一种基于全数字阵列的有源相控阵天气雷达系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于全数字阵列的有源相控阵天气雷达系统，包括用于发射波束、接收波束以及对回波数据进行处理的信号处理机，信号处理机通过网络分别与监控终端、产品终端双向通讯，信号处理机通过第一光纤与第一高速大容量波分复用光纤通信机相连，第一高速大容量波分复用光纤通信机通过第二光纤与第二高速大容量波分复用光纤通信机相连，汇流环套设在第二光纤上，第二高速大容量波分复用光纤通信机分别与校正分机、全数字阵列模块双向通讯，全数字阵列模块通过校正网络与天线阵列相连。本发明采用分布式收发组件，提高了雷达的工作可靠性；采用电扫描波束灵活可变、接收同时多波束，扫描速度快，系统可实现多种工作模式工作，时空分辨率高。
【专利说明】一种基于全数字阵列的有源相控阵天气雷达系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及相控阵天气雷达【技术领域】，尤其是一种基于全数字阵列的有源相控阵天气雷达系统。
【背景技术】
[0002]在人们探测自己赖以生存的地球大气的各种方式中，天气雷达占有十分重要的地位，相对于其它探测手段，天气雷达具有高的时空分辨率，能够及时准确的对灾害性天气进行探测，特别是在中小尺度灾害性天气监测和短时天气预报等方面是十分有效的观测工具。
[0003]我国目前已经布网的新一代天气雷达大大提高了对灾害性天气的监测和预警能力，能够定量探测降雨回波强度、径向速度、速度谱宽等信息，以其高时空分辨率、及时准确的遥感探测能力成为灾害性天气，特别是中尺度灾害性天气监测预警等方面极为有效的工具。但是由于对流天气现象的变化是很快的，对流单体的发展时间尺度有些时候就几分钟到十几分钟，尤其对于风暴等强对流单体，几分钟单体情况就可能发生很大的变化。目前多普勒气象雷达还有待提高实现对小尺度，时间持续短变化快而造成较大危害的天气现象进行有效观测，其主要原因是雷达探测周期长、雷达探测时间分辨率低。
[0004]我国目前有关的相控阵天气雷达的研究尚处于起步阶段。由于相控阵雷达的扫描体制不同于常规雷达，相控阵天气雷达的快速扫描能够使我们对中小尺度天气过程发生、发展以及三维立体结构和动力结构有更好的了解。因此，可以肯定相控阵技术是未来天气雷达发展的一个重要的方向，对于全数字阵列的相控阵技术应用于天气雷达的实现方法的研究也有着重要的现实意义。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种具有天线波束快速扫描能力、空间功率合成能力和多波束形成能力的基于全数字阵列的有源相控阵天气雷达系统。
[0006]为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案:一种基于全数字阵列的有源相控阵天气雷达系统，包括用于发射波束、接收波束以及对回波数据进行处理的信号处理机，信号处理机通过网络分别与监控终端、产品终端双向通讯，信号处理机通过第一光纤与第一高速大容量波分复用光纤通信机相连，第一高速大容量波分复用光纤通信机通过第二光纤与第二高速大容量波分复用光纤通信机相连，汇流环套设在第二光纤上，第二高速大容量波分复用光纤通信机分别与校正分机、全数字阵列模块双向通讯，全数字阵列模块通过校正网络与天线阵列相连，频率源分别向全数字阵列模块、信号处理机提供时钟信号，伺服驱动电机的输出端分别与汇流环、天线阵列相连。
[0007]所述信号处理机由数字波束形成单元和多普勒气象信号处理器组成，所述多普勒气象信号处理器由脉冲压缩单元、FFT变换单元、频域滤波单元、IIR滤波单元、DVIP单元和数据格式化单元组成，数字波束形成单元与第一光纤双向通讯，数字波束形成单元分两路输出，一路直接与监控终端相连，另一路与脉冲压缩单元的输入端相连，脉冲压缩单元的输出端分别与FFT变换单元、IIR滤波单元的输入端相连，FFT变换单元与频域滤波单元串联，IIR滤波单元与DVIP单元串联，频域滤波单元、DVIP单元的输出端均与数据格式化单元的输入端相连，数据格式化单元的输出端与产品终端的输入端相连。
