论文部分内容阅读
摘要：本文就对X波段中频相参多普勒天气雷达接收机的方案设计进行探究，包括如何对接收机的噪声系数、级灵敏度、系统动态范围和前端增益进行计算，同时又对稳定本振信号的措施加以分析，提高数字中频接收机的可靠性和灵敏性。
关键词：X波段；中频相参；多普勒；天气雷达接收机
全相参雷达系统具有较长的使用寿命，性能稳定，不会受到机械震动、电源波动的影响，且噪声低，但由于其价格成本较高，移动和架设较为麻烦，缺乏灵活性，如在天气雷达系统设计过程中采用中频相参脉冲多普勒体系，其雷达的性价比较高，雷达采用的是磁控管发射机，这种磁控管的价格较低，高压工作时间长[1]。接收机采用的是本振数字中频接受技术，动态线性范围较大，采用这些先进技术可以有效提高雷达系统的性能，使其达到全相参雷达水平，同时在价格上和全寿命周期成本又比全相参雷达成本低。
一.X波段中频相参多普勒天气雷达接收机技术指标
在X波段中频相参多普勒天气雷达接收机中，接收机的工作频率为9500MHz，接受系统的灵敏度为-120dBm，动态范围≥80dB，噪声系数≤5dB，本振短期频率稳定度为10-10/ms，中频输出40MHz，中频带宽3MHz[2]。接收系统主要功能室为了将天线所发射的微弱回波信号放大变频，再将其放大到所需功率电平，放大后中频回波信号送到数字中频接收机，将其转换为数字中频信号，经过正交相位运算获得正交数字信号，送到信号处理器。
二.主要技术参数
（一）接收机噪声系数计算
接收机噪声系统的计算公式为： 。在X波段中低噪声高频放大器噪声系数通常是小于等于3dB，增益为G1=253.5（24dB），40MHz中频放大器噪声系数小于等于5dB，混频器噪声系数通常在10dB左右，增益为G2=0.157（-10dB），因此取F1小于等于2.15，将数据带入到噪声系统计算公式中即可得出F（dB）=2.65dB，符合设计的要求[3]。
（二）接收机灵敏度计算
接收机灵敏度主要是接收机接收微弱信号能力的物理量，其表达式为 。根据工程设计的经验，通常情况下取接收机输出端信号噪声功率之间的比D=1，接收机输入端功率为其灵敏度，也是临界灵敏度。通过公式可以发现，临界另觅你读通常只和噪声系数F以及接收机带宽B有关系，由于T0和K均为常数，标准室温为290度K[4]。接收机带宽设置通常和接收信号相关，在接收机中接收信号最小脉冲宽度为0.5μS，因此可以计算出接收机临界灵敏度为 ，将数据带入到公式中， 。因此接收机灵敏度和相应的指标要求相符合，具有一定余量，需要对器件老化、工程化等因素进行充分考虑，计算也需要按照灵敏度为-110dBm进行计算，接收机的输入阻抗按照60Ω计算，输入阻抗最小可辨电动势为 ，按照场放输入端的灵敏度 ，对场放输入端的最小可測电压Usmin进行计算，计算公式为 ，公式中R=60Ω，计算可以得出Usmin=0.8135uV。如果按照噪声功率进行计算，场放输入端噪声功率按照公式 进行计算。
（三）前端增益计算
数字中频转换器接口电平为-84到+15dBm，最小的输入信号电平为-84dBm，已知场放输入端的最小可测电压为uV，由此可以计算出接收机的前端总增益为34.45uV/0.8432uV=46.65（35dB），即-84dBm-（-110dBm）=35dB，在方案设计中取A=35dBm，接收机的前端增益分配：场放为24dB，预选滤波器为-3dB，混频器为-10dB，前中为30dB。
（四）系统动态范围分析
如果场放的输入端灵敏度为-110dBm，按照系统输入动态等于90dB进行计算，场放的输入端最大信号功率则等于90dB-110dBm=-20dBm，根据系统前端增益可知，数字中频转换器的输入端信号强度为-20dBm+35dB=15dBm，数字中频转换器最大的输入信号强度为15dBm，也就是说输入端信号范围的灵敏度范围在-110dBm到-20dBm计算，可以知道此时的系统仍以可保持线性输出，达到90dB线性动态范围，由此可知系统的线性动态范围和设计性能要求相符合[5]。
（五）稳定本振信号
为了确保雷达测速精度，接收机本振采用高稳定度的固定频率振荡器，短期1ms的频率稳定度为10-10量级。根据雷达的性能要求，因晶振倍频源的杂散小、相位噪声低等，为确保整机稳定性和系统工作状态的可靠性，应避免可能存在环路失锁等问题，因此在该系统中考虑采用晶振倍频本振。
三.测试和结果分析
（一）灵敏度测试
灵敏度测试在接收机场放口输入噪声，在数字接收机的输出端接示波器，并将输入信号源输出功率逐渐减小，并在示波器上对信号幅度进行观察，当信号幅度和噪声信号刚好相当时，记录信号源输出功率为AdBm，接收机的灵敏度为AdBm-LdBm，LdBm为电缆损耗，所测得的灵敏度为-110dBm。
