S波段降水粒子散射测量仪、测量系统及测量方法与流程

本发明涉及气象雷达探测领域，具体涉及一种可被应用于实验室内完成降水粒子群散射的探测，利于对比理论计算的结果进行以及定标的研究的装置。

背景技术

常规厘米波雷达定量测量降水技术在天气预报，特别是洪涝灾害预报工作中发挥着极为重要的作用。雷达电磁波在大气中传播时会受到云以及降水的影响而发生散射、吸收和衰减等现象，这不仅大大影响了常规雷达的遥感性能，同时还影响了利用雷达数据精确反演降水的微观物理参数。因此研究降水粒子在厘米波段的散射特性对于大气探测、气候遥感等领域有着十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是为了弥补现有技术中的空白，提供一种工作频率在3ghz的可用于降水粒子散射探测的微型雷达系统，该系统可准确地在实验室完成可控降水粒子群的散射探测，便于对比理论计算以及定标的研究。

为了达到上述目的，本发明提供了一种s波段降水粒子散射测量仪，包括发射电路、接收电路；

其中，发射电路包括：

晶振参考电路，用于产生10mhz方波信号；

晶振功分电路，将晶振参考电路产生的10mhz方波信号分为两路，分别提供给两个锁相环电路；

第一锁相环电路，接收晶振功分电路提供的信号，产生频率为3ghz的信号；

第二锁相环电路，接收晶振功分电路提供的信号，产生频率为3.002ghz的信号，并通过同轴线连接至所述接收电路；

发射天线，接收第一锁相环电路输出的信号，进行发射；

直流稳压电路，分别与所述晶振参考电路、第一锁相环电路、第二锁相环电路相连；

其中，接收电路包括：

接收天线，接收回波信号；

多级放大通道，将接收的回波信号放大到-20dbm到-10dbm之间；

本振信号增益放大电路，接收第二锁相环电路产生的3.002ghz本振信号，放大至10dbm后输出；

混频滤波电路，接收放大后的回波信号和本振信号，进行混频并产生中频信号。

进一步的，所述发射电路还包括第一射频放大器、第一低通滤波电路、带通滤波电路、第二射频放大器、第三射频放大器、第二低通滤波电路；所述第一锁相环电路依次通过第一射频放大器、第一低通滤波电路、带通滤波电路、第二射频放大器与发射天线相连；所述直流稳压电路分别与第一射频放大器、第二射频放大器、第三射频放大器相连。

进一步的，所述第一锁相环电路和第二锁相环电路均包括鉴相器、环路滤波电路、压控振荡器、电阻功分器和衰减器；所述鉴相器依次通过环路滤波电路、压控振荡器与电阻功分器连接；所述衰减器与鉴相器连接；所述第一锁相环电路的电阻功分器分别与对应的衰减器、第一射频放大器连接；所述第二锁相环电路的电阻功分器分别与对应的衰减器、第三射频放大器连接。

进一步的，所述晶振参考电路包括恒温晶振y1、电阻r1、可变电阻r2、电解电容c1、电解电容c2、电容c3、电容c4、电容c5和电容c6；所述恒温晶振y1的引脚1与可变电阻r2的滑动端连接；所述可变电阻r2的一端连接地线，且另一端与电阻r1的一端连接；所述电阻r1的另一端、电解电容c1的正极、电容c3的一端和电容c4的一端与所述直流稳压电路连接；所述电解电容c1的负极、电容c3的另一端和电容c4的另一端连接地线；所述恒温晶振y1的引脚5连接地线；所述恒温晶振y1的引脚3、电解电容c2的正极、电容c5的一端和电容c6的一端与所述直流稳压电路连接；所述电解电容c2的负极、电容c5的另一端和电容c6的另一端连接地线；所述晶振功分电路包括电阻r3、电阻r4、电阻r5、电容c7和电容c8；所述电阻r3的一端与恒温晶振y1的引脚4连接；所述电阻r3的另一端分别与电阻r4的一端和电阻r5的一端连接；所述电阻r4的另一端通过电容c7与第一锁相环电路连接；所述电阻r5的另一端通过电容c8与第二锁相环电路连接。