[0008]所述全数字阵列模块由8个数字阵列模块单元组成，每个数字阵列模块单元由16个全数字收发组件组成，所述全数字收发组件包括波形产生电路，其输出端依次与第一放大滤波电路、接收第二本振信号的第一上变频、第二放大滤波电路、接收第一本振信号的第二上变频、第一滤波器、功率放大器相连，功率放大器的输出端与环形器的输入端相连，环形器与天线阵列双向通讯，环形器的输出端依次与隔离限幅低噪放大器、第二滤波器、接收第一本振信号的第一下变频、第三放大滤波电路、接收第二本振信号的第二下变频、第四放大滤波电路相连，第四放大滤波电路的输出端与数字接收机的输入端相连。
[0009]所述频率源包括10MHz晶振，其输出端分别与第一锁相环、第二锁相环和基准信号产生电路的输入端相连，第一锁相环的输出端与倍频器的输入端相连，倍频器输出第一本振信号至第一 1:8功分器的输入端，第一 1:8功分器的输出端与全数字阵列模块相连;第二锁相环的输出端输出第二本振信号至第二 1:8功分器的输入端,第二 1:8功分器的输出端与全数字阵列模块相连；所述基准信号产生电路通过功分网络输出时钟信号分别至全数字阵列模块、信号处理机。
[0010]所述校正网络由主馈线和128个双定向耦合器组成，主馈线采用波导，校正网络作为一个整体与组成天线阵列的128根天线之间通过法兰连接。
[0011]所述天线阵列所传输的波束信号以波导窄边开倾斜缝的行波阵的形式传输，天线阵列采用裂缝波导线阵。
[0012]所述校正分机由数控衰减器和校正收发组件组成，数控衰减器与校正收发组件之间双向通讯，数控衰减器与校正网络相连，校正收发组件与信号处理机双向通讯。
[0013]由上述技术方案可知，本本发明采用分布式收发组件代替传统的单发射机单接收机结构，提高了雷达的工作可靠性，降低了雷达的全寿命周期成本；高性能、高可靠、高机动，采用电扫代替传统的机械扫描，波束灵活可变、接收同时多波束，扫描速度快，系统可实现多种工作模式工作，可以将一个体扫时间从6分钟时间缩短为I分钟以内，时空分辨率高；采用了有源数字TR组件，收发DBF体制，波束控制灵活，针对不同类型的天气目标使用不同的工作模式，对不同阵地、不同目标观测需求适应性强；该雷达基于先进的数字阵列体制，采用超低副瓣波导裂缝平面阵列天线、直接数字合成(DDS)波形产生、数字脉冲压缩、快速架设/拆收、网络化终端等先进技术；雷达自动化程度高，采用自动定北和电动调平技术，架拆时间短；雷达系统动态范围大，同时，机内标定设备实施自动标定可以确保系统定量测量的准确度；体积小，重量轻，结构紧凑，无馈线网络电缆连接，不仅适用于车载平台，还可以扩展至多种工作平台，如机载平台、气球浮空平台等。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明的系统电路框图。
[0015]图2、3、4分别为图1中的全数字收发组件、信号处理机、频率源的电路框图。
【具体实施方式】
[0016]一种基于全数字阵列的有源相控阵天气雷达系统，包括用于发射波束、接收波束以及对回波数据进行处理的信号处理机1，信号处理机I通过网络分别与监控终端、产品终端双向通讯，信号处理机I通过第一光纤与第一高速大容量波分复用光纤通信机相连，第一高速大容量波分复用光纤通信机通过第二光纤与第二高速大容量波分复用光纤通信机相连，汇流环套设在第二光纤上，第二高速大容量波分复用光纤通信机分别与校正分机2、全数字阵列模块3双向通讯，全数字阵列模块3通过校正网络4与天线阵列5相连，频率源6分别向全数字阵列模块3、信号处理机I提供时钟信号，伺服驱动电机的输出端分别与汇流环、天线阵列5相连，如图1所示。数据处理终端由监控终端和产品终端两部分组成，完成以下主要功能:雷达控制、数据采集、雷达数据处理、产品生成、产品存档和回显、系统监控，系统具有对外网络通信的能力，能够实现多波束显示。
