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A real-time digital processor of wind profile radar based on microcomputer
摘要:实时信号处理机是风廓线雷达组成中一个至关重要设备，其性能指标直接影响到风廓线雷达探测精度、探测距离和时间分辨率等系统指标。本文介绍了一种基于DDC加微型计算机架构的风廓线雷达实时信号处理机设计与实现方案，试验证明其能够完全满足风廓线雷达实时信号处理的要求，而且更加符合软件无线电理想架构，具有较强的可扩展能力。
关键词：信号处理，风廓线雷达，DSP，微机
Abstract: The real-time digital processor is the key part of the wind profile radar and its factors have direct effects on the measurement velocity and precision. The scheme of the real-time digital processor based on DDC and Microcomputer is discussed in the paper. It turns out that this scheme with a SDR structure can fully fit the needs of the profile radar system and has extensible ability.
Key words signal process, wind profile radar, DSP, Microcomputer
1. 引言
风廓线雷达是上世纪八十年代中期发展起来的遥感测风技术，与传统测风手段相比，具有高实时性和高精度的特点，目前已在气象、航天航空等领域得到了广泛的应用。实时信号处理机是风廓线雷达的一个重要组成部分，其主要完成对接收机输出的中频信号进行A/D变换和数字下变频处理（DDC）形成正交视频I、Q信号，然后对I、Q信号进行脉冲压缩、时域积累、去直流、加窗、FFT和谱积累等处理，最后生成功率谱信号供风廓线雷达数据处理软件进一步处理。风廓线雷达实时信号处理流程如图1所示。 
2. 组成与原理
风廓线雷达实时信号处理机可以利用高速DSP技术予以实现。传统的风廓线雷达实时处理机一般采用模拟正交相位检波器将中频信号变成正交视频信号或采用数字下变频技术生成正交视频信号，然后利用DSP进行实时信号处理，得到风谱数据后由计算机进行数据处理。由于DSP器件更新换代很快，上述技术方案不仅成本较高，而且经常由于DSP器件的更新换代造成后续维护的困难。目前微型个人计算机的处理速度发展很快，已经能够完全满足风廓线雷达信号实时处理的速度要求。利用微机实现风廓线雷达信号的实时处理，实现了风廓线雷达实时信号处理机的性能与微机同步发展，由于微机的开放式架构和向下兼容性，使风廓线雷达实时信号处理机维护和升级变得较为容易和方便。该种架构的实时信号处理机具有性价比高和可扩展能力强的特点，更加符合软件无线电技术设计的思想。
基于DDC和微机架构的风廓线雷达实时信号处理机主要由微型个人计算机、数字中频信号处理板、定时控制板和信号处理软件组成，如图2所示。
中频信号处理板对输入的中频信号进行A/D变换和数字下变频处理，生成正交视频I、Q信号。定时控制板接收风廓线雷达定时监控组合所输出的雷达工作时序，产生实时信号处理机的工作时序，为微型计算机提供中断，以此同步微机的各处理进程。在中断的同步下，微型计算机利用DMA通过PCI总线接收数字中频信号处理板输出的正交I、Q信号，经时域积累、脉压、去直流、FFT和谱积累后形成风谱数据。
风廓线雷达实时信号处理软件是在Windows2000操作系统下利用VC编制的，是一个独立的进程。由于微机在Windows2000操作系统下所能接收的中断频次每秒不能超过1000次，因此必须对实时信号处理机的工作时序进行精心设计，使其所产生的中断低于1000次/秒。
3. 中频信号处理板
中频信号处理板采用基于PCI总线的插板结构，主要由高速ADC、DDC芯片、FIFO和PCI桥接器组成，原理框图如图3所示，其中DDC芯片采用Graychip公司的GC4016。
