基于精細(xì)化探測(cè)需求的天氣雷達(dá)性能提升方案設(shè)計(jì)

文/王軍　余小強(qiáng)

天氣雷達(dá)在災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)、預(yù)警方面，發(fā)揮著不可替代的作用。目前我國(guó)已建成一定規(guī)模的天氣雷達(dá)網(wǎng)，組網(wǎng)雷達(dá)主要包括S波段雷達(dá)和C波段雷達(dá)。近年來 X波段雷達(dá)投入使用的數(shù)量也逐步提升，以進(jìn)行本場(chǎng)飛行保障、補(bǔ)盲和應(yīng)急支援等工作。天氣雷達(dá)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(yè)務(wù)單元保障體系建設(shè)要求的提高和完善，在精細(xì)化探測(cè)方面，雷達(dá)已經(jīng)不能夠完全滿足現(xiàn)代天氣雷達(dá)探測(cè)需求，急需在現(xiàn)有雷達(dá)的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的性能優(yōu)化提升工作。

1　需求分析

隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展和電子器件水平的提升，為了更好地突出系統(tǒng)精細(xì)化探測(cè)，并進(jìn)一步提高雷達(dá)可靠性、維修性和保障性，對(duì)天雷達(dá)進(jìn)行性能提升工作勢(shì)在必行。提升工作突出“三化”性能，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)前端的“通用化”、“系列化”、“組合化”和后端的“數(shù)字化”、“集成化”、“軟件化”。前端“三化”設(shè)計(jì)在規(guī)模上高度集成，物理接口、傳輸格式趨于統(tǒng)一；后端“三化”采用基于通用平臺(tái)實(shí)現(xiàn)軟件化數(shù)字處理，進(jìn)行精細(xì)化、智能化探測(cè)，更好的滿足氣象保障需求。根據(jù)多年來天氣雷達(dá)實(shí)際使用情況及氣象保障的進(jìn)一步需求，對(duì)天氣雷達(dá)可提升之處進(jìn)行梳理、總結(jié)，主要有以下幾點(diǎn)：

（1）探測(cè)精細(xì)化、智能化處理能力不足，需進(jìn)一步提升雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量；

（2）隨著微波技術(shù)的發(fā)展，相位穩(wěn)定度可進(jìn)一步提升，以提高多普勒速度探測(cè)及地物抑制效果；

（3）隨著電子器件更新?lián)Q代，選擇性能更優(yōu)的元器件，提升接收機(jī)回波處理性能；

（4）針對(duì)現(xiàn)有氣象保障需求，需進(jìn)一步提升裝備任務(wù)可靠性。

2　總體思路和目標(biāo)

圖1：信號(hào)處理軟件化功能組成模塊

天氣雷達(dá)性能提升可利用現(xiàn)有成熟技術(shù)，在不降低原雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)要求的前提下，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)，具體思路和目標(biāo)如下：

（1）采用更先進(jìn)的頻率鎖相合成技術(shù)，對(duì)頻率源進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)，提高系統(tǒng)相位穩(wěn)定度，提升多普勒速度探測(cè)及地物抑制效果。

（2）選用性能參數(shù)更優(yōu)的低噪聲放大器，對(duì)接收通道進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)，提高接收靈敏度，提升回波處理能力。

（3）大動(dòng)態(tài)、雙通道數(shù)字中頻接收機(jī)，提高采樣頻率和IQ數(shù)據(jù)率，探測(cè)更精細(xì)。

（4）采用FPGA（大規(guī)?？删幊踢壿嬮T陣列）集成電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)伺服控制，替代原嵌入式計(jì)算機(jī)形式的伺服控制板，提升伺服控制精度，環(huán)境適應(yīng)性更好。

（5）基于通用服務(wù)器平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理全軟件化，可融合更多、更復(fù)雜的功能和信號(hào)處理算法，提高雷達(dá)精細(xì)化處理能力，改善雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

（6）基于軟件化信號(hào)處理提供的精細(xì)化估值參數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品算法，提高數(shù)據(jù)產(chǎn)品的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

（7）信號(hào)處理服務(wù)器采用雙套冗余熱備份設(shè)計(jì)，接收通道及數(shù)字接收機(jī)采用雙通道冗余設(shè)計(jì)，大幅提升系統(tǒng)任務(wù)可靠性。

3　改進(jìn)方案

3.1　接收系統(tǒng)

早前雷達(dá)接收機(jī)大多采用兩次變頻超外差體制，當(dāng)時(shí)采用的低噪聲放大器芯片、鎖相環(huán)芯片和晶振等型號(hào)較老，目前同等器件相關(guān)指標(biāo)已明顯提升。另外從雷達(dá)實(shí)際運(yùn)行情況來看，接收機(jī)長(zhǎng)期工作后指標(biāo)臨界，一致性差異較大。

現(xiàn)在可采用新的電路設(shè)計(jì)，選用性能更優(yōu)的器件，對(duì)接收機(jī)頻率源、接收通道及數(shù)字中頻接收機(jī)進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)，重點(diǎn)提升系統(tǒng)相位穩(wěn)定度、噪聲系數(shù)及IQ數(shù)據(jù)率等性能指標(biāo)。另外，接收通道、數(shù)字中頻接收機(jī)改進(jìn)升級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)采用雙通道冗余設(shè)計(jì)，提升雷達(dá)任務(wù)可靠性。