[0017]如图1所示，所述校正网络4由主馈线42和128个双定向耦合器41组成，主馈线42采用波导，校正网络4作为一个整体与组成天线阵列5的128根天线51之间通过法兰连接。所述天线阵列5所传输的波束信号以波导窄边开倾斜缝的行波阵的形式传输，天线阵列5采用裂缝波导线阵。发射信号时，全数字收发组件31将激励信号移相、上变频、放大馈送到波导阵输入端，裂缝波导线阵将射频信号辐射到空间形成所需要的发射波束，接收时，裂缝波导线阵将接收到目标回波信号送入其后的全数字收发组件31，全数字收发组件31输出的数字信号送入数字波束形成单元11形成所需的接收波束。所述校正分机2由数控衰减器和校正收发组件组成，数控衰减器与校正收发组件之间双向通讯，数控衰减器与校正网络4相连，校正收发组件与信号处理机I双向通讯。
[0018]如图2所示，所述全数字阵列模块3由8个数字阵列模块单元组成，每个数字阵列模块单元由16个全数字收发组件31组成，所述全数字收发组件31包括波形产生电路，其输出端依次与第一放大滤波电路、接收第二本振信号的第一上变频、第二放大滤波电路、接收第一本振信号的第二上变频、第一滤波器、功率放大器相连，功率放大器的输出端与环形器的输入端相连，环形器与天线阵列5双向通讯，环形器的输出端依次与隔离限幅低噪放大器、第二滤波器、接收第一本振信号的第一下变频、第三放大滤波电路、接收第二本振信号的第二下变频、第四放大滤波电路相连，第四放大滤波电路的输出端与数字接收机的输入端相连。数字阵列模块单元包括16个相同的收发通道，每个收发通道具有单独收发功能；全数字收发组件31将激励信号移相、上变频、放大馈入到波导阵输入端，裂缝波导线阵将射频信号辐射到空间形成所需要的发射波束，裂缝波导线阵接收到目标回波信号后送入其后的全数字收发组件31，全数字收发组件31输出的数字信号送入数字波束形成单元11形成所需的接收波束。通过控制全数字收发组件31中波形产生电路DDS的相应参数，就可实现垂直面赋形和各种一维相扫，从而实现该雷达多种工作模式。
[0019]图2分上下两个通道，在发射信号时，先由下通道的波形产生电路产生50MHz中频信号，经第一放大滤波电路放大滤波，与1.22GHz的第二本振混频经第一上变频变频成1.27GHz的一中频信号，一中频信号再经第二放大滤波电路进行放大滤波后，与8.1GHz的第一本振信号混频第二上变频为9.37GHz的射频信号，射频信号经过第一滤波器滤波再经过功率放大器放大通过环行器到达天线阵列5，通过天线阵列5将9.37GHz的射频信号辐射到空间。在接收信号时，天线阵列5将目标反射的电磁波信号接收下来，通过环行器送给上面通道的隔离限幅低噪放大器，经第二滤波器滤波与8.1GHz的第一本振混频第一下变频为1.27G H z的一中频信号，一中频信号经第三放大滤波电路滤波后，与1.22GHz的第二本振混频第二下变频为50MHz的二中频信号，二中频信号经过中频的数字接收机转换为离散的I/Q信号，输出给下一级设备。
[0020]如图3所示，所述信号处理机I由数字波束形成单元11和多普勒气象信号处理器12组成，所述多普勒气象信号处理器12由脉冲压缩单元、FFT变换单元、频域滤波单元、IIR滤波单元、DVIP单元和数据格式化单元组成，数字波束形成单元11与第一光纤双向通讯，数字波束形成单元11分两路输出，一路直接与监控终端相连，另一路与脉冲压缩单元的输入端相连，脉冲压缩单元的输出端分别与FFT变换单元、IIR滤波单元的输入端相连，FFT变换单元与频域滤波单元串联，IIR滤波单元与DVIP单元串联，频域滤波单元、DVIP单元的输出端均与数据格式化单元的输入端相连，数据格式化单元的输出端与产品终端的输入端相连。
