CN103048651A - 多参数模拟气象雷达回波发生装置及发生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多参数模拟气象雷达回波发生装置，包括工控机、上变频模块和雷达状态环境模拟单元，工控机内设置有气象参数库、实现人机交互的控制模块、基于高斯谱自动适应拟合算法的I/Q数据生成模块和基于PCI接口的FPGA处理卡；本发明还公开了一种多参数模拟气象雷达回波发生方法，包括气象参数库生成、I/Q数据生成和上变频处理，其特征在于：所述I/Q数据生成包括以下过程：建立两路信号的功率谱；生成复数谱；进行离散时间傅立叶逆变换；引入相关系数ρ_hv；引入符合高斯分布的杂波；确定迭代公式和迭代终止条件，生成最终的I/Q数据。通过本发明可产生各种体制下的气象雷达模拟回波，满足市场需求。

Description

多参数模拟气象雷达回波发生装置及发生方法

技术领域

本发明涉及一种多参数模拟气象雷达回波发生装置及发生方法，尤其涉及一种可产生各种体制下的气象雷达模拟回波的多参数模拟气象雷达回波发生装置及发生方法。

背景技术

天气雷达对气象目标反射的回波中含有十分重要的气象要素信息，是监测短临灾害性天气过程的主要设备，在气象防灾减灾过程中发挥重要作用。当前世界各国天气雷达发展迅速，在雷达工程实践或科学研究过程中迫切期望出现一种能够模拟气象雷达回波的发生装置，即模拟气象雷达回波发生装置，用于在脱离雷达系统的情况下通过模拟或仿真生成符合气象目标特征的信号。这对于气象雷达测试、维护与故障诊断具有很强的实用价值，以及在一些预研项目中，通过回波模拟可以对研究方案进行初步测试与论证，从而避免过早在硬件系统上的高额经费投入。例如：在星载天气雷达或机载天气雷达等系统的研制。

目前市场上的气象目标雷达反射模拟信号发生装置主要有军用雷达回波模拟器和通用雷达测试仪表，也建立有气象回波谱特征模型。

军用情报雷达目标模拟器依据雷达体制差异而不同，但总体上军用情报雷达目标模拟器关注对象主要是点目标或多批次目标，例如飞机、导弹等。在观测目标特性方面，军用情报雷达与天气雷达明显不同。例如：李淑华等提出的“全相参雷达目标回波信号模拟方法及装置”描述了在无微波源条件下如何模拟动目标信息。尽管一些军用情报雷达目标模拟器建立仿真环境过程中会考虑引入气象目标，但气象目标仅作为其观测目标以外的杂波而存在，模型中仅考虑建立了气象回波的一些共性，如弥散性、慢动性等特征，缺少对气象回波的细致刻画与区分，例如：缺少降水类型、强度、流场结构以及发展变化等内容，因而，无法解决天气雷达回波模拟的真实性问题。一些被称为通用型雷达目标模拟器则仅能够模拟雷达目标最基本的参数，如距离、高度、速度、方位、航迹等信息，这与真正实现气象目标特性模拟的差距明显，例如：徐自明提出的“一种多普勒雷达回波模拟装置及其实现方法”描述了产生四波束的速度、延迟、衰减等回波信息模拟方法，该方法未涉及气象目标特征的回波模拟方法。且通用型雷达目标模拟器频段往往集中于视频或基带层面，缺少实现射频段的回波模拟的能力。另外，军用雷达目标模拟器受限于安全保密等要求，无法市场化，解决不了天气雷达回波模拟器的市场化需求。

通用雷达测试仪表是对雷达系统、模块或板卡进行测试与维护的基础设备，目前，知名仪表厂商，如安捷伦、罗德施瓦茨等，已经建立相对完整的雷达信号模拟的硬件平台方案，由任意波发生器、矢量信号源，与计算波形编辑软件等模块组成。但该解决方案仅仅提供了产生回波信号的硬件平台，缺少气象目标特性的实质内容，且关键知识产权被境外公司所掌握，成本造价十分昂贵。

