LFM 脈壓技術在天氣雷達信號處理中的運用體現(xiàn)

南通市氣象局 吳嘉偉 劉愛兵 姜淑楊 繆明榕 鮑磊磊

傳統(tǒng)意義上的天氣雷達信號處理技術在提高脈沖發(fā)射功率和降低脈沖時寬的基礎上實現(xiàn)。從實踐應用角度來看，雖然雷達方程可以提高1 倍的探測距離，提高16倍的發(fā)射功率，但整體設備體積會增加，不僅不利于提升機動性，而且會造成更為嚴重的雷達輻射傷害。在峰值功率受到限制的條件下，可以在增加脈沖寬度的基礎上，來提升系統(tǒng)運行的平均功率，以此優(yōu)化系統(tǒng)的探測水平和處理距離。由于寬脈沖會降低系統(tǒng)的距離分辨能力，因此為了有效解決雷達這一技術矛盾，科研學者在實踐研究中提出運用脈沖壓縮技術。下文主要研究LFM脈壓技術在天氣雷達信號處理中的運用體現(xiàn)，以此為我國現(xiàn)代氣象觀測工作提供有效依據(jù)。

由于在城市建設發(fā)展中天氣雷達信號處理在氣象觀測工作中發(fā)揮重要作用，在現(xiàn)代科技技術的不斷發(fā)展下，科研學者在實踐中提出運用LFM 脈壓技術。從本質(zhì)上講，脈沖壓縮技術會在調(diào)制雷達發(fā)射寬脈沖信號之后，通過接收端科學處理相應信號，最終得到所需窄脈沖。從實踐應用角度來看，LFM 脈壓技術作為當前科研探討關注的焦點，主要是用來解決雷達發(fā)射范圍和分辨率等問題，確保其可以在規(guī)定范圍中提升距離分辨率，因此其在天氣雷達信號處理中擁有廣闊的發(fā)展空間。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 氣象雷達

氣象雷達是指在明確觀測目標后進行無線電定位和測量的具體工具，由于氣象雷達是我國大氣監(jiān)測工作的主要手段，會在規(guī)定作用范圍內(nèi)的水汽凝結物或其他不均勻介質(zhì)進行坐標定位和信號測量，因此在突發(fā)性和災害性的監(jiān)測預報等工作中占據(jù)重要作用。現(xiàn)如今全球總共有1000 多個氣象雷達站，不僅分布在世界各地，還在各國氣象觀測工作中發(fā)揮了積極作用。

從整體發(fā)展角度來看，我國氣象雷達技術已經(jīng)經(jīng)歷了3 個階段：首先是指模擬天氣雷達，主要應用在20 世紀60 年代后期到80 年代初期。我國在技術研發(fā)中提出了51 部各類型號的雷達，并構成了較為規(guī)范的氣象觀測網(wǎng)絡，主要用于參與人工影響天氣、沿海臺風防范、局部災難性天氣預警等工作。雖然在多個領域都展現(xiàn)出了積極作用，但和發(fā)達國家相比，整體技術水平并不高；其次是指數(shù)字天氣雷達，主要是運用計算機技術處理雷達回波強度信息，由此得到各種準定量的監(jiān)測分析和預警產(chǎn)品，這樣不僅能提升實踐工作的信息處理效率，還可以強化雷達監(jiān)測預警能力。在20 世紀90 年代初期，我國已經(jīng)利用數(shù)字天氣雷達構成了58 部S 波段和C 波段的基本探測站網(wǎng)絡，既可以做好區(qū)域聯(lián)防工作，又能為雷達預警技術研發(fā)提供有效依據(jù)；最后是指新一代多普勒天氣雷達。在進入21 世紀后，隨著國際氣象雷達技術的穩(wěn)步提升，我國學者在實證分析中提出了新一代多普勒天氣雷達的設計思路，并明確了相應的處理功能和技術規(guī)格。從本質(zhì)上講，多普勒天氣雷達會運用全相參技術體制，不僅能監(jiān)測云和降水回波強度，還可以獲取大氣風場和湍流信息。現(xiàn)如今，我國在研究多普勒天氣雷達中取得了優(yōu)異成績，和發(fā)達國家相比，整體技術差距可以縮短在10 年以內(nèi)。需要注意的是，雖然我國氣象雷達的現(xiàn)代化建設已經(jīng)取得了優(yōu)異成績，但整體效益有待提升，與發(fā)達國家相比依舊存在較大差距。