[0021 ] 如图3所示，首先将图2中DAM的数字接收机送出的I/Q信号进行DBF数字波束形成，DBF后的数据分两路，一路为原始数据直接送给监控终端进行存储，另一路先进行脉冲压缩，对经过脉压的信号分别进行两种处理，第一种为快速傅里叶变换FFT，将时域信号转换为频域信号，对频域信号进行谱滤波，然后对谱进行谱处理得出谱的强度、速度和谱宽；第二种为直接对时域信号进行IIR滤波，然后进行DVIP视频积分处理，直接求出信号的强度；这两种处理的结果经数据格式化经网线送给产品终端。
[0022]如图4所示，所述频率源6包括10MHz晶振，其输出端分别与第一锁相环、第二锁相环和基准信号产生电路的输入端相连，第一锁相环的输出端与倍频器的输入端相连，倍频器输出第一本振信号至第一 1:8功分器的输入端，第一 1:8功分器的输出端与全数字阵列模块3相连；第二锁相环的输出端输出第二本振信号至第二 1:8功分器的输入端,第二1:8功分器的输出端与全数字阵列模块3相连；所述基准信号产生电路通过功分网络输出时钟信号分别至全数字阵列模块3、信号处理机I。频率源6主要为全数字阵列模块3提供第一本振信号、第二本振信号、数字接收机和波形产生电路所需的采样时钟和工作时钟。第一本振信号8.1GHz，第二本振信号1.22GHz，系统基准时钟20MHz，AD采样时钟40MHz，波形产生时钟400MHz，同时必须保证每个数字阵列模块单元的20MHz工作时钟相干且每次开机相位保持一致。
[0023]如图4所示，频率源6为整个雷达系统提供标准的时序和时钟，为了保证信号时序严格相参，雷达所有的时序都是由同一个10MHz晶振产生的，频率源6主要产生两种信号:第一种是本振信号，分为8路第一本振信号和8路第二本振信号分别送给8个DAM ;第二种为基准信号，分别送往DDS，即波形产生电路，作为DDS的工作时钟，送给数字接收机的A/D采样电路作为Α/D采样的采样时钟，以及信号处理机I的分系统的基准时钟。
[0024]以下结合图1、2、3、4对本发明作进一步的描述。
[0025]有源相控阵意指辐射能量的产生(源)是在阵面上，采用的是有源T/R组件。辐射功率在T/R组件内产生，众多单元独立产生彼此相位规律分布的功率信号在空间相干合成，产生定向波束。
[0026]在工作时，任务计算机，即监控终端根据探测需求的工作模式将控制信号及工作参数送数字波束形成单元11，即DBF,数字波束形成单元11的功能包括发射波束控制与接收波束形成；在发射波束形成时，数字波束形成单元11通过第一、二光纤以及第一、二高速大容量波分复用光纤通信机和汇流环送控制字到全数字阵列模块3，全数字阵列模块3通过波形产生电路，即DDS，实现发射移相，产生一定频率、相位的中频信号，然后经过上变频、射频放大输出至对应的天线51，各阵元辐射信号在空间合成所需要的发射波束。在接收波束形成时，天线51各阵元接收的信号输出至全数字阵列模块3，128路接收通道将接收的信号经过下变频、DDC处理后输出I/Q回波信号，DDC处理主要由数字接收机完成，I/Q信号通过第一、二高速大容量波分复用光纤通信机和汇流环传输至方舱内的信号处理机I ;实时信号处理机I完成自适应波束形成(DBF)和软件化多普勒信号处理等；系统可以灵活地实现相控阵雷达多种工作模式。信号处理机I的计算机完成数据采集、数据格式化，原始数据输出至产品终端，产品终端根据信号处理机I送入的原始数据完成气象产品生成与显示。信号传输基本上是数字信号，系统非常稳定可靠，系统的功能可以根据需要重组。
[0027]综上所述，本发明降低了相控阵雷达复杂馈线系统的收、发网络损耗；因为功率由大量分布独立单元产生空间相干合成，故可得很高的天线辐射总功率；降低了馈线系统耐功率要求，简化馈线系统设计；具有高的系统任务可靠性，坏几个辐射单元对系统工作几乎没有影响；产品组成是大数量、分布式，以利标准化和模块化设计、批量生产和降低成本；方便光纤、光电子技术结合；实现全数字化和自适应工作，即所谓的“软件无线电”技术；获得更高动态范围。
【权利要求】