頻率源內(nèi)部設(shè)計(jì)倍頻振蕩器和頻率綜合器，一本振采用先進(jìn)的直接頻率合成方式產(chǎn)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(tǒng)相位穩(wěn)定度，有利于改善速度探測(cè)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(hào)較老，目前同等器件相關(guān)指標(biāo)已明顯提升,升級(jí)改進(jìn)時(shí)，采用更優(yōu)的芯片，并優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，提升接收機(jī)噪聲系數(shù)和靈敏度指標(biāo)；并采用雙通道冗余設(shè)計(jì)，提升任務(wù)可靠性。

數(shù)字中頻接收機(jī)采用通用的雙通道、大動(dòng)態(tài)硬件模塊，并采用性能更優(yōu)的AD器件，將采樣頻率由原來的18M提升至80M，IQ輸出數(shù)據(jù)率由1M提升至4M，有利于回波精細(xì)化處理。

改進(jìn)后的接收系統(tǒng)在噪聲系數(shù)、相位穩(wěn)定度和靈敏度等技術(shù)指標(biāo)上均得到改善，并可減少一致性差異，提高設(shè)備的批產(chǎn)適應(yīng)性。另外，雙通道冗余設(shè)計(jì)將大大提升接收系統(tǒng)的任務(wù)可靠性，當(dāng)其中一路通道發(fā)生故障時(shí)，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(jìn)行工作。

3.2　伺服系統(tǒng)

目前伺服系統(tǒng)仍有采用嵌入式計(jì)算機(jī)形式的伺服控制板，啟動(dòng)有一定延時(shí)，體積大，通用性不高，控制精度和環(huán)境適應(yīng)性有進(jìn)一步提升空間?，F(xiàn)可將伺服控制主控單元由嵌入式計(jì)算機(jī)模塊（PC104）改為FPGA芯片，使用性能更優(yōu)的AD器件獲取角度信息，數(shù)據(jù)容錯(cuò)率更好。FPGA芯片與PC104模塊相比具有體積小、功耗低、易擴(kuò)展、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)后的伺服系統(tǒng)將有效提升系統(tǒng)啟動(dòng)速度、控制精度以及環(huán)境適應(yīng)性。

3.3　信號(hào)處理系統(tǒng)

當(dāng)前的信號(hào)處理系統(tǒng)絕大部分基于DSP芯片硬件平臺(tái)開發(fā)，由于芯片的運(yùn)算、處理能力的限制，很難進(jìn)行功能的擴(kuò)展，回波處理能力有限，無法實(shí)現(xiàn)精細(xì)化探測(cè)。另外，隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，芯片廠商將逐漸停止早期芯片的供應(yīng)，給雷達(dá)裝備的生產(chǎn)帶來一定程度影響。

在性能提升工作中，信號(hào)處理系統(tǒng)是整個(gè)工作的重點(diǎn)。信號(hào)處理系統(tǒng)采用軟件化設(shè)計(jì)思想，以高性能通用服務(wù)器為硬件處理平臺(tái)，硬件上按雙套冗余熱備份配置，軟件上采用并行多線程設(shè)計(jì)方式，對(duì)數(shù)字接收機(jī)送來的IQ信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)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(fù)雜的信號(hào)處理功能和算法，實(shí)現(xiàn)氣象要素精細(xì)化、智能化處理，具有設(shè)計(jì)、調(diào)試、維護(hù)、部署方便等特點(diǎn)，具有良好的拓展性，有利于雷達(dá)裝備后端處理架構(gòu)統(tǒng)一性設(shè)計(jì)。

信號(hào)處理軟件模塊設(shè)計(jì)靈活，各模塊之間相互獨(dú)立，模塊接口清晰，便于軟件的調(diào)試和維護(hù)，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(fù)雜的信號(hào)處理功能和算法，涵蓋數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)處理任務(wù)管理、地物濾波、氣象要素估計(jì)模塊、晴空雜波圖處理模塊、陣地優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)輸入輸出模塊、質(zhì)量控制模塊等；每一個(gè)處理過程的處理結(jié)果，都可以以視頻信號(hào)的形式發(fā)送到顯示界面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且數(shù)據(jù)流全程可存儲(chǔ)，方便檢查軟件配置是否正確、雷達(dá)接收或處理通道是否正常，為用戶提供更直觀便利的檢測(cè)手段；同時(shí)，每一個(gè)功能模塊均提供精細(xì)化參數(shù)設(shè)置接口，根據(jù)實(shí)際陣地情況可配置多項(xiàng)優(yōu)化參數(shù)，實(shí)現(xiàn)良好的陣地優(yōu)化探測(cè)效果。

3.4　終端系統(tǒng)

針對(duì)軟件化信號(hào)處理提供的精細(xì)化參數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)產(chǎn)品算法，提升數(shù)據(jù)產(chǎn)品的準(zhǔn)確性和適用性。對(duì)數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行優(yōu)化和完善，提高顯示精度，改善回波探測(cè)分辨率，進(jìn)一步貼合氣象保障實(shí)際業(yè)務(wù)工作需求。

4　結(jié)束語

天氣雷達(dá)性能提升工作將逐步開展，也是下一階段雷達(dá)裝備質(zhì)量工作的重點(diǎn)。性能提升方案中提到的信號(hào)處理軟件化設(shè)計(jì)，也是后期新設(shè)計(jì)雷達(dá)的主要體制，因?yàn)檐浖K開放的大量參數(shù)，可根據(jù)雷達(dá)陣地的具體環(huán)境，實(shí)現(xiàn)柔性的、自適應(yīng)的、精細(xì)的信號(hào)和數(shù)據(jù)處理，改善雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量。