专利名称：机载相控阵多普勒气象雷达的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种气象雷达，尤其是一种机载气象雷达，具体地说是一种机载 相控阵多普勒气象雷达。
背景技术：
众所周知，我国是世界上受气象灾害影响最严重的国家之一。气象灾害种类多、强 度大、频率高，严重威胁人民生命财产安全，给国家和社会造成巨大损失。主要灾害性天气 包括台风、暴雨、干旱及突发性天气等。对天气系统实施适应性观测，在敏感区进行连续追 踪观测，将明显提高天气系统的监测和预测能力。气象探测技术的发展趋势，是在地基_空 基-天基一体化探测体系中实现全时空无缝隙覆盖观测。而我国在气象探测领域中，在空 基和天基上进行主动遥感气象探测手段基本上为空白。利用飞机平台进行气象探测，可以 对所关注的对象进行具有高选择性、高机动性的精细结构探测，提高对天气系统的探测能 力。机载气象雷达在美国等发达国家已广泛应用，但都采用机械扫描体制完成降水测 量。由于机械扫描体制本身技术的限制，使得机载气象雷达受到扫描速度的限制，难以完成 复杂扫描策略的实现。而采用相控阵体制制造机载气象雷达，可以更快速准确地完成对降 水目标以及大气湍流的强度、多普勒速度测量。相控阵雷达的天线同机械扫描雷达天线不同，它是通过改变雷达阵列中各天线单 元的信号相位关系来改变波束的指向，从而实现波束扫描。采用相控阵体制的机载气象雷 达将具备以下优势快速扫描能力相控阵气象雷达一般可在几微秒内完成雷达波束形成和波束位置 转换，通过发射一个宽波束信号，照射气象目标区，这种瞬时波束扫描可以采用无间隙的空 间波束接收，大大增加了气象信息获取能力。这种能力对快速探测风暴的结构是非常有效 的，特别在飞行环境中能够对需要探测的区域快速完成高密度扫描，获取到非常真实的云 雨目标精细结构，提供高时空分辨率，高质量的回波数据。相控阵气象雷达快速扫描的实 现，提供了更高时空分辨率的数据资料，从而为数值预报模式提供了更加接近真实大气状 态的初始场信息，为雷达资料同化、准确的降水定量估测，提高数值模式预报能力等奠定了 ■石出。强抗杂波影响能力飞行环境中各种地杂波对天气探测有很大影响，相控阵气象 雷达采用相位加权的方法就可以灵活地对天线方向图赋形，即根据实际需要在不同位置上 采用具有特定形状的天线波瓣来抑制地杂波影响。由于相控阵技术符合气象雷达的发展趋势，因此采用相控阵技术制造机载多普勒 气象雷达就可以实现对降水和大气湍流的测量，并且有效抑制地杂波的影响。发明内容本实用新型的目的是针对针对目前机载气象雷达的技术不足之处，设计一种采用 相控阵体制的具有多普勒测速功能的机载气象雷达。
3[0010]本实用新型的技术方案是一种机载相控阵多普勒气象雷达，其特征是它主要由安装在飞机前部的天线罩内 的相控阵扫描天线2、行波管发射机3、数字接收机4、波束控制器5、信号/数据处理器6以 及电源模块7组成，行波管发射机3的输出通过相控阵扫描天线2发射，相控阵扫描天线2 将回波信号送入数字接收机4中，数字接收机4与信号/数据处理器6相连，信号/数据处 理器6分别与飞机上的数据接收系统及波束控制器5相连，波束控制器5与相控阵扫描天 线2的控制输入端相连。本实用新型的雷达在测量降水目标和大气湍流时，首先由发射机根据信号处理机 控制，将接收机中频综器产生的雷达载频低功率信号放大送至天线，在天线中经过移相后 形成期望的波束形状和指向辐射出去。