用FPGA实现的雷达接收机高精度实时噪声估计_2013年11月18日.doc

用FPGA实现的雷达接收机高精度实时噪声估计2013年11月18日1 遇到的问题最近在进行MultiLag和 GMAP的研究中，发现雷达接收机噪声值的准确估计，非常重要。例如：l 在DBZ的计算中，需要先计算出SNR，再和dBZ0结合，计算出DBZ；l 在CORR的计算中，需要先计算出SNR，再进行修正；l 在GMAP算法中，需要将噪声功率折算到频域，以便进行回波的检测；l 另外，噪声也是判断雷达接收机是否正常工作的一个重要指标。11月18日，看了“ONLINE DETERMINATION OF NOISE LEVEL IN WEATHER RADARS.pdf”的文章，该文章介绍了采用几种方法，将同一个距离单元上的回波能量和噪声的能量进行分离。有各种各样的方法，基于噪声的时域特性、基于噪声的频谱特性等。但这些方法我认为都存在问题：l 如果大面积的强回波，则容易将回波也统计进来，高重频下更会造成这个问题，即使有各种判断准则，但难免会有漏网之鱼；l 统计的点数不够多，造成噪声估计结果的波动达到0.2dB以上；l 计算复杂。于是，我结合数字中频接收机硬件技术的发展，设计了一个基于用FPGA实现的雷达接收机高精度实时噪声估计的方案，其核心就是利用FPGA丰富的运算资源，设计一路独立的数字下变频通道，该通道的载频和雷达发射的载频相差十几MHz，专门用于噪声的估计，这样就不受发射能量的影响了，就能将噪声统计的非常精确了。1.1 引起噪声变化的外部因素l 随着仰角的不同而变化，幅度可达1dB。当对准太阳时，则会增加好几dB。在很低的仰角时，会受到外部别的雷达的干扰。如下图：图 11 噪声随仰角的变化l 随着方位的不同而变化，特别是低仰角，幅度可达1.5dB，如下图：图 12 噪声随方位的变化变化的原因：l 在低仰角，外部低层大气和地面的黑体辐射噪声，会让雷达接收机收到的噪声功率增加；l 在很低仰角，噪声值的突然变化，是由于外部干扰造成的；l 噪声随方位的变化，是由于在不同方位上，存在遮挡造成的（但这个原因还需要进行验证）。1.2 引起噪声变化的内部因素l 接收机的温度变化，会引起噪声系数的变化。一般而言，温度从25度到85度，噪声系数要恶化0.5dB左右（现代雷达一般都包括机内的噪声系数测试设备，可以很精确的测出接收机的噪声系数）。需注意：噪声系数的变化会引起接收机最小可检测功率的变化，从而会引起dBZ0的变化。图 13 典型的低噪声放大器的噪声系数随温度的变化l 接收机的温度变化，会引起增益的变化。一般而言，对于一级放大器，温度从25度到85度，增益要减少0.7dB左右。接收机一般由多级放大器组成，因此增益要减少2dB左右。图 14 典型的放大器的增益随温度的变化l 接收机工作频点的变化，会引起接收机噪声系数和增益的变化，变化的量级不确定。由于气象雷达频点变化的范围窄，因此变化一般不会超过1dB。1.3 噪声估计的难点l 要有足够多的点数，才能估计精确，随机误差才足够小。我认为要对10万个点进行平均，起伏才可以低于0.1dB，如下图：。图 15 经过了500*180个点的平均的噪声估计结果l 在进行噪声统计的时候，雷达的发射机不能关闭。由于噪声随仰角、方位、温度，随时会发生变化，因此就不能再采用传统的方法了：在某个时刻将发射机关闭，进行噪声的统计。2 采用FPGA、设计一个独立的噪声专用估计通道2.1 方法概述在FPGA内部设计一路独立的数字下变频通道（水平、垂直各要1个），其滤波器的带宽设计为0.5MHz（对应的中频带宽为1MHz），数字下变频的中心频率可调，由计算机设定，可将其设定在发射信号的频谱之外10MHz左右。（由于现代数字中频接收机内部的FPGA的资源非常丰富，运算能力可达到千亿次/秒，增加这个功能，只需要耗费约20亿次/秒的运算量，肯定没问题）在雷达每次发射触发脉冲之后，等待约几百us的一小段时间（由计算机设定，一般是量程的一半），然后对该通道的IQ数据进行求模，然后进行距离积分，一直积分到雷达的最远量程。然后将积分后的结果打包传给计算机。每个雷达触发，都会有1个积分的结果（水平、垂直各有1个）。上层计算机软件再将每个触发下的噪声结果，再度进行相关脉冲之间的累加（可能要先排序，去除偶尔的干扰），从而得到最终的结果。这样，由于该独立的数字下变频通道的频带和发射信号是不重叠的，因此发射的能量对其没有影响。当然，实际上发射的频谱会有一点泄露，但应该不大，-50dB的隔离度（即带外杂散的指标）应该是有的。如果对发射波形升余弦加权等处理，隔离度应该更好。也就是说，在这个独立的通道，也能收到一点云雨的回波，但很弱，比正常的回波要弱50dB以上。因此在距离比较远的地方（从量程的一半开始），我们可以认为此处已经没有气象回波了，都是接收机的噪声了。另外，对于现代雷达的数字中频接收机，其模拟电路部分的带宽已经设计的比较宽了，一般都有十几几十MHz，都采用100MHz左右的高精度AD转换器进行量化，然后再用数字技术，从中选取所需要的带宽。也就是说，在雷达接收机中实现上述的功能（在FPGA中额外增加一个接收通道），不需要增加任何硬件电路，只需要修改FPGA的程序即可。2.2 该方法的依据l 对于接收机而言，仅仅相差十几MHz，其噪声系数是不会明显差别的。典型的LNA的噪声系数，1GHz才变化0.2dB；l 对于外部的噪声源（太阳等），仅仅相差十几MHz，其噪声也不会有差别；l 但是，相差十几MHz，会引起增益的差别（滤波器的带内平坦度,会引起噪声幅度的差别）。幸运的是，这些差别是基本不会变化的。我们可以先将发射机关闭，将噪声统计通道的中心频率调节到和发射频率相同，测一下此时的噪声值。然后再将噪声统计通道的中心频率调偏，测一下噪声值。两者之差，就是相差十几MHz所引起的差别，可以记录下来，供修正。这个修正量应该是不会随着温度、雷达工作频点、天线的方位和仰角而变化的，应该是一个常量。2.3 进行FPGA编程的注意点l 在进行噪声的积分之前，需要先采用一些判断准则，去除外部的干扰信号，主要是脉冲干扰。判断的门限可以是前一个周期的噪声功率平均值的16倍。如果超过了这个值，就认为这个值不是噪声，不将这个值计入统计的结果。l FPGA中只需要完成将值加起来，至于平均的事情，可以由上层计算机软件来完成，因为FPGA难以进行除