CN112444814A

CN112444814A - 基于pcie光纤采集卡的数字阵列天气雷达信号处理器

Info

Publication number: CN112444814A
Application number: CN202011254507.1A
Authority: CN
Inventors: 吴晓燕; 屈凯峰; 崔扬; 王鑫; 邬亚男; 汪天宇
Original assignee: Anhui Sun Create Electronic Co Ltd
Current assignee: Anhui Sun Create Electronic Co Ltd
Priority date: 2020-11-11
Filing date: 2020-11-11
Publication date: 2021-03-05
Anticipated expiration: 2040-11-11
Also published as: CN112444814B

Abstract

本发明公开了一种基于PCIE光纤采集卡的数字阵列天气雷达信号处理器，包括信号处理单元；信号处理单元包括：信号接收模块、信号存储模块、信号分析模块、脉冲压缩模块、滤波模块、信号处理模块、质量控制模块、参数配置模块，本发明解决了信号处理算法的研制开发和仿真调试的难度大，以及信号处理算法的改进和功能升级困难的问题，采用通用服务器作为信号处理单元的硬件平台，运算速度快、扩展性强，采用软件化设计，通过软件的重构和不断改进，以提升或扩展雷达系统功能，实现数字阵列天气雷达快速多波束信号处理。

Description

基于PCIE光纤采集卡的数字阵列天气雷达信号处理器

技术领域

本发明涉及数字阵列天气雷达领域，具体为基于PCIE光纤采集卡的数字阵列天气雷达信号处理器。

背景技术

数字阵列雷达的一个优势在于极短时间内获取多个波束(仰角)上的回波数据，这样获取的数据具有极高的时间分辨率。改进前，信号处理采用CPCI通用处理分机，IQ数据采用并行数据传输，通过标准网口输出强度Z、速度V和谱宽W参数，设计开发时间较早，受硬件资源的限制，很难增加、改进算法；

信号处理改进后，采用基于PCIe光纤采集卡的高性能服务器的硬件平台，全软件化处理。DBF运算后的IQ数据通过光纤PCIe接口送入信号处理服务器进行实时处理，实现多普勒信号处理功能，估值参数通过以太网口输出给终端分系统。

信号处理分系统采用软件化设计思想，以高性能服务器为硬件处理平台，通过采用并行多线程设计方式，完成信号处理功能的实时处理。整个信号处理系统软件作为一个CSCI(计算机软件配置项)，运行于高性能服务器平台上。

灵活性和可拓展性：全软件化的优点是软件的设计、调试、维护、部署都很方便，软件模块设计灵活，可以利用不同的的硬件资源，融合更多、更复杂的功能和信号处理算法法，具有良好的拓展性。为日后的维护升级提供便利。

通用性和可靠性：信号处理软件采用模块化设计，各模块之间相互独立，模块接口清晰，便于软件的调试和维护，从而提高了软件的可靠性，根据信号处理实现的功能，共分为多个通用的功能模块，包括数据采集模块、信号处理任务管理模块、脉压处理模块、气象要素估计模块、晴空杂波图处理模块、网络输入输出模块、质量控制模块等。

可维护性：鉴于传统雷达需要借助专业测试仪器仪表检测分析故障源，便于测试和维护，信号处理每一个处理过程的处理结果，都可以以视频信号的形式发送到显示终端界面，只要通过维护显示器就实现数据观察，从而检查软件配置是否正确，或雷达接收或处理通道是否异常，为用户提供更直观便利的检测手段。

多线程的实时处理和管理系统：信号处理软件充分利用采用机架式服务器平台多核CPU和大内存的特点，采用多线程设计架构，确保满足数据实时处理要求。同时，目标通道的处理设计为动态分配线程，可以自适应地管理资源，增强通用性。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决了信号处理算法的研制开发和仿真调试的难度大，以及信号处理算法的改进和功能升级困难的问题，而提出基于PCIE光纤采集卡的数字阵列天气雷达信号处理器。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：基于PCIE光纤采集卡的数字阵列天气雷达信号处理器，包括通用服务器、安装在通用服务器内的信号处理单元和PCIE光纤采集卡；信号处理单元包括信号接收模块、信号存储模块、信号分析模块、脉冲压缩模块、滤波器模块、信号处理模块、质量控制模块和参数配置模块；