（二）线性动态范围测试
机外信号源主要是在接收机的前端注入，在数据终端对信号输出数据进行读取，输入输出曲线通过最小二乘法拟合，并通过输入功率和对应输出数据来明确拟合直线斜率，并将拟合直线和测量曲线之间的差值来明确接收系统高端饱和点和低端拐点，拐点和饱和点之间相应输入信号功率值之间的差作为系统动态范围[6]。经过测试发现，拟合直线斜率为2.1584，拟合均方根误差为1.29，高端饱和点-15dBm，低端拐点-110dBm，动态范围为96dBm。
结语：
在雷达系统中雷达接收机发挥着重要的作用，其主要功能是为了将小信号进行变频、放大、滤波和数字化处理，并在信号处理中过滤掉干扰信号，将有用信号进行保留。本文主要是将中频相参雷达接受系统作为主要研究对象，通过对X波段中频相参多普勒天气雷达接收机的设计方案进行分析，并对设计理论和计算方法加以探究与分析，同时对接受系统中各个部件的性能参数指标和功能进行分析，在小型中频相参气象雷达中的应用，经过生产测试后，根据其计算理论参数和设计要求已经完全满足，由此说明该种设计方案是具有可行性的。
参考文献：
[1]姜小云，李昭春，吴俞.基于STM32的新一代天气雷达远程监控系统设计[J].计算机技术与发展，2017，27（05）：196-200.
[2]毛飞，李建明，金龙，敬颖.新一代天气雷达远程视频监控保障系统设计与实现[J].气象科技，2017，45（01）：63-66.
[3]刘焕乾，胡燕，高炉东.新一代天气雷达故障维修资料检索系统设计与实现[J].气象水文海洋仪器，2015，32（03）：62-64.
[4]杨奇.新一代天气雷达台站环境监控系统设计与实施[J].气象与环境科学，2013，36（03）：84-89.
[5]王杰，何建新.基于LabVIEW的新一代天气雷达测试与故障诊断系统设计[J].气象科技，2012，40（06）：902-905.
[6]王红艳，刘黎平，肖艳娇，庄薇，王改利.新一代天气雷达三维数字组网软件系统设计与实现[J].气象，2009，35（06）：13-18+130.
简介：李旭，男（1983.10——），重庆市开县人，工程师，本科，研究方向：火控雷达接收机。
二作马莞迪，女（1984.9——），四川江油人，工程师，本科，研究方向：火控雷达接收机
关键词：X波段；中频相参；多普勒；天气雷达接收机
全相参雷达系统具有较长的使用寿命，性能稳定，不会受到机械震动、电源波动的影响，且噪声低，但由于其价格成本较高，移动和架设较为麻烦，缺乏灵活性，如在天气雷达系统设计过程中采用中频相参脉冲多普勒体系，其雷达的性价比较高，雷达采用的是磁控管发射机，这种磁控管的价格较低，高压工作时间长[1]。接收机采用的是本振数字中频接受技术，动态线性范围较大，采用这些先进技术可以有效提高雷达系统的性能，使其达到全相参雷达水平，同时在价格上和全寿命周期成本又比全相参雷达成本低。
一.X波段中频相参多普勒天气雷达接收机技术指标
在X波段中频相参多普勒天气雷达接收机中，接收机的工作频率为9500MHz，接受系统的灵敏度为-120dBm，动态范围≥80dB，噪声系数≤5dB，本振短期频率稳定度为10-10/ms，中频输出40MHz，中频带宽3MHz[2]。接收系统主要功能室为了将天线所发射的微弱回波信号放大变频，再将其放大到所需功率电平，放大后中频回波信号送到数字中频接收机，将其转换为数字中频信号，经过正交相位运算获得正交数字信号，送到信号处理器。
二.主要技术参数
（一）接收机噪声系数计算
接收机噪声系统的计算公式为： 。在X波段中低噪声高频放大器噪声系数通常是小于等于3dB，增益为G1=253.5（24dB），40MHz中频放大器噪声系数小于等于5dB，混频器噪声系数通常在10dB左右，增益为G2=0.157（-10dB），因此取F1小于等于2.15，将数据带入到噪声系统计算公式中即可得出F（dB）=2.65dB，符合设计的要求[3]。
（二）接收机灵敏度计算
