宽带天气雷达数字化采集模块的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种宽带天气雷达数字化采集模块，包括采集单元和处理单元，所述采集单元包括信号调理电路、模数转换器、相参采样时钟发生器、时钟信号处理电路、时钟信号隔离驱动电路和数字信号隔离驱动电路，所述处理单元包括DDC控制器、接收电路、饱和补偿电路和触发信号处理电路。本实用新型宽带天气雷达数字化采集模块在输入信号强度大于-69dBm时，与传统的欠采样技术得出的功率曲线相同；在输入信号小于-69dBM时，过采样技术比欠采样技术可检测的最小信号更弱，从而拓展了采样的动态范围，提高了雷达天气弱回波下气象参数估计精度。
【专利说明】宽带天气雷达数字化采集模块
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及天气信号的采集与处理领域，尤其涉及一种宽带天气雷达数字化 采集模块。
【背景技术】
[0002] 天气雷达多为脉冲雷达，它以一定的重复频率发射出持续时间很短（0. 25?4微 秒）的脉冲波，然后接收被降水粒子散射回来的回波脉冲。降水对雷达发射波的散射和吸 收同雨滴谱、雨强、降水粒子的相态、冰晶粒子的形状和取向等特性有关。因此，分析和判定 降水回波，可以确定降水的各种宏观特性和微物理特性。在降水回波功率和降水强度之间 已建立有各种理论和经验的关系式，利用这些关系，可以根据回波功率测定雷达探测范围 内的降水强度分布和总降水量。目前，天气雷达信号处理使用欠采样技术进行数字化中频 处理，但是欠采样技术存在下述技术缺陷：（1)信号采样速率相对较低（主要在IOOMhz以 下），（2)信号采样位数相对较少（主要在14位以下），（3)噪声抑制技术较差，从而导致欠 采样技术在弱回波下气象参数估计精度较低。 实用新型内容
[0003] 本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种宽带天气雷达数字化采 集模块。
[0004] 本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：
[0005] 一种宽带天气雷达数字化采集模块，包括采集单元和处理单元，所述采集单元包 括中频信号调理电路、模数转换器、相参采样时钟发生器、时钟信号处理电路、时钟信号隔 离驱动电路和数字信号隔离驱动电路，所述中频信号调理电路的信号输出端与所述模数转 换器的信号输入端连接，所述相参采样时钟发生器的信号输出端与所述时钟信号处理电 路的信号输入端连接，所述时钟信号处理电路的信号输出端分别与所述时钟信号隔离驱动 电路的信号输入端和所述模数转换器的时钟信号输入端连接，所述模数转换器的信号输出 端与所述数字信号隔离驱动电路的信号输入端连接，所述处理单元包括DDC控制器、接收 电路、饱和补偿电路和触发信号处理电路，所述接收电路的信号输入端与所述数字信号隔 离驱动电路的信号输出端连接，所述接收电路的信号输出端与所述DDC控制器的信号输入 端连接，所述DDC控制器的信号输出端与所述饱和补偿电路的信号输入端连接，所述饱和 补偿电路的时钟信号输入端与所述时钟信号隔离驱动电路的信号输出端连接，所述饱和补 偿电路的补偿信号输出端与所述DDC控制器的补偿信号输入端连接，所述触发信号处理电 路的信号输出端与所述DDC控制器的触发信号输入端连接。
[0006] 进一步，所述处理单元还包括初始化电路，所述初始化电路与所述DDC控制器的 复位信号输入端连接。
[0007] 具体地，所述中频信号调理电路的信号输入端为IF输入端，所述相参采样时钟发 生器的信号输入端为采样信号输入端，所述触发信号处理电路的信号输入端为同步信号输 入端，所述饱和补偿电路的信号输入端为I/Q输出端。
[0008] 本实用新型的有益效果在于：
[0009] 本实用新型宽带天气雷达数字化采集模块在输入信号强度大于_69dBm时，与传 统的欠采样技术得出的功率曲线相同；在输入信号小于_69dBM时，过采样技术比欠采样技 术可检测的最小信号更弱，从而拓展了采样的动态范围，提高了雷达天气弱回波下气象参 数估计精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是本实用新型所述宽带天气雷达数字化采集模块的结构框图；
[0011]图2是过采样技术与欠采样技术的动态范围曲线图。
【具体实施方式】
[0012] 下面结合附图对本实用新型作进一步说明：