辐射出去的电磁波遇到降水目标后反射，成为回波 信号，回波信号经天线接收后送至高频接收机，下变频以后送至处理机进行A/D变换(中频 采样)，数字信号由处理单元中的并行处理器进行FFT/PPP处理，获取目标的强度、速度等 原始数据，原始数据再经数据处理模块进行数据处理形成云图并进行输出参数计算，目标 参数由多功能接口模块发送至飞机航电系统。雷达波束控制系统在处理单元的控制下，实时计算相控阵各移相器扫描需要的相 移控制值，通过驱动电路驱动移相器，实现雷达波束扫描、瞬变和特殊波束赋形等功能。雷达的馈线部分是一个无源网络，它完成发射激励功率的分配，同时完成接收通 道的波束形成等任务。接收机完成信号的放大和转换，输出适应于数字信号处理的信号形式。在系统中， 采用数字中频处理，以保证更高的接收性能。信号处理机在收到数字中频送来的数字信号后，对其进行脉冲压缩、相干积累、滤 波、谱分析等。定时与接口分系统实现全系统的网络连接，进行系统内部数据传输，其中包 括工作指令的分配、工作状态的传输、系统工作所需的各个定时触发脉冲信号等。主控计算 机对系统工作的波束位置、PRF设置、工作方式等全部状态实现控制。相控阵气象雷达的工作过程十分自由灵活，可以工作在预制的工作模式下，也可 以由雷达操作人员根据实际情况通过数据处理系统的人机界面任意指定雷达的观测空域、 波束指向和工作方式。本实用新型的有益效果本实用新型解决了机载气象雷达探测降水目标和大气湍流时的扫描速度问题，利 用相控阵天线，实现了单台雷达快速扫描、跳跃扫描和跟踪扫描的扫描策略，通过波束赋形 和地速测量，能及时抑制飞行中地杂波对雷达探测性能的影响。本实用新型首次将相控阵天线应用于机载气象雷达领域，具有结构简单，灵敏度 高的优点。本实用新型解决了飞机在飞行中快速准确测量降水以及风切变的问题，获取降水 以及大气湍流的强度和多普勒速度，具有功能齐全、结构紧凑的优点。
图1是本实用新型的组成结构框图示意图。图2是本实用新型的天线组成框图。[0024]图3是本实用新型的波束控制组成框图。图4是本实用新型的发射机组成框图。图5是本实用新型的接收机组成框图。图6是本实用新型的信号/数据处理组成框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。如图1-6所示。一种机载相控阵多普勒气象雷达，它主要由安装在飞机前部的天线罩内的相控阵 扫描天线2、行波管发射机3、数字接收机4、波束控制器5、信号/数据处理器6以及电源模 块7组成，行波管发射机3的输出通过相控阵扫描天线2发射，相控阵扫描天线2将回波信 号送入数字接收机4中，数字接收机4与信号/数据处理器6相连，信号/数据处理器6分 别与飞机上的数据接收系统及波束控制器5相连，波束控制器5与相控阵扫描天线2的控 制输入端相连。详述如下本实用新型是采用相控阵体制设计机载气象雷达以获取降水目标和大气湍流的 强度、多普勒速度。机载相控阵多普勒气象雷达由相控阵扫描天线、行波管发射机、数字接 收机、波束控制器、信号/数据处理器以及电源模块组成，各部分之间还有连接波导、单元 支架等附件，整个设备安装在飞机前部的天线罩内。雷达通过信号/数据处理器中的多功 能接口模块完成与飞机之间的数据交联。相控阵扫描天线采用波导强迫馈电式无源相控阵天线，主要包括天线辐射器、移 相器、波控定相、馈线网络、波控器、馈线组件以及阵面结构框架等组成。相控阵扫描天线组 成如图2所示。无源相控阵天线由约1500个辐射单元组成，共40列，辐射单元按三角形排列。每 个单元对应一个高可靠性的铁氧体移相器，波束控制系统对铁氧体移相器进行初始校正 和补偿。每两排移相器与结构过渡板一起组成移相器组件；一条移相器组件与一条列馈及 插座、走线板等电装成一条线阵，整个天线有20条线阵。