子)時，將產(chǎn)生散射，可造成回波信號的幅度、相位、頻率、偏振等特征發(fā)生變化[1]。通過對這些變化的特征進(jìn)行分析，可以獲取粒子的相態(tài)、形狀、尺度分布及垂直結(jié)構(gòu)等信息。從20世紀(jì)70年代開始，天氣雷達(dá)就為我國氣象事業(yè)服務(wù)并逐漸成為探測暴雨、冰雹、臺風(fēng)、龍卷等災(zāi)害性天氣過程最有效的工具[2]。
    固態(tài)發(fā)射體制天氣雷達(dá)由于采用了固態(tài)發(fā)射機，因此相比真空管雷達(dá)具有以下優(yōu)勢：雷達(dá)不需要預(yù)熱;在硬件方面去除了高壓器件，使用過程更加安全;工作性能穩(wěn)定，壽命長、無噪音、體積小、重量輕等[3]。由于固態(tài)天氣雷達(dá)采用了固態(tài)發(fā)射機，發(fā)射的峰值功率有限，故為了保證雷達(dá)具有較遠(yuǎn)的探測距離，需采用寬脈沖進(jìn)行發(fā)射。為了獲取較高的距離分辨率，發(fā)射信號需具有較大的帶寬,因此需要發(fā)射信號具有較大的時寬帶寬積[4]。然而,普通的單載頻脈沖信號的時寬與帶寬之積約為1，但大時寬與帶寬不可兼得。于是在匹配濾波器理論指導(dǎo)下，提出了線性調(diào)頻(LFM)脈沖壓縮的概念，國內(nèi)很多學(xué)者也在進(jìn)行這方面的研究[5-6]。
1 LFM脈沖壓縮技術(shù)
　LFM是在脈沖寬度內(nèi)其頻率按照線性變化的信號，其時寬、帶寬可調(diào)。這類信號的匹配濾波器具有對回波信號的多普勒頻移不敏感的特性，即當(dāng)天氣回波存在較大的多普勒頻移時，匹配濾波器仍然能對回波信號進(jìn)行較好的壓縮，從而避免了對壓縮網(wǎng)絡(luò)的重新設(shè)計，極大地簡化了信號處理系統(tǒng)。

    由式(4)可以較容易地計算出輸出波形的最大旁瓣與主瓣峰值比(RMS)、-3 dB處主瓣加寬系數(shù)(?茁)、信噪比損失(Loss)等主要性能指標(biāo)。
2 仿真實驗
　在仿真實驗中，固態(tài)天氣雷達(dá)發(fā)射信號的脈沖寬度T=100 ?滋s,帶寬B=2 MHz,采樣頻率為8 MHz，仿真結(jié)果如圖2所示。

    對脈沖壓縮旁瓣抑制效果評判的主要性能指標(biāo)有RMS、和Loss。表1給出了上述仿真實驗中輸出波形的主要性能指標(biāo)。
    通過對表1中的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可知，窗函數(shù)的旁瓣抑制能力越強，則輸出波形的主瓣展寬也就越大。因此，在進(jìn)行加權(quán)濾波處理時，窗函數(shù)的選擇需對各種性能參數(shù)進(jìn)行綜合考慮。對氣象目標(biāo)而言，當(dāng)加權(quán)后脈壓信號的-3 dB主瓣展寬系數(shù)在1.5以內(nèi),且信噪比損失少于1.5 dB，主旁瓣比達(dá)到40 dB以上時，可以選擇此類窗函數(shù)進(jìn)行脈壓旁瓣的抑制[7]。綜合以上分析，在廣義余弦窗中，選擇海明加權(quán)函數(shù)作為脈壓加權(quán)網(wǎng)絡(luò)所獲得的輸出波形整體效果更好。
3 工程實現(xiàn)
3.1 軟件實現(xiàn)脈壓
    由于軟件處理比較靈活，且修改方便，故脈沖壓縮采用軟件的方式實現(xiàn)。脈沖壓縮軟件的開發(fā)是基于VC++平臺和英特爾集成性能基元Intel IPP(Integrated Performance Primitives)之上的應(yīng)用程序。在VC++平臺主要完成應(yīng)用程序的開發(fā)，而IPP的引用主要是利用其中的高度優(yōu)化的軟件函數(shù)庫，以此來提高應(yīng)用程序運行的效率。
    在實現(xiàn)脈沖壓縮的工程時，需注意以下兩點：
 
