X波段中頻相參多普勒天氣雷達接收機的設(shè)計

李旭+馬莞迪

摘要：本文就對X波段中頻相參多普勒天氣雷達接收機的方案設(shè)計進行探究，包括如何對接收機的噪聲系數(shù)、級靈敏度、系統(tǒng)動態(tài)范圍和前端增益進行計算，同時又對穩(wěn)定本振信號的措施加以分析，提高數(shù)字中頻接收機的可靠性和靈敏性。

關(guān)鍵詞：X波段；中頻相參；多普勒；天氣雷達接收機

全相參雷達系統(tǒng)具有較長的使用壽命，性能穩(wěn)定，不會受到機械震動、電源波動的影響，且噪聲低，但由于其價格成本較高，移動和架設(shè)較為麻煩，缺乏靈活性，如在天氣雷達系統(tǒng)設(shè)計過程中采用中頻相參脈沖多普勒體系，其雷達的性價比較高，雷達采用的是磁控管發(fā)射機，這種磁控管的價格較低，高壓工作時間長[1]。接收機采用的是本振數(shù)字中頻接受技術(shù)，動態(tài)線性范圍較大，采用這些先進技術(shù)可以有效提高雷達系統(tǒng)的性能，使其達到全相參雷達水平，同時在價格上和全壽命周期成本又比全相參雷達成本低。

一.X波段中頻相參多普勒天氣雷達接收機技術(shù)指標

在X波段中頻相參多普勒天氣雷達接收機中，接收機的工作頻率為9500MHz，接受系統(tǒng)的靈敏度為-120dBm，動態(tài)范圍≥80dB，噪聲系數(shù)≤5dB，本振短期頻率穩(wěn)定度為10-10/ms，中頻輸出40MHz，中頻帶寬3MHz[2]。接收系統(tǒng)主要功能室為了將天線所發(fā)射的微弱回波信號放大變頻，再將其放大到所需功率電平，放大后中頻回波信號送到數(shù)字中頻接收機，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號，經(jīng)過正交相位運算獲得正交數(shù)字信號，送到信號處理器。

二.主要技術(shù)參數(shù)

（一）接收機噪聲系數(shù)計算

接收機噪聲系統(tǒng)的計算公式為： 。在X波段中低噪聲高頻放大器噪聲系數(shù)通常是小于等于3dB，增益為G1=253.5（24dB），40MHz中頻放大器噪聲系數(shù)小于等于5dB，混頻器噪聲系數(shù)通常在10dB左右，增益為G2=0.157（-10dB），因此取F1小于等于2.15，將數(shù)據(jù)帶入到噪聲系統(tǒng)計算公式中即可得出F（dB）=2.65dB，符合設(shè)計的要求[3]。

（二）接收機靈敏度計算

接收機靈敏度主要是接收機接收微弱信號能力的物理量，其表達式為 。根據(jù)工程設(shè)計的經(jīng)驗，通常情況下取接收機輸出端信號噪聲功率之間的比D=1，接收機輸入端功率為其靈敏度，也是臨界靈敏度。通過公式可以發(fā)現(xiàn)，臨界另覓你讀通常只和噪聲系數(shù)F以及接收機帶寬B有關(guān)系，由于T0和K均為常數(shù)，標準室溫為290度K[4]。接收機帶寬設(shè)置通常和接收信號相關(guān)，在接收機中接收信號最小脈沖寬度為0.5μS，因此可以計算出接收機臨界靈敏度為 ，將數(shù)據(jù)帶入到公式中， 。因此接收機靈敏度和相應(yīng)的指標要求相符合，具有一定余量，需要對器件老化、工程化等因素進行充分考慮，計算也需要按照靈敏度為-110dBm進行計算，接收機的輸入阻抗按照60Ω計算，輸入阻抗最小可辨電動勢為 ，按照場放輸入端的靈敏度 ，對場放輸入端的最小可測電壓Usmin進行計算，計算公式為 ，公式中R=60Ω，計算可以得出Usmin=0.8135uV。如果按照噪聲功率進行計算，場放輸入端噪聲功率按照公式 進行計算。

（三）前端增益計算

數(shù)字中頻轉(zhuǎn)換器接口電平為-84到+15dBm，最小的輸入信號電平為-84dBm，已知場放輸入端的最小可測電壓為uV，由此可以計算出接收機的前端總增益為34.45uV/0.8432uV=46.65（35dB），即-84dBm-（-110dBm）=35dB，在方案設(shè)計中取A=35dBm，接收機的前端增益分配：場放為24dB，預(yù)選濾波器為-3dB，混頻器為-10dB，前中為30dB。