信号接收模块用于按照每次1M往通用服务器开辟缓存Buffer和不断接收 PCIE光纤采集卡数据，同时按照接口约定查找Buffer中一个CPI的IQ数据并将这个CPI的数据存储到CPI缓存中，以及将CPI的数据发送至信号分析模块进行分析，CPI为相干处理时间；

信号分析模块同步Pcie0和Pcie1两个Pcie通道数据，将这16路通道数据合并形成一个完整CPI数据，判断如果两个Pcie通道数据同步差别超过一定时间，则只传送一个PCie通道8通道IQ数据；信号分析模块解析出运算所需配置参数和IQ数据；具体过程为：信号分析模块对IQ信号进行通道转换，将发送来的按距离库排列的16通道的IQ信号，转成按通道排列的M个FR、N个距离库的IQ信号，信号分析模块利用CMD算法对修正后的IQ信号进行杂波识别，判断IQ信号为地物信号或气象信号，并对IQ信号进行标记，地物信号标记1，气象信号标记0；信号分析模块将标记后的IQ信号发送至滤波器模块，建立动态杂波图，信号分析模块将分析线程池中的数据完成后将数据发送脉冲压缩模块；

脉冲压缩模块用于对接收的数据进行匹配滤波处理得到真实数据；脉冲压缩处理完成后，分析线程模块将CPI数据再次转化数据；

滤波器模块根据参数配置模块设置的滤波器号选择不同的滤波器系数进行滤除地物滤波，具体过程为：滤波器模块对标记后的IQ信号进行滤波及滤除地物信号，并将滤波前的IQ信号和滤波后的IQ信号均发送至信号处理模块，同时将滤波后的IQ信号发送至晴空图模块；

晴空图模块根据滤波后的IQ信号建立晴空图和估算气象等级并再终端显控模块进行显示；

信号处理模块分别对滤波前的IQ信号和滤波后的IQ信号进行多普勒参数计算，分别得到IQ信号在滤波前的强度、速度、谱宽数据和IQ信号在滤波后的强度、速度、谱宽数据，并分别将IQ信号在滤波前和滤波后的强度、速度、谱宽数据发送至质量控制模块；

质量控制模块接收IQ信号在滤波前和滤波后的强度、速度、谱宽数据并对其进行计算，得到该IQ信号的质量控制因子，质量控制模块通过质量控制因子门限对该IQ信号进行判断，当该IQ信号的质量控制因子大于质量控制因子门限，则该IQ信号属于气象信息，否，属于噪声信息；

质量控制模块还将属于气象信息的IQ信号通过孤噪处理器进行孤噪处理，去除属于气象信息IQ信号中的离散噪声点；质量控制模块将孤噪处理后的气象信息的IQ信号发送至终端显控模块；

信号存储模块通过网络收到用户发送消息指令，将收到的IQ数据存储在信号处理器本地；

参数配置模块用于用户为滤波器模块选择滤波方式。

优选的，一个CPI数据包括M个脉冲数据,即一个FR；一个FR有N个距离库数。

优选的，信号处理单元对信号接收模块、信号存储模块、信号分析模块、脉冲压缩模块、滤波器模块、信号处理模块、质量控制模块和参数配置模块均创建线程或线程池，且每个线程或线程池均运行在不同的内核上。

优选的，滤波前的IQ信号为原始信号，标记后的IQ信号包括地物信号和气象信号；信号处理单元为滤波器模块创建了滤波线程池，且滤波线程池中包括八个滤波线程，每个滤波线程处理八分之一的距离库上的IQ信号。

优选的，滤波方式包括IIR滤波、固定宽度和自适应谱处理滤波、CMD算法结合GMAP算法的滤波。

优选的，还包括显控终端和信号回放模块；

显控终端通过网络发送消息指令获取并显示存储的IQ文件信息，当显控终端显示的IQ信号的强度、速度、谱宽数据未达到设定的要求时，信号回放模块利用新的信号处理参数对信号存储模块中的IQ信号进行重新处理，并将重新处理后的属于气象信息的IQ信号发送至终端显控模块；

其中信号处理参数为各模块进行信号处理时所需的参数，所需的参数包括处理点数、距离库长、距离量程和自检参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用高性能服务器能快速实时处理多波束雷达数据；具有计算速度快和实时性高的优点；