进一步的，所述多级放大通道包括第一级可调增益放大支路、第二级可调增益放大支路和射频增益放大电路；所述接收天线依次通过第一级可调增益放大支路和第二级可调增益放大支路与射频增益放大电路连接；所述第一级可调增益放大支路包括第一单刀三掷开关、第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、第一衰减器、第一增益放大器、第一带通滤波器、第三低噪声放大器、第四低噪声放大器、第二衰减器、第二带通滤波器和第二单刀三掷开关；所述第一单刀三掷开关的引脚1通过sma连接器连接接收天线，引脚2依次通过第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、第一衰减器、第一增益放大器和第一带通滤波器与第二单刀三掷开关的引脚2连接，引脚3与所述第二单刀三掷开关的引脚3连接，引脚4依次通过第三低噪声放大器、第四低噪声放大器、第二衰减器和第二带通滤波器与第二单刀三掷开关的引脚4连接；所述第二级可调增益放大支路包括第三单刀三掷开关、第三衰减器、第二增益放大器、第三带通滤波器、第四衰减器和第四单刀三掷开关；所述第三单刀三掷开关的引脚1与第二单刀三掷开关的引脚1连接，引脚2依次通过第三衰减器、第二增益放大器和第三带通滤波器和第四单刀三掷开关的引脚2连接，引脚3与第四单刀三掷开关的引脚3连接，引脚4通过第四衰减器与第四单刀三掷开关的引脚4连接；所述第四单刀三掷开关的引脚1与射频信号增益放大电路连接。

进一步的，所述射频信号增益放大电路包括第五衰减器、第三增益放大器和第四带通滤波器；所述第五衰减器的一端与第四单刀三掷开关的引脚1连接，另一端与第三增益放大器连接；所述第三增益放大器与第四带通滤波器连接；所述第四带通滤波器与混频滤波电路连接；所述本振信号增益放大电路包括单刀双掷开关、第六衰减器、第四增益放大器和第五带通滤波器；所述单刀双掷开关的引脚2和引脚3分别连接有sma连接器，引脚1与第六衰减器连接；所述第六衰减器依次通过第四增益放大器、第五带通滤波器连接与混频滤波电路连接；所述混频滤波电路包括混频器和低通滤波器；所述第五带通滤波器和第四带通滤波器均与混频器连接；所述混频器与低通滤波器连接；所述低通滤波器连接有sma连接器。

进一步的，所述s波段降水粒子散射测量仪还包括pcb电路板；所述发射电路和接收电路均设置在所述pcb电路板上；所述pcb电路板采用双面印制的fr4板材，板厚为1mm，相对介电常数为4.3。

进一步的，发射天线和接收天线均包括由上至下依次设置的顶层金属层、底层金属层和介质基板；所述顶层金属层和底层金属层可旋转地设于所述介质基板上；所述顶层金属由底部的矩形连接座、带槽线的信号收发部和条形连接部组成，矩形连接座通过连接部与信号收发部连接；所述底层金属层由带有槽线的信号收发部与条形连接部组成；所述顶层金属层和底层金属层的信号收发部的槽线相对设置，槽线间形成渐变缝隙区。

本发明还提供了一种采用上述s波段降水粒子散射测量仪的测量系统，该测量系统还包括微波暗室、目标支架、控制与显示装置；所述s波段降水粒子散射测量仪、目标支架设于所述微波暗室内；所述微波暗室的内壁设有吸波材料层；所述目标支架外周侧包裹有吸波材料层；所述s波段降水粒子散射测量仪的接收天线和发射天线之间设有吸波材料层；所述控制与显示装置包括高速a/d采样器、高速静态随机存储器sram、串行存储器epcs、高速以太网控制器、以太网接口、可编程逻辑器件fpga、高速同步动态随机存储器sdram1、sdram2、tft液晶显示屏和扩展接口；所述高速a/d采样器的数字信号输出端和采样时钟输入端分别与可编程逻辑器件fpga的数据端及时钟输出端相连；高速同步动态随机存储器sdram1的数据端和地址端分别与可编程逻辑器件fpga的数据端和地址端相连。高速静态随机存储器sram的数据端和地址端分别与可编程逻辑器件fpga的数据端和地址端相连；高速以太网控制器的数据端和控制端分别与可编程逻辑器件fpga的数据端和控制端相连；以太网接口与高速以太网控制器的输出端相连；扩展接口与可编程逻辑器件fpga的gpio接口相连；串行存储器epcs的数据端和地址端分别与可编程逻辑器件fpga的数据端和地址端相连；高速同步动态随机存储器sdram2的数据端和地址端分别与可编程逻辑器件fpga的数据端和地址端相连；tft液晶显示屏的数据端和控制端分别与可编程逻辑器件fpga的数据端和控制端相连。

