[科普中國(guó)]-回波測(cè)量

概念簡(jiǎn)介

回波，是指通過(guò)不同于正常路徑的其他途徑而到達(dá)給定點(diǎn)上的信號(hào)?；夭óa(chǎn)生是由于信號(hào)經(jīng)反射物反射后，被反射物吸收一部回波產(chǎn)生是由于信號(hào)經(jīng)反射物反射后分能量，產(chǎn)生了具有衰減延遲的原信號(hào)，疊加上原信號(hào)形成。

回波測(cè)量即通過(guò)搭載在相應(yīng)平臺(tái)（如雷達(dá)）上的探測(cè)器測(cè)量回波信號(hào)，從而得到所需的各項(xiàng)物理信息。

超聲波檢測(cè)技術(shù)具有適中的分辨力和較低的成本優(yōu)勢(shì)，使之成為工業(yè)檢測(cè)中應(yīng)用較多的一種檢測(cè)方法。由于超聲檢測(cè)過(guò)程中的回波信號(hào)同時(shí)包含回波信號(hào)和各種噪聲信號(hào)，而且，微小回波信號(hào)微弱，易于被噪聲淹沒(méi)，因此，必須設(shè)法從嘈雜的波形中判斷出回波之所在。

目前，大部分的分析技術(shù)都是基于傅立葉變換，因而，無(wú)法將信號(hào)的時(shí)域特征和頻域特征有機(jī)地結(jié)合起來(lái)；而且，傅立葉譜僅能反映信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，不具備局部化分析信號(hào)的功能。在水中選用的超聲波探頭比空氣中的探頭具有更高的工作頻率，因此，具有更高的分辨力，可以用于范圍在幾十毫米內(nèi)距離變化的測(cè)量。1

測(cè)量回波信號(hào)原理假設(shè)空間信道為C(w)，發(fā)射信號(hào)為Stran(n)，當(dāng)發(fā)射天線發(fā)射的信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合回路信道被接收天線接收，因此回波信號(hào)Secho(n)實(shí)際上是由發(fā)射信號(hào)經(jīng)空間信道產(chǎn)生。Secho(n)=Stran(n)×C(w)

其中發(fā)射信號(hào)已知，故而只要能估計(jì)出空間信道狀況，就可以準(zhǔn)確地知道耦合的多徑回波有幾路，延遲分別為多少，各路回波的幅度等信息。

測(cè)量回波的方法分為2個(gè)部分：信道估計(jì)和自適應(yīng)跟蹤。其中信道估計(jì)利用了偽碼良好的自相關(guān)和弱互相關(guān)的特性，發(fā)射偽碼經(jīng)過(guò)信道被接收和本地碼字做相關(guān)運(yùn)算從而可以得出信道的沖擊響應(yīng)；自適應(yīng)跟蹤是在估計(jì)出的信道沖擊響應(yīng)的基礎(chǔ)上，精細(xì)的跟蹤信道的變化，從而使得估計(jì)出的信道去逼近真實(shí)的空間多徑信道。2

信道估計(jì)信道估計(jì)利用了偽隨機(jī)序列，它是用確定性方法產(chǎn)生的序列，但卻近似具有隨機(jī)產(chǎn)生序列所希望獲得的某些隨機(jī)特性。在現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和擴(kuò)頻系統(tǒng)中，抗干擾、抗截獲、信息數(shù)據(jù)隱蔽與保密、抗多徑干擾及抗衰弱、實(shí)現(xiàn)同步和捕獲等都與擴(kuò)頻碼的設(shè)計(jì)密切相關(guān)。偽隨機(jī)序列具有如下的期望特性：

1）非常尖銳的自相關(guān)特性；

2）極低的互相關(guān)特性；

3）不同碼元的平衡特性；

4）同樣長(zhǎng)度下足夠多的碼。

信道估計(jì)算法采用插入偽碼的方法，設(shè)計(jì)1個(gè)本地的CAZAC碼，該碼具有較強(qiáng)的自相關(guān)特性，啟動(dòng)時(shí)，將CAZAC序列發(fā)射，這樣可以利用CAZAC碼的特性進(jìn)行無(wú)線信道估計(jì)。該訓(xùn)練序列與其他信號(hào)不相關(guān)，因此可以采用相關(guān)的方法較精確的獲取回波信道的狀態(tài)響應(yīng)。2

自適應(yīng)跟蹤自適應(yīng)跟蹤采用LMS算法，LMS算法是1種應(yīng)用非常廣泛的隨機(jī)梯度算法。

算法的初始值W0(n)為信道估計(jì)的信道特性C(w)。參考信號(hào)從數(shù)字域引回本次傳輸?shù)男盘?hào)。最終自適應(yīng)系統(tǒng)收斂在最優(yōu)解上，使估計(jì)出來(lái)的信道逼近空間信道。2