1.一种基于全数字阵列的有源相控阵天气雷达系统，其特征在于:包括用于发射波束、接收波束以及对回波数据进行处理的信号处理机(I )，信号处理机(I)通过网络分别与监控终端、产品终端双向通讯，信号处理机(I)通过第一光纤与第一高速大容量波分复用光纤通信机相连，第一高速大容量波分复用光纤通信机通过第二光纤与第二高速大容量波分复用光纤通信机相连，汇流环套设在第二光纤上，第二高速大容量波分复用光纤通信机分别与校正分机(2 )、全数字阵列模块(3 )双向通讯，全数字阵列模块(3 )通过校正网络(4 )与天线阵列(5)相连，频率源(6)分别向全数字阵列模块(3)、信号处理机(I)提供时钟信号，伺服驱动电机的输出端分别与汇流环、天线阵列(5)相连。
2.根据权利要求1所述的基于全数字阵列的有源相控阵天气雷达系统，其特征在于:所述信号处理机(I)由数字波束形成单元(11)和多普勒气象信号处理器(12)组成，所述多普勒气象信号处理器(12)由脉冲压缩单元、FFT变换单元、频域滤波单元、IIR滤波单元、DVIP单元和数据格式化单元组成，数字波束形成单元(11)与第一光纤双向通讯，数字波束形成单元(11)分两路输出，一路直接与监控终端相连，另一路与脉冲压缩单元的输入端相连，脉冲压缩单元的输出端分别与FFT变换单元、IIR滤波单元的输入端相连，FFT变换单元与频域滤波单元串联，IIR滤波单元与DVIP单元串联，频域滤波单元、DVIP单元的输出端均与数据格式化单元的输入端相连，数据格式化单元的输出端与产品终端的输入端相连。
3.根据权利要求1所述的基于全数字阵列的有源相控阵天气雷达系统，其特征在于:所述全数字阵列模块(3)由8个数字阵列模块单元组成，每个数字阵列模块单元由16个全数字收发组件(31)组成，所述全数字收发组件(31)包括波形产生电路，其输出端依次与第一放大滤波电路、接收第二本振信号的第一上变频、第二放大滤波电路、接收第一本振信号的第二上变频、第一滤波器、功率放大器相连，功率放大器的输出端与环形器的输入端相连，环形器与天线阵列(5)双向通讯，环形器的输出端依次与隔离限幅低噪放大器、第二滤波器、接收第一本振信号的第一下变频、第三放大滤波电路、接收第二本振信号的第二下变频、第四放大滤波电路相连，第四放大滤波电路的输出端与数字接收机的输入端相连。
4.根据权利要求1所述的基于全数字阵列的有源相控阵天气雷达系统，其特征在于:所述频率源(6)包括10MHz晶振，其输出端分别与第一锁相环、第二锁相环和基准信号产生电路的输入端相连，第一锁相环的输出端与倍频器的输入端相连，倍频器输出第一本振信号至第一 1:8功分器的输入端，第一 1:8功分器的输出端与全数字阵列模块(3)相连；第二锁相环的输出端输出第二本振信号至第二 1:8功分器的输入端,第二 1:8功分器的输出端与全数字阵列模块(3)相连；所述基准信号产生电路通过功分网络输出时钟信号分别至全数字阵列模块(3 )、信号处理机(I)。
5.根据权利要求1所述的基于全数字阵列的有源相控阵天气雷达系统，其特征在于:所述校正网络(4)由主馈线(42)和128个双定向耦合器(41)组成，主馈线(42)采用波导，校正网络(4)作为一个整体与组成天线阵列(5)的128根天线(51)之间通过法兰连接。
6.根据权利要求1所述的基于全数字阵列的有源相控阵天气雷达系统，其特征在于:所述天线阵列(5)所传输的波束信号以波导窄边开倾斜缝的行波阵的形式传输，天线阵列(5)采用裂缝波导线阵。
7.根据权利要求1所述的基于全数字阵列的有源相控阵天气雷达系统，其特征在于:所述校正分机(2)由数控衰减器和校正收发组件组成，数控衰减器与校正收发组件之间双 向通讯，数控衰减器与校正网络(4)相连，校正收发组件与信号处理机(I)双向通讯。
【文档编号】G01S13/95GK104330801SQ201410646350
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月15日 优先权日:2014年11月15日
【发明者】汪旭东, 卞真稳, 刘琦 申请人:安徽四创电子股份有限公司