2、全软件化设计，软件模块设计灵活，可以利用不同的的硬件资源，融合更多、更复杂的功能和信号处理算法法，具有良好的拓展性,通过软件的重构和升级不断改进、提升或扩展雷达系统功能，以实现快速多元化探测；

3、采用模块化设计，各模块之间相互独立，模块接口清晰，便于软件的调试和维护，从而提高了软件的通用性和可靠性；

4、通过参数设置模块并根据雷达实际回波选择合适的质量因子门限，更为有效便捷的加强了数据质量控制；

5、通过孤噪处理器使得在质量控制因子门限降低的情况下，保证系统有更高的灵敏度和更少的虚警点。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的硬件组成框图。

图2为本发明的线程架构图；

图3为本发明的信号处理模块原理图；

图4为本发明的频域脉压的信号流程图；

图5为本发明的信号处理器原理框图；

图6为本发明的分析线程数据转化图；

图7为本发明的多线程架构示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-7所示，基于PCIE光纤采集卡的数字阵列天气雷达信号处理器，由通用服务器、信号处理单元、和PCIE光纤采集卡组成，通用服务器的型号为 PR4840R；

信号处理单元包括信号接收模块、信号存储模块、信号分析模块、脉冲压缩模块、滤波器模块、信号处理模块、质量控制模块、参数配置模块；

信号处理单元为每个模块均创建线程或线程池，且每个线程或线程池均运行在不同的内核上；

其中信号接收模块，按照1M/每次往服务器开辟缓存Buffer不断接收PCIe 光纤采集卡数据,同时按照接口约定查找Buffer中一个相干处理时间(CPI)的IQ 数据,将这个CPI的数据存储到CPI缓存中，将一个CPI的数据发送至信号分析模块进行分析；

信号分析模块解析出运算所需配置参数和IQ数据；信号分析模块同步Pcie0 和Pcie1两个Pcie通道数据，将这16路通道数据合并形成一个完整CPI数据，判断如果两个Pcie通道数据同步差别超过一定时间，则只传送一个PCie通道8 通道IQ数据；信号分析模块解析出运算所需配置参数和IQ数据；由图6所示，一个CPI数据包括M个脉冲数据即一个FR,一个FR有N个距离库数；信号分析模块对IQ信号进行通道转换，将发送来的按距离库排列的16通道的IQ信号，转成按通道排列的M个FR N个距离库的IQ信号；根据CMD算法识别杂波，建立动态杂波图；分析线程池中的数据完成后将数据发送脉冲压缩模块；

信号处理模块根据数据流程，由5个线程池和13个独立线程组成；

多线程架构负责：每一个线程的执行环境(包括线程数据的创建与销毁)，线程的创建与销毁，数据的获取与分发，数据在线程中的传递。

其中5个线程池分别负责脉压前后分析数据、脉冲压缩、信号处理和质量控制进行处理，假设每个线程池中有N个线程，那么其中每个线程需要负责1/N 的数据。如果每个通道的数据接收间隔时间为T，那么每个线程的需要在T×N 时间内完成1/N的数据处理；