（四）系統(tǒng)動態(tài)范圍分析

如果場放的輸入端靈敏度為-110dBm，按照系統(tǒng)輸入動態(tài)等于90dB進行計算，場放的輸入端最大信號功率則等于90dB-110dBm=-20dBm，根據(jù)系統(tǒng)前端增益可知，數(shù)字中頻轉(zhuǎn)換器的輸入端信號強度為-20dBm+35dB=15dBm，數(shù)字中頻轉(zhuǎn)換器最大的輸入信號強度為15dBm，也就是說輸入端信號范圍的靈敏度范圍在-110dBm到-20dBm計算，可以知道此時的系統(tǒng)仍以可保持線性輸出，達到90dB線性動態(tài)范圍，由此可知系統(tǒng)的線性動態(tài)范圍和設(shè)計性能要求相符合[5]。

（五）穩(wěn)定本振信號

為了確保雷達測速精度，接收機本振采用高穩(wěn)定度的固定頻率振蕩器，短期1ms的頻率穩(wěn)定度為10-10量級。根據(jù)雷達的性能要求，因晶振倍頻源的雜散小、相位噪聲低等，為確保整機穩(wěn)定性和系統(tǒng)工作狀態(tài)的可靠性，應(yīng)避免可能存在環(huán)路失鎖等問題，因此在該系統(tǒng)中考慮采用晶振倍頻本振。

三.測試和結(jié)果分析

（一）靈敏度測試

靈敏度測試在接收機場放口輸入噪聲，在數(shù)字接收機的輸出端接示波器，并將輸入信號源輸出功率逐漸減小，并在示波器上對信號幅度進行觀察，當信號幅度和噪聲信號剛好相當時，記錄信號源輸出功率為AdBm，接收機的靈敏度為AdBm-LdBm，LdBm為電纜損耗，所測得的靈敏度為-110dBm。

（二）線性動態(tài)范圍測試

機外信號源主要是在接收機的前端注入，在數(shù)據(jù)終端對信號輸出數(shù)據(jù)進行讀取，輸入輸出曲線通過最小二乘法擬合，并通過輸入功率和對應(yīng)輸出數(shù)據(jù)來明確擬合直線斜率，并將擬合直線和測量曲線之間的差值來明確接收系統(tǒng)高端飽和點和低端拐點，拐點和飽和點之間相應(yīng)輸入信號功率值之間的差作為系統(tǒng)動態(tài)范圍[6]。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，擬合直線斜率為2.1584，擬合均方根誤差為1.29，高端飽和點-15dBm，低端拐點-110dBm，動態(tài)范圍為96dBm。

結(jié)語：

在雷達系統(tǒng)中雷達接收機發(fā)揮著重要的作用，其主要功能是為了將小信號進行變頻、放大、濾波和數(shù)字化處理，并在信號處理中過濾掉干擾信號，將有用信號進行保留。本文主要是將中頻相參雷達接受系統(tǒng)作為主要研究對象，通過對X波段中頻相參多普勒天氣雷達接收機的設(shè)計方案進行分析，并對設(shè)計理論和計算方法加以探究與分析，同時對接受系統(tǒng)中各個部件的性能參數(shù)指標和功能進行分析，在小型中頻相參氣象雷達中的應(yīng)用，經(jīng)過生產(chǎn)測試后，根據(jù)其計算理論參數(shù)和設(shè)計要求已經(jīng)完全滿足，由此說明該種設(shè)計方案是具有可行性的。

參考文獻：

[1]姜小云，李昭春，吳俞.基于STM32的新一代天氣雷達遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2017，27（05）：196-200.

[2]毛飛，李建明，金龍，敬穎.新一代天氣雷達遠程視頻監(jiān)控保障系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].氣象科技，2017，45（01）：63-66.

[3]劉煥乾，胡燕，高爐東.新一代天氣雷達故障維修資料檢索系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].氣象水文海洋儀器，2015，32（03）：62-64.

[4]楊奇.新一代天氣雷達臺站環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實施[J].氣象與環(huán)境科學，2013，36（03）：84-89.

[5]王杰，何建新.基于LabVIEW的新一代天氣雷達測試與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計[J].氣象科技，2012，40（06）：902-905.

[6]王紅艷，劉黎平，肖艷嬌，莊薇，王改利.新一代天氣雷達三維數(shù)字組網(wǎng)軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].氣象，2009，35（06）：13-18+130.

簡介：李旭，男（1983.10——），重慶市開縣人，工程師，本科，研究方向：火控雷達接收機。

二作馬莞迪，女（1984.9——），四川江油人，工程師，本科，研究方向：火控雷達接收機