当前，一些从事雷达气象的科研人员建立了相参脉冲体制的天气雷达气象回波谱特征模型，基于高斯谱特征模型仿真基带同相与正交数据。该类模型多数用于建立同相/正交（I/Q）模拟数据，但是鲜有上变频至中频，甚至射频段的回波模拟器。同时未见其他体制天气雷达的回波模拟模型，如：脉冲压缩体制、双偏振体制等。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种可产生各种体制下的气象雷达模拟回波的多参数模拟气象雷达回波发生装置及发生方法。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明所述多参数模拟气象雷达回波发生装置，包括工控机、上变频模块和雷达状态环境模拟单元，所述工控机内设置有气象参数库、实现人机交互的控制模块、基于高斯谱自动适应拟合算法的I/Q数据生成模块和基于PCI接口的FPGA处理卡，所述I/Q数据生成模块的信号输出端和所述控制模块的信号输出端分别与所述FPGA处理卡的信号输入端连接，所述上变频模块的信号输入端和所述雷达状态环境模拟单元的信号输入端分别与所述FPGA处理卡的信号输出端连接。

气象参数库是本装置实现气象回波模拟的基础，气象参数库针对各类天气过程，区分提炼为：晴空、层状性降水、对流性降水、混合性降水等主要过程。气象参数库能够体现不同天气过程的强度场与速度场特征，例如：钩状回波、V型缺口回波、气旋与反气旋、锋、切变、急流、零度层亮带等天气雷达回波特征。气象参数库包含多种参数：基本反射率因子、径向速度、谱宽、差分反射率因子、零延时相关系数、差分相位、比相差等。实现人机交互的控制模块是本装置的控制核心，该模块主要包括：人机交互界面、气象参数库配置、I/Q模拟参数配置、上变频参数配置、雷达状态参数设置等。I/Q数据生成模块用于从气象参数库提取数据进行处理，生成符合气象特征的I/Q数据，是本装置的关键模块。上变频模块对I/Q数据进行处理得到频率为被测雷达中频系统工作频率的中频信号或者为雷达工作频率的射频信号。雷达状态环境模拟单元用于产生与回波相匹配的雷达状态信息，包括：定时信号、天线转速、方位角度、俯仰角度、扫描类型、脉冲宽度等信息。

具体地，所述雷达状态环境模拟单元包括基于FPGA的定时器和基于DSP的天线模拟器。定时器可产生模拟雷达的定时信号，天线模拟器可产生模拟雷达的天线转速、方位角度、俯仰角度、扫描类型、脉冲宽度等信息。

本发明所述多参数模拟气象雷达回波发生方法，包括气象参数库生成、I/Q数据生成和上变频处理，所述I/Q数据生成包括以下过程：

（1）在功率谱符合高斯分布的基础上，分别建立以下两路信号的功率谱：

$R_h\left(k\right)=\frac{N{P}_h}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_f}\exp [-\frac{{(\mathrm{k\Δf}-f_d)}^2}{2{\mathrm{\σ}}_f^2}]=P_{h}R\left(k\right),k=\mathrm{0,1,2}...N-1$ （式1）

$R_v\left(k\right)=\frac{{\mathrm{NP}}_v}{{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}_f}\exp [-\frac{{(\mathrm{k\Δf}-f_d)}^2}{2{\mathrm{\σ}}_f^2}]=P_{v}R\left(k\right)$ （式2）

其中， $P_h=\frac{\mathrm{CZ}}{R^2},$ $f_d=\frac{2V}{\mathrm{\λ}},$ ${\mathrm{\σ}}_f=\frac{2W}{\mathrm{\λ}};$

上述所有公式中，R_h、R_v分别为水平极化与垂直极化两个通道的信号功率谱函数，N为样本数，Δf为乃奎斯特区间内的最小频率单元，P_h、P_v分别为水平极化与垂直极化的回波功率，f_d、σ_f分别为多普勒频率与多普勒谱宽，C为雷达常数、R为径向距离，λ为雷达工作波长；

（2）按以下公式生成复数谱：

$F_h\left(k\right)=\sqrt{P_{h}R\left(k\right)}\exp [\mathrm{j\ψ}\left(f\right)+{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{DP}}]$ （式3）

$F_v\left(k\right)=\sqrt{{10}^{\frac{-Z_{\mathrm{DR}}}{10}}{P}_{v}R\left(k\right)}\exp \left[\mathrm{j\ψ}\left(f\right)\right]$ （式4）

