地基主動式天氣雷達(dá)是氣象雷達(dá)中的一種，其發(fā)射的電磁波在大氣傳播過程碰到氣體分子(云,、雨,、雪等降水粒子)時，將產(chǎn)生散射,，可造成回波信號的幅度,、相位、頻率,、偏振等特征發(fā)生變化[1],。通過對這些變化的特征進(jìn)行分析，可以獲取粒子的相態(tài),、形狀,、尺度分布及垂直結(jié)構(gòu)等信息。從20世紀(jì)70年代開始,，天氣雷達(dá)就為我國氣象事業(yè)服務(wù)并逐漸成為探測暴雨,、冰雹、臺風(fēng),、龍卷等災(zāi)害性天氣過程最有效的工具[2],。
    固態(tài)發(fā)射體制天氣雷達(dá)由于采用了固態(tài)發(fā)射機，因此相比真空管雷達(dá)具有以下優(yōu)勢：雷達(dá)不需要預(yù)熱;在硬件方面去除了高壓器件,，使用過程更加安全;工作性能穩(wěn)定,，壽命長、無噪音,、體積小,、重量輕等[3]。由于固態(tài)天氣雷達(dá)采用了固態(tài)發(fā)射機,，發(fā)射的峰值功率有限,，故為了保證雷達(dá)具有較遠(yuǎn)的探測距離,，需采用寬脈沖進(jìn)行發(fā)射。為了獲取較高的距離分辨率,，發(fā)射信號需具有較大的帶寬,因此需要發(fā)射信號具有較大的時寬帶寬積[4],。然而,普通的單載頻脈沖信號的時寬與帶寬之積約為1，但大時寬與帶寬不可兼得,。于是在匹配濾波器理論指導(dǎo)下,，提出了線性調(diào)頻(LFM)脈沖壓縮的概念，國內(nèi)很多學(xué)者也在進(jìn)行這方面的研究[5-6],。
1 LFM脈沖壓縮技術(shù)
　LFM是在脈沖寬度內(nèi)其頻率按照線性變化的信號,，其時寬、帶寬可調(diào),。這類信號的匹配濾波器具有對回波信號的多普勒頻移不敏感的特性,，即當(dāng)天氣回波存在較大的多普勒頻移時，匹配濾波器仍然能對回波信號進(jìn)行較好的壓縮,，從而避免了對壓縮網(wǎng)絡(luò)的重新設(shè)計,，極大地簡化了信號處理系統(tǒng)。

    由式(4)可以較容易地計算出輸出波形的最大旁瓣與主瓣峰值比(RMS),、-3 dB處主瓣加寬系數(shù)(?茁),、信噪比損失(Loss)等主要性能指標(biāo)。
2 仿真實驗
　在仿真實驗中,，固態(tài)天氣雷達(dá)發(fā)射信號的脈沖寬度T=100 ?滋s,帶寬B=2 MHz,采樣頻率為8 MHz,，仿真結(jié)果如圖2所示。

    對脈沖壓縮旁瓣抑制效果評判的主要性能指標(biāo)有RMS,、和Loss,。表1給出了上述仿真實驗中輸出波形的主要性能指標(biāo)。
    通過對表1中的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可知,，窗函數(shù)的旁瓣抑制能力越強,，則輸出波形的主瓣展寬也就越大。因此,，在進(jìn)行加權(quán)濾波處理時,，窗函數(shù)的選擇需對各種性能參數(shù)進(jìn)行綜合考慮。對氣象目標(biāo)而言,，當(dāng)加權(quán)后脈壓信號的-3 dB主瓣展寬系數(shù)在1.5以內(nèi),且信噪比損失少于1.5 dB,，主旁瓣比達(dá)到40 dB以上時，可以選擇此類窗函數(shù)進(jìn)行脈壓旁瓣的抑制[7],。綜合以上分析,，在廣義余弦窗中，選擇海明加權(quán)函數(shù)作為脈壓加權(quán)網(wǎng)絡(luò)所獲得的輸出波形整體效果更好,。
3 工程實現(xiàn)
3.1 軟件實現(xiàn)脈壓
    由于軟件處理比較靈活,，且修改方便，故脈沖壓縮采用軟件的方式實現(xiàn),。脈沖壓縮軟件的開發(fā)是基于VC++平臺和英特爾集成性能基元Intel IPP(Integrated Performance Primitives)之上的應(yīng)用程序,。在VC++平臺主要完成應(yīng)用程序的開發(fā)，而IPP的引用主要是利用其中的高度優(yōu)化的軟件函數(shù)庫,，以此來提高應(yīng)用程序運行的效率,。
    在實現(xiàn)脈沖壓縮的工程時，需注意以下兩點：
 