13个独立线程主要完成网络消息接收和发送、回波发送输出、实现地物对消、IQ数据采集读取、解析和合成；13个独立的线程负责数据采集、拆分、融合、记录、分发等功能。

13个独立的线程负责数据采集、拆分、融合、记录、分发等功能，线程所承担模块功能为：

PCie0缓存数据线程，主要将光纤采集卡通道1中波束通道1-8的IQ数据读至缓存buf0；

Pcie1缓存数据线程，主要将光纤采集卡通道2中波束通道9-16的IQ数据读至缓存buf1；

PCIe0缓存数据读取线程，主要从缓存buf0中查找CPI数据头，按CPI数据复制到CPI缓存中；

PCIe1缓存数据读取线程，主要从缓存buf1中查找CPI数据头，按CPI将数据复制到CPI缓存中；

16波束通道IQ组合线程，将两个PCIe缓存线程的8通道数据合并成1通道数据，并进行参数校验；判断参数是否正确、是否存在丢包、CPI数据能否进行后续计算；

滤波线程，主要进行地物滤波处理；

网络并口输出线程，主要输出回波数据，发送至终端系统；

网络控制指令接收线程，主要接收外部发送的控制指令、配置；

9)网络雷达回馈线程

收到网络控制指令后发送接收成功等反馈指令；

网络消息接收线程，接收外部发送记录IQ等消息；

网络消息发送线程，发送接收消息成功等反馈消息；5个网络消息接收发送线程主要接收外部的指令、配置等消息，发送回馈信息；

IQ数据记录线程，实现I/Q数据的本地存储；

IQ数据回放线程，主要通过存储的IQ数据进行回放重演。

线程池所承担的模块功能为：

信号处理线程池，主要根据IQ头中的模式参数，按照不同的处理模式进行多普勒处理计算强度、速度、谱宽以及双偏振参数等；

质量控制线程池，主要进行质量控制孤噪控制、输出参数控制等；

脉压前数据分析线程池，将数据解析按通道、CPI拆分合并；

脉冲压缩线程池，主要进行脉冲压缩计算处理；

脉冲后数据分析线程池，主要将脉压后数据进行脉冲拼接、按处理点数进行数据重排；

信号分析模块利用CMD算法对修正后的IQ信号进行杂波识别，判断IQ信号为地物信号或气象信号，并对IQ信号进行标记，地物信号标记1，气象信号标记0；信号分析模块将标记后的IQ信号发送至滤波器模块；CMD算法具体方式如下所示：通过计算特征量反射率纹理TDBZ、杂波相位阵列校准值CPA、反映反射率因子在径向梯度变化的SPIN，以计算地物概率CP，并将地物概率CP 超过0.5的IQ信号标识为地物信号；

脉冲压缩模块脉冲压缩实际上就是对接收信号进行匹配滤波处理，这个滤波器具有时延-频率特性，延迟时间随频率变化，实现脉冲内各频率分量在时域被积叠，即压缩，形成幅度增大、宽度变窄的脉冲信号；脉冲压缩充分利用了发射机平均功率；实现匹配滤波既可在时域进行亦可在频域进行；线性调频脉压由于原理简单，实现方便，对多普勒频率的容忍性较强，在雷达上应用最广泛；但由于较高的距离旁瓣所以应用中需要进行加权处理，为此会带来一定的信噪比损失；

时域脉压：

频域脉压：

s_o(n)＝FFT^-1{FFT[s_i(n)]·FFT[u^*(N-1-n)]}；

频域脉冲压缩处理与时域脉冲压缩处理的基本原理是相同的，只是频域脉冲压缩处理是在频域实现滤波器冲激响应与输入回波信号的卷积；若雷达发射调频信号s(n)的傅立叶变换为S(ω)；脉冲压缩匹配滤波器冲激响应h(n)的傅立叶变换为H(ω)，则脉压匹配滤波器的输出响应函数的傅立叶变换为S0(ω)，则

S₀(ω)＝S(ω)×H(ω)；

匹配滤波器输出的时域响应为：

s₀(n)＝IFFT[S₀(ω)]＝IFFT(FFT[s(n)]×H(ω))；

也就是说，匹配滤波器的输出响应在时域上是输入信号与滤波器冲激响应函数的线性(或离散)卷积，而在频域上，匹配滤波器的输出响应可表示为输入信号的傅立叶变换与滤波器冲激响应函数的傅立叶变换的乘积，对匹配滤波器的频域输出函数做傅立叶逆变换，就可得到时域的脉压输出信号，这就是频域脉冲压缩的基本理论；

工程上，利用快速傅立叶变换算法可方便地得到回波信号的傅立叶变换，而匹配滤波器的冲激响应函数是确知的，其傅立叶变换可预先算好，存贮在只读存贮器中；这样频域脉冲压缩处理所要完成的工作主要是回波信号的傅立叶变换、乘法以及傅立叶逆变换，由此，可得到频域脉冲压缩处理的程序流程如图4所示；当然，在做频域脉冲压缩后，滤波器输出的数据必须重新排列，因为频域脉冲压缩在处理时采用成片数据读入，对数据采用快处理模式，因而，其输出数据必须按照回波数据的时间顺序进行重排，这样，输出的数据才是脉冲压缩处理后的真实数据；