其中， $h{Z}_{\mathrm{DR}}=10\log \frac{P_h}{P_v};$

上述所有公式中，Z_DR为差分反射率，Ф_DP为差分相位，ψ(f)为随机相位谱；

（3）对式3、式4进行离散时间傅立叶逆变换得到I/Q时间序列SIG_h与SIG_v，即：

SIG_h=IDFT(F_h)（式5）

SIG_v=IDFT(F_v)（式6）

（4）引入相关系数ρ_hv，使下述式7成立：

$\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)\≈\frac{0.65\left|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{hv}}\right|}{1-\left|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{hv}}\right|}$ （式7）

（5）在信号中引入符合高斯分布的杂波，I/Q信号进一步发展为：

$S_h={\left(\frac{\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)}{\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{\mathrm{SIG}}_h+{\left(\frac{P_h}{\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{C}_h$ （式8）

$S_v={\left(\frac{\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)}{\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{\mathrm{SIG}}_v+{\left(\frac{{10}^{\frac{-Z_{\mathrm{DR}}}{10}}{P}_h}{\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{C}_v$ （式9）

其中，C是平均功率为1的杂波序列，C_h与C_v的互相关为零；

（6）以模拟结果与期望值的偏差为控制因子自适应调整杂波功率，当偏差不超过模拟精度时，停止模拟；迭代方程为：

$S_h={\left(\frac{(1-\mathrm{\ϵ})\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)}{(1-\mathrm{\ϵ})\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{\mathrm{SIG}}_h+{\left(\frac{P_h}{(1-\mathrm{\ϵ})\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{C}_h$ （式10）

$S_v={\left(\frac{(1-\mathrm{\ϵ})\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)}{(1-\mathrm{\ϵ})\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{\mathrm{SIG}}_v+{\left(\frac{{10}^{\frac{-Z_{\mathrm{DR}}}{10}}{P}_h}{(1-\mathrm{\ϵ})\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{C}_v$ （式11）

迭代的终止条件为：max|ε|<T_d，T_d为模拟精度；

其中，ε为控制因子，

S_h、S_v分别为最终生成的两路信号的I/Q数据。

上述六个步骤中，最后的第（6）步骤中的式10和式11是最终两路信号的I/Q数据的计算公式，迭代终止条件的公式涉及控制因子ε，式10、式11和ε公式中需逐步代入前五个步骤中的公式，才能得到最后结果。

具体地，所述气象参数库生成过程中，所述气象参数库接收自定义仿真、算法仿真和历史数据重现中的一种或多种回波模拟配置。自定义仿真也称手动仿真，可满足理想的或不太常见的气象回波模拟需求，主要体现在反射率因子与速度场的特殊性，例如：任意描绘强度场分布，风向与风速随高度的线性与非线性设置；算法仿真主要依据大气运动物理规律建立模型，该方式相比自定义模式更强调模拟量的物理关系，注重公式的作用；历史数据重现强调对历史数据的收集、统计与分类，该模式可用于探测结果一致性的检验以及监测雷达标定结果的准确性。

本发明的有益效果在于：

通过本发明所述多参数模拟气象雷达回波发生装置可产生各种体制下的模拟气象雷达回波，能够模拟常规天气雷达、多普勒天气雷达、脉冲压缩天气雷达等系统的气象回波，满足了市场需求；本发明所述多参数模拟气象雷达回波发生方法中，I/Q数据生成过程在原有算法基础上首次考虑了差分反射率ZDR、相关系数ρhv、差分相位ФDP对I/Q模拟的影响，所以能够得到更加精准的模拟气象雷达回波，对于气象雷达测试、维护与故障诊断具有很强的实用价值，避免了过早在硬件系统上的高额经费投入，节约了试验成本。

附图说明

图1是本发明所述多参数模拟气象雷达回波发生装置的总体框图；

图2是本发明所述多参数模拟气象雷达回波发生装置的控制流程示意图；

图3是本发明所述基于PCI接口的FPGA处理卡的电路框图；

图4是本发明所述基于DSP的天线模拟器的电路框图；

图5是本发明所述上变频模块的电路框图；

图6是本发明所述I/Q数据生成过程中样本数为48下的信杂比与相关系数的统计分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步具体描述：