3.2 外場試驗
　固態(tài)天氣雷達(dá)基本參數(shù)：發(fā)射峰值功率為50 W,時寬為100 ?滋s,，帶寬為2 MHz,，采樣率為8 MHz，波束寬度為1.5°,。數(shù)據(jù)采集時間為2013年3月12日17點30分,。
    為了更加直觀地體現(xiàn)脈沖壓縮、海明加權(quán)處理對天氣回波結(jié)構(gòu)及天氣雷達(dá)弱目標(biāo)獲取能力的影響,，現(xiàn)給出回波強度對比圖,，如圖3所示。
    圖3中方位290°~360°范圍內(nèi)強度較大的回波為地物雜波(龍門山脈),。從圖3(a),、圖3(b)中地物的結(jié)構(gòu)可以清晰地看出，脈壓后回波圖(圖3(b),、圖3(c))中地物的輪廓更清晰,，甚至可以看到山脈的縫隙，即脈沖壓縮后探測的距離分辨力提高了,。對比圖3(b),、圖3(c)中右下角圓圈內(nèi)的天氣回波，從回波面積上可以看出,，圖3(c)圓圈內(nèi)回波面積較圖3(b)圖大,，而多出來的部分為較弱的天氣回波，強度在15 dB左右,。這一現(xiàn)象同時也證明了海明加權(quán)后輸出波形獲取更高的RMS將有利于弱天氣目標(biāo)的提取,。除了圖3(b)、圖3(c)圓圈內(nèi)回波面積大小不同外,，其中心回波的強度也有一些差異,。通過定量分析可知，圖3(b)中心回波強度約比圖3(c)中心回波強度高2 dB,。這一現(xiàn)象可以通過表1中信噪比損失這一參數(shù)進(jìn)行解釋,，因為海明加權(quán)會導(dǎo)致信噪比損失，由表1可知信噪比損失大約為1.5 dB,，這一現(xiàn)象正是由于加權(quán)導(dǎo)致信噪比損失引起的,。

　為了對回波數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析,，現(xiàn)取同一徑向(方位為310.5°)的回波數(shù)據(jù)，繪制輸出信號的功率圖,，如圖4所示,。當(dāng)脈壓網(wǎng)絡(luò)僅由匹配濾波器組成時，RMS約為13.2 dB,；當(dāng)脈壓網(wǎng)絡(luò)由匹配濾波器與海明加權(quán)函數(shù)級聯(lián)時,，RMS約為43.2 dB，?茁約為1.47,，Loss約為1.85 dB,。海明加權(quán)后RMS提高了約30 dB，RMS的提高可以顯著增強天氣雷達(dá)對弱天氣目標(biāo)的探測能力,。同時,， 因信噪比有所損失,圖4(c)發(fā)射信號的樣本峰值功率比圖4(b)略低。

    在全固態(tài)天氣雷達(dá)發(fā)射峰值功率受限的情況下,，脈沖壓縮技術(shù)可以很好地解決發(fā)射寬脈沖所帶來的探測距離與距離分辨力的矛盾,。本文首先介紹了LFM信號脈沖壓縮技術(shù)的原理，其次采用海明加權(quán)的方式對脈壓輸出波形的距離旁瓣進(jìn)行有效抑制并進(jìn)行了理論仿真,，在此基礎(chǔ)上將脈沖壓縮技術(shù)在工程應(yīng)用中進(jìn)行了實現(xiàn),。最后，利用全固態(tài)天氣雷達(dá)探測到的天氣回波強度信息對脈沖壓縮理論仿真結(jié)果進(jìn)行分析與驗證,。結(jié)果表明,脈沖壓縮技術(shù)在全固態(tài)天氣雷達(dá)中得到了較好的實現(xiàn),探測到的天氣回波特征與理論分析結(jié)果相一致,。
參考文獻(xiàn)
[1] 邱金恒，陳洪濱. 大氣物理與大氣探測學(xué)[M].北京：氣象出版社,，2006
[2] 何建新.現(xiàn)代天氣雷達(dá)[M].成都：電子科技大學(xué)出版社,，2004.
[3] SKOLNIK M. 雷達(dá)手冊[M]. 南京電子技術(shù)研究所，譯. 北京：電子工業(yè)出版社,，2010.
[4] 張直中.雷達(dá)信號的理論及脈沖壓縮[J].電子學(xué)報,，1962,1(2)：1-14.
[5] 陳勇，姚新宇,，潘玉林,，等. 雷達(dá)實時仿真中的脈沖壓縮技術(shù)研究[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2012,，38(1)：118-119.
[6] 劉敬興. 地面探測脈沖壓縮雷達(dá)的動目標(biāo)檢測[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2010,36(1)：132-135.
[7] 林茂庸，柯有安. 雷達(dá)信號理論[M].北京：國防工業(yè)出版社,，1984.