本发明还提供了上述s波段降水粒子散射测量仪进行s波段降水粒子散射测量的方法，该方法通过所述s波段降水粒子散射测量仪对待测目标物和已知rcs(雷达散射截面)(如平板和球等)的标准体的测量，分别得到各自散射波的s参数；通过待测目标物散射波的s参数、待测目标物散射波的s参数以及标准体的rcs，推导出待测目标的rcs。

本发明相比现有技术具有以下优点：采用本发明装置能够在微波暗室内精确地测量降水粒子的散射特性，测试的流程和方法简单易行，成本较低，能够将测得的数据用于雷达的定标以及粒子散射理论计算的对比验证。且本发明采用印刷缝隙天线技术，提出了一种小型化、结构简单、超宽带以及高增益的天线，整个天线驻波比小于2的工作带宽为1.5-8.5ghz，天线最大增益高达45db。

附图说明

图1为本发明s波段降水粒子散射测量仪中发射电路的原理示意图；

图2为图1中晶振参考电路的电路图；

图3为图1中晶振功分电路的电路图；

图4为图1中第一环路滤波电路或第二环路滤波电路的电路图；

图5为图1中第一低通滤波电路或第二低通滤波电路的电路图；

图6为图1中发射电路的第一锁相环电路输出频率与时间的曲线图；

图7为本发明发射电路的输出射频信号频谱；

图8为本发明s波段降水粒子散射测量仪中接收电路的原理示意图；

图9为图8中第一级可调增益放大支路的电路原理示意图；

图10为图8中第二级可调增益放大支路的电路原理示意图；

图11为图8中本振信号增益放大电路的电路原理示意图；

图12为图8中混频滤波电路的电路原理示意图；

图13为本发明s波段降水粒子散射测量仪中接收电路的通路选择控制组合图；

图14为本发明s波段降水粒子散射测量仪中发射/接收天线的模型结构示意图；

图15为图14中发射/接收天线的参数定义图；

图16为图15中各个参数的定义以及设置；

图17为天线驻波比仿真结果图；

图18是在3ghz天线方向e面方向图；

图19是在3ghz天线方向h面方向图；

图20是天线的仿真增益图；

图21为本发明s波段降水粒子散射测量系统中控制与显示装置的基本组成框图；

图22为图21中控制与显示装置基本工作示意图；

图23为图21中高速a/d采样电路实现框图；

图24为图21中高速以太网控制器与fpga的接口实现框图；

图25为图21中信号处理流程示意图；

图26为本发明s波段降水粒子散射测量系统的结构示意图。

具体实施方式

下面根据附图对本发明的具体实施方式作出进一步说明：

本发明用于s波段降水粒子散射测量仪包括发射电路、接收电路。参见图1，该用于s波段降水粒子散射测量仪的发射电路，包括直流稳压电路1、晶振参考电路2、第一锁相环电路、第二锁相环电路、第一射频放大器9、第一低通滤波电路10、带通滤波器11、第二射频放大器12、第三射频放大器19、第二低通滤波电路20和发射天线13；所述晶振参考电路2通过晶振功分电路3分别与第一锁相环电路和第二锁相环电路连接，所述第一锁相环电路与第一射频放大器9连接，所述第一射频放大器9与第一低通滤波电路10连接，所述第一低通滤波电路10与带通滤波器11连接，所述带通滤波器11与第二射频放大器12连接，所述第二射频放大器12与发射天线13连接，所述第二锁相环电路与第三射频放大器19连接，所述第三射频放大器19与第二低通滤波电路20连接，所述第二低通滤波电路20连接有sma连接器；所述直流稳压电路1分别与晶振参考电路2、第一锁相环电路、第二锁相环电路、第一射频放大器9、第二射频放大器12和第三射频放大器19连接。

进一步地，参见图1，所述第一锁相环电路包括第一鉴相器4、第一环路滤波电路5、第一压控振荡器6、第一电阻功分器7和第一衰减器8，所述第一鉴相器4与第一环路滤波电路5连接，所述第一环路滤波电路5与第一压控振荡器6连接，所述第一压控振荡器6与第一电阻功分器7连接，所述第一电阻功分器7分别与第一衰减器8和第一射频放大器9连接，所述第一衰减器8与第一鉴相器4连接。