如图1所示，本发明所述多参数模拟气象雷达回波发生装置，包括工控机、上变频模块、基于FPGA的定时器和基于DSP的天线模拟器，工控机内设置有气象参数库、实现人机交互的控制模块、基于高斯谱自动适应拟合算法的I/Q数据生成模块和基于PCI接口的FPGA处理卡，I/Q数据生成模块的信号输出端和控制模块的信号输出端分别与FPGA处理卡的信号输入端连接，上变频模块的信号输入端和雷达状态环境模拟单元的信号输入端分别与FPGA处理卡的信号输出端连接。定时器和天线模拟器共同组成雷达状态环境模拟单元。

在以上总体结构的基础上，下面结合具体实施例对本发明作进一步描述：

如图2所示，说明：图2重点体现控制流程，所以图2中的部件名称可能与图1有差异，但结合本发明内容应能准确理解图1和图2中的对应关系。首先通过控制模块中的人机交互界面对雷达工作参数与状态信息进行配置，这包括：扫描方式PPI、基本产品PPI显示；脉冲积累数M=48，单脉冲重复频率PRF=1500Hz，脉冲宽度为0.833us；距离库长125m，距离库数900个；连续正弦波载波频率60MHz，载波功率-60dBm；噪声标定时输入功率为-75dBm，无地物杂波抑制，自动距离订正；信号处理算法为PPP法。由脉冲重复频率与最大不模糊速度之间的关系v_max=λ*PRF/4可得最大不模糊速度为11.9m/s，约为12m/s。气象参数特征库可以接纳三种配置方式：手动仿真、算法仿真、历史数据。手动仿真即自定义回波参数，例如降水类型、强度、速度、回波形状与面积、移动路径等参数；算法仿真是按照一定数学模型或公式进行模拟；历史数据方式是对保存的回波基数据进行回放。特征参数库按天气条件要求生成特定扫描模式下的气象参数，包括：基本反射率因子、径向速度、速度谱宽、差分反射率、相关系数、差分相位、比相差等。气象参数以极坐标格点形式存储，格点空间分辨率取决于距离分辨率与角度分辨率要求。

然后，在特定扫描模式下，依据每个库内的气象参量，通过高斯谱模型拟合建立I/Q数据，单库内I/Q样本数与天线转速成正比，与角度分辨率和脉冲重复频率的乘机成正比。如图6所示，将生成的数据按径向方向重新排列，I/Q速率即雷达基带带宽，本例基带带宽为1.2MHz，位宽为16Bit。

上述建立I/Q数据，其过程如下：

（1）在功率谱符合高斯分布的基础上，分别建立以下两路信号的功率谱：

$R_h\left(k\right)=\frac{N{P}_h}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&sigma;}}_f}\exp [-\frac{{(\mathrm{k\&Delta;f}-f_d)}^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}_f^2}]=P_{h}R\left(k\right),k=\mathrm{0,1,2}...N-1$ （式1）

$R_v\left(k\right)=\frac{{\mathrm{NP}}_v}{{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}\mathrm{\&sigma;}}_f}\exp [-\frac{{(\mathrm{k\&Delta;f}-f_d)}^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}_f^2}]=P_{v}R\left(k\right)$ （式2）

其中， $P_h=\frac{\mathrm{CZ}}{R^2},$ $f_d=\frac{2V}{\mathrm{\&lambda;}},$ ${\mathrm{\&sigma;}}_f=\frac{2W}{\mathrm{\&lambda;}};$

上述所有公式中，R_h、R_v分别为水平极化与垂直极化两个通道的信号功率谱函数，N为样本数，Δf为乃奎斯特区间内的最小频率单元，P_h、P_v分别为水平极化与垂直极化的回波功率，f_d、σ_f分别为多普勒频率与多普勒谱宽，C为雷达常数、R为径向距离，λ为雷达工作波长；

（2）按以下公式生成复数谱：

$F_h\left(k\right)=\sqrt{P_{h}R\left(k\right)}\exp [\mathrm{j\&psi;}\left(f\right)+{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{DP}}]$ （式3）

$F_v\left(k\right)=\sqrt{{10}^{\frac{-Z_{\mathrm{DR}}}{10}}{P}_{v}R\left(k\right)}\exp \left[\mathrm{j\&psi;}\left(f\right)\right]$ （式4）

其中， $Z_{\mathrm{DR}}=10\log \frac{P_h}{P_v};$

上述所有公式中，Z_DR为差分反射率，Ф_DP为差分相位，ψ(f)为随机相位谱；

（3）对式3、式4进行离散时间傅立叶逆变换得到I/Q时间序列SIG_h与SIG_v，即：

SIGh=IDFT(F_h)（式5）

SIG_v=IDFT(F_v)（式6）

（4）引入相关系数ρh_v，使下述式7成立：

$\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)\&ap;\frac{0.65\left|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\right|}{1-\left|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\right|}$ （式7）