脉冲压缩处理完成后，分析线程模块将CPI数据按照如图6所示，再次转化数据；

滤波器模块选择的是3阶极点和3阶零点的IIR滤波器，滤波器编号以凹口宽度选择，以0.3m/s为起始，2.5m/s结束，0.2m/s为步径，共12种；重复频率根据参数配置模块配置选择相应归一化参数；以满足不同应用需要；事先用Matlab软件仿真不同凹口宽度和重复频率滤波器系数生成文本文件并存在服务器本地；滤波器模块根据参数配置模块设置的滤波器号选择不同的滤波器系数进行地物滤波；

滤波器模块对标记后的IQ信号进行滤波以滤除地物信号，并将滤波前的IQ 信号和滤波后的IQ信号均发送至信号处理模块，还将滤波后的IQ信号发送至晴空图模块；滤波前的IQ信号为原始信号即标记后的IQ信号即包括地物信号和气象信号；滤波后的IQ信号为气象信号；信号处理单元为滤波器模块创建了滤波线程池，且滤波线程池中包括八个滤波线程，每个滤波线程处理八分之一的距离库上的IQ信号；

晴空图模块根据滤波后的IQ信号建立晴空图和估算气象等级，并再终端显控系统进行显示；

信号处理模块分别对滤波前的IQ信号和滤波后的IQ信号进行多普勒参数计算，分别得到IQ信号在滤波前的强度、速度、谱宽数据和IQ信号在滤波后的强度、速度、谱宽数据，并分别IQ信号在滤波前和滤波后的强度、速度、谱宽数据发送至质量控制模块；

质量控制模块接收IQ信号在滤波前和滤波后的强度、速度、谱宽数据，并根据所接收的数据计算该IQ信号的质量控制因子，质量控制模块根据质量控制因子门限对该IQ信号进行判断，若该IQ信号的质量控制因子大于质量控制因子门限，则该IQ信号属于气象信息，否则属于噪声信息；质量控制模块还将属于气象信息的IQ信号通过孤噪处理器进行孤噪处理，去除属于气象信息的IQ 信号中的离散噪声点；孤噪处理为采用一维或二维的处理方式；质量控制模块将属于孤噪处理后的气象信息的IQ信号发送至终端显控系统；

质量控制因子包括：LOG₁、LOG₂、SQI、CCOR、SIG；质量控制因子的具体计算方式如下所示：

其中，T₀表示IQ信号在滤波前的强度；N表示噪声信号的幅度值；R₀表示IQ信号在滤波后的零阶自相关；R₁表示IQ信号在滤波后的一阶自相关；

质量控制因子门限包括：LOG₁的门限、LOG₂的门限、SQI的门限、CCOR的门限、SIG的门限；其中，LOG₁的门限和LOG₂的门限取值均为0.75db；SQI的门限的取值范围为0.4～0.5；CCOR的门限取值为-18db；SIG的门限取值为5db；

若该IQ信号的四个质量控制因子均大于其相对应质量控制因子门限，则该 IQ信号属于气象信息，否则属于噪声信息；

其中，LOG₁用于估计滤波前的IQ信号的强度，LOG₂用于估计滤波后的IQ 信号的强度，LOG₁的门限、LOG₂的门限的设置用于反射率的质量控制；SQI用于测量对IQ信号相关性，SQI的门限一般用于速度和谱宽的检测；CCOR用于杂波校准，CCOR的门限的设置用于删除杂波非常强的回波信号，当杂波非常强，计算出的CCOR是一个非常小的负值；SIG用于估计IQ信号的信噪比，SIG的门限的设置主要用于谱宽的质量控制，以确保气象功率足够大，谱宽测量的精度可以满足要求；

用户从终端显控系统并通过参数配置模块设置质量控制模块所需的质量控制因子门限；用户还通过参数配置模块为滤波器模块选择滤波方式；滤波方式包括IIR滤波、固定宽度和自适应谱处理滤波、CMD算法结合GMAP算法的滤波； CMD算法通过计算特征量反射率纹理TDBZ、杂波相位阵列校准值CPA、反映反射率因子在径向梯度变化的SPIN，以计算地物概率CP，并将地物概率CP超过0.5 的IQ信号标识为地物信号；GMAP(Gaussian modeladaptive processing)算法是在2004年，由SIGMET公司的两位工程师A.D.Siggia和R.E.Passarelli 提出的，GMAP算法旨在更彻底的滤除地物杂波，同时保留零频附近的气象回波； CMD结合GMAP的滤波是在滤除地物杂波的基础上，保留零频附近的气象回波；

