２０１１年福建省气象学会学术年会论文集大气探测与技术保障单多普勒天气雷达系统建模与仿真许致火周学鸣汪月霞（厦门市气象台，厦门３６１０１２）
摘要：由于厦门雷达站的雷达具有严格的业务运行要求性质，不能停机用于台站的雷达系统培训。为了给本台站雷达机务生提供形象生动的机务理论培训，基于计算机仿真技术设计了Ｓ波段单多普勒天气雷达系统仿真模型。以我国新一代Ｓ波段天气雷达为参考，着眼于多普勒天气雷达整个系统，侧重于雷达接收机的仿真建模。采用白噪声及瑞利噪声来模拟大气环境信道的噪声及接收到的杂波；运用零阶保持器把模拟回波信号转换为数字信号，利用积分梳状滤波器设计了数字中频；运用ＦＩＲ滤波距离积分器提高接收信号的信噪比，运用脉冲对处理器方法（ＰＰＰ）提取多普勒信息，最后得到回波功率及多普勒平均速度ＰＰＩ显示产品。多普勒天气雷达系统仿真模型在本台站雷达培训课程运用中，生动地仿真了多普勒天气雷达系统原理工作过程，具有全国推广应用价值。关键词：雷达理论培训；多普勒天气雷达；雷达接收机；回波信号处理；计算机仿真中图分类号：ＴＰ３９１．９文献标识码：Ａ
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１引言由于多普勒天气雷达的造价高，制造周期长，现场实验的电磁环境复杂，教学及科研的条件要求很高。计算机仿真技术具有良好的逼真性，安全性，经济性，可更新性，所以对新一代多普勒天气雷达系统具有现实优越性。ＭＡＴＬＡＢ的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ是基于仿真时间进行动态的仿真软件，这可以形象地仿真雷达实际工作过程，所以本文选用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ作为开发平台。气象雷达为天气预报保障、人工影响天气和大气科学研究提供实时气象信息。波长为１０ｃｍ的Ｓ波段多普勒雷达峰值功率大，接收灵敏度高，动态范围大，，发射脉宽为１．６嶂，天线尺寸大，对气象目标的反射率小，大气衰减小，作用距离大，但是旁瓣影响大，适合于中心台站、区域站和沿海多台风地区布网。本文以我国新一代Ｓ波段天气雷达为参考，利用ＭＡＴＬＡＢ功能模块不同的特点来设计雷达系统的不同模块，白噪声及瑞利噪声来模拟大气环境信道的噪声及接收到的杂波：运用零阶保持器把模拟回波信号转换为数字信号，利用ＣＩＣ滤波器设计了数字中频：运用ＦＩＲ滤波距离积分器提高接收信号的信噪比，运用脉冲对处理器方法提取多普勒信息，最终得到回波功率及多普勒平均速度ＰＰＩ显示产品。２０Ｌ１年福建省气象学会学术年会论文囊大气探删与技术保障２雷达系统工作原理整个雷达系统包括三大绀成部分：雷达数据采集ＲＤＡ、产品生成及产品显ｊ、（ＲＰＧ、ＰＵＰ）。系统框图见图１。雷达数据采集ＲＤＡ由天线、馈线系统、发射机、接收机、信号处理机和雷达监控主机组成。天气雷达系统的』＝作原理为：首先由雷达数据采集ＲＤＡ完成微波的产生、功率放大、发射、宅域扫描、回波接收、放大、正交解调、模数转换、数据聚集、杂波滤除、信息提取、平滑滤波等功能，数据照终到达雷达监控主机。然后数据通过宽带网络传输到雷达产品生成处理模块中的计算机，进行二次处理生成各种气象应用产品。最后通过各种通信手段把生成的产品传送到用户端，进行直观显示。毒ＭＰ匝孕匾
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图１雷远系统框闻３雷达系统的参数设置界面为提高人机交互的友好性，本文需耍设置的参数有雷达发射机发射脉冲的脉宽及脉冲重复频率．无线的转速及信号传输过程中在信道中受到的噪声均方值的设置。本文忽略了对雷达扫描仰角设置。利用ＭＡＴＬＡＢ的ＧＵＩＤＥ设计的界面如图２所示。表１ＷＳＲ－９８Ｄ／ＸＤ脉冲重复频率及脉冲搬
罔２多昔勒天气雷达参数设置＃面本设计只考虑ｒ单重复频率脉冲发射模式，其对应的脉冲宽度见表１，天线的转速０。－３６。／Ｓ可调。噪声选用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的白高斯噪声模块，方差值范围为０－Ｉ，县体值由界面进行设置。