回波測(cè)量誤差因素由雷達(dá)氣象方程可知, 引起反射率因子誤差主要由雷達(dá)本身的參數(shù)(如發(fā)射功率、波束寬度、天線增益、系統(tǒng)損耗等)、氣象因子(如折射指數(shù)、衰減系數(shù)、充塞系數(shù)等)、雷達(dá)距目標(biāo)物的距離等誤差引起, 這些因子通過(guò)相互影響共同制約著回波強(qiáng)度的誤差。3

信號(hào)處理方法不當(dāng)對(duì)于回波強(qiáng)度dBz定標(biāo)誤差范圍, 按新一代天氣雷達(dá)技術(shù)要求在±1 dB(常規(guī)天氣雷達(dá)應(yīng)小于2dB)范圍內(nèi), 如果誤差超過(guò)了該范圍, 應(yīng)根主要檢查:

①系統(tǒng)損耗中的各種損耗是否在信號(hào)處理中已考慮;

②大氣衰減因子Lat(雙程)損耗;

③系統(tǒng)損耗中已經(jīng)包含發(fā)射支路損耗, 雷達(dá)常數(shù)計(jì)算中, 發(fā)射機(jī)的輸出功率值就不要考慮發(fā)射支路損耗值；

④對(duì)于采用模擬對(duì)數(shù)中頻接收機(jī)的天氣雷達(dá)還要加上2.5 dB訂正值。3

信號(hào)源輸出誤差按理論計(jì)算中的dBpr值, 在回波強(qiáng)度dBz定標(biāo)檢查中就是信號(hào)源在接收機(jī)輸入端輸入的測(cè)試信號(hào)功率值, 其對(duì)應(yīng)的接收支路損耗值應(yīng)為接收機(jī)輸入端到天線噴口處這一段接收支路的損耗值，在定標(biāo)過(guò)程中這兩個(gè)值應(yīng)換算到對(duì)應(yīng)值。信號(hào)源在接收機(jī)輸入端注入功率值的確定, 應(yīng)考慮連接電纜、各種連接接頭、轉(zhuǎn)接頭等的損耗, 在臺(tái)站無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)試連接損耗情況下, 通常多接一個(gè)連接接頭要考慮0.1 dB損耗。3

擬合直線斜率常規(guī)天氣雷達(dá)由于廣泛采用模擬對(duì)數(shù)接收機(jī),信號(hào)處理器輸出的是回波功率經(jīng)A/D變換、積分處理后的量化值, 回波強(qiáng)度的定標(biāo)方法是利用機(jī)外信號(hào)源從接收機(jī)輸入端輸入步進(jìn)測(cè)試信號(hào)功率, 從信號(hào)處理終端讀出回波強(qiáng)度A/D量化值, 建立回波功率(dBm)和回波強(qiáng)度A/D量化值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)際雷達(dá)工作時(shí), 軟件根據(jù)A/D量化值從回波功率(dBm)和A/D量化值的對(duì)應(yīng)關(guān)系推算出接收的回波功率(dBm), 然后根據(jù)雷達(dá)氣象方程式計(jì)算出回波強(qiáng)度值。

常規(guī)天氣雷達(dá)信號(hào)處理一般通過(guò)將回波信號(hào)功率進(jìn)行A/D變換后進(jìn)行積分處理, 而不是先轉(zhuǎn)化為功率值再積分處理, 因此必須進(jìn)行線性化處理, 對(duì)對(duì)數(shù)接收機(jī), 回波功率的對(duì)數(shù)積分處理只有在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)才與A/D變換值的積分處理相當(dāng), 如果線性關(guān)系差, 則誤差就會(huì)增大。在動(dòng)態(tài)范圍外弱信號(hào)時(shí), 這種處理不成立, 理論推導(dǎo)證明, 弱信號(hào)時(shí)這種處理導(dǎo)致回波強(qiáng)度測(cè)量值偏弱, 大概只有理論值的0.86。新一代天氣雷達(dá)回波強(qiáng)度測(cè)量誤差范圍在±1dB(常規(guī)天氣雷達(dá)為±2 dB)內(nèi), 為滿足監(jiān)測(cè)冰雹、短時(shí)強(qiáng)降水等災(zāi)害性天氣的需要, 要求信號(hào)接收、處理通道在動(dòng)態(tài)范圍≥85 dB內(nèi)的擬合直線斜率滿足1 ±0.015的技術(shù)要求。3

系統(tǒng)損耗測(cè)量誤差系統(tǒng)損耗包含發(fā)射支路損耗值(含諧波濾波器損耗)、接收支路損耗值、天線罩的雙程損耗, 一般按出廠測(cè)量值, 再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)連接波導(dǎo)長(zhǎng)度、連接頭和轉(zhuǎn)換接頭多少, 通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)行修正。如果條件具備, 可用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源和功率計(jì)(或雷達(dá)接收機(jī))進(jìn)行聯(lián)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試, 誤差過(guò)大就進(jìn)行校正。3