[0013] 如图1所示，本实用新型宽带天气雷达数字化采集模块，包括采集单元和处理单 元，采集单元包括中频信号调理电路、模数转换器、相参采样时钟发生器、时钟信号处理电 路、时钟信号隔离驱动电路和数字信号隔离驱动电路，中频信号调理电路的信号输出端与 模数转换器的信号输入端连接，相参采样时钟发生器的信号输出端与时钟信号处理电路的 信号输入端连接，时钟信号处理电路的信号输出端分别与时钟信号隔离驱动电路的信号输 入端和模数转换器的时钟信号输入端连接，模数转换器的信号输出端与数字信号隔离驱动 电路的信号输入端连接，处理单元包括DDC控制器、接收电路、饱和补偿电路、触发信号处 理电路和初始化电路，接收电路的信号输入端与数字信号隔离驱动电路的信号输出端连 接，接收电路的信号输出端与DDC控制器的信号输入端连接，DDC控制器的信号输出端与 饱和补偿电路的信号输入端连接，饱和补偿电路的时钟信号输入端与时钟信号隔离驱动电 路的信号输出端连接，饱和补偿电路的补偿信号输出端与DDC控制器的补偿信号输入端连 接，触发信号处理电路的信号输出端与DDC控制器的触发信号输入端连接，初始化电路与 DDC控制器的复位信号输入端连接，中频信号调理电路的信号输入端为IF输入端，相参采 样时钟发生器的信号输入端为采样信号输入端，触发信号处理电路的信号输入端为同步信 号输入端，饱和补偿电路的信号输入端为I/Q输出端。
[0014] 本实用新型宽带天气雷达数字化采集模块的工作原理如下：
[0015] 为了实现过采样来扩展动态范围，根据过采样定理和实现难度等要求，模数转换 器的采样率需要达到3?5倍的信号最高频率，所以模数转换器选用型号为ADS62P49的 14位的双通道模数转换器，其最大采样率支持250MHz，具有较高的动态范围、低功耗和操 作简单等优点。输入信号幅值IV，50Ω，物理接口为SMA。
[0016] 为了使模数转换的采样率保持稳定，相参采样时钟发生器的型号为AD9555,最大 的采样频率250MHz，同时模数转换器的输出信号传输到处理单元时，采用DDR-LVDS协议。
[0017] 该处理单元由通过硬件描述语言设置的FPGA芯片组成，该FPGA芯片的型号为 TMS320C6455，模数转换器把通过过采样采集到的数据，传输到FPGA中，在FPGA中的DDC控 制器中做数字下变频处理得到I/Q信号。对于模数转换器饱和造成的系统饱和，可以采用 饱和补偿电路对饱和点以上的6dB进行线性扩展，从而扩展系统的动态范围。
[0018] 通过试验对比，本方案使用过采样技术进行数字化正交鉴相。测试结果如下：
[0019] 运用过采样方法测试得到的动态范围数据，如下表所示：
[0020]
【权利要求】
1. 一种宽带天气雷达数字化采集模块，其特征在于：包括采集单元和处理单元，所述 采集单元包括中频信号调理电路、模数转换器、相参采样时钟发生器、时钟信号处理电路、 时钟信号隔离驱动电路和数字信号隔离驱动电路，所述中频信号调理电路的信号输出端与 所述模数转换器的信号输入端连接，所述相参采样时钟发生器的信号输出端与所述时钟信 号处理电路的信号输入端连接，所述时钟信号处理电路的信号输出端分别与所述时钟信号 隔离驱动电路的信号输入端和所述模数转换器的时钟信号输入端连接，所述模数转换器的 信号输出端与所述数字信号隔离驱动电路的信号输入端连接，所述处理单元包括DDC控制 器、接收电路、饱和补偿电路和触发信号处理电路，所述接收电路的信号输入端与所述数字 信号隔离驱动电路的信号输出端连接，所述接收电路的信号输出端与所述DDC控制器的信 号输入端连接，所述DDC控制器的信号输出端与所述饱和补偿电路的信号输入端连接，所 述饱和补偿电路的时钟信号输入端与所述时钟信号隔离驱动电路的信号输出端连接，所述 饱和补偿电路的补偿信号输出端与所述DDC控制器的补偿信号输入端连接，所述触发信号 处理电路的信号输出端与所述DDC控制器的触发信号输入端连接。
2. 根据权利要求1所述的宽带天气雷达数字化采集模块，其特征在于：所述处理单元 还包括初始化电路，所述初始化电路与所述DDC控制器的复位信号输入端连接。
3. 根据权利要求1所述的宽带天气雷达数字化采集模块，其特征在于：所述中频信号 调理电路的信号输入端为IF输入端，所述相参采样时钟发生器的信号输入端为采样信号 输入端，所述触发信号处理电路的信号输入端为同步信号输入端，所述饱和补偿电路的信 号输入端为I/Q输出端。
【文档编号】G05B19/04GK204256396SQ201420618492
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年10月23日 优先权日:2014年10月23日
【发明者】何建新, 黄兴有, 王振会 申请人:南京信息工程大学气象灾害预警预报与评估协同创新中心, 成都信息工程学院