GMAP算法包括：

1、杂波频谱宽度计算：

GMAP谱计算需要输入杂波谱宽，对于圆天线雷达，通常假设杂波谱为高斯谱。

其中γ为天线转速deg/s,θ_B为波束宽度单位deg.地杂波通常不是静止的。风可以使植被摆动，从而有效地通过拓宽杂波谱。定义内部运动谱宽是0.1m/s。

在傅立叶变换之前时域加窗会产生一个多普勒谱域产生一个偏差。计算如下

其中，V_m＝2v_a[m-1-floor(M_DFT/2)]/M_DFT，A是窗函数DFT系数。因此最终的谱宽是转动、窗偏差、内部运动组成。

天线旁瓣杂波可以具有的最大多普勒频移由下式给出

其中d＝5.1m是从天线旋转轴到馈电喇叭的距离。考虑到正向和负向偏移，将加宽的杂波频谱宽度设置为：

对于超出200的范围门，将不应用杂波频谱宽度加宽(σ_SC设置为零)；

2、改进GMAP算法：

基于假定的杂波频谱宽度和频谱中接近零多普勒的功率，GMAP谱计算杂波频谱的是高斯形式，并去除此函数大于噪声线的点。用剩余的点计算谱矩生成高斯函数，用高斯谱点填补零多普勒附近的空白，重新计算要素填充间隙，直到达到合理值为止收敛。很明显，气象频谱可以用单一高斯函数充分表示，该 GCF(ground clutter filter)谱的目的是通过截止带中填充谱点来减少杂波滤波器的偏差，用剩余的气象谱建模。

然而，实际的地杂波谱并不一定是高斯的，因此，我们增加了一个特性，从零多普勒或假定的高斯降到噪声线向外搜索频谱，找到向上的拐点。目的是扩大杂波窗，如果必须找非高斯尾。

改进GMAP算法的具体计算步骤为：

S01：计算用IQ加窗数据计算平均功率，P_unfilt，a_ls_l；

S02：a_ls_lDFT得到S_m，谱库排序使零频点在中间；

S03：得到|S_DC|，零频谱库±1得到最大的|S_m|；

S04：计算杂波谱点的半宽度

S05：若在宽杂波模式下(在高仰角层缺少杂波图减少杂波旁瓣)

L_H＝max{L_H,floor[M_DFTσ_sc/(4v_a)]}

S06：在|S_m|中向外找到上升的点，弱模式，向左右搜索m_DC±L_H点，任何模式下不超过m_DC±(L_H+N_HUNT)或者谱线最后一点，找到的杂波点被 GCF替换；

S07：计算归一化谱线组成，

用噪声线替换杂波点 P_N/M_DFT；

S08：开始循环迭代，计算信号功率P_S＝max(∑Q_m-P_N,EPS)，自相关 R₁＝∑Q_mexp{j2π[(m-1-floor(M_DFT/2))modM_DFT]/M_DFT}EPS是计算机数据类型支持的最小非零数。

S09：若P_S＝EPS，转到S18；

S10：计算功率谱库平均频率估计μ_F，如果M_DFT是奇数， μ_F＝round[M_DFT∠R₁/(2π)]，如果M_DFT是偶数， μ_F＝floor[M_DFT∠R₁/(2π)]，∠R₁在±π范围内计算。结果要量化这样峰值就会降到库中心；

