機(jī)載測(cè)云雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)研制難點(diǎn)分析

安徽四創(chuàng)電子股份有限公司　高　磊　黃興玉　余小強(qiáng)　郭　俊

1.大動(dòng)態(tài)數(shù)字接收機(jī)技術(shù)

機(jī)載測(cè)云雷達(dá)由于受到多種雜波的干擾，包括主瓣雜波，副瓣雜波，等高線雜波等，當(dāng)天線仰角向下時(shí)，雜波十分強(qiáng)烈，為了避免接收機(jī)飽和，要求雷達(dá)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)在90dB以上。假設(shè)本雷達(dá)系統(tǒng)的距離分辨率高（最高30米），其最大帶寬為5MHz，所以對(duì)數(shù)字接收機(jī)的設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)，根據(jù)中頻欠采樣的原理，數(shù)字接收機(jī)的處理增益為AD采樣率/2倍視頻帶寬，所以對(duì)于5MHz IQ帶寬，若采用100M采樣率，其處理增益為10dB，如果需要達(dá)到90dB的動(dòng)態(tài)，則AD必須采用16位，14位的AD變換器不能滿足要求。16位的高速AD變換器功耗大，因而對(duì)于系統(tǒng)的散熱要求也相對(duì)較高。

2.實(shí)時(shí)平臺(tái)速度補(bǔ)償

機(jī)載平臺(tái)為高速移動(dòng)平臺(tái)，而雷達(dá)系統(tǒng)需要測(cè)量的云雨目標(biāo)相比于飛機(jī)本身的移動(dòng)速度而言，其速度較小，為了能夠得到相對(duì)準(zhǔn)確的云雨速度值，系統(tǒng)需要進(jìn)行平臺(tái)速度的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。其補(bǔ)償?shù)乃俣戎敌枰鶕?jù)當(dāng)前平臺(tái)的姿態(tài)和天線掃描的方位俯仰角等信息進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算得到，為了快速響應(yīng)，需要采用專用的DSP進(jìn)行計(jì)算并控制進(jìn)行補(bǔ)償，速度補(bǔ)償還需要脈間嚴(yán)格同步，避免破壞回波的相干信息從而導(dǎo)致速度估值的不正確。

3.高速數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)處理

由于數(shù)字接收機(jī)放置在飛機(jī)的吊艙之內(nèi)，而信號(hào)處理器和顯控終端放置在乘員艙內(nèi)，所以數(shù)字接收機(jī)需要將兩個(gè)通道的回波數(shù)據(jù)傳輸至信號(hào)處理器。除回波數(shù)據(jù)外，可能還需要傳輸一些系統(tǒng)的其他狀態(tài)或監(jiān)控信息。并行傳輸需要的電纜多，可靠性低，所以在該系統(tǒng)中不宜采用，而采用光纖傳輸，可降低連接線數(shù)，提高傳輸可靠性并實(shí)現(xiàn)光電隔離，也可降低電磁干擾。假設(shè)雷達(dá)系統(tǒng)的最大距離分辨率高達(dá)30米，通道IQ速率高達(dá)5M，需要的處理能力是一般天氣雷達(dá)的3倍以上，所以信號(hào)處理器需要較高的硬件配置。系統(tǒng)需要同時(shí)處理兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)，尤其是主通道需要進(jìn)行多普勒參數(shù)的估計(jì)，運(yùn)算量大，因而信號(hào)處理器采用多片DSP并行處理，如果采用當(dāng)前最新的高速DSP，使用2片可以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)由于輸入的數(shù)據(jù)量大，在選擇DSP時(shí)其IO帶寬能力也十分重要。如雷達(dá)采用相干積累/非相干積累組合，因而脈沖積累數(shù)要求高，需要配置較大的高速緩存。

4.精確雜波跟蹤

由于探測(cè)的目標(biāo)相對(duì)速度較低，同時(shí)需要對(duì)速度進(jìn)行定量測(cè)量，所以系統(tǒng)必須具有高精度的雜波跟蹤能力，系統(tǒng)的雜波跟蹤處理帶來的很大的挑戰(zhàn)性，大大加重了信號(hào)處理的處理壓力和設(shè)計(jì)難度。

5.嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口

由于機(jī)載終端計(jì)算機(jī)為專用計(jì)算機(jī)，信號(hào)處理器為了避免和其硬件的過多耦合，因而采用脫機(jī)獨(dú)立模塊設(shè)計(jì)，利用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)和終端實(shí)現(xiàn)命令和處理結(jié)果的傳輸。處理結(jié)果的傳送數(shù)據(jù)量相對(duì)較小，同時(shí)考慮到機(jī)載計(jì)算機(jī)的典型配置，信號(hào)處理器網(wǎng)絡(luò)接口可采用100M以太網(wǎng)，并由DSP實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和通信，采用嵌入式無縫設(shè)計(jì)而不采用外掛的網(wǎng)絡(luò)模塊，以提高可靠性和縮小體積。