由接收机输出的风廓线雷达中频信号由A/D采样转换为14bit数字信号后输入到专用数字下变频芯片GC4016中，在该芯片中变换到正交视频I/Q信号输出，在采样门控信号的控制下将I/Q信号输出到FIFO中，由微机通过PCI总线读出。
4. 正交视频信号处理
时域积累：由于风廓线雷达回波功率非常弱，时域积累目的是通过采样点的相参累加来达到提高信噪比的目的，其实际应用的时域积累公式为：
（1）
脉冲压缩：雷达距离分辨率ΔR=cτ/2（τ为探测脉冲宽度），因此要想实现较小的距离分辨率，则需要较短的脉冲宽度，而最大探测距离又与脉冲宽度成正比，为解决这一矛盾，现代雷达普遍采用了脉冲压缩技术，脉冲压缩技术就是在宽脉冲内采用附加的频率或相位调制，以增加信号带宽  ，那么，当接受时用匹配滤波器或相关器进行处理，可将长脉冲压缩到  宽度，这样既可以使雷达用长的脉冲去获得大的能量，同时又可以得到短脉冲所具有的距离分辨力，在风廓线雷达中普遍采用了二相编码脉冲压缩技术，脉冲压缩就是将回波信号与已知的码本信号进行相关的过程。
去直流：由于频综载波频率不可避免的泄漏到接收机系统中，虽然泄漏的功率很小，但经过时域积累后其功率与风谱回波信号功率相比仍是非常可观的，如果直接进行FFT运算，由于截断所造成的频谱泄漏，其旁瓣将会淹没附近的风谱信号，因此必须在FFT运算前将其去除。去除直流的算法是将一个距离门上时域积累后的样本值减去同一距离门上所有参与FFT运算样本的平均值，公式如下：
 （2）
式中：N为FFT点数
加窗与FFT：在风廓线雷达信号处理机中仍采用经典的FFT进行谱估计的算法，为减小由于截断效应所造成的频谱扩散对风谱信号检测的影响，在进行FFT运算前对数据进行了加窗处理，本信号处理机所用的是Hamming窗，FFT点数有64、128、256、512几种。
谱积累：由于时域积累受到湍流回波信号相关时间的限制，不能无限加长，而FFT点数受计算机所处理数据量的限制和减少对数据的压力，也不宜过大，因此为进一步提高信噪比，风廓线雷达在FFT运算后，对FFT的模值进行了累加和平均，其信噪比提高倍数与谱积累次数n的平方根成正比，除此之外，谱积累还起到了噪声平滑的作用，减少了偶发频率信号对风谱信号检测的影响。
5. 性能测试
风廓线雷达信号处理机各单项技术指标可利用实验室仪器进行测试于评估，测试时所用仪器及连接图如图4所示。
将测试仪器与信号处理机按图4连接好，噪声源输出功率-16dBm，信号源输出中频信号，功率-35dBm。改变信号处理机工作参数，测试了信号处理机时域积累性能、谱积累性能和信噪比改善因子等技术指标，其测试结果如图5所示，其中信噪比改善因子为59dB，
图5 时域积累与谱积累性能测试曲线
6.结束语
本文创新点在于：采用文中所介绍的结构与算法的实时信号处理机与风廓线雷达合成后进行实际测风试验，测风过程中考核其在各种工作模式下的可靠性和参数设置的灵活性，最终在中国气象局南苑观测站、延庆观测站进行了长达一年的无人值守情况下的自动测风试运行试验，试验证明基于微机的风廓线雷达实时信号处理机能够完全满足风廓线雷达实时信号处理的要求。图6是基于微机的风廓线雷达实时信号处理机测得的风谱图。 
参考文献：
[1] Gray chip Inc., Data sheet of multi-standard quad DDC chip GC4016, USA, August 27, 2001.
[2]David D A, Ernest G B. Signal processing aspects of winds2 hear detection [J]. Microwave Journal, 1993 (9) 76 - 96.
[3]白剑炯,卜祥元,安建平, 雷达风廓线仪实时信号处理机的实现，计算机测量与控制，2005年01期。
[4] 于洪，闫晓燕，基于雷达信号的高速数据采集系统的设计，微计算机信息，2006，6-1：150-151。
作者简介：卜祥元（1965-）男，山东菏泽人，北京理工大学副教授，硕士生导师，主要研究方向：雷达信号处理；安建平（1965-），男，山西平原人，北京理工大学教授，博士生导师，主要研究方向：软件无线电，超宽带；王勇（1978-），男，河北邢台人北京理工大学博士生，主要研究方向：雷达信号处理。
(100081 北京理工大学信息科学技术学院) 卜祥元 安建平 王勇
通信地址：（100081 北京 北京理工大学一院五系现代通信网络实验室）卜祥元
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