1.2 雷達脈沖壓縮技術

為了達到脈沖壓縮的技術效果，一方面要利用編碼的形式發(fā)射寬脈沖；另一方面要在接收機中引用匹配濾波器，而這種處理機制就是脈沖壓縮雷達。從實踐應用角度來看，脈沖壓縮雷達的最大優(yōu)勢在于能提高自身的距離分辨水平和作用距離。在技術發(fā)展初期，脈沖雷達會發(fā)射固定的載頻脈沖，實際距離分辨率和發(fā)射脈沖寬度之間呈反比例關系，因此若是增加發(fā)射脈沖寬度，會導致距離分辨力下降。為了解決這一技術矛盾，科研學者在20 世紀40 年代提出了匹配濾波理論，在50 年代初期提出了雷達模糊理論，由此研究證明，雷達的距離分辨力和發(fā)射脈沖寬度之間并沒有關系。從本質(zhì)來看，只有完成發(fā)射寬脈沖的編碼調(diào)制工作，增強其所擁有的頻帶寬度，并做好目標回波的匹配處理，才能得到分辨力更強的窄脈沖輸出。結合這一原理分析可知，在發(fā)射脈沖寬度和帶寬都具備極大信號的情況下，雷達可以同時強化自身的距離分辨力和作用距離。

在現(xiàn)代技術革新發(fā)展中，脈沖壓縮技術在雷達系統(tǒng)中的應用越發(fā)成熟，各國學者在實證分析中提出了多項研究成果。比如說，F(xiàn)etter 等人在研究中提出，將7 位巴克二相編碼發(fā)射脈沖和一個匹配濾波器應用在MeGill大學的FPS-18 相干雷達上。這一試驗結果證明，脈壓技術是可以應用在氣象雷達領域中的。又比如說，Katsuhito Nakagawa 等人在研究中提出，將升余弦調(diào)制信號看作是C 波段氣象雷達信號的脈沖壓縮波形，能有效抑制虛假回波和距離副瓣。同時，在實證分析中提出，搭配使用單脈沖和長脈沖，能有效處理脈壓長脈沖的測距盲區(qū)[1]。根據(jù)近幾年的實驗結果顯示，在氣象天氣雷達信號處理工作中應用脈沖壓縮技術，其目的在于抑制副瓣和處理回波脈壓。

2 LFM 脈壓技術分析

為了進一步提升脈沖雷達發(fā)射信號的范圍，科研學者在實證探究中提出要注重優(yōu)化發(fā)射機的峰值功率，逐步擴大發(fā)射脈沖的寬度。根據(jù)近年來LFM 脈壓技術的應用情況分析可知，實際發(fā)射功率的峰值變化會受傳輸通道、放大器、電源等器件所影響，直接增加發(fā)射脈沖信號的寬度，會導致發(fā)射信號的帶寬下降?，F(xiàn)如今，有學者提出為了提高具備相同時寬的發(fā)射脈沖的帶寬，要利用線性調(diào)頻的方式處理脈沖內(nèi)部的載波，并在接受端口利用脈沖壓縮處理回波信號。

2.1 原理分析

雷達會在發(fā)射脈沖信號后，測量分析目標回波信號和發(fā)射脈沖之間的時間延遲情況，以此判斷目標距離。從技術原理來看，雷達的距離分辨能力與回波脈沖寬度具有緊密聯(lián)系[2]。從本質(zhì)來看隨著脈沖寬度的逐步上升，雷達距離分辨能力會越來越強；但若是雷達發(fā)射脈沖越來越窄，那么發(fā)射的平均功率會越來越低，直接限制雷達的作用距離?，F(xiàn)如今很多雷達都會利用大時寬和大帶寬來解決分辨能力和作用距離之間的矛盾，前者可以提升雷達發(fā)射的平均功率，而后者可以在接收信號時，將脈沖壓縮轉(zhuǎn)變成窄脈沖，以此提高雷達的距離分辨水平。線性調(diào)頻脈沖壓縮的原理圖如圖1 所示。

圖1 脈沖壓縮的技術原理圖Fig.1 Technical schematic diagram of pulse compression

而目前常見的脈沖壓縮低濾波器如圖2 所示。

圖2 脈沖壓縮濾波器Fig.2 Pulse compression filter

結合圖2 分析可知，雷達距離分辨能力會受發(fā)射信號的帶寬所影響，實際脈沖越窄，相應的帶寬越大，分辨能力越高。如圖3 所示代表脈沖壓縮濾波器輸入信號的包絡和頻譜。

