地基主动式天气雷达是气象雷达中的一种，其发射的电磁波在大气传播过程碰到气体分子(云、雨、雪等降水粒子)时，将产生散射，可造成回波信号的幅度、相位、频率、偏振等特征发生变化[1]。通过对这些变化的特征进行分析，可以获取粒子的相态、形状、尺度分布及垂直结构等信息。从20世纪70年代开始，天气雷达就为我国气象事业服务并逐渐成为探测暴雨、冰雹、台风、龙卷等灾害性天气过程最有效的工具[2]。
    固态发射体制天气雷达由于采用了固态发射机，因此相比真空管雷达具有以下优势：雷达不需要预热;在硬件方面去除了高压器件，使用过程更加安全;工作性能稳定，寿命长、无噪音、体积小、重量轻等[3]。由于固态天气雷达采用了固态发射机，发射的峰值功率有限，故为了保证雷达具有较远的探测距离，需采用宽脉冲进行发射。为了获取较高的距离分辨率，发射信号需具有较大的带宽,因此需要发射信号具有较大的时宽带宽积[4]。然而,普通的单载频脉冲信号的时宽与带宽之积约为1，但大时宽与带宽不可兼得。于是在匹配滤波器理论指导下，提出了线性调频(LFM)脉冲压缩的概念，国内很多学者也在进行这方面的研究[5-6]。
1 LFM脉冲压缩技术
　LFM是在脉冲宽度内其频率按照线性变化的信号，其时宽、带宽可调。这类信号的匹配滤波器具有对回波信号的多普勒频移不敏感的特性，即当天气回波存在较大的多普勒频移时，匹配滤波器仍然能对回波信号进行较好的压缩，从而避免了对压缩网络的重新设计，极大地简化了信号处理系统。

    由式(4)可以较容易地计算出输出波形的最大旁瓣与主瓣峰值比(RMS)、-3 dB处主瓣加宽系数(?茁)、信噪比损失(Loss)等主要性能指标。
2 仿真实验
　在仿真实验中，固态天气雷达发射信号的脉冲宽度T=100 ?滋s,带宽B=2 MHz,采样频率为8 MHz，仿真结果如图2所示。

    对脉冲压缩旁瓣抑制效果评判的主要性能指标有RMS、和Loss。表1给出了上述仿真实验中输出波形的主要性能指标。
    通过对表1中的各项数据进行比较可知，窗函数的旁瓣抑制能力越强，则输出波形的主瓣展宽也就越大。因此，在进行加权滤波处理时，窗函数的选择需对各种性能参数进行综合考虑。对气象目标而言，当加权后脉压信号的-3 dB主瓣展宽系数在1.5以内,且信噪比损失少于1.5 dB，主旁瓣比达到40 dB以上时，可以选择此类窗函数进行脉压旁瓣的抑制[7]。综合以上分析，在广义余弦窗中，选择海明加权函数作为脉压加权网络所获得的输出波形整体效果更好。
3 工程实现
3.1 软件实现脉压
    由于软件处理比较灵活，且修改方便，故脉冲压缩采用软件的方式实现。脉冲压缩软件的开发是基于VC++平台和英特尔集成性能基元Intel IPP(Integrated Performance Primitives)之上的应用程序。在VC++平台主要完成应用程序的开发，而IPP的引用主要是利用其中的高度优化的软件函数库，以此来提高应用程序运行的效率。
    在实现脉冲压缩的工程时，需注意以下两点：
 
3.2 外场试验
　固态天气雷达基本参数：发射峰值功率为50 W,时宽为100 ?滋s，带宽为2 MHz，采样率为8 MHz，波束宽度为1.5°。数据采集时间为2013年3月12日17点30分。
    为了更加直观地体现脉冲压缩、海明加权处理对天气回波结构及天气雷达弱目标获取能力的影响，现给出回波强度对比图，如图3所示。
    图3中方位290°~360°范围内强度较大的回波为地物杂波(龙门山脉)。从图3(a)、图3(b)中地物的结构可以清晰地看出，脉压后回波图(图3(b)、图3(c))中地物的轮廓更清晰，甚至可以看到山脉的缝隙，即脉冲压缩后探测的距离分辨力提高了。对比图3(b)、图3(c)中右下角圆圈内的天气回波，从回波面积上可以看出，图3(c)圆圈内回波面积较图3(b)图大，而多出来的部分为较弱的天气回波，强度在15 dB左右。这一现象同时也证明了海明加权后输出波形获取更高的RMS将有利于弱天气目标的提取。除了图3(b)、图3(c)圆圈内回波面积大小不同外，其中心回波的强度也有一些差异。通过定量分析可知，图3(b)中心回波强度约比图3(c)中心回波强度高2 dB。这一现象可以通过表1中信噪比损失这一参数进行解释，因为海明加权会导致信噪比损失，由表1可知信噪比损失大约为1.5 dB，这一现象正是由于加权导致信噪比损失引起的。

　为了对回波数据进行定量分析，现取同一径向(方位为310.5°)的回波数据，绘制输出信号的功率图，如图4所示。当脉压网络仅由匹配滤波器组成时，RMS约为13.2 dB；当脉压网络由匹配滤波器与海明加权函数级联时，RMS约为43.2 dB，?茁约为1.47，Loss约为1.85 dB。海明加权后RMS提高了约30 dB，RMS的提高可以显著增强天气雷达对弱天气目标的探测能力。同时， 因信噪比有所损失,图4(c)发射信号的样本峰值功率比图4(b)略低。

    在全固态天气雷达发射峰值功率受限的情况下，脉冲压缩技术可以很好地解决发射宽脉冲所带来的探测距离与距离分辨力的矛盾。本文首先介绍了LFM信号脉冲压缩技术的原理，其次采用海明加权的方式对脉压输出波形的距离旁瓣进行有效抑制并进行了理论仿真，在此基础上将脉冲压缩技术在工程应用中进行了实现。最后，利用全固态天气雷达探测到的天气回波强度信息对脉冲压缩理论仿真结果进行分析与验证。结果表明,脉冲压缩技术在全固态天气雷达中得到了较好的实现,探测到的天气回波特征与理论分析结果相一致。
参考文献
[1] 邱金恒，陈洪滨. 大气物理与大气探测学[M].北京：气象出版社，2006
[2] 何建新.现代天气雷达[M].成都：电子科技大学出版社，2004.
[3] SKOLNIK M. 雷达手册[M]. 南京电子技术研究所，译. 北京：电子工业出版社，2010.
[4] 张直中.雷达信号的理论及脉冲压缩[J].电子学报，1962,1(2)：1-14.
[5] 陈勇，姚新宇，潘玉林，等. 雷达实时仿真中的脉冲压缩技术研究[J]. 电子技术应用，2012，38(1)：118-119.
[6] 刘敬兴. 地面探测脉冲压缩雷达的动目标检测[J].电子技术应用，2010,36(1)：132-135.
[7] 林茂庸，柯有安. 雷达信号理论[M].北京：国防工业出版社，1984.