（5）在信号中引入符合高斯分布的杂波，I/Q信号进一步发展为：

$S_h={\left(\frac{\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)}{\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{\mathrm{SIG}}_h+{\left(\frac{P_h}{\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{C}_h$ （式8）

$S_v={\left(\frac{\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)}{\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{\mathrm{SIG}}_v+{\left(\frac{{10}^{\frac{-Z_{\mathrm{DR}}}{10}}{P}_h}{\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{C}_v$ （式9）

其中，C是平均功率为1的杂波序列，C_h与C_v的互相关为零；

（6）以模拟结果与期望值的偏差为控制因子自适应调整杂波功率，当偏差不超过模拟精度时，停止模拟；迭代方程为：

$S_h={\left(\frac{(1-\mathrm{\&epsiv;})\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)}{(1-\mathrm{\&epsiv;})\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{\mathrm{SIG}}_h+{\left(\frac{P_h}{(1-\mathrm{\&epsiv;})\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{C}_h$ （式10）

$S_v={\left(\frac{(1-\mathrm{\&epsiv;})\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)}{(1-\mathrm{\&epsiv;})\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{\mathrm{SIG}}_v+{\left(\frac{{10}^{\frac{-Z_{\mathrm{DR}}}{10}}{P}_h}{(1-\mathrm{\&epsiv;})\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{C}_v$ （式11）

迭代的终止条件为：max|ε|<T_d，T_d为模拟精度；

其中，ε为控制因子，

S_h、S_v分别为最终生成的两路信号的I/Q数据。

上述六个步骤中，最后的第（6）步骤中的式10和式11是最终两路信号的I/Q数据的计算公式，迭代终止条件的公式涉及控制因子ε，式10、式11和ε公式中需逐步代入前五个步骤中的公式，才能得到最后结果。

得到I/Q数据后，以一次发射为一帧数据下传给基于PCI接口的FPGA处理卡，基于PCI接口的FPGA处理卡的结构如图3所示，由于PCI接口的FPGA处理卡的结构为常规结构，所以不再描述其具体结构，参考附图即可。FPGA为确保高速传输的可靠性，将并行I/Q数据转换为串行数据，速率变化为19.2MHz。同时，控制模块将配置好的雷达工作与状态参数也通过FPGA处理卡以周期方式发送给天线模拟器与定时器，天线模拟器的结构如图4所示，由于天线模拟器的结构为常规结构，所以不再描述其具体结构，参考附图即可。天线模拟器以串行差分形式输出角码、转速等信息。定时器主要产生接收模拟回波的同步信号T0。

最后，上变频模块对I/Q数据进行滤波，并进行16Bit数模转换，然后将模拟基带信号与本振信号相调制，滤除谐波与交调分量，保留频率和的信号成份，经放大后输出，完成上变频过程；上变频模块的结构如图5所示，由于上变频模块的结构为常规结构，所以不再描述其具体结构，参考附图即可。与其同步变化的是模拟的天线方位/俯仰角度，并按脉冲重复周期T0进行同步。

经过上述过程后，即完成多参数模拟气象雷达回波的生成，该回波发送给用于气象雷达测试、维护与故障诊断的设备，完成试验工作。

Claims (4)

1.一种多参数模拟气象雷达回波发生装置，其特征在于：包括工控机、上变频模块和雷达状态环境模拟单元，所述工控机内设置有气象参数库、实现人机交互的控制模块、基于高斯谱自动适应拟合算法的I/Q数据生成模块和基于PCI接口的FPGA处理卡，所述I/Q数据生成模块的信号输出端和所述控制模块的信号输出端分别与所述FPGA处理卡的信号输入端连接，所述上变频模块的信号输入端和所述雷达状态环境模拟单元的信号输入端分别与所述FPGA处理卡的信号输出端连接。