結合圖3 分析可知，在輸入信號的包絡曲線圖中，時寬的計算公式如式（1）所示：

圖3 脈沖壓縮濾波器的輸入信號Fig.3 Input signal of pulse compression filter

在輸入信號的頻譜曲線圖中，由于其中具備真正的斜率，所以相應帶寬的計算公式如式（2）所示：

由于脈沖壓縮濾波器具有延遲頻率的特征，所以信號在經(jīng)過脈沖壓縮濾波器之后，脈沖脈寬被壓縮的倍數(shù)，被看作是脈沖壓縮比，具體計算公式如式（3）所示：

在公式（3）中，tp代表輸入大時寬信號的時寬，τ代表輸出窄脈沖的脈寬。

現(xiàn)如今，線性調(diào)頻信號是脈沖雷達中最常見的脈沖壓縮信號，不僅應用技術較為成熟，整體原理非常簡單，而且可以同時覆蓋較寬的多普勒范圍，實際目標檢測效果較好[3]。需要注意的是線性脈沖也存在一定的技術問題，比如說，整體技術線路較為復雜，在實時性要求較高的條件下，傳統(tǒng)硬件實現(xiàn)部分較大。同時，線性脈壓的旁瓣相比之下更大，為了將其電平下降到規(guī)定范圍內(nèi)，要加權處理脈壓信號。在這一狀態(tài)下，脈壓信號在時域和頻率加權的效果具有一致性，都可以將信噪比下降1～3dB 之間，具體的調(diào)頻信號實現(xiàn)公式如式（4）所示：

上述公式符合如式（5）所示的條件：

結合上述公式分析可知，線性調(diào)頻信號分為兩路信號，一方面是指同相信號（t）；另一方面是指正交信號（Q）。

2.2 技術優(yōu)勢

在現(xiàn)代技術革新發(fā)展中，我國氣象預報和災難預警氣象的技術要求越來越高，有關雷達目標回波的精確度也會隨之提升。為了保障氣象雷達的探測能力和距離，分辨力得到提升，科研學者在整合以往實證研究經(jīng)驗的基礎上，提出了脈沖壓縮技術。從整體應用角度來看，脈沖壓縮技術在處理信號的過程中，不會降低實際發(fā)射信號的靈敏度，且能逐步提升雷達發(fā)射距離的分辨率[4]。與此同時，脈沖壓縮技術具備的雷達體制，有助于降低重復頻率，提高實際輸出功率，以此減少雷達的距離模糊度。另外，因為脈沖壓縮技術支持減少發(fā)射機的峰值功率，所以在氣象領域中應用，可以優(yōu)先選擇固態(tài)型，這樣不僅能減少系統(tǒng)設計成本，還可以增強系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性。需要注意的是，在天氣雷達信號處理工作中，距離副瓣作為應用脈沖壓縮技術的核心內(nèi)容，為了在實踐操作時可以精確計算目標的速度、功率等參數(shù)，要結合抑制技術進行處理，以此保障距離副瓣可以達到最小值[5]。

3 在天氣雷達信號處理中運用脈壓技術

3.1 線性調(diào)頻技術

線性調(diào)頻信號（LFM）作為一種比較典型的脈沖壓縮信號是科研學者研究脈沖壓縮技術最為廣泛的內(nèi)容。從實踐應用角度來看，由于氣象監(jiān)測環(huán)境具有多變性和復雜性，因此選用雷達信號處理技術，必須要符合不同情況下的基本要求。結合近年來LFM 應用情況來看，內(nèi)部匹配濾波器并不會對多普勒頻移產(chǎn)生敏感，不管多譜勒頻移如何變化，匹配濾波器都會充分發(fā)揮自身的壓縮作用。載調(diào)制時間寬度的過程中，LFM 會結合線性發(fā)展規(guī)律進行研究處理。如果雷達脈沖功率受到限制，那么在實踐應用中要關注發(fā)射機的功率和矩形脈沖包絡[6]。另外，在信號經(jīng)過壓縮濾波器的處理之后，所獲取的脈沖會擁有函數(shù)包絡，其中第一旁瓣的高度可以達到－13.2dB，而其他旁瓣會按照固定零點間隔持續(xù)下降。