S11：用功率谱库单元计算信号谱宽：

σ＝max{EPS，M_DFT[max(0，|ln(P_S/|R₁|)sgn(ln(P_S/|R₁|))/2]^1/2}/π

S12：用高斯模型系数拟合信号谱：

S13：信号功率归一化Q_Gm＝P_SQ_Gm/∑Q_Gm；

S14：用高斯系数+噪声(Q_Gm+P_N/M_DFT)替换杂波点；

S15：若第一次没有循环，检查推出条件，如果

并

并P_S＜(SIG_PROGRESS)P_S，转到S18；目前常数 R1_PROGRESS＝0.005并且SIG_PROGRESS＝1.04。

S16：

S17：结束循环，如果次数小于MAX_ITER，目前设为12，转到S08；

S18：用高斯模型拟合系数幅值替换杂波点，但保持原始输入相位 M_DFT(Q_Gm+P_N/M_DFT)^1/2S_m/|S_m|；

S19：逆DFT求杂波滤除后时域信号S_m ^GCF；

S20：计算去除杂波功率：

3、地杂波判定：

如果杂波点P_C＞0，滤除杂波的时域信号用于后续处理

否则用原始未滤波未加窗的数据计算，P＝P_unfilt；

信号存储模块通过网络收到用户发送消息指令，将收到的IQ数据存储在信号处理器本地，显控终端通过网络发送消息指令获取并显示存储的IQ文件信息。

当显控终端显示的IQ信号的强度、速度、谱宽数据未达到设定的要求时，用户通过信号回放模块中对信号处理参数进行重新设置，信号回放模块利用新的信号处理参数对信号存储模块中的IQ信号进行重新处理，并将重新处理后的属于气象信息的IQ信号发送至终端显控系统；信号处理参数为各模块进行信号处理时所需的参数，包括：处理点数、距离库长、距离量程和自检参数等；

基于Linux操作系统，稳定、安全、实时性好的特点，适合作为承载信号处理运算的平台。开发工具采用Qt开发，Qt中的C++编程语言灵活，运算符的数据结构丰富、具有结构化控制语句、程序执行效率高，而且同时具有高级语言与汇编语言的优点，与其它语言相比，可以直接访问物理地址，与汇编语言相比又具有良好的可读性和可移植性。信号处理器大数据量计算，算法中调用 IPP“Intel Integrated Performace Primitivs”(IntelIPP)库函数，极大的改进程序模块的性能；

本发明对实时性要求较高，同时为了充分发挥多核CPU的计算力能，选用多线程并行处理的软件架构进行程序设计；软件架构如图2所示；

整个程序划分为获取、处理、分发三层结构；获取层负责IQ数据采集；处理层负责数据处理；分发层负责将处理好回波数据打包成一定格式向外分发；

算法模块采用插件式设计，可在主体程序不改变的情况下，方便地调整或增加处理算法；各算法模块被封装成独立的插件，具有标准的输入、输出接口；用户进行算法优化时，第一步按照插件定义的输入和输出算法设计和编码；第二步进行软件模块的编译；第三步进行相应算法模块的替换；

通过对各功能模块组件化处理，信号处理软件可完成开放式可重构设计目标，并能通过各软件模块重组，形成各种工作模式；

为了更好发挥多核的并行计算能力，采用线程池等技术的处理架构；

本发明在使用时，通过数据波束合成DBF运算后的16波束通道IQ数据通过光纤PCIe接口输出，由信号处理服务器实时完成数据解析、脉冲压缩，杂波抑制、气象要素的估计、数据质量控制，在一个CPI计算完成后，通过TCP/IP 网络协议将数据发送给数据处理和监控终端进行后续气象产品的生成和显示；

采用高性能服务器能快速实时处理多波束雷达数据；具有计算速度快和实时性高的优点；

全软件化设计，软件模块设计灵活，可以利用不同的的硬件资源，融合更多、更复杂的功能和信号处理算法法，具有良好的拓展性,通过软件的重构和升级不断改进、提升或扩展雷达系统功能，以实现快速多元化探测；

采用模块化设计，各模块之间相互独立，模块接口清晰，便于软件的调试和维护，从而提高了软件的通用性和可靠性；

本发明不仅具备了高速的信息互联能力，更大大缩减了整机外部电缆的数量，提高了数据传输的抗干扰能力；

通过参数设置模块并根据雷达实际回波选择合适的质量因子门限，更为有效便捷的加强了数据质量控制；

通过孤噪处理器使得在质量控制因子门限降低的情况下，保证系统有更高的灵敏度和更少的虚警点。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.基于PCIE光纤采集卡的数字阵列天气雷达信号处理器，包括通用服务器、安装在通用服务器内的信号处理单元和PCIE光纤采集卡；其特征在于，所述信号处理单元包括信号接收模块、信号分析模块、脉冲压缩模块、滤波器模块、信号处理模块、质量控制模块和参数配置模块；

