摘要：针对某型L波段探空气象雷达的特点，提出了一种基于单片机参与控制的智能频率跟踪、搜索，内置标校信号源的接收机方案。解决了雷达在跟踪探空气球携带的探空仪器过程中，出现的信号手动搜索时间长、频率跟踪捕捉范围窄、保持范围小、容易失锁等问题。同时，该接收机显著简化了雷达的操作流程，有效提高了系统的智能化程度，并且加强了接收机的可检测性、可维修性。
关键词：探空气象雷达；接收机；频率跟踪
1 引言
目前国内外高空气象探测雷达基本采用雷达测距模式的二次雷达和无发射的无线电经纬仪模式。其主要工作原理如下：施放高空气球，通过携带的探空仪器（以下简称探空仪）实时检测高空的温度、湿度、气压等数据，调制后向空间发出高频电磁信号；此时地面处雷达则以探空仪发射的信号作为信标，连续跟踪气球携带的探空仪信号，并实时解调出温度、湿度、气压等探空信息。在整个探空过程中，存在如下问题：首先是探空仪硬件电路设计中存在的信号频率稳定度较差，这是因为探空仪为一次性消耗器材，从成本考虑，发射功放电路和载波振荡电路共用一只晶体管，采用分布参数的电容三点式振荡电路设计而成，这造成探空信号的频率稳定度不高；其次是探测环境温差过大导致探空仪发射的载波信号频漂大，探空仪从地面至高空的飞行过程中，近地面的最高温度可达40℃左右，而高空最低温度可至-60℃以下，较大的温度变化会使探空仪的发射频率出现偏移，载频可偏移达6MHz甚至更多；此外，远距离探空时雷达接收机端口的信号功率相较于地面处小很多（探空气球在高空大风情况下，距离雷达最远能达到200Km左右），这意味着整个探空过程信号功率变化范围很大。综上所述，为了稳定地得到探空数据，要求接收机动态范围广，频率跟踪范围大。为了解决上述问题，早期的雷达接收机通过将鉴频解调出的频率误差电压直接控制本振压控振荡器的方法保证得到稳定的中频信号，其缺点是信号搜索需要人工手动完成，频率跟踪保持范围窄，剩余频差大，在探空仪频率漂移大的情况下易出现频率失锁，需要人工调节本振控制电压，操作复杂，对人员的技术要求较高。鉴于此，本文介绍了如下的接收机方案：包括采用数字频率合成器作为本振源，通过A/D变换实时采样鉴频误差，通过数字方式直接控制本振，从而使接收机的工作频率能够实时随探空仪频率的变化而变化，跟踪误差始终保持在100KHz以内，全程无需人工干预，且能够实现频率自动搜索功能。此外，还在接收机内预置了一个可以模拟探空仪编码的标校信号源，实现自动的接收机功能检测，提高了接收机的可检测性及可维修性。
2接收机工作原理及电路设计
2.1接收机方案设计
接收机由变频接收单元和中频解调单元两部分组成。探空仪发射的射频信号在变频接收单元中进行低噪声放大、变频、中频放大等处理，输出中频信号至中频单元。另外，高频单元中增加了一个模拟探空仪的标校信号，用于接收机的链路检测。中频单元中，中频信号分为两路，一路经过放大、线性检波，AGC电压滤波处理，产生增益控制电压控制变频接收单元的增益，实现大动态线性接收；另一路经限幅放大，调频解调，AFC电压滤波处理，A/D变换，得到频率误差电压，经单片机处理后通过串口控制变频接收单元的本振，实现自动频率跟踪。接收机的工作原理如图1所示：
图1 接收机原理框图
相比于传统模式的接收机，这套接收机的改进和特点主要包括：
本振频率控制模式由传统的模拟压控方式改进为数控方式，解决了传统接收机本振频率的温度漂移过大，频率搜索不变的问题，加强了操作性，同时自动频率跟踪功能更加稳定，整个接收系统的自动化、智能化水平大幅提高；此外，接收机还增加了模拟探空仪的标校信号源，实现接收机的内部自检功能，加强了系统的检测维修性。
接收机的主要技术指标如下：
工作频率范围：f0±12MHz；
中频频率：30MHz；
系统带宽：1MHz±0.2MHz；
噪声系数：≤2dB；
2.2变频接收单元设计
图2 变频接收单元原理框图