每半条线阵对应一块驱动控制电 路板，整个天线共有40块驱动控制电路板。波导功率分配网络精确控制阵面口径幅度加 权，使相控阵既保持较高的口径利用系数，又实现低副瓣。馈电网络主要由列馈网络及行馈 网络组成。发射时，信号由网络口输入，输出4个等幅同相信号，进入行馈、再经列馈分配 到各个移相器，经由天线单元辐射出去。接收时，回波信号由天线接收后，经移相器、列馈网 络、行馈网络合成输出信号。在功分网络的每个输出口与辐射单元之间串接铁氧体移相器。初相补偿和波束扫 描是通过波控器控制移相器的相位来实现的。当需要将波束指向某一方向时，波控完成辐 射面的相位计算、计算出波控扫描码，确定各个移相器辐射单元的最终相移量所需的相位 波控码，控制移相器工作。按预定规律改变每个移相器的相位，实现波束扫描。通过波控系统控制移相器形成辐射面上特殊的相位分布，可以形成特殊的波束形 状，从而满足雷达不同的使用要求。如图3所示，波束控制采用集中式相位计算波控方式，由波束控制模块和波控驱 动电路组成，完成机载相控阵多普勒气象雷达的波束扫描控制。天线单元上有若干个电路 模块组成的阵面波控电路，电路模块上使用了专用ASIC芯片。
5[0038]处理单元向天线传输波控码，载频编码，工作方式，效验码等信息。波控系统将雷 达计算机送来的波束指向码转化为天线各个移相器的相移量，并完成初始相位修正、移相 器的补偿、频率补偿，其它特殊赋形加权等形成最终的相移量，通过移相器定相电路激励移 相器并锁定，实现天线波束指向的捷变，直到雷达计算机发出新的波束指向码。本实用新型的发射机高频链路采用主振放大式体制，高频链路中核心器件为栅控 脉冲行波管。整个发射机由配电整流模块、电源逆变模块、高压电源模块、脉冲调制模块、控 保和前级放大器模块等6个模块和行波管组成，另外还有一些高频元件与结构件。发射机 模块化划分示意图如图4所示。前级固态放大器将雷达系统提供的低功率射频信号进行预放大，获得满足行波管 激励的射频信号，射频链路的设计能够适应不同行波管的激励功率要求。行波管为高频链 路主放大管，具有控制保护电路，波导与同轴元件为微波传输元件。调制器由预调电路、脉 冲传输变压器、高电位调制电路等组成。行波管工作控制由调制器完成，当行波管各极电压 加到额定值时，调制器控制行波管工作，当调制器输出电压为额定负偏电压时，行波管不工 作，当调制器输出电压为额定正栅电压时，行波管工作。电源由低压电源、高压电源、灯丝调制电源组成。低压电源提供系统控制保护电 路、电源辅助控制电路、以及前级固态放大器等低压部件工作所需的供电。高压电源提供行 波管工作所需的大部分电源，灯丝调制电源为行波管灯丝与调制器电路提供电源。控制与保护电路由控制接口板与控制数字板组成。控保电路主要担任着发射机的 开关机与故障检测功能，保护项有过压、欠压、过流等。接收机包括前端、多功能频综器和中频采样处理。接收机前端为独立单元即接收 单元，结构上安装在天线单元上，接收机的其他功能组件安置在处理单元中。接收机组成如 图5所示。接收分系统是一个单通道高中频接收机，完成雷达回波信号的放大和两次下变 频，输出中频信号(窄带)送A/D采样，窄带信号由DDC模块实现中频采样和数字正交I/Q解调。多功能频综器产生各种雷达探测激励信号，具备高纯频谱特性，并具有发射频率 与工作模式控制、波形与定时控制、接收通道内子单元参数控制、与雷达计算机通讯等功 能；为雷达提供高稳定基准信号，为接收机提供高纯频谱一本振和二本振信号、提供消隐及 各种控制信号，为I/Q相检电路提供高精度频率可控的本振信号；接口电路能够接受计算 机指令，完成状态控制、故障检测与隔离等功能。