气象雷达的数字中频接收机系统研究

气象雷达的数字中频接收机系统研究

杨恬

513021197710200194 成都远望科技有限责任公司 四川省成都市 610000

摘要：气象雷达在军事领域、农业活动以及其他相关行业中的运用较为常见，能够为军事调动、社会经济建设提供相应的气象信息数据，从而让人们能够提前做好准备，对于活动效率和水平的提升有协助作用。气象雷达数字中频接收机是气象雷达中的重要分系统，能够对气象雷达的性能产生直接影响。因此，对于气象雷达数字中频接收机系统的研究分析，能够更进一步地为气象雷达的升级优化提供支持。本文通过对数字中频接受机系统的分析研究，提出科学的气象雷达优化策略，为相关活动的开展提供参考。

关键词：气象雷达；数字中频接收机；系统

引言

在气象雷达发明使用的初期，是通过人工操作的方式来进行应用的。集成电路以及微型电子计算机在气象雷达中的应用让雷达使用中的数字化处理和远距离输送成为可能，而电子计算机操纵观测一级自动化观测方案的落实也在逐步进行中。气象雷达的接受系统使其具体功能实现落实的关键，也是保障其自动化设计能够顺利落实的关键。因此，在近年来，气象雷达的信号处理算法的实现成为接收系统研究的热点内容之一。

一、气象雷达的发展概述

气象雷达的发展阶段主要分为三个阶段，第一个阶段是气象雷达的起步阶段。第二个阶段是气象雷达信息数字化、控制自动化功能实现的阶段。在第二个发展阶段中，对于信号处理器以及终端处理设备的应用是气象雷达发展落实的关键，也是阶段内的主要研究内容。第三个阶段自1990年开始到今天仍在进行中，这个阶段气象雷达的主要发展是多普勒气象雷达在实际大气遥感探测中的应用，对于水平风场、垂直风场的探测有显著效果。同时，在降水云和晴空大气中的应用效果误差不大。

日本、印度尼西亚、美国以及德国等国家发起的国际赤道观测站计划对于气象雷达的研究创新有积极作用。国际赤道观测站计划对于赤道上空大气的探测研究非常深入，能够对气候变化的影响因素有进一步的了解和研究。同时，欧盟在欧洲一体化的过程中，也加强了对不同国家间气象雷达研究的支持，这也在一定程度上为气象雷达的发展做出了贡献。

和其他国家的研究相比，我国对于气象雷达的研究展开较晚，国内的研究基础薄弱，这在研究过程中造成了一定的困难。但是，因为我国研究人员艰苦奋斗的精神以及坚定的发展毅力，国内的气象雷达研究发展速度较快，在上世纪60年代开始，我国对于气象雷达的生产和研制逐步增加，从模拟气象雷达、数字气象雷达以及多普勒气象雷达三个阶段的发展中，我国的气象雷达研究和应用都有较大水平的提升[1]。

模拟气象雷达的研究和制作是在上世纪60年代展开的。我国首先研制了3cm的测高雷达，在实际应用过程中，也可以应用到测雨活动中。对于测雨雷达以及测高雷达的研制建设较为顺利，在八十年代，我国国内的711型测雨雷达已经达到了二百多个。处于对沿海地区台风预防的需求，我国在八十年代又研究了能够进行台风测量预测的测台风雷达，具有数字处理系统。在不断的研究和制作过程中，我国逐渐形成了由各类型号雷达组成的气象观测网，对于气象灾害预警以及沿海联防等工作的落实有推动作用。

二、雷达数字化接收机的发展现状

雷达数字化接收机系统的研究对于雷达的测量精度以及自动化完善有积极作用。在气象雷达的研究领域中，超高速数字电路技术和软件无线电的发展对于雷达数字化接收水平的提升有推动作用。在当前数字化接收机系统的研究过程中，对于气象雷达数字化接收机系统的体积、重量、算法、抗干扰能力以及性能等内容都有升级优化。同时，雷达数字化接收机已经逐步取代传统的雷达模拟接收机，其研究和制作对于当前气象雷达功能升级以及实际应用有重要意义[2]。当前雷达数字中频接收系统正朝着精度更高，模式更灵活，工作更智能的方向发展，雷达根据当前已探测的天气现象，实时的调整中频数据的处理算法，在既有的硬件平台基础上同时具备多数率带宽下的不同分辨率数字中频变频工作扫描方式及处理过程，应对特定时间、特定区域范围的多种自然天气现象，同时提供实时准确的精细化数据参考。数字中频系统的智能化程度与嵌入式SOC系统的紧密结合程度有关，通过软硬件协同片上SOC处理系统，达到设备处理能力及使用灵活性的最佳匹配。

我国国内对于气象雷达数字化接收机系统的研究非常重视，在过去十多年中的理论研究非常丰富，设计实现方面也取得了一定的成果，和国外的先进气象雷达的差距在逐渐缩小。但是，整体来说，我国的气象雷达数字接收机系统和国外还有一定差距，通过对数字中频接收机系统设计的分析研究，能够为气象雷达应用提供支持帮助。

三、气象雷达的数字中频接收机系统设计

二次雷达数字中频接收机的设计能够在气象雷达的升级制作中提供助力，对于气象雷达数字化水平的提升有积极作用。在单脉冲体质的二次雷达接收机的制作过程中，对于三路信号的处理是设计制作的关键，也是保障数字化效果能够实际落实的关键。因此，技术人员需要几何方位差支路信号、俯仰差支路信号以及支路信号灯三路信号的分析研究，明确接收分系统通道的具体幅度和相位一致性，保障信号接收的稳步展开

