多参数模拟气象雷达回波发生装置及发生方法

摘要

本发明公开了一种多参数模拟气象雷达回波发生装置，包括工控机、上变频模块和雷达状态环境模拟单元，工控机内设置有气象参数库、实现人机交互的控制模块、基于高斯谱自动适应拟合算法的I/Q数据生成模块和基于PCI接口的FPGA处理卡；本发明还公开了一种多参数模拟气象雷达回波发生方法，包括气象参数库生成、I/Q数据生成和上变频处理，其特征在于：所述I/Q数据生成包括以下过程：建立两路信号的功率谱；生成复数谱；进行离散时间傅立叶逆变换；引入相关系数ρ_hv；引入符合高斯分布的杂波；确定迭代公式和迭代终止条件，生成最终的I/Q数据。通过本发明可产生各种体制下的气象雷达模拟回波，满足市场需求。

主权项

1.一种多参数模拟气象雷达回波发生方法，由多参数模拟气象雷达回波发生装置实现，所述多参数模拟气象雷达回波发生装置包括工控机、上变频模块和雷达状态环境模拟单元，所述工控机内设置有气象参数库、实现人机交互的控制模块、基于高斯谱自动适应拟合算法的I/Q数据生成模块和基于PCI接口的FPGA处理卡，所述I/Q数据生成模块的信号输出端和所述控制模块的信号输出端分别与所述FPGA处理卡的信号输入端连接，所述上变频模块的信号输入端和所述雷达状态环境模拟单元的信号输入端分别与所述FPGA处理卡的信号输出端连接；所述多参数模拟气象雷达回波发生方法包括气象参数库生成、I/Q数据生成和上变频处理，其特征在于：所述I/Q数据生成包括以下过程：（1）在功率谱符合高斯分布的基础上，分别建立以下两路信号的功率谱：$R_h\left(k\right)=\frac{{\mathrm{NP}}_h}{\sqrt{2\pi }{\sigma }_f}\exp [-\frac{{(\mathrm{k\Delta f}-f_d)}^2}{{2\sigma }_f^2}]=P_{h}R\left(k\right),k=\mathrm{0,1,2}...N-1$（式1）$R_v\left(k\right)=\frac{{\mathrm{NP}}_v}{\sqrt{2\pi }{\sigma }_f}\exp [-\frac{{(\mathrm{k\Delta f}-f_d)}^2}{{2\sigma }_f^2}]=P_{v}R\left(k\right)$（式2）其中，$P_h=\frac{\mathrm{CZ}}{R^2},f_d=\frac{2V}{\lambda },{\sigma }_f=\frac{2W}{\lambda };$上述所有公式中，R_h、R_v分别为水平极化与垂直极化两个通道的信号功率谱函数，N为样本数，Δf为乃奎斯特区间内的最小频率单元，P_h、P_v分别为水平极化与垂直极化的回波功率，f_d、σ_f分别为多普勒频率与多普勒谱宽，C为雷达常数、R为径向距离，λ为雷达工作波长，Z为反射率因子、V为径向的平均速度，W为速度谱宽；（2）按以下公式生成复数谱：$F_h\left(k\right)=\sqrt{P_{h}R\left(k\right)}\exp \left[j(\psi \left(f\right)+{\Phi }_{\mathrm{DP}})\right]$（式3）$F_v\left(k\right)=\sqrt{{10}^{\frac{-Z_{\mathrm{DR}}}{10}}{P}_{v}R\left(k\right)}\exp \left[\mathrm{j\psi }\left(f\right)\right]$（式4）其中，$Z_{\mathrm{DR}}=10\log \frac{P_h}{P_v};$上述所有公式中，Z_DR为差分反射率，Ф_DP为差分相位，ψ(f)为随机相位谱；（3）对式3、式4进行离散时间傅立叶逆变换得到I/Q时间序列SIG_h与SIG_v，即：SIG_h＝IDFT(F_h)   （式5）SIG_v＝IDFT(F_v)   （式6）（4）引入相关系数ρ_hv，使下述式7成立：$\mathrm{SCR}\left(\right|{\rho }_{\mathrm{hv}}\left|\right)\approx \frac{0.65\left|{\rho }_{\mathrm{hv}}\right|}{1-\left|{\rho }_{\mathrm{hv}}\right|}$（式7）其中，SCR为信杂比，ρ_hv为水平通道与垂直通道的零延时互相关系数；（5）在信号中引入符合高斯分布的杂波，I/Q信号进一步发展为：$S_h={\left(\frac{\mathrm{SCR}\left(\right|{\rho }_{\mathrm{hv}}\left|\right)}{\mathrm{SCR}\left(\right|{\rho }_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{\mathrm{SIG}}_h+{\left(\frac{P_h}{\mathrm{SCR}\left(\right|{\rho }_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{C}_h$（式8）$S_v={\left(\frac{\mathrm{SCR}\left(\right|{\rho }_{\mathrm{hv}}\left|\right)}{\mathrm{SCR}\left(\right|{\rho }_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{\mathrm{SIG}}_v+{\left(\frac{{10}^{\frac{-Z_{\mathrm{DR}}}{10}}{P}_h}{\mathrm{SCR}\left(\right|{\rho }_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{C}_v$（式9）其中，C_h与C_v是平均功率为1的杂波序列，二者互相关为零；（6）以模拟结果与期望值的偏差为控制因子自适应调整杂波功率，当偏差不超过模拟精度时，停止模拟；迭代方程为：$S_h={\left(\frac{(1-ϵ)\mathrm{SCR}\left(\right|{\rho }_{\mathrm{hv}}\left|\right)}{(1-ϵ)\mathrm{SCR}\left(\right|{\rho }_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{\mathrm{SIG}}_h+{\left(\frac{P_h}{(1-ϵ)\mathrm{SCR}\left(\right|{\rho }_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{C}_h$（式10）$S_v={\left(\frac{(1-ϵ)\mathrm{SCR}\left(\right|{\rho }_{\mathrm{hv}}\left|\right)}{(1-ϵ)\mathrm{SCR}\left(\right|{\rho }_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{\mathrm{SIG}}_v+{\left(\frac{{10}^{\frac{-Z_{\mathrm{DR}}}{10}}{P}_h}{(1-ϵ)\mathrm{SCR}\left(\right|{\rho }_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{C}_v$（式11）迭代的终止条件为：max|ε|＜T_d，T_d为模拟精度；其中，ε为控制因子，S_h、S_v分别为最终生成的两路信号的I/Q数据。