多普勒天气雷达接收机的设计

1、多普勒天气雷达接收机的设计魏敬义南京电子技术研究所南京210013【摘要】介绍了X波段脉冲多普勒天气雷达接收机的一种设计方案阐述了针对气象目标回波信号特点的接收机通道、高纯频谱信号源的设计思想并给出了实验结果。【关键词】多普勒天气雷达接收机动态范围噪声系数相位噪声频率综合器DesignofDopplerWeatherRadarReceiverWeiJingyiNanjingResearchInstituteofElectronicsTechnologyNanjing210013【Abstract】ThispaperintroducesanXbandDopplerweatherradarrece

2、iverex2poundthedesignideaofthereceiverchannelsandthehigh-purespectrumsignalsourceonthecharacteristicsofweathertargetechosignalandtheresultsofexperimentsarealsopresented.【Keywords】Dopplerweatherradarreceiverdynamicrangenoisecoefficientphasenoisefrequencysynthesizer1引言早期的天气雷达因为受条件限制采用非相干体制它只能通过时域检测回波信

3、号的幅度来观测天气目标。随着技术的发展多普勒相干体制被引进天气雷达中。多普勒天气雷达除了能检测天气目标回波信号的幅度外还能通过对回波信号的多普勒频率、多普勒频谱宽度等参数的检测来提取更多的天气信息它大大提高了检测恶劣天?哪芰捎谔炱勘攴瓷淠芰畋鹦獗浠醚杆倬嗬敕段愕贾路瓷浠夭藕欧缺浠段笠蚨筇炱状锝邮栈哂写蠖驮肷奶匦多普勒相干体制则要求接收机提供相参高稳定信号源。本文介绍的天气雷达接收机的设计方案就是围绕上述要求拟出的。2大动态低噪声接收通道的设计接收通道的动态范围和灵敏度是一对相互制约的主要指标根据雷达系统对接收机动态范围和噪声系数的要求及现有器件的水平本方案以动态范围为第一指标。首先选用瞬时动态

4、范围尽可能大的器件和电路方案然后再在接收通道中的合适位置上设置适当的增益控制量。2.1接收通道的组成接收通道的组成见图1。接收通道的中视频部分被设计成两个支路:测幅支路和测速支路它们分别用来检测天气目标回波信号的强度和多普勒参数。为了能对整个雷达探测范围内相差悬殊的各种天气目标回波信号的幅度进行实时检测1998年12月现代雷达第6期图1接收通道方框图测幅支路采用了对数放大器。对数放大器能把大动态范围的输入信号瞬时压缩成小动态范围的输出信号使AD变换器的动态范围与接收机的输入信号动态范围匹配。它使系统既在强信号作用下不过载又能对微弱信号进行高增益放大。本方案采用的对数放大器包括中频放大器、幅度检

5、波器和射频放大器三个部分输出的视频信号电平与输入的中频信号电平成对数关系。它能将80dB的输入信号动态范围瞬时压缩成2530dB的输出动态范围确保落入8位AD的动态范围之内。测速支路主要用来检测天气目标回波信号的多普勒信息不要求对回波信号的幅度进行实时检测因而采用了瞬时动态范围相对较小的线性系统。该支路由线性中频放大器、带通滤波器、中频衰减器、正交相位检波器和视频放大器组成。相位检波器的参考信号由高纯频谱信号源提供该参考信号与同一信号源提供的发射机激励信号和第一本振信号相参。接收机前端由微波低噪声放大器、微波电调衰减器、镜频抑制混频器和前置中频放大器组成。2.2通道增益的设计考虑接收通道的主要

6、任务是把输入信号的最小可检电平按一定信噪比放大到信号处理机中AD变换器能够检测的电平把输入信号的最大电平保真地放大到不大于AD变换器动态范围的上限电平。前者是计算通道增益的依据后者则决定增益控制量的数值。接收机与信号处理机之间的接口是AD变换器它把接收机输出的模拟信号变成数字信号。AD变换器的量化噪声将使接收机输出端的信噪比恶化导致系统噪声系数变坏。包括接收机和AD变换器的系统输出噪声功率Ns为:NsN0Nb1式中:N0为接收机输出噪声功率WNb为AD变换器量化噪声功率W。系统噪声系数FsF1NbN02式中:F为接收机噪声系数。由2式可看出NbN0越小即AD变换器的量化噪声功率相对于接收机输出

7、噪声功率越小AD变换器的量化噪声对系统噪声系数的影响就越小当AD变换器的Nb一定时欲减小NbN0值只有增大接收机输出噪声功率N0但N0越大其覆盖的AD变换器的位88现代雷达20卷数越多能够利用的AD变换器的动态范围就越小。接收机输出噪声功率N0为:N0NiGKT0BFG3式中:Ni为接收机机内等效输入噪声功率WK1.38×10-23焦耳°KK为波尔兹曼常数T0290°K为标准室温B为接收机的噪声带宽Hz近似等于接收机的通频带G为接收机的增益。于是GN0KT0BF4根据2式可导出:N0NbFFs-F5令MFs-FF6其物理意义为:因AD变换器量化噪声引起的系统信噪比

