双极化多普勒天气雷达信号处理系统研究与应用

1. 课题来源与背景： 项目组于1992年开展多普勒天气雷达信号处理系统研制。2000年，研制出第一代多普勒天气雷达信号处理系统，并装备于全国布网的新一代多普勒天气雷达系统中。这是国内第一个可以用于业务观测与测量的系统。至2003年之前，已装备近30台套。2003年，项目受到四川省青年科技基金（编号：03ZQ026-053）的资助。在项目管理部门和项目特聘专家组的指导下，经过项目研究小组共同努力，成功研制出了双极化多普勒天气雷达信号处理系统（兼容多普勒天气雷达信号处理）。该系统继续装备在国家布网的新一代多普勒天气雷达系统中（已装备102台套）。项目整体进展达到甚至超过预先设定的目标，改变了多普勒信号处理主要靠国外进口的局面，显著提高了天气雷达系统的探测能力。项目取得的成果总体达到国际先进水平。

2. 技术原理与性能指标： 双极化多普勒天气雷达信号处理系统由数字化中频处理模块、定时与控制模块、信号处理运算模块（含DSP处理器）、主控计算机及软件五部分组成。它不仅要完成信号处理算法，输出七个基本谱数据产品，同时还要参与雷达系统整机定时、控制和系统标校等过程，其作用类似“神经中枢”。为使雷达系统按预设工作模式正常运行，双极化多普勒天气雷达信号处理系统要完成以下五种主要功能： ① 中频信号数字化采样与正交鉴相； ② 雷达整机定时与控制； ③ 多普勒信号处理与数据质量控制； ④ 双极化信号处理； ⑤ 雷达系统标定。

3. 技术的创造性与先进性： 该信号处理系统主要采取了以下先进技术：

   • 超大规模FPGA+DSP技术实现天气雷达系统信号处理算法与全机定时与控制功能，大大减小了信号处理系统体积，提高了可靠性，易于维护；
   • 将雷达系统在线标定功能与信号处理功能集成在同一硬件环境中，并采用相同算法模块，避免了标定与实际运行脱节，大大提高了雷达系统测量稳定性与可靠性；
   • 采用高速A/D带通采样技术和超大规模FPGA实现数字中频采样与处理，运用饱和补偿技术扩展中频处理输出的基带信号动态范围，动态范围可达93dB以上；
   • 运用多种提高天气雷达数据质量算法（重复扫描、双PRT、相位编码、批式处理），减轻数据模糊；
   • 使用模糊逻辑法，对含有地杂波的同相正交数据进行处理，生成实时杂波图。自动适应杂波强度五阶椭圆IIR滤波器实现地物杂波抑制，抑制比可优于50dB；
   • 可在雷达联机实时工作时，实时存储IQ数据，数据率可满足＞96Mbps；
   • 脉冲对法和快速傅立叶变换法用于参量估计，强度估计精度优于1dBz，速度估计精度优于1m/s；
   • 具有双极化双通道多普勒天气雷达信号处理扩展能力，易于升级。鉴定委员会一致认为研究成果达到国内领先、国际先进水平。

4. 技术的成熟程度，适用范围和安全性： 通过攻克双极化多普勒天气雷达信号处理系统关键技术，在使其具备产品化与市场推广的技术基础上，项目组与相关企业合作实现了成果的产品转化。并已应用于气象、民航、军队等单位中的天气雷达系统中。经长期业务考核，该信号处理系统性能稳定、运行可靠、安全性好。

5. 应用情况： 为适应气象防灾减灾的需求，国务院决定自1998年起在全国布设新一代多普勒天气雷达网，第一期计划布设158台，于2009年底完成。北京敏视达雷达有限公司（简称敏视达公司）是新一代天气雷达主要供货商，该公司为中国气象局所提供的新一代多普勒天气雷达均采用该项目组研制的信号处理系统。另外，2004年起北京雷音电子技术开发有限公司为中国民航、中国海军提供的天气雷达系统开始使用该信号处理系统。并于2009年成都锦江电子系统工程有限公司在其研制的某气象雷达系统中使用了该信号处理系统。