這種技術并不需要為隨機編碼序列，信號占用的寬度超過信息帶寬，在氣象雷達信號處理工作中運用，能進一步提高系統(tǒng)處理增益。整合時間累積經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，LFM 既能在接收端和發(fā)射端單獨進行加權處理，又可以同時進行。在20 世紀60 年代初期，M.R.Wiorkler 將CSS 技術運用到通信領域中，不僅展現(xiàn)出了較強的抗干擾能力，還可以減少移動通信帶來的衰落影響。這項技術也被稱作是Chirp 擴展頻譜技術。在進入21 世紀之后，將CSS 技術運用到擴頻通信研究領域中，可以保障應用技術，具有抗干擾和抗噪聲的獨特優(yōu)勢?，F(xiàn)如今，在雷達定位技術中運用CSS 技術，可以在增加通信距離和發(fā)射功率等基礎上，保障信號頻譜的寬度符合行業(yè)需求，且不會影響雷達的分辨率。

3.2 非線性調(diào)頻技術

非線性調(diào)頻脈沖信號（NLFM）屬于調(diào)制技術的一種實現(xiàn)方式，和線性調(diào)頻技術正好相對應。從實踐應用角度來看，非線性調(diào)制和線性調(diào)制兩者的區(qū)別在于，前者會改變信號的原本頻譜結構，會占據(jù)較寬的帶寬；而后者并不會改變信號的原有頻譜結構。從實踐應用角度來看，非線性調(diào)制在占據(jù)較寬的帶寬時，所占據(jù)的帶寬會受調(diào)制系數(shù)所影響，因此，這項信號技術具有極強的抗干擾能力?？蒲袑W者在實踐探究中提出，計算分析NLFM 的調(diào)制函數(shù)發(fā)現(xiàn)，其具有對稱性，相應的模糊圖并不是傾斜刀刃型的，更加接近于圖釘型。由此可見，NLFM 技術具有較高的測速分辨率和測距，雖然沒有精確計算多值性，頻譜具備矩形包絡，但依舊可以提高發(fā)射機功率[7]。通常來講，NLFM 技術主要是利用匹配濾波器壓縮得到的波形，輸出較低的距離副瓣。和憲性調(diào)頻技術的加權處理結果相比，能減少損失1～2dB 之間的信噪比。在NLFM 技術中科學處理匹配濾波，就是指在線性調(diào)頻信號加權之后，獲取壓縮脈沖的最終結果，以此增強副瓣抑制效果。在現(xiàn)代技術革新發(fā)展中，科研學者提出了DDS 技術和VLSI 技術，促使NLFM 得到了廣泛運用。另外，NLFM 的旁瓣抑制幅度并沒有LFM大，但旁瓣抑制之后的主副瓣要比LFM 抑制后的更大，并且NLFM 旁瓣抑制后的主瓣寬度展寬幅度會隨之上升。在使用相同帶寬、脈寬、窗函數(shù)的條件下，對比分析NLFM 和LFM 可知，前者的技術優(yōu)勢在于，在不加權的情況下，就可以獲取較好的副瓣抑制性能，而旁瓣要比后者更低。需要注意的是，NLFM 技術對多普勒平移非常敏感。而在海上低速目標NLFM 可以看作是關鍵的雷達發(fā)射信號。

3.3 相位編碼技術

相位編碼型號作為目前最常見的脈沖壓縮型號，在天氣雷達信號處理中應用具有廣泛范圍，其中最具代表性的就是風廓線雷達。整體設計會選用二相編碼型號，其中包含互補碼、L 序列編碼、巴克碼等內(nèi)容。現(xiàn)如今，科研學者在涉及雷達系統(tǒng)時，主要運用二相碼。雖然巴克碼的應用范圍比較大，但因為這種形式的長度有限，所以要通過加權處理，從22.3dB 提高到33.4dB。二相碼的特征在于容易實現(xiàn)，實際抗干擾水平更高，可以在保障自身信號安全性的基礎上，滿足低截獲率的應用需求。

