基于精细化探测需求的天气雷达性能提升方案设计

文/王军　余小强

天气雷达在灾害性天气监测、预警方面，发挥着不可替代的作用。目前我国已建成一定规模的天气雷达网，组网雷达主要包括S波段雷达和C波段雷达。近年来 X波段雷达投入使用的数量也逐步提升，以进行本场飞行保障、补盲和应急支援等工作。天气雷达已成为气象局、民航、军方等气象保障的主要装备，但随着气象业务单元保障体系建设要求的提高和完善，在精细化探测方面，雷达已经不能够完全满足现代天气雷达探测需求，急需在现有雷达的基础上进行相应的性能优化提升工作。

1　需求分析

随着雷达技术的不断创新发展和电子器件水平的提升，为了更好地突出系统精细化探测，并进一步提高雷达可靠性、维修性和保障性，对天雷达进行性能提升工作势在必行。提升工作突出“三化”性能，实现雷达前端的“通用化”、“系列化”、“组合化”和后端的“数字化”、“集成化”、“软件化”。前端“三化”设计在规模上高度集成，物理接口、传输格式趋于统一；后端“三化”采用基于通用平台实现软件化数字处理，进行精细化、智能化探测，更好的满足气象保障需求。根据多年来天气雷达实际使用情况及气象保障的进一步需求，对天气雷达可提升之处进行梳理、总结，主要有以下几点：

（1）探测精细化、智能化处理能力不足，需进一步提升雷达数据质量；

（2）随着微波技术的发展，相位稳定度可进一步提升，以提高多普勒速度探测及地物抑制效果；

（3）随着电子器件更新换代，选择性能更优的元器件，提升接收机回波处理性能；

（4）针对现有气象保障需求，需进一步提升装备任务可靠性。

2　总体思路和目标

图1：信号处理软件化功能组成模块

天气雷达性能提升可利用现有成熟技术，在不降低原雷达技术指标要求的前提下，对雷达系统进行针对性改进，具体思路和目标如下：

（1）采用更先进的频率锁相合成技术，对频率源进行改进升级，提高系统相位稳定度，提升多普勒速度探测及地物抑制效果。

（2）选用性能参数更优的低噪声放大器，对接收通道进行改进升级，提高接收灵敏度，提升回波处理能力。

（3）大动态、双通道数字中频接收机，提高采样频率和IQ数据率，探测更精细。

（4）采用FPGA（大规模可编程逻辑门阵列）集成电路技术实现伺服控制，替代原嵌入式计算机形式的伺服控制板，提升伺服控制精度，环境适应性更好。

（5）基于通用服务器平台实现信号处理全软件化，可融合更多、更复杂的功能和信号处理算法，提高雷达精细化处理能力，改善雷达数据质量。

（6）基于软件化信号处理提供的精细化估值参数，进一步优化产品算法，提高数据产品的准确性和实用性。

（7）信号处理服务器采用双套冗余热备份设计，接收通道及数字接收机采用双通道冗余设计，大幅提升系统任务可靠性。

3　改进方案

3.1　接收系统

早前雷达接收机大多采用两次变频超外差体制，当时采用的低噪声放大器芯片、锁相环芯片和晶振等型号较老，目前同等器件相关指标已明显提升。另外从雷达实际运行情况来看，接收机长期工作后指标临界，一致性差异较大。

现在可采用新的电路设计，选用性能更优的器件，对接收机频率源、接收通道及数字中频接收机进行升级改进，重点提升系统相位稳定度、噪声系数及IQ数据率等性能指标。另外，接收通道、数字中频接收机改进升级设计时采用双通道冗余设计，提升雷达任务可靠性。

频率源内部设计倍频振荡器和频率综合器，一本振采用先进的直接频率合成方式产生，一本振单边带相位噪声功率谱密度约可提升10dB，显著提升系统相位稳定度，有利于改善速度探测和地物抑制效果。

原接收通道使用的低噪声放大器芯片型号较老，目前同等器件相关指标已明显提升,升级改进时，采用更优的芯片，并优化电路设计，提升接收机噪声系数和灵敏度指标；并采用双通道冗余设计，提升任务可靠性。

数字中频接收机采用通用的双通道、大动态硬件模块，并采用性能更优的AD器件，将采样频率由原来的18M提升至80M，IQ输出数据率由1M提升至4M，有利于回波精细化处理。

改进后的接收系统在噪声系数、相位稳定度和灵敏度等技术指标上均得到改善，并可减少一致性差异，提高设备的批产适应性。另外，双通道冗余设计将大大提升接收系统的任务可靠性，当其中一路通道发生故障时，可通过更改电缆连接的方式，便捷、快速地更换到另外一路进行工作。

3.2　伺服系统

目前伺服系统仍有采用嵌入式计算机形式的伺服控制板，启动有一定延时，体积大，通用性不高，控制精度和环境适应性有进一步提升空间。现可将伺服控制主控单元由嵌入式计算机模块（PC104）改为FPGA芯片，使用性能更优的AD器件获取角度信息，数据容错率更好。FPGA芯片与PC104模块相比具有体积小、功耗低、易扩展、工作效率高等优点，改进后的伺服系统将有效提升系统启动速度、控制精度以及环境适应性。

3.3　信号处理系统

当前的信号处理系统绝大部分基于DSP芯片硬件平台开发，由于芯片的运算、处理能力的限制，很难进行功能的扩展，回波处理能力有限，无法实现精细化探测。另外，随着芯片技术的发展，芯片厂商将逐渐停止早期芯片的供应，给雷达装备的生产带来一定程度影响。

在性能提升工作中，信号处理系统是整个工作的重点。信号处理系统采用软件化设计思想，以高性能通用服务器为硬件处理平台，硬件上按双套冗余热备份配置，软件上采用并行多线程设计方式，对数字接收机送来的IQ信号进行实时数字化处理。该处理方式打破了原有DSP芯片的硬件限制，可以融合更多、更复杂的信号处理功能和算法，实现气象要素精细化、智能化处理，具有设计、调试、维护、部署方便等特点，具有良好的拓展性，有利于雷达装备后端处理架构统一性设计。

信号处理软件模块设计灵活，各模块之间相互独立，模块接口清晰，便于软件的调试和维护，从而提高了软件的可靠性；软件功能模块可以融合更多、更复杂的信号处理功能和算法，涵盖数据采集模块、信号处理任务管理、地物滤波、气象要素估计模块、晴空杂波图处理模块、阵地优化、网络输入输出模块、质量控制模块等；每一个处理过程的处理结果，都可以以视频信号的形式发送到显示界面进行监测，并且数据流全程可存储，方便检查软件配置是否正确、雷达接收或处理通道是否正常，为用户提供更直观便利的检测手段；同时，每一个功能模块均提供精细化参数设置接口，根据实际阵地情况可配置多项优化参数，实现良好的阵地优化探测效果。

3.4　终端系统

针对软件化信号处理提供的精细化参数，进一步优化数据产品算法，提升数据产品的准确性和适用性。对数据处理算法进行优化和完善，提高显示精度，改善回波探测分辨率，进一步贴合气象保障实际业务工作需求。

4　结束语

天气雷达性能提升工作将逐步开展，也是下一阶段雷达装备质量工作的重点。性能提升方案中提到的信号处理软件化设计，也是后期新设计雷达的主要体制，因为软件模块开放的大量参数，可根据雷达阵地的具体环境，实现柔性的、自适应的、精细的信号和数据处理，改善雷达数据质量。