2.根据权利要求1所述的多参数模拟气象雷达回波发生装置，其特征在于：所述雷达状态环境模拟单元包括基于FPGA的定时器和基于DSP的天线模拟器。

3.一种多参数模拟气象雷达回波发生方法，包括气象参数库生成、I/Q数据生成和上变频处理，其特征在于：所述I/Q数据生成包括以下过程：

（1）在功率谱符合高斯分布的基础上，分别建立以下两路信号的功率谱：

$R_h\left(k\right)=\frac{N{P}_h}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&sigma;}}_f}\exp [-\frac{{(\mathrm{k\&Delta;f}-f_d)}^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}_f^2}]=P_{h}R\left(k\right),k=\mathrm{0,1,2}...N-1$ （式1）

$R_v\left(k\right)=\frac{{\mathrm{NP}}_v}{{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}\mathrm{\&sigma;}}_f}\exp [-\frac{{(\mathrm{k\&Delta;f}-f_d)}^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}_f^2}]=P_{v}R\left(k\right)$ （式2）

其中， $P_h=\frac{\mathrm{CZ}}{R^2},$ $f_d=\frac{2V}{\mathrm{\&lambda;}},$ ${\mathrm{\&sigma;}}_f=\frac{2W}{\mathrm{\&lambda;}};$

上述所有公式中，R_h、R_v分别为水平极化与垂直极化两个通道的信号功率谱函数，N为样本数，Δf为乃奎斯特区间内的最小频率单元，P_h、P_v分别为水平极化与垂直极化的回波功率，f_d、σ_f分别为多普勒频率与多普勒谱宽，C为雷达常数、R为径向距离，λ为雷达工作波长；

（2）按以下公式生成复数谱：

$F_h\left(k\right)=\sqrt{P_{h}R\left(k\right)}\exp [\mathrm{j\&psi;}\left(f\right)+{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{DP}}]$ （式3）

$F_v\left(k\right)=\sqrt{{10}^{\frac{-Z_{\mathrm{DR}}}{10}}{P}_{v}R\left(k\right)}\exp \left[\mathrm{j\&psi;}\left(f\right)\right]$ （式4）

其中， $Z_{\mathrm{DR}}=10\log \frac{P_h}{P_v};$

上述所有公式中，Z_DR为差分反射率，Ф_DP为差分相位，ψ(f)为随机相位谱；

（3）对式3、式4进行离散时间傅立叶逆变换得到I/Q时间序列SIG_h与SIG_v，即：

SIG_h=IDFT(F_h)（式5）

SIG_v=IDFT(F_v)（式6）

（4）引入相关系数ρ_hv，使下述式7成立：

$\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)\&ap;\frac{0.65\left|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\right|}{1-\left|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\right|}$ （式7）

（5）在信号中引入符合高斯分布的杂波，I/Q信号进一步发展为：

$S_h={\left(\frac{\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)}{\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{\mathrm{SIG}}_h+{\left(\frac{P_h}{\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{C}_h$ （式8）

$S_v={\left(\frac{\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)}{\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{\mathrm{SIG}}_v+{\left(\frac{{10}^{\frac{-Z_{\mathrm{DR}}}{10}}{P}_h}{\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{C}_v$ （式9）

其中，C是平均功率为1的杂波序列，C_h与C_v的互相关为零；

（6）以模拟结果与期望值的偏差为控制因子自适应调整杂波功率，当偏差不超过模拟精度时，停止模拟；迭代方程为：

$S_h={\left(\frac{(1-\mathrm{\&epsiv;})\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)}{(1-\mathrm{\&epsiv;})\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{\mathrm{SIG}}_h+{\left(\frac{P_h}{(1-\mathrm{\&epsiv;})\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{C}_h$ （式10）

$S_v={\left(\frac{(1-\mathrm{\&epsiv;})\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)}{(1-\mathrm{\&epsiv;})\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{\mathrm{SIG}}_v+{\left(\frac{{10}^{\frac{-Z_{\mathrm{DR}}}{10}}{P}_h}{(1-\mathrm{\&epsiv;})\mathrm{SCR}\left(\right|{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{hv}}\left|\right)+1}\right)}^{0.5}{C}_v$ （式11）

迭代的终止条件为：max|ε|<T_d，T_d为模拟精度；

其中，ε为控制因子，

S_h、S_v分别为最终生成的两路信号的I/Q数据。

4.根据权利要求3所述的多参数模拟气象雷达回波发生方法，其特征在于：所述气象参数库生成过程中，所述气象参数库接收自定义仿真、算法仿真和历史数据重现中的一种或多种回波模拟配置。

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