[3]。

在雷达数字中频接收机系统的设计中，还需要重视单脉冲雷达中的应用情况。接收机角误差输出，输入数据对瞄准方向进行控制，能够实现气象雷达的闭环跟踪。同时，因为气象雷达的工作环境和工作频率的差异和变化，其单脉冲和差通道并非始终处于一个平衡的状态，因此，在实际测量和计算的过程中，会产生测角误差。如果不平衡问题和测角精度容许的实际范围不相等，就需要对气象雷达的相关计算和研究工作进行矫正，从而满足测角精度的需求[4]。

气象雷达数字接收分系统主要由系统前部分和系统后部分两个主要部分构成。系统前部分主要具体的模拟电路，能够对气象雷达天线接收到的信号进行处理，并将处理信息作为雷达工作的需求数据进行转化。而系统的后部分是数字中频接收器，能够在气象雷达工作过程中，完成数字化接收的主要工作。雷达数字中频接收机系统的设计工作主要是针对系统后部分内容进行研究设计的。因此，在系统设计研究过程中，需要考虑信号的放大和实际接收活动，推动雷达数字中频接收机系统的规范应用。中频接收数据由单通道逐步发展为线型或平面阵列结构的多通道数据同步接收，数据间同步处理相互作为参照，通过平衡算法提高系统识别性能。单发单收的雷达可以根据发射的电磁波的飞行时间(TOF) 来测量到目标的径向距离。相控阵雷达使用多个天线来检测目标，无需物理旋转。由于天线可以同时工作，因此雷达目标检测的刷新率更快。MIMO 雷达是具有多个发射器和接收器天线的相控阵雷达，使用的天线孔径越大，雷达的角分辨率就越好，传统相控阵雷达是MIMO雷达的一种特殊形式。在由传统的单路单个发射接收逐渐发展为MIMO线阵或面阵的发射和接收组合的过程中，数字中频接收的发展方向由单一到集群，由简单逻辑控制到复杂的多个子中频单元，在实际应用中实现了多样化的接收功能。中频接收机的主要巩固走是通过接收系统监控的具体质量，实现对气象雷达系统重通道误差的矫正和自动控制，并高效地完成下位机和上位机的通信，对于气象雷达的数字化设计和升级有积极作用[5]。数字中频接收系统主要由高速率高精度ADC采样芯片，大容量高性能FPGA或DSP芯片作为数字信号处理核心器件及SOC系统芯片。SOC芯片对逻辑硬件在线重配，实现对当前硬件功能的快速切换。高带宽，高速率的数字信号，则通过硬件逻辑的并行处理完成，经过数据的压缩算法、变频和滤波，及数据积累处理算法后，通过光纤网络传输到后端服务器，再进行处理。在数字中频的系统设计中，同步的时间戳数据，并行数据处理能力和功能的灵活性缺一不可。雷达工作中，应做到快速及时响应，动态识别切换，及后续功能持续更新。通过在线更新的途径，即FPGA器件的独特功能，根据当前实时回传状态对接收数据的实时速率，参数、配置及功能的瞬时调整或变更，获取与当时天气现象更加匹配的自适应特征，返回最佳观测数据结果。在风云变换的大气环流中，天气现象瞬息万变，抓住机会，把握关键，对于自然资源的保护及区域经济的发展至关重要。数据中频系统的设计也逐渐由单个完整固定的组件发展为由多个模组构建的模块化硬件，如:高速ADC采样模块，数字信号处理模块，数据传输模块，硬件维护模块等。模块的重组，使硬件结构更加灵活，互联更为便捷，形态各异，降低硬件成本和风险，也使软件模块与硬件模块成为一一对应的关系，软件统一管理模块化硬件。数字中频系统的多样化发展，以同时应对天气现象的大范围长时目标和小范围短时强对流天气过程。

气象雷达在我国军事领域以及农业领域中的应用有重要意义，对于沿海地区的灾害预防也有积极作用。因此，需要重视气象雷达数字中频接收机系统的研究，并结合实际的雷达应用需求和环境，逐步完善系统功能，为气象雷达发展打好基础，提供支持。

四、结语

当前气象雷达的设计应用过程中，其数字中频接收机系统的设计是气象雷达数字化的关键。通过对气象雷达的应用研究现状分析，能够充分明确雷达数字中频接收机系统的研究和设计重点，对于气象雷达研究升级有积极作用。我国的技术人员需要重视雷达系统的分析研究，借鉴外国技术的经验，结合实际的数字化需求和应用目标，推动雷达数字中频接收机系统设计水平的创新，为我国气象雷达的发展做出贡献。

参考文献

[1]李海,冯开泓,杨文恒等.机载双极化气象雷达多种降水粒子回波仿真方法研究[J].电子与信息学报,2023,45(08):2945-2954.

[2]喻庆豪,王沛尧,张喜峰等.快速扫描机载气象雷达多普勒解模糊算法[J].雷达科学与技术,2022,20(03):311-318+327.

[3]黄勇,李进毅,陈倩等.X波段气象雷达站雷电气候特征分析及防雷技术应用[J].农业灾害研究,2022,12(05):114-116+119.

[4]高涌荇,王旭东,汪玲等.基于RCNN的双极化气象雷达天气信号检测[J].系统工程与电子技术,2022,44(11):3380-3387.

[5]韦凯华,梁伟杰,韦海宁等.基于Python和GIS信息的南海气象雷达专题图自动制作[J].微型电脑应用,2021,37(12):10-12+22.