信号接收模块用于按照每次1M往通用服务器开辟缓存Buffer和不断接收PCIE光纤采集卡数据，同时按照接口约定查找Buffer中一个CPI的IQ数据并将这个CPI的数据存储到CPI缓存中，以及将CPI的数据发送至信号分析模块进行分析；信号分析模块同步Pcie0和Pcie1两个Pcie通道数据，将这16路通道数据合并形成一个完整CPI数据，判断如果两个Pcie通道数据同步差别超过一定时间，则只传送一个PCie通道8通道IQ数据；信号分析模块解析出运算所需配置参数和IQ数据；

信号分析模块接收CPI的数据并解析出运算所需配置参数和IQ数据，信号分析模块将标记后的IQ信号发送至滤波器模块，信号分析模块将分析线程池中的数据完成后将IQ数据发送脉冲压缩模块；

脉冲压缩模块用于对接收的IQ数据进行匹配滤波处理得到真实数据；滤波器模块根据参数配置模块设置的滤波器号选择不同的滤波器系数进行滤除地物滤波，具体过程为：滤波器模块对标记后的IQ信号进行滤波及滤除地物信号，并将滤波前的IQ信号和滤波后的IQ信号均发送至信号处理模块，同时将滤波后的IQ信号发送至晴空图模块；

质量控制模块还将属于气象信息的IQ信号通过孤噪处理器进行孤噪处理，去除属于气象信息IQ信号中的离散噪声点；质量控制模块将孤噪处理后的气象信息的IQ信号发送至终端显控模块。

2.根据权利要求1所述的基于PCIE光纤采集卡的数字阵列天气雷达信号处理器，其特征在于，所述一个CPI数据包括M个脉冲数据,即一个FR；一个FR有N个距离库数。

3.根据权利要求1所述的基于PCIE光纤采集卡的数字阵列天气雷达信号处理器，其特征在于，所述信号分析模块的具体过程为：信号分析模块对IQ信号进行通道转换，将发送来的按距离库排列的16通道的IQ信号，转成按通道排列的M个FR、N个距离库的IQ信号，信号分析模块利用CMD算法对修正后的IQ信号进行杂波识别，判断IQ信号为地物信号或气象信号，并对IQ信号进行标记，地物信号标记1，气象信号标记0。

4.根据权利要求1所述的基于PCIE光纤采集卡的数字阵列天气雷达信号处理器，其特征在于，所述信号处理单元对信号接收模块、信号存储模块、信号分析模块、脉冲压缩模块、滤波器模块、信号处理模块、质量控制模块和参数配置模块均创建线程或线程池，且每个线程或线程池均运行在不同的内核上。

5.根据权利要求1所述的基于PCIE光纤采集卡的数字阵列天气雷达信号处理器，其特征在于，所述滤波前的IQ信号为原始信号，标记后的IQ信号包括地物信号和气象信号；信号处理单元为滤波器模块创建了滤波线程池，且滤波线程池中包括八个滤波线程，每个滤波线程处理八分之一的距离库上的IQ信号。

6.根据权利要求1所述的基于PCIE光纤采集卡的数字阵列天气雷达信号处理器，其特征在于，还包括显控终端和信号回放模块；显控终端通过网络发送消息指令获取并显示存储的IQ文件信息，当显控终端显示的IQ信号的强度、速度、谱宽数据未达到设定的要求时，信号回放模块利用新的信号处理参数对信号存储模块中的IQ信号进行重新处理，并将重新处理后的属于气象信息的IQ信号发送至终端显控模块；其中信号处理参数为各模块进行信号处理时所需的参数，所需的参数包括处理点数、距离库长、距离量程和自检参数。

7.根据权利要求1所述的基于PCIE光纤采集卡的数字阵列天气雷达信号处理器，其特征在于，还包括信号存储模块和参数配置模块；所述信号存储模块通过网络收到用户发送消息指令，将收到的IQ数据存储在信号处理器本地；参数配置模块用于用户为滤波器模块选择滤波方式。

8.根据权利要求7所述的基于PCIE光纤采集卡的数字阵列天气雷达信号处理器，其特征在于，所述滤波方式包括IIR滤波、固定宽度和自适应谱处理滤波、CMD算法结合GMAP算法的滤波。