接收机灵敏度主要是接收机接收微弱信号能力的物理量，其表达式为 。根据工程设计的经验，通常情况下取接收机输出端信号噪声功率之间的比D=1，接收机输入端功率为其灵敏度，也是临界灵敏度。通过公式可以发现，临界另觅你读通常只和噪声系数F以及接收机带宽B有关系，由于T0和K均为常数，标准室温为290度K[4]。接收机带宽设置通常和接收信号相关，在接收机中接收信号最小脉冲宽度为0.5μS，因此可以计算出接收机临界灵敏度为 ，将数据带入到公式中， 。因此接收机灵敏度和相应的指标要求相符合，具有一定余量，需要对器件老化、工程化等因素进行充分考虑，计算也需要按照灵敏度为-110dBm进行计算，接收机的输入阻抗按照60Ω计算，输入阻抗最小可辨电动势为 ，按照场放输入端的灵敏度 ，对场放输入端的最小可測电压Usmin进行计算，计算公式为 ，公式中R=60Ω，计算可以得出Usmin=0.8135uV。如果按照噪声功率进行计算，场放输入端噪声功率按照公式 进行计算。
（三）前端增益计算
数字中频转换器接口电平为-84到+15dBm，最小的输入信号电平为-84dBm，已知场放输入端的最小可测电压为uV，由此可以计算出接收机的前端总增益为34.45uV/0.8432uV=46.65（35dB），即-84dBm-（-110dBm）=35dB，在方案设计中取A=35dBm，接收机的前端增益分配：场放为24dB，预选滤波器为-3dB，混频器为-10dB，前中为30dB。
（四）系统动态范围分析
如果场放的输入端灵敏度为-110dBm，按照系统输入动态等于90dB进行计算，场放的输入端最大信号功率则等于90dB-110dBm=-20dBm，根据系统前端增益可知，数字中频转换器的输入端信号强度为-20dBm+35dB=15dBm，数字中频转换器最大的输入信号强度为15dBm，也就是说输入端信号范围的灵敏度范围在-110dBm到-20dBm计算，可以知道此时的系统仍以可保持线性输出，达到90dB线性动态范围，由此可知系统的线性动态范围和设计性能要求相符合[5]。
（五）稳定本振信号
为了确保雷达测速精度，接收机本振采用高稳定度的固定频率振荡器，短期1ms的频率稳定度为10-10量级。根据雷达的性能要求，因晶振倍频源的杂散小、相位噪声低等，为确保整机稳定性和系统工作状态的可靠性，应避免可能存在环路失锁等问题，因此在该系统中考虑采用晶振倍频本振。
三.测试和结果分析
（一）灵敏度测试
灵敏度测试在接收机场放口输入噪声，在数字接收机的输出端接示波器，并将输入信号源输出功率逐渐减小，并在示波器上对信号幅度进行观察，当信号幅度和噪声信号刚好相当时，记录信号源输出功率为AdBm，接收机的灵敏度为AdBm-LdBm，LdBm为电缆损耗，所测得的灵敏度为-110dBm。
（二）线性动态范围测试
机外信号源主要是在接收机的前端注入，在数据终端对信号输出数据进行读取，输入输出曲线通过最小二乘法拟合，并通过输入功率和对应输出数据来明确拟合直线斜率，并将拟合直线和测量曲线之间的差值来明确接收系统高端饱和点和低端拐点，拐点和饱和点之间相应输入信号功率值之间的差作为系统动态范围[6]。经过测试发现，拟合直线斜率为2.1584，拟合均方根误差为1.29，高端饱和点-15dBm，低端拐点-110dBm，动态范围为96dBm。
结语：
在雷达系统中雷达接收机发挥着重要的作用，其主要功能是为了将小信号进行变频、放大、滤波和数字化处理，并在信号处理中过滤掉干扰信号，将有用信号进行保留。本文主要是将中频相参雷达接受系统作为主要研究对象，通过对X波段中频相参多普勒天气雷达接收机的设计方案进行分析，并对设计理论和计算方法加以探究与分析，同时对接受系统中各个部件的性能参数指标和功能进行分析，在小型中频相参气象雷达中的应用，经过生产测试后，根据其计算理论参数和设计要求已经完全满足，由此说明该种设计方案是具有可行性的。
参考文献：
[1]姜小云，李昭春，吴俞.基于STM32的新一代天气雷达远程监控系统设计[J].计算机技术与发展，2017，27（05）：196-200.
[2]毛飞，李建明，金龙，敬颖.新一代天气雷达远程视频监控保障系统设计与实现[J].气象科技，2017，45（01）：63-66.
[3]刘焕乾，胡燕，高炉东.新一代天气雷达故障维修资料检索系统设计与实现[J].气象水文海洋仪器，2015，32（03）：62-64.
[4]杨奇.新一代天气雷达台站环境监控系统设计与实施[J].气象与环境科学，2013，36（03）：84-89.
[5]王杰，何建新.基于LabVIEW的新一代天气雷达测试与故障诊断系统设计[J].气象科技，2012，40（06）：902-905.
[6]王红艳，刘黎平，肖艳娇，庄薇，王改利.新一代天气雷达三维数字组网软件系统设计与实现[J].气象，2009，35（06）：13-18+130.
简介：李旭，男（1983.10——），重庆市开县人，工程师，本科，研究方向：火控雷达接收机。
二作马莞迪，女（1984.9——），四川江油人，工程师，本科，研究方向：火控雷达接收机