进一步地，参见图1，所述第二锁相环电路包括第二鉴相器14、第二环路滤波电路15、第二压控振荡器16、第二电阻功分器17和第二衰减器18，所述第二鉴相器14与第二环路滤波电路15连接，所述第二环路滤波电路15与第二压控振荡器16连接，所述第二压控振荡器16与第二电阻功分器17连接，所述第二电阻功分器17分别与第二衰减器18和第三射频放大器19连接，所述第二衰减器18与第二鉴相器14连接。

进一步地，还包括pcb电路板，所述直流稳压电路1、晶振参考电路2、第一锁相环电路、第二锁相环电路、第一射频放大器9、第一低通滤波电路10、带通滤波器11、第二射频放大器12、第三射频放大器19、第二低通滤波电路20、发射天线13和sma连接器均设置在pcb电路板上，所述pcb电路板为双面印制板，pcb电路板的尺寸为205.3mm*247.1mm，pcb电路板的板材为fr4板材，pcb电路板的板厚为1mm，pcb电路板的相对介电常数为4.3。

进一步地，参见图2，所述晶振参考电路2包括恒温晶振y1、电阻r1、可变电阻r2、电解电容c1、电解电容c2、电容c3、电容c4、电容c5和电容c6，所述恒温晶振y1的引脚1与可变电阻r2的滑动端连接，所述可变电阻r2的一端连接地线且另一端与电阻r1的一端连接，所述电阻r1的另一端、电解电容c1的正极、电容c3的一端和电容c4的一端与直流稳压电路1连接，所述电解电容c1的负极、电容c3的另一端和电容c4的另一端连接地线，所述恒温晶振y1的引脚5连接地线，所述恒温晶振y1的引脚3、电解电容c2的正极、电容c5的一端和电容c6的一端与直流稳压电路1连接，所述电解电容c2的负极、电容c5的另一端和电容c6的另一端连接地线。恒温晶振y1采用芯片co27vs05de-02-10.000。晶振参考电路2的目的是产生10mhz的信号。

进一步地，参见图3，所述晶振功分电路3包括电阻r3、电阻r4、电阻r5、电容c7和电容c8，所述电阻r3的一端与恒温晶振y1的引脚4连接，所述电阻r3的另一端分别与电阻r4的一端和电阻r5的一端连接，所述电阻r4的另一端通过电容c7与第一锁相环电路连接，所述电阻r5的另一端通过电容c8与第二锁相环电路连接。所述晶振功分电路3由电阻，电容组成，将恒温晶振产生精确的10mhz方波信号提供给两个锁相环的鉴相器作为参考。

进一步地，参见图4，所述第一环路滤波电路5和第二环路滤波电路15均包括电容c9、电容c10、电容c11、电容c12、电阻r6、电阻r7和电阻r8，所述电容c9的一端、电阻r6的一端、电阻r7的一端均与第一鉴相器4或第二鉴相器14连接，所述电阻r7的另一端分别与电容c10的一端和电阻r8的一端连接，所述电阻r8的另一端、电容c11的一端和电容c12的一端均与第一压控振荡器6或第二压控振荡器16连接，所述电容c9的另一端、电阻r6的另一端、电容c10的另一端、电容c11的另一端和电容c12的另一端均连接地线。

进一步地，参见图5，所述第一低通滤波电路10和第二低通滤波电路20均包括电感l1、电感l2、电感l3、电容c13、电容c14、电容c15和电容c16，所述电感l1的一端和电容c13的一端均与第一射频放大器9或第三射频放大器19连接，所述电感l1的另一端分别与电容c14的一端和电感l2的一端连接，所述电感l2的另一端分别与电容c15的一端和电感l3的一端连接，所述电感l3的另一端和电容c16的一端均与带通滤波器11或sma连接器连接，所述电容c13的另一端、电容c14的另一端、电容c15的另一端和电容c16的另一端均连接地线。所述的第一低通滤波电路10和第二低通滤波电路20是将谐波信号以及其他干扰信号滤除，得到有用的信号。