6.機(jī)載平臺(tái)算法的特殊處理

6.1　雜波處理

機(jī)載測(cè)云雷達(dá)系統(tǒng)相對(duì)于其他雷達(dá)系統(tǒng)而言，雜波干擾更強(qiáng)，雜波包括主瓣雜波，副瓣雜波，等高線雜波等，對(duì)于機(jī)載雷達(dá)，由于所探測(cè)的目標(biāo)和警戒雷達(dá)不同，其目標(biāo)速度相對(duì)于地面速度很小，而飛機(jī)本身的速度則很大。由于飛機(jī)相對(duì)速度的影響，掃描空間的動(dòng)態(tài)相對(duì)變化，導(dǎo)致地物回波的譜寬展寬很多，中心頻率也不再為零頻，這給地物的對(duì)消處理帶來了很大的困難。在傳統(tǒng)的警戒雷達(dá)中，由于目標(biāo)的相對(duì)速度在大多數(shù)情況下和地物有明顯區(qū)別，所以可以采用雜波跟蹤進(jìn)行雜波多普勒頻移的估計(jì)，從而對(duì)回波進(jìn)行校正，最后利用MTI/MTD進(jìn)行雜波的抑制。但是在機(jī)載測(cè)云雷達(dá)系統(tǒng)中，由于波長短，其多普勒頻移遠(yuǎn)比一般的雷達(dá)大，地物的高速運(yùn)動(dòng)可能導(dǎo)致回波目標(biāo)速度的多次折疊，從而給雜波估計(jì)帶了困難。由于地物目標(biāo)偏移零頻而導(dǎo)致其譜副瓣迅速抬高，可能會(huì)淹沒有用目標(biāo)，所以在處理時(shí)必須加低副瓣的窗函數(shù)。數(shù)字接收機(jī)必須具有較高的動(dòng)態(tài)范圍，不能使地物雜波飽和而惡化副瓣。由于是移動(dòng)平臺(tái)，所以對(duì)于地物雜波的處理，既不能采用雜波圖的方式，而由于附加平臺(tái)移動(dòng)速度的影響，傳統(tǒng)的高通濾波器性能受到很大的限制，所以雜波處理在信號(hào)處理器上取得很好的處理效果難度極大。為了降低雜波的影響，應(yīng)當(dāng)采用低副瓣天線，同時(shí)對(duì)于天線的掃描范圍在特定的條件下需作一定的控制，以避免強(qiáng)地物的干擾。同時(shí)可以選擇合適的安裝位置和探測(cè)方向，選擇垂直于平臺(tái)前進(jìn)方向影響最小。

6.2　速度補(bǔ)償

由于雷達(dá)系統(tǒng)需要對(duì)云雨目標(biāo)的速度進(jìn)行定量測(cè)量，所以需要對(duì)飛機(jī)移動(dòng)速度進(jìn)行定量補(bǔ)償，而且補(bǔ)償?shù)木群蛯?shí)時(shí)性要求較高，補(bǔ)償?shù)恼`差最終成為回波目標(biāo)的誤差。警戒雷達(dá)的補(bǔ)償只要求將雜波譜拉回到對(duì)消濾波器的阻帶之內(nèi)能夠被對(duì)消即可，不需要確定目標(biāo)速度，但是本雷達(dá)還需要測(cè)量回波的速度。為了提高速度補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)性，可采用在數(shù)字接收機(jī)中頻級(jí)進(jìn)行速度補(bǔ)償，利用慣導(dǎo)信息控制計(jì)算單元實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前相對(duì)雷達(dá)天線波束指向的徑向分量，輸送給中頻處理單元進(jìn)行校正，并同時(shí)將該慣導(dǎo)信息傳送給信號(hào)處理器，便于記錄和回放。由于需要對(duì)目標(biāo)回波進(jìn)行速度計(jì)算，所以在進(jìn)行速度補(bǔ)償時(shí)，必須和信號(hào)處理處理同步進(jìn)行，速度補(bǔ)償不能破壞回波的脈間相干性。由于慣導(dǎo)數(shù)據(jù)和波束指向等存在誤差，所以該速度補(bǔ)償也將存在較大的誤差，要做到Hz級(jí)的校正難度極大。速度補(bǔ)償是雜波跟蹤的第一級(jí)處理，其粗校正多普勒頻移。

6.3　信號(hào)處理流程

來自數(shù)字接收機(jī)的回波數(shù)據(jù)按通道分成兩路，主通道數(shù)據(jù)進(jìn)行雜波跟蹤、地物對(duì)消、功率估計(jì)、速度和譜寬估計(jì)以質(zhì)量控制等，而通道2數(shù)據(jù)則進(jìn)行雜波跟蹤、IQ的功率估計(jì)以及質(zhì)量控制等。兩個(gè)通道的功率估計(jì)用于計(jì)算LDR。需要注意的是求解LDR的數(shù)據(jù)必須使用雜波抑制前的功率值，否則雜波抑制會(huì)破壞LDR估值的正確性。而強(qiáng)度Z的計(jì)算，則必須通過CCOR的進(jìn)行校正求得。

圖1　信號(hào)處理流程圖

7.結(jié)語

測(cè)云雷達(dá)自上世紀(jì)五十年代應(yīng)用于研究云和降水以來，長期受制于硬件問題的困擾，隨著固態(tài)毫米波組件以及大功率速調(diào)管技術(shù)的成熟，帶動(dòng)了W波段相參雷達(dá)的可喜的進(jìn)展。同時(shí)，日本、美國等發(fā)達(dá)國家業(yè)已研制了Ka波段和W波段毫米波雷達(dá)。在對(duì)云目標(biāo)發(fā)展過程的探測(cè)試驗(yàn)中，機(jī)載測(cè)云雷達(dá)擴(kuò)大了雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性和探測(cè)范圍。在毫米波衰減研究、毫米波雷達(dá)探測(cè)云高和云邊界、雙波長毫米波雷達(dá)在探測(cè)云水和固態(tài)水含量反演、雙線偏振毫米波雷達(dá)在云分類研究等方面都取得了明顯的進(jìn)展。作為系統(tǒng)的核心部分，機(jī)載測(cè)云雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的算法和處理性能仍需進(jìn)一步的探索和升級(jí)。

[1][美]George W.Stimson,吳漢平等譯.機(jī)載雷達(dá)導(dǎo)論[M].電子工業(yè)出版社,2005.01.

[2]吳順君.雷達(dá)信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社,2008.03.