变频接收单元的原理框图如图2所示。为保证接收机有较小的噪声系数，变频接收单元前级采用高增益低噪声系数的放大器（SPF5344Z），增益约30dB。同时为了实现标校功能，在低噪放之前插入耦合器，标校状态下模拟探空仪的标校信号通过耦合器进入接收机，通过终端解析出的编码信息可以完成接收机的功能检查。耦合器也可以采用射频开关，采用开关的优点是标校时可以隔离从天线进来的噪声信号，但缺点是会增加接收机的噪声系数。因此，本文中的接收机采用的是传输线耦合方式，以定性检测为主。低噪放之后是一级受增益控制电压控制的PIN管压控衰减器，衰减范围30dB以上，以保证接收机前级有大的动态范围。信号在进入下变频之前插入了一个射频腔体滤波器，该滤波器可以提高接收机的选择性，保证接收机的带外抑制。下变频采用动态范围大的无源混频器，混频后经中频选择滤波后进入带增益控制的前级中频放大器，中频放大器采用AD8367可变增益IF放大器，该芯片的增益控制范围可达45dB。采用射频增益和中频增益两级控制的方法，既保证了接收机的动态范围不低于70dB，也保证了接收机每一级均不会进入饱和状态，实现接收机的大动态线性放大。
本振电路采用LMX2326和单片VCO组成的频率合成器，本振频率通过单片机PIC16F87XA进行控制，频率合成器的步进设为50KHz和100KHz两种。单片机通过串口接收来自中频解调单元的频率控制指令，标校控制指令。标校信号采用和本振相同的电路形式，频率固定在1675MHz，此外，单片机还产生一个模拟探空仪的编码信号，通过调频方式调制在标校信号的载波上，以达到模拟探空仪信号的目的。标校信号频率比标校信号的开启和关闭受单片机的控制，当处于工作状态时，标校信号处于关闭状态。
2.3中频解调单元设计
中频解调单元的设计如图3所示。中频信号进入中频解调单元之后首先进行中频滤波和中频放大，根据探空仪信号的调制信号频谱占用宽度，中频滤波器的带宽选择为探空仪信号带宽的2倍，约1MHz。中频放大后信号功分为2路，一路进行线性检波，检波电压经AGC滤波和处理后去控制变频接收单元的增益，保持整个接收机输出幅度的稳定。另一路通过鉴频器进行调频解调，取出其中直流的频率误差分量经AFC滤波处理后进行A/D变换，将频率误差量转换为数字量，通过单片机处理后向变频单元发出频率控制指令，调节本振频率使输出的中频频率始终保持在30MHz。其中鉴频电路采用单片限幅放大器和一个乘法器组成，单片机采用PIC16F87XA，其内部集成有A/D模数转换单元。
图3 中频解调单元原理框图
由于探空仪采用了32kHz的副载波二次调制模式，鉴频输出信号同时还经过副载波滤波器提取出32kHz的副载波分量，再经放大检波解调出探空编码信息，经单片机处理后和接收机的信息一起送往雷达的终端处理计算机。计算机通过该串口获取信息并实时对接收机进行控制。
3设计结果及验证
根据雷达灵敏度计算公式：
S=-114+NF+10lgB+10lgSNR
当接收机噪声系数为2，带宽为1MHz，信噪比SNR为2时的灵敏度为-111dBm左右。经实测，本文所介绍的接收机实际灵敏度为-110dBm左右，总增益最大110dB，输入信号功率-20dBm至-100dBm之间均可以得到良好的线性放大，动态范围达到了80dB。频率跟踪方面，通过对AFC滤波的调整以及频率合成器步进间隔和步进速度的调整，在-80dBm功率的弱信号下，当输入信号以每秒1MHz的速率进行变化时，接收机仍能保持良好的频率跟踪。通过软件的优化设计，接收机的操作也极其简单，通过搜索命令，即可快速的搜索并跟踪上探空仪的信号，在探空气球施放阶段，不再需要人工的干预。
4结束语
本文介绍了一种L波段二次气象雷达的接收机设计方案及设计结果验证。对于探空仪这种频率随时漂移变化的的信号的接收，改变了以往常规的AFC跟踪方案，采用数字频率合成器作为本振，采用单片机对频率误差进行采样并通过串口控制本振的频率变化，实时跟踪信号的频率变化。实践证明，本文所介绍的接收机频率跟踪能够达到一次搜索，全程锁定，频率跟踪范围大，自动化程度高。由于接收机内部增加了模拟标校信号源，接收机的检测维修性也得到了大大的提高。
参考文献：
[1]丁鹭飞 陈建春，“雷达原理”，电子工业出版社，2009.
[2]焦中生 沈超玲 张云，“气象雷达原理”，气象出版社，2011
[3]崔志伟，“小型低相位噪声毫米波频率合成源技术研究”，电子科技大学硕士论文，2005。
论文作者:宫和斌
论文发表刊物:《电力设备》2019年第2期
论文发表时间:2019/6/6
标签：接收机论文; 频率论文; 中频论文; 信号论文; 增益论文; 单元论文; 单片机论文; 《电力设备》2019年第2期论文;