本实施例的晶振参考电路2产生精确的10mhz方波信号通过晶振功分电路3分两路分别提供给第一锁相环电路的第一鉴相器4作为参考信号和第二锁相环电路的第二鉴相器14作为参考信号，第一压控振荡器6输出的信号反馈给第一鉴相器4，第一鉴相器4内部将第一压控振荡器6反馈的信号分频后与参考信号进行鉴相，并输出一个偏置电压，经过第一环路滤波电路5滤除交流分量得到直流偏置电压，直流偏置电压控制第一压控振荡器6，使第一压控振荡器6输出预设的3.000ghz频率，预设频率是单片机通过数据线向专用的锁相环芯片写入数据从而对频率进行控制，用户可通过键盘修改此频率值。第一锁相环电路输出的信号经过第一射频放大器9放大和第一低通滤波电路10和带通滤波器11滤除杂波后，再经过第二射频放大器12放大，得到最终的3ghz频率信号输出给接收电路。同理，第二压控振荡器16输出的信号反馈给第二鉴相器14，第二鉴相器14内部将第二压控振荡器16反馈的信号分频后与参考信号进行鉴相，并输出一个偏置电压，偏置电压经过第二环路滤波电路15得到稳定的直流偏置电压控制第二压控振荡器16，从而输出预设的3.002ghz频率。第二锁相环电路输出的信号经过第三射频放大器19放大和第二低通滤波电路20滤除杂波得到最终的3.002ghz频率信号输出给接收电路，通过同轴线连接至接收电路，作为混频的参考信号。(注：电阻功分器是由电阻组成的功分电路，将功率平分至两路。)

图6给出了第一锁相环电路输出信号频率与时间的曲线，可以看出第一锁相环电路锁相时间为20us。图7是用agilent的频谱仪测得的输出射频信号频谱，可以看出信号为3.000ghz，功率为14.29dbm，其余为噪声信号。由图7实测结果知本发明发射电路的适用性。

本发明中发射电路可以通过第一锁相环电路输出3.000ghz的射频信号，可以通过第二锁相环电路输出3.002ghz的射频信号，第一锁相环电路和第二锁相环电路的结构相同。均通过外部电路的单片机向锁相环芯片写入相应的数据便可控制整个锁相环产生恒定频率的射频信号，第一锁相环电路产生频率为3ghz的信号，通过同轴线连接发射天线将其辐射至空间中；第二锁相环电路产生3.002ghz信号，通过同轴线连接至接收电路，作为混频的参考信号。本发明的发射电路简单，成本低廉。可以实现单一频率的输出，输出频率可控，2.9～3g，大功率输出，其特点如下:一是信号质量高且稳定，频率可控，输出信号稳定，输出的频率可精确到1mhz；二是发射的大功率增加了传输距离，使测量距离更远。

该用于s波段降水粒子散射测量仪的接收电路，如图8至13所示：

当s波段降水粒子散射测量仪的发射电路发射3ghz微波信号遇到降水粒子时，散射的信号需要通过s波段降水粒子散射测量仪的接收电路对其回波信号进行接收和处理，以便获得降水目标信息，从而反演出降水粒子的微观物理参数。本发明公开一种用于s波段降水粒子散射测量仪的接收电路，包括第一级可调增益放大支路、第二级可调增益放大支路、射频信号增益放大电路、本振信号增益放大电路和混频滤波电路，所述第一级可调增益放大支路与第二级可调增益放大支路连接，所述第二级可调增益放大支路与射频信号增益放大电路连接，所述射频信号增益放大电路和本振信号增益放大电路均与混频滤波电路连接；参见图8和图9，所述第一级可调增益放大支路包括第一单刀三掷开关203、第一低噪声放大器204、第二低噪声放大器205、第一衰减器206、第一增益放大器207、第一带通滤波器208、第三低噪声放大器209、第四低噪声放大器2010、第二衰减器2011、第二带通滤波器2012和第二单刀三掷开关2013，所述第一单刀三掷开关203的引脚1通过sma连接器202连接有接收天线201，所述第一单刀三掷开关203的引脚2依次通过第一低噪声放大器204、第二低噪声放大器205、第一衰减器206、第一增益放大器207和第一带通滤波器208与第二单刀三掷开关2013的引脚2连接，所述第一单刀三掷开关203的引脚3与所述第二单刀三掷开关2013的引脚3连接，所述第一单刀三掷开关203的引脚4还依次通过第三低噪声放大器209、第四低噪声放大器2010、第二衰减器2011和第二带通滤波器2012与第二单刀三掷开关2013的引脚4连接；参见图8或图10，所述第二级可调增益放大支路包括第三单刀三掷开关2014、第三衰减器2015、第二增益放大器2016、第三带通滤波器2017、第四衰减器2018和第四单刀三掷开关2019，所述第三单刀三掷开关2014的引脚1与第二单刀三掷开关2013的引脚1连接，所述第三单刀三掷开关2014的引脚2依次通过第三衰减器2015、第二增益放大器2016和第三带通滤波器2017第四单刀三掷开关2019的引脚2连接，所述第三单刀三掷开关2014的引脚3与第四单刀三掷开关2019的引脚3连接，所述第三单刀三掷开关2014的引脚4通过第四衰减器2018与第四单刀三掷开关2019的引脚4连接，所述第四单刀三掷开关2019的引脚1与射频信号增益放大电路连接。