1、课题来源与背景：项目组于1992年开展多普勒天气雷达信号处理系统研制，2000年研制出第一代多普勒天气雷达信号处理系统并装备于在全国布网的新一代多普勒天气雷达系统中，是国内第一个可以用于业务观测与测量的系统，2003年之前装备近30台套。2003年受到四川省青年科技基金(编号：03ZQ026-053)的资助，在项目管理部门、项目特聘专家组的指导下，经过项目研究小组共同努力，成功研制出了双极化多普勒天气雷达信号处理系统(兼容多普勒天气雷达信号处理)并继续装备在国家布网的新一代多普勒天气雷达系统(已经装备102台套)中，项目整体进展达到甚至超过预先设定的目标，改变了多普勒信号处理主要靠国外进口的局面，显著提高了天气雷达系统探测能力。项目取得的成果总体达到国际先进水平。2、技术原理与性能指标：双极化多普勒天气雷达信号处理系统由数字化中频处理模块、定时与控制模块、信号处理运算模块(含DSP处理器)、主控计算机及软件五部分组成。它不仅要完成信号处理算法，输出七个基本谱数据产品，同时还要参与雷达系统整机定时、控制和系统标校等过程，其作用类似“神经中枢”。为使雷达系统按预设工作模式正常运行，双极化多普勒天气雷达信号处理系统要完成：①中频信号数字化采样与正交鉴相；②雷达整机定时与控制；③多普勒信号处理与数据质量控制；④双极化信号处理；⑤雷达系统标定五种主要功能。3、技术的创造性与先进性：该信号处理系统主要采取了下列先进技术：超大规模FPGA+DSP技术实现天气雷达系统信号处理算法与全机定时与控制功能，大大减小了信号处理系统体积，提高了信号处理系统可靠性，易于维护；将雷达系统在线标定功能与信号处理功能集成在同一硬件环境中，并且采用相同算法模块，避免了标定与实际运行脱节，大大提高了雷达系统测量稳定性与可靠性；采用高速A/D带通采样技术和超大规模FPGA实现数字中频采样与处理，运用饱和补偿技术扩展中频处理输出的基带信号动态范围，动态范围可达93dB以上；运用多种提高天气雷达数据质量算法(重复扫描、双PRT、相位编码、批式处理)，减轻数据模糊；使用模糊逻辑法，对含有地杂波的同相正交数据进行处理，生成实时杂波图。自动适应杂波强度五阶椭圆IIR滤波器实现地物杂波抑制，抑制比可优于50dB；可在雷达联机实时工作时，实时存储IQ数据，数据率可满足＞96Mbps；脉冲对法和快速傅立叶变换法用于参量估计，强度估计精度优于1dBz，速度估计精度优于1m/s；具有双极化双通道多普勒天气雷达信号处理扩展能力，易于升级。鉴定委员会一致认为研究成果达到国内领先、国际先进水平。4、技术的成熟程度，适用范围和安全性：通过攻克双极化多普勒天气雷达信号处理系统关键技术，在使其具备产品化与市场推广的技术基础上，项目组与相关企业合作实现了成果的产品转化。并已应用于气象、民航、军队等单位中的天气雷达系统中。经长期业务考核，该信号处理系统性能稳定、运行可靠、安全性好。5、应用情况：为适应气象防灾减灾的需求，国务院决定自1998年起在全国布设新一代多普勒天气雷达网，第一期计划布设158台，于2009年底完成。北京敏视达雷达有限公司(简称敏视达公司)是新一代天气雷达主要供货商，该公司为中国气象局所提供的新一代多普勒天气雷达均采用该项目组研制的信号处理系统。另外，2004年起北京雷音电子技术开发有限公司为中国民航、中国海军提供的天气雷达系统开始使用该信号处理系统。并于2009年成都锦江电子系统工程有限公司在其研制的某气象雷达系统中使用了该信号处理系统。