频率器组成包括参考源、激励源组件、本振 组件、调制组件等构成，可提供发射机的脉冲调制射频激励信号、接收本振信号、脉冲压缩 所使用的调相信号和系统自检信号等。信号/数据处理机完成对接收机输出的中频采样信号进行预处理、滤波、相干积 累、目标检测、图像形成等数字处理，并完成系统BIT检测和自身的BIT检测；信号/数据处 理机产生全机定时信号，实现对雷达各分机的定时控制。信号/数据处理机包括三种模块主控模块，TS201模块和定时模块，如图6所示。 主控模块主要实现信号处理控制和后处理工作。主控板通过DPBUS接受数据处理机传来的 命令，通过GBUS将命令发送给定时器和TS201模块，然后接受TS201模块送来的处理结果 并进行后处理，最后将数据送给数据处理机。定时器模块产生雷达全机所需的各种定时信号，实现对雷达各分机的定时控制。该模块通过GBUS接收主控板送来命令，产生定时信号， 并将控制参数通过快速串行口送给频综器。本实用新型的工作原理为雷达在测量降水目标和大气湍流时，发射机根据信号处理机控制，将接收机中频 综器产生的雷达载频低功率信号送至行波管发射机，由发射机输出的微波信号经馈线网络 后等分成四路，每一路经一组波导串馈式功分网络馈给阵列的一个象限，通过辐射单元经 过移相后形成期望的波束形状和方向辐射至空间。辐射出去的电磁波遇到降水目标后反 射，成为回波信号，雷达转为接收状态，四个象限的辐射单元接收到的信号分别经波导串馈 功分网络合成，传输到馈线网络，在馈线网络内进行合成，形成波束。回波信号送至高频接 收机，下变频以后送至处理机进行A/D变换(中频采样)，数字信号由处理单元中的并行处 理器进行FFT/PPP处理，获取目标的强度、速度等原始数据，原始数据再经数据处理模块进 行数据处理形成云图并进行输出参数计算，目标参数由多功能接口模块发送至飞机航电系 统。本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
权利要求1. 一种机载相控阵多普勒气象雷达，其特征是它主要由安装在飞机前部的天线罩内的 相控阵扫描天线(2)、行波管发射机(3)、数字接收机(4)、波束控制器(5)、信号/数据处理 器(6)以及电源模块(7)组成，行波管发射机(3)的输出通过相控阵扫描天线(2)发射，相 控阵扫描天线(2)将回波信号送入数字接收机(4)中，数字接收机(4)与信号/数据处理 器(6)相连，信号/数据处理器(6)分别与飞机上的数据接收系统及波束控制器(5)相连， 波束控制器(5)与相控阵扫描天线(2)的控制输入端相连。
专利摘要一种机载相控阵多普勒气象雷达，其特征是它主要由安装在飞机前部的天线罩内的相控阵扫描天线(2)、行波管发射机(3)、数字接收机(4)、波束控制器(5)、信号/数据处理器(6)以及电源模块(7)组成，行波管发射机(3)的输出通过相控阵扫描天线(2)发射，相控阵扫描天线(2)将回波信号送入数字接收机(4)中，数字接收机(4)与信号/数据处理器(6)相连，信号/数据处理器(6)分别与飞机上的数据接收系统及波束控制器(5)相连，波束控制器(5)与相控阵天线(2)的控制输入端相连。本实用新型解决了飞机在飞行中快速准确测量降水以及风切变的问题，获取降水以及大气湍流的强度和多普勒速度，具有功能齐全、结构紧凑的优点。
文档编号G01S13/95GK201788280SQ200920256538
公开日2011年4月6日 申请日期2009年11月13日 优先权日2009年11月13日
发明者张越, 李忱 申请人:南京恩瑞特实业有限公司