3.2 外場試驗
　固態(tài)天氣雷達(dá)基本參數(shù)：發(fā)射峰值功率為50 W,時寬為100 ?滋s，帶寬為2 MHz，采樣率為8 MHz，波束寬度為1.5°。數(shù)據(jù)采集時間為2013年3月12日17點30分。
    為了更加直觀地體現(xiàn)脈沖壓縮、海明加權(quán)處理對天氣回波結(jié)構(gòu)及天氣雷達(dá)弱目標(biāo)獲取能力的影響，現(xiàn)給出回波強度對比圖，如圖3所示。
    圖3中方位290°~360°范圍內(nèi)強度較大的回波為地物雜波(龍門山脈)。從圖3(a)、圖3(b)中地物的結(jié)構(gòu)可以清晰地看出，脈壓后回波圖(圖3(b)、圖3(c))中地物的輪廓更清晰，甚至可以看到山脈的縫隙，即脈沖壓縮后探測的距離分辨力提高了。對比圖3(b)、圖3(c)中右下角圓圈內(nèi)的天氣回波，從回波面積上可以看出，圖3(c)圓圈內(nèi)回波面積較圖3(b)圖大，而多出來的部分為較弱的天氣回波，強度在15 dB左右。這一現(xiàn)象同時也證明了海明加權(quán)后輸出波形獲取更高的RMS將有利于弱天氣目標(biāo)的提取。除了圖3(b)、圖3(c)圓圈內(nèi)回波面積大小不同外，其中心回波的強度也有一些差異。通過定量分析可知，圖3(b)中心回波強度約比圖3(c)中心回波強度高2 dB。這一現(xiàn)象可以通過表1中信噪比損失這一參數(shù)進(jìn)行解釋，因為海明加權(quán)會導(dǎo)致信噪比損失，由表1可知信噪比損失大約為1.5 dB，這一現(xiàn)象正是由于加權(quán)導(dǎo)致信噪比損失引起的。

　為了對回波數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，現(xiàn)取同一徑向(方位為310.5°)的回波數(shù)據(jù)，繪制輸出信號的功率圖，如圖4所示。當(dāng)脈壓網(wǎng)絡(luò)僅由匹配濾波器組成時，RMS約為13.2 dB；當(dāng)脈壓網(wǎng)絡(luò)由匹配濾波器與海明加權(quán)函數(shù)級聯(lián)時，RMS約為43.2 dB，?茁約為1.47，Loss約為1.85 dB。海明加權(quán)后RMS提高了約30 dB，RMS的提高可以顯著增強天氣雷達(dá)對弱天氣目標(biāo)的探測能力。同時， 因信噪比有所損失,圖4(c)發(fā)射信號的樣本峰值功率比圖4(b)略低。

    在全固態(tài)天氣雷達(dá)發(fā)射峰值功率受限的情況下，脈沖壓縮技術(shù)可以很好地解決發(fā)射寬脈沖所帶來的探測距離與距離分辨力的矛盾。本文首先介紹了LFM信號脈沖壓縮技術(shù)的原理，其次采用海明加權(quán)的方式對脈壓輸出波形的距離旁瓣進(jìn)行有效抑制并進(jìn)行了理論仿真，在此基礎(chǔ)上將脈沖壓縮技術(shù)在工程應(yīng)用中進(jìn)行了實現(xiàn)。最后，利用全固態(tài)天氣雷達(dá)探測到的天氣回波強度信息對脈沖壓縮理論仿真結(jié)果進(jìn)行分析與驗證。結(jié)果表明,脈沖壓縮技術(shù)在全固態(tài)天氣雷達(dá)中得到了較好的實現(xiàn),探測到的天氣回波特征與理論分析結(jié)果相一致。
參考文獻(xiàn)
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