四創(chuàng)電子股份有限公司 吳曉燕

氣象雷達(dá)在業(yè)務(wù)應(yīng)用上越來越多的使用固態(tài)發(fā)射機(jī)，發(fā)射寬脈沖達(dá)到一定的探測距離，通過脈沖壓縮技術(shù)對回波壓縮處理來獲得較好的距離分辨率，通過不同寬窄的脈沖組合發(fā)射波形解決寬脈沖產(chǎn)生的近距離盲區(qū)問題。本文探討了一種三脈沖拼接技術(shù)在某型號全固態(tài)雙偏振天氣雷達(dá)中的應(yīng)用。主要介紹了三脈沖補(bǔ)盲的具體實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)拼接計算方法，結(jié)合全固態(tài)天氣雷達(dá)實(shí)際回波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明三脈沖拼接技術(shù)有效解決了寬脈沖近距離盲區(qū)問題。

本文主要介紹了應(yīng)用于四創(chuàng)電子股份有限公司的一部全固態(tài)雙偏振天氣雷達(dá)使用的頻率分集三脈沖拼接技術(shù)，能夠解決探測量程與探測盲區(qū)的矛盾。采用并行多進(jìn)程分布式設(shè)計方式，完成信號處理功能的實(shí)時處理，開放陣地優(yōu)化配置參數(shù)，可根據(jù)實(shí)際陣地配置處理參數(shù)，使得算法更加優(yōu)化，得到更好的氣象回波。

1 傳統(tǒng)組合脈沖組合方法

傳統(tǒng)補(bǔ)盲方法主要采用組合發(fā)射脈沖模式，先發(fā)射窄脈沖，然后發(fā)射寬脈沖，窄脈沖對寬脈沖產(chǎn)生的近距離盲區(qū)進(jìn)行補(bǔ)盲。然而這種組合發(fā)射短脈沖的探測能力差，會導(dǎo)致近區(qū)一些弱回波探測不到。如圖1所示，紅線圈住的地方短脈沖弱回波探測不到，與長脈沖連接處出現(xiàn)空缺，補(bǔ)盲效果差。

圖1 傳統(tǒng)長短脈沖拼接反射率圖

2 頻率分集三脈沖拼接

采用頻率分集三脈沖拼接的方式處理回波，實(shí)現(xiàn)中脈沖對長脈沖的盲區(qū)進(jìn)行補(bǔ)盲，短脈沖對中脈沖的盲區(qū)進(jìn)行補(bǔ)盲，這樣就可以達(dá)到即能夠擁有大的探測距離量程，又能使得近距離的探測盲區(qū)在使用者的接受范圍之內(nèi)。如圖2所示，在導(dǎo)前之后，首先發(fā)射t_1us用于采樣和測試的數(shù)據(jù)，然后發(fā)射長脈沖T_lus，接著是中脈沖T_mus，最后才是短脈沖T_sus，短脈沖發(fā)射結(jié)束后，才開啟接收機(jī)收取回波信號。采樣率為fsMHZ，因此各通道的偏移量如下所述。

圖2 三脈沖時序示意圖

圖3 三脈沖時序零庫位置圖

零庫偏移量：三個脈沖通道的回波數(shù)據(jù)所在的零庫位置是不一致的，每個脈沖通道其回波零庫所在的位置在該通道的發(fā)射脈沖前沿，因此在做各通道的數(shù)據(jù)截取時需要每個通道單獨(dú)對齊該通道的零庫位置，如長中短脈沖需要分別偏移如圖3中Bin_l，Bin_m，Bin_s個距離單元才能找到真正的零庫。其中距離庫數(shù)如下式求得：

脈壓偏移量：脈沖壓縮會帶來壓縮后的脈尖（主瓣)偏離信號的前沿（脈尖在信號的后沿)，假設(shè)脈沖寬度為N點(diǎn)，那么脈壓后信號的點(diǎn)數(shù)為2*N-1點(diǎn)，由于零庫對齊的位置在脈沖前沿，因此需要偏移N-1點(diǎn)使得脈尖指向脈沖信號的前沿，為了便于說明，將中脈沖，長脈沖通道關(guān)于脈沖壓縮的偏移量定義為N1，N2。