４雷达发射机及大气环境信道多普勒天气雷选探测原理是：雷达发射机靛射的脉冲信号被大气环境中的运动的云及降承粒于进行谓制生成新的携带这些粒了信息的信号，其中有一部分信号经过后向散射返回雷达，由雷达接收机接收。由于气象目标的运动产生了多静勒频移，多普勒速度信息从接收信号中提取出来。２２０１１年福建省气象学会学术年会论文集大气探测与技术保障在大气环境中气象目标所产生的瑞利散射及米散射决定雷达的反射率大小，具体反映在接收到的回波信号幅度的大小。接收机同时还接收到了非气象目标的杂波信息【２１，本文用接收幅度变化来仿真大气环境里的气象降水强度，设定发射信号的频率微小变化来模拟气象目标的多普勒信息，利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的白噪声及瑞利噪声来模拟信道噪声及杂波。发射机的射频信号的频率为２８８０ａ：１０ＭＨｚ，利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ搭建发射机及大气信道模块见图３。
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图３发射机及大气环境模块５雷达接收机雷达接收机及雷达信号处理系统是本文设计的重点内容，新一代天气雷达，采用了全相参、数字中频接收机等先进技术。雷达接收框图如图４所示：
混频中放
图４雷达接收机框图５．１低噪放大器及预选滤波在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中低噪声放大器可相当于一个乘法模块。由于巴特沃思滤波器的群时延特性好，故在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中选择巴特沃思带通滤波器模块设计预选滤波器，中心频率为９４２０ＭＨｚ，滤波器带宽为２０ＭＨｚ。５．２混频／中放及抗混叠滤波雷达接收机的中频为５７．５５ＭＨｚ，所以本地振荡信号的频率应为９３６０ＭＨｚ，混频后有一个５７．５５ＭＨｚ的中频信号及一个１８．７８ＧＨｚ的信号，经过抗混叠滤波输出６０ＭＨｚ的中频信号。抗混叠滤波同样是利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中的巴特沃思带通滤波器模块进行设计的，中心频率为６０ＭＨｚ，滤波器带宽２０ＫＨｚ。混频及抗混叠滤波模块设计结果见图５。
图５混频／中放及抗混叠滤波５．３数字中频雷达接收机的中频采样频率为４０ＭＨｚ，数字中频的模数转换ＡＤＣ在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中相当于一个零阶保持模块。为了降低数据传输速率，转换后再经过数字下变频抽取输出ＩＱ信号。数字下变频由本文数字混频器，数字控制振荡器（ＮＣＯ）及抽取滤波器组成。ＣＩＣ滤波器中的积分器设计为一级级联，下采样率为３，ＦＩＲ抽取率为２，设计结果见图６。
３２０１１年福建省气象学会学术年会论文集大气探测与技术保障图６数字中频６回波信号处理６．１回波平滑处理为了减少或消除气象回波的闪烁起伏给定量观测带来的影响，要对气象回波进行平滑处理，包括距离积分和方位积分。本文依据参考文献［３】所介绍的距离积分器，在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中设计四阶ＦＩＲ滤波器对回波进行距离积分。ＦＩＲ距离积分器见图７。
图７ＦＩＲ距离积分器６．２多普勒信息提取本文采用文献【４］介绍的脉冲对处理器方法（ＰＰＰ）对多普勒信息进行提取。设回波信号的复振幅为Ｒ（，）＝，（ｆ）＋ｉＱ（ｔ）（１）式中，（ｆ），Ｑ（ｔ分别是Ｒ（ｆ）的实部和虚部，相当于离散化的Ｉ（０，Ｑ（ｔ值。如果满足散射体内各个粒子的平均多普勒速度都相同且每个粒子的径向速度涨落值服从相同的偶函数概率分布。则平均径向多普勒速度／为ｆ＝百＃ｔａｎ叫［Ｑ（ｔ）Ｉ（ｔ＋Ｔ）一ｌ（ｔ）Ｑ（ｆ＋Ｔ）／Ｉ（ｔ）Ｉ（ｔ＋丁）＋Ｑ（ｔ）Ｑ（ｆ＋Ｔ）】（２）式中Ｔ为连续两次取样的时间间隔。由（２）式在建立的多普勒信息提取见图８。
图８ＰＰＰ法多普勒信息提取６．３视频信号处理本文要得到回波功率及多普勒速度ＰＰＩ显示产品。由图６数字中频输出后的ＩＱ信号后对多普勒平均速度的数据导出到ＭＡＴＬＡＢ变量空间中处理，最后通过Ｍ函数编写视频处理函数自动调用这些数据对回波进行处理。主要处理过程为加载色标，坐标转换，雷达回波强度计算。把设计好的色标存为图像格式，加载过程使用ｉｍｒｅａｄ函数如下：ｒｇｂ－－ｉｍｒｅａｄ（’Ｃｏｌｏｆｌｃｏｎ．ｊｐｇ．）；％加载色标直角坐标与极坐标转换计算公式为：
工＝ＰＣＯＳ只Ｙ＝Ｐｓｉｎ秒（３）雷达回波强度计算公式为：
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