8、的恶化程度。因此GNbMKT0BF对接收机而言一般以等于接收机机内等效输入噪声功率的输入信号电平为最小可检电平Pimin即输出信噪比等于1即PiminKT0BF。据此有GNbMPimin7这样根据接收机的最小可检电平Pimin、AD变换器的量化噪声功率Nb以及所能接受的系统信噪比恶化程度M即可计算出对应的接收机通道增益G。测速支路采用12位AD变换器根据7式计算出该支路的增益。具体的增益分配则须结合噪声特性、选择性及测幅支路增益等进行综合考虑。测幅支路采用8位AD变换器。接收机和AD变换器之间选用的对数放大器能够把80dB的输入信号动态范围瞬时压缩成25dB的输出动态范围确保其落入AD变换器的

9、动态范围之内。对该支路而言只需计算对数放大器前的通道增益见图1。该增益应把接收机最小可检电平Pimin放大到对数放大器的正切灵敏度电平。2.3增益控制为了使AD变换器的动态范围与接收机输入信号动态范围匹配在微波和中频均设置了AGC。为了减小对灵敏度的影响主要控制量放在中频部分位置尽可能后置。对测幅支路而言对数放大器实现了大部分的动态压缩其余的增益控制量由微波前端的数控衰减器完成。对测速支路而言总增益控制量由微波和中频两部分的衰减器完成。微波部分的增益控制量已由测幅支路决定主要的增益控制量由步进式中频衰减器实现。为了使反射强度相同的天气目标在近程具有相同的回波信号幅度可采用可控STC并由微波电调

10、衰减器实现。为确保整个接收通道在意外情况下也不发生过载微波电调衰减器设置在接收机前端第一级其衰减量及中频衰减器的衰减量均有冗余。3高纯频谱信号源的设计高稳定信号源是相参多普勒雷达的关键技术之一为了保证相参性发射机的激励信号、98第6期魏敬义:多普勒天气雷达接收机的设计接收机的本振信号和相位检波器的参考信号必须出自同一个参考源。本方案采用了60MHz的高稳定晶体振荡器做参考源采用谐波锁相技术将60MHz的参考信号分别倍频到发射信号频率和本振频率而将晶体振荡器的60MHz的信号直接送相位检波器做参考信号。谐波锁相频率综合技术与直接倍频式频率综合技术相比具有远端噪声好、杂散少、输出功率大、电路简单、

11、体积小等优点。3.1高纯频谱信号源的组成高纯频谱信号源含参考源、本振信号源和激励信号源。参考源由60MHz的高稳定晶体振荡器、放大器、功分器组成它分别为本振信号源、激励信号源和测速支路的相位检波器提供参考信号见图2。本振源由阶跃管倍频器、锁相环和X波段压控振荡器组成。来自参考源的60MHz信号被送至阶跃管倍频器产生各次谐波信号再用滤波器选出所需谐波信号并送至签相器与压控振荡器的X波段信号比相。鉴相器输出的误差电压经低通滤波器送至压控振荡器对其进行调整完成锁相过程见图3。图2参考源方框图图3本振源方框图激励信号源由阶跃管倍频器、锁相环、X波段压控振荡器、相位编码电路和脉冲调制器组成见图4。图4激

12、励源方框图3.2相位编码为消除测速模糊多普勒天气雷达常采用多个脉冲重复频率交替工作。天气目标不是点目标一般来说都具有延伸性这就可能产生不同距离回波信号相互重叠的现象使信号的频谱特性发生变化。为解决回波信号重叠的问题本方案采用发射脉冲信号相位编码技术利用本振信号和激励信号的相参性使前一个重复周期的回波信号抵消。相位编码在激励源中实现。3.3校准信号的形成校准信号源的参考信号由激励源提供。输入信号经功分器分成两路:一种经检波后送调整电路其输出信号送微波衰减器控制衰减量另一路送相位调制器进行调制再经微波衰减器输出作为雷达的校准信号见图5。09现代雷达20卷图5校准信号源方框图4实验结果按上述方案设计

13、的接收机经调试后测得的主要技术指标如下:接收机通道部分:噪声系数3.0dB瞬时动态范围80dB测幅支路75dB测速支路数控AGC40dB微波60dB中频-2STC40dBR-2镜频抑制度20dB信号源部分:相位噪声-90dBcHz400Hz杂散谱抑制度65dB5结束语本文针对多普勒天气雷达的特点介绍了一种接收机的设计方案阐述了大动态低噪声接收机通道、通道增益、增益控制、定标信号的形成以及消除回波信号重叠等的设计思想。调试结果表明接收机的技术指标均达到或超过设计要求该方案是可行的。参考文献1DLSharpinJBYTsui.AnalysisoftheLinearAmplifierAnalog-DigitalConverterInterfaceinaDigitalMicrowaveReceiver.IEEE.TransactionsonAerospaceandElectronicSystems.Jan.1995311:24