數(shù)據(jù)選取偏移量：在經(jīng)過零庫偏移后，各通道的零庫位置已經(jīng)對齊，那么接下來需要截取各通道的數(shù)據(jù)。T_sus短脈沖是針對T_mus中脈沖的補(bǔ)盲，T_mus的中脈沖通道，從其脈沖前沿至接收觸發(fā)時刻，至少有(T_m+T_s)us的盲區(qū)，再加上門套等因素，需要加上部分冗余(ΔTus)，設(shè)定T_sus對T_mus的補(bǔ)盲區(qū)域?yàn)門bm=(T_m+T_s+ΔT)us，fs*Tbm個距離單元，即L1=fs*Tbm。T_mus中脈沖是針對T_lus長脈沖的補(bǔ)盲。長脈沖通道盲區(qū)從其脈沖前沿到接收觸發(fā)時刻，至少有(T_m+T_s+T_l)us，再加上門套等因素，冗余ΔT2us，長脈沖通道盲區(qū)至少有Tbl=(T_l+T_m+T_s+ΔT2)us。但由于Tblus中有Tbmus的數(shù)據(jù)通過短脈沖實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)盲（即圖4中拼接后數(shù)據(jù)的藍(lán)色部分)，因此中脈沖通道需要在零庫的Tbmus（L1個距離單元)后截取(Tbl－Tbm)us、L2=fs*(Tbl－Tbm)個距離單元的數(shù)據(jù)，即拼接后的紅色部分。長脈沖通道中的數(shù)據(jù)在零庫后的Tblus、(L1+L2)個距離單元之后開始截取數(shù)據(jù)。如圖4、圖5所示。

圖4 三脈沖數(shù)據(jù)拼接

圖5 三脈沖拼接示意

圖7 體掃仰角6°濾波前水平反射率PPI圖

圖8 體掃仰角14°濾波前水平反射率PPI圖

圖9 圖7-15到20km放大圖

圖10 體掃仰角14°速度PPI圖

綜上所述，如顯示拼接前和拼接后數(shù)據(jù)變化。短脈沖我們?nèi)≈卸堂}沖通道(t_1+T_l+T_m)～(t_1+T_l+T_m+t_short)us，其中t_short=T_m+T_s+T0，T0為接收機(jī)多送的短脈沖，通過配置冗余ΔTus，得到補(bǔ)盲區(qū)域Tbmus，L1個距離單元。

中脈沖選擇中脈沖通道(t_1+T_l+T_m)～(t_1+T_l+T_m+t_mid)us數(shù)據(jù)，其中t_mid=T_l+T_m+T1，多送了(T_m+T1)us，多送T_m是中脈沖脈壓時防止后續(xù)計算數(shù)據(jù)不夠?qū)е旅}壓結(jié)果.最后一個模目所示，導(dǎo)致中脈沖與長脈沖之間脈壓數(shù)據(jù)不夠填零快速下降而不連續(xù)。脈壓計算后通過數(shù)據(jù)偏移和截取選擇使得拼接區(qū)域連續(xù)。多送的T1us中脈沖，通過配置冗余ΔT2us，得到補(bǔ)盲脈壓偏移后的區(qū)域t2=T_l+ΔT2－ΔT=Tbl－Tbmus，L2個距離單元。

長脈沖選擇長脈沖通道(T_1+T_l+T_m)～下一個導(dǎo)前數(shù)據(jù)，得到脈壓偏移后的區(qū)域t3=t_long－ΔT2－T_lus，L3=fs*t3個距離單元。

3 工程實(shí)現(xiàn)

四創(chuàng)電子股份有限公司某型號全固態(tài)雙偏振天氣雷達(dá)信號處理系統(tǒng)主要采用基于通用服務(wù)器的軟件化平臺，三脈沖拼接和脈沖壓縮算法實(shí)現(xiàn)主要是基于Qt和英特爾R集成性能Intel IPP(Integrated Performance Primitives)庫開發(fā)，選用多線程并行處理的軟件架構(gòu)進(jìn)行程序設(shè)計。軟件化平臺可以通過配置不同脈沖寬度拼接長度調(diào)整參數(shù)，使得回波拼接效果更好。圖6為2020年05月01日17分使用(1+20+50)us三脈沖體掃探測經(jīng)信號處理器處理后保存回波基數(shù)據(jù)，Matlab根據(jù)基數(shù)據(jù)繪制的仰角6°左右濾波前水平反射率PPI圖。圖7和圖9這兩張圖中三脈沖拼接出過渡較為連續(xù)，補(bǔ)盲效果較好。圖8為圖7-15到20km放大圖，從圖中可以看到拼接處的圓環(huán)，對比傳統(tǒng)脈沖拼接效果要好很多，窄脈沖都能探測到弱回波，拼接效果很好。

結(jié)束語：本文研究了三脈沖拼接技術(shù)在全固態(tài)雙偏振天氣雷達(dá)中的應(yīng)用。利用全固態(tài)天氣雷達(dá)探測到的回波信息對三脈沖拼接補(bǔ)盲理論進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。結(jié)果表明三脈沖拼接技術(shù)對比傳統(tǒng)長短脈沖拼接，在全固態(tài)天氣雷達(dá)中得到了很好的實(shí)現(xiàn)，有效改善了寬脈沖近距離盲區(qū)問題，探測到的天氣回波特征與理論分析結(jié)果一致。