從本質(zhì)上講，匹配濾波器能讓濾波器輸出端口的信號瞬時功率和噪聲平均功率的比值達到最大。在某一時刻下，如果濾波器輸出信噪比達到最大數(shù)值，那么就可以獲取最佳線性濾波器，也被稱作是匹配濾波器。在信號處理中匹配濾波器主要用來解調(diào)脈沖信號。為了保障調(diào)制結果為最大，匹配濾波器要明確傳輸信號和信號同步，由此科學調(diào)制出傳送的信號。

4 案例分析

為了進一步解決新時代下天氣雷達信號處理算法升級和雙線偏振升級等問題，各國科研學者在實踐探究中提出的標準化信號處理系統(tǒng)。從實踐工作角度來看，新一代天氣雷達標準化信號處理器，需要按照處理的不同對象進行劃分，將各類處理功能安裝到系統(tǒng)平臺中，交給信號處理器和計算機軟件分別處理。這種設計結構可以讓功能應用變得更加靈活，而引入的信號處理算法程序，可以快速將天氣雷達信號處理研究成果轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w應用。同時，系統(tǒng)設計還運用了信號處理器，與標準化信號處理器相對比，具體結果如表1 所示。

表1 處理器的性能對比結果Tab.1 Performance comparison results of processors

一方面，軟件設計。對比國外天氣雷達信號處理累積經(jīng)驗顯示，我國在運用LFM 脈壓技術處理天氣雷達信號時，要結合目標物徑向速度和多普勒頻率結果，根據(jù)近年來實證研究獲取的理論知識和技術經(jīng)驗，選用接近軟件無線電的接收系統(tǒng)，由此規(guī)范設計軟件架構。

另一方面，信號處理器。由于信號處理器會利用天線獲取各頻段的廣播電視信號，在經(jīng)過科學處理后，轉(zhuǎn)變成有線電視系統(tǒng)指定的頻道，所以可以將其看作是功能完善、結構復雜、指標較高的頻道變換器。在天氣雷達信號處理中運用，能進一步提高信號應用質(zhì)量。在本文研究的雷達系統(tǒng)中，所選用的處理器具有良好的一致性和較高的隔離度，能充分滿足天氣雷達雙線偏振技術的升級需求。同時，全新標準化信號處理器具備快速實時的處理能力，在監(jiān)測分析氣象雷達信號時，可以同步完成多渠道的氣象回波運算處理。另外，這種標準化信號處理器還包含不同類型的標準電平接口，能將時序信號提供給雷達，以此管控雷達同步運行。

5 趨勢分析

雖然在電子計算機技術革新發(fā)展中，人們加快了科技成果的轉(zhuǎn)化速度，但受技術理論、行業(yè)經(jīng)費等因素所影響，各國氣象部門選用新一代天氣雷達參與業(yè)務的概率極低。因此在今后幾十年的發(fā)展中，氣象雷達技術主要向著以下幾方面前進：一方面，多普勒天氣雷達將成為天氣雷達信號處理工作發(fā)展的主要方向，各國學者要在加強技術理念研究力度的同時，逐步擴展實踐工作的探測功能?，F(xiàn)如今，多普勒天氣雷達主要用于監(jiān)測預報工作，因此如何獲取晴空風場信息，將會是多普勒天氣雷達功能拓展的下個目標；另一方面，氣象雷達脈沖壓縮技術將得到進一步拓展，不僅可以擴大技術探測分析的距離，還能進一步加強距離的分辨率。同時，脈沖壓縮之后的雷達還能提供充足的時間分辨率，對所在地區(qū)的降水模式進行三維快速掃描，由此全方位追蹤時間變化。與單脈沖雷達相比，脈沖壓縮雷達為了得到更加精準的距離測量結果，會在減少脈沖停留時間的基礎上，儲存更多獨立樣本，這樣有助于加快我國氣象雷達技術研究發(fā)展速度。

6 結語

綜上所述，在天氣雷達信號處理工作中應用LFM 技術，一方面可以提升探測技術的靈敏性；另一方面能在改變回波探測能力的基礎上，不會影響雷達距離分辨力，對增強氣象目標觀測的結構清晰度具有積極影響。同時，在脈沖壓縮技術的影響下，雷達發(fā)射器可以選擇低發(fā)射功率器件，這樣不僅能降低技術設備的研發(fā)成本，還可以減少整體設備的運行體系。由此可見，我國要在整合以往天氣雷達信號研究成果的基礎上，繼續(xù)探討相關技術理論的應用方向，以此為我國現(xiàn)代氣象監(jiān)測工作提供有效依據(jù)。

引用

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