[科普中国]-回波测量

概念简介

回波，是指通过不同于正常路径的其他途径而到达给定点上的信号。回波产生是由于信号经反射物反射后，被反射物吸收一部回波产生是由于信号经反射物反射后分能量，产生了具有衰减延迟的原信号，叠加上原信号形成。

回波测量即通过搭载在相应平台（如雷达）上的探测器测量回波信号，从而得到所需的各项物理信息。

超声波检测技术具有适中的分辨力和较低的成本优势，使之成为工业检测中应用较多的一种检测方法。由于超声检测过程中的回波信号同时包含回波信号和各种噪声信号，而且，微小回波信号微弱，易于被噪声淹没，因此，必须设法从嘈杂的波形中判断出回波之所在。

目前，大部分的分析技术都是基于傅立叶变换，因而，无法将信号的时域特征和频域特征有机地结合起来；而且，傅立叶谱仅能反映信号的统计特性，不具备局部化分析信号的功能。在水中选用的超声波探头比空气中的探头具有更高的工作频率，因此，具有更高的分辨力，可以用于范围在几十毫米内距离变化的测量。1

测量回波信号原理假设空间信道为C(w)，发射信号为Stran(n)，当发射天线发射的信号经过耦合回路信道被接收天线接收，因此回波信号Secho(n)实际上是由发射信号经空间信道产生。Secho(n)=Stran(n)×C(w)

其中发射信号已知，故而只要能估计出空间信道状况，就可以准确地知道耦合的多径回波有几路，延迟分别为多少，各路回波的幅度等信息。

测量回波的方法分为2个部分：信道估计和自适应跟踪。其中信道估计利用了伪码良好的自相关和弱互相关的特性，发射伪码经过信道被接收和本地码字做相关运算从而可以得出信道的冲击响应；自适应跟踪是在估计出的信道冲击响应的基础上，精细的跟踪信道的变化，从而使得估计出的信道去逼近真实的空间多径信道。2

信道估计信道估计利用了伪随机序列，它是用确定性方法产生的序列，但却近似具有随机产生序列所希望获得的某些随机特性。在现代卫星导航系统和扩频系统中，抗干扰、抗截获、信息数据隐蔽与保密、抗多径干扰及抗衰弱、实现同步和捕获等都与扩频码的设计密切相关。伪随机序列具有如下的期望特性：

1）非常尖锐的自相关特性；

2）极低的互相关特性；

3）不同码元的平衡特性；

4）同样长度下足够多的码。

信道估计算法采用插入伪码的方法，设计1个本地的CAZAC码，该码具有较强的自相关特性，启动时，将CAZAC序列发射，这样可以利用CAZAC码的特性进行无线信道估计。该训练序列与其他信号不相关，因此可以采用相关的方法较精确的获取回波信道的状态响应。2

自适应跟踪自适应跟踪采用LMS算法，LMS算法是1种应用非常广泛的随机梯度算法。

算法的初始值W0(n)为信道估计的信道特性C(w)。参考信号从数字域引回本次传输的信号。最终自适应系统收敛在最优解上，使估计出来的信道逼近空间信道。2

回波测量误差因素由雷达气象方程可知, 引起反射率因子误差主要由雷达本身的参数(如发射功率、波束宽度、天线增益、系统损耗等)、气象因子(如折射指数、衰减系数、充塞系数等)、雷达距目标物的距离等误差引起, 这些因子通过相互影响共同制约着回波强度的误差。3

信号处理方法不当对于回波强度dBz定标误差范围, 按新一代天气雷达技术要求在±1 dB(常规天气雷达应小于2dB)范围内, 如果误差超过了该范围, 应根主要检查:

①系统损耗中的各种损耗是否在信号处理中已考虑;

②大气衰减因子Lat(双程)损耗;

③系统损耗中已经包含发射支路损耗, 雷达常数计算中, 发射机的输出功率值就不要考虑发射支路损耗值；

④对于采用模拟对数中频接收机的天气雷达还要加上2.5 dB订正值。3

信号源输出误差按理论计算中的dBpr值, 在回波强度dBz定标检查中就是信号源在接收机输入端输入的测试信号功率值, 其对应的接收支路损耗值应为接收机输入端到天线喷口处这一段接收支路的损耗值，在定标过程中这两个值应换算到对应值。信号源在接收机输入端注入功率值的确定, 应考虑连接电缆、各种连接接头、转接头等的损耗, 在台站无法准确测试连接损耗情况下, 通常多接一个连接接头要考虑0.1 dB损耗。3

拟合直线斜率常规天气雷达由于广泛采用模拟对数接收机,信号处理器输出的是回波功率经A/D变换、积分处理后的量化值, 回波强度的定标方法是利用机外信号源从接收机输入端输入步进测试信号功率, 从信号处理终端读出回波强度A/D量化值, 建立回波功率(dBm)和回波强度A/D量化值的对应关系。实际雷达工作时, 软件根据A/D量化值从回波功率(dBm)和A/D量化值的对应关系推算出接收的回波功率(dBm), 然后根据雷达气象方程式计算出回波强度值。

常规天气雷达信号处理一般通过将回波信号功率进行A/D变换后进行积分处理, 而不是先转化为功率值再积分处理, 因此必须进行线性化处理, 对对数接收机, 回波功率的对数积分处理只有在动态范围内才与A/D变换值的积分处理相当, 如果线性关系差, 则误差就会增大。在动态范围外弱信号时, 这种处理不成立, 理论推导证明, 弱信号时这种处理导致回波强度测量值偏弱, 大概只有理论值的0.86。新一代天气雷达回波强度测量误差范围在±1dB(常规天气雷达为±2 dB)内, 为满足监测冰雹、短时强降水等灾害性天气的需要, 要求信号接收、处理通道在动态范围≥85 dB内的拟合直线斜率满足1 ±0.015的技术要求。3

系统损耗测量误差系统损耗包含发射支路损耗值(含谐波滤波器损耗)、接收支路损耗值、天线罩的双程损耗, 一般按出厂测量值, 再根据现场连接波导长度、连接头和转换接头多少, 通过理论计算进行修正。如果条件具备, 可用标准信号源和功率计(或雷达接收机)进行联合现场测试, 误差过大就进行校正。3