本实施例中，参见图8，所述射频信号增益放大电路包括第五衰减器2020、第三增益放大器2021和第四带通滤波器2022，所述第五衰减器2020的一端与第四单刀三掷开关2019的引脚1连接，所述第五衰减器2020的另一端与第三增益放大器2021连接，所述第三增益放大器2021与第四带通滤波器2022连接，所述第四带通滤波器2022与混频滤波电路连接。

本实施例中，参见图8或图11，所述本振信号增益放大电路包括单刀双掷开关2023、第六衰减器2024、第四增益放大器2025和第五带通滤波器2026，所述单刀双掷开关2023的引脚2和引脚3分别连接有sma连接器202，所述单刀双掷开关2023的引脚1与第六衰减器2024连接，所述第六衰减器2024与第四增益放大器2025连接，所述第四增益放大器2025与第五带通滤波器2026连接，所述第五带通滤波器2026与混频滤波电路连接。

本实施例中，参见图8或图12，所述混频滤波电路包括混频器2027和低通滤波器2028，所述第五带通滤波器2026和第四带通滤波器2022均与混频器2027连接，所述混频器2027与低通滤波器2028连接，所述低通滤波器2028连接有sma连接器202。

本实施例中，所述第一低噪声放大器204和第二低噪声放大器205的放大值均为8db，所述第一衰减器206的衰减值为3db，所述第一增益放大器207的放大值为16db，所述第三低噪声放大器209和第四低噪声放大器2010的放大值均为8db，所述第二衰减器2011的衰减值为3db。

本实施例中，所述第三衰减器2015的衰减值为3db，所述第二增益放大器2016的放大值为16db，所述第四衰减器2018的衰减值为8db。

本实施例中，所述本振信号增益放大电路接收的本振信号为3.002ghz，所述第六衰减器2024的衰减值为3db，所述第四增益放大器2025的放大值为16db。

本实施例中，所述射频信号增益放大电路接收的射频接收信号为3ghz，所述第五衰减器2020的衰减值为5db，所述第三增益放大器2021的放大值为16db。

接收电路的工作原理为：信号在经由接收天线201输入端进入pcb板后，通过fpga的控制信号，选通进行多级放大的通道(包括第一级可调增益放大支路、第二级可调增益放大支路和射频信号增益放大电路)，将信号放大到-20dbm到-10dbm之间后进入混频器2027，本振信号被放大到10dbm后进入混频器2027，输出混频后的信号，再经过低通滤波器2028，得到所需的中频信号。

具体地，参见图9，第一级可调增益放大支路：由于设置了第一单刀三掷开关203和第二单刀三掷开关2013，因此分为三路，第一路由第一低噪声放大器204和第二低噪声放大器205为前级，均放大8db，再经过3db第一衰减器206和16db第一增益放大器207后，经过第一带通滤波器208可实现约26db的增益；第二路为直通；第三路也由第三低噪声放大器209和第四低噪声放大器2010为前级，均放大8db，再经过3db第二衰减器2011和第二带通滤波器2012后，可实现约9db的增益。

具体地，参见图10，第二级可调增益放大支路：由于设置了第三单刀三掷开关2014和第四单刀三掷开关2019，因此分为三路，第一路可实现约9db的增益；第二路为直通；第三路实现8db的衰减。

具体地，参见图11，本振信号增益放大电路：本振信号3.002ghz在进入时为0dbm，先经3db的衰减和16db放大后，再通过第五带通滤波器2026后，再10dbm进入混频器2027。此本振输入端加一个单刀双掷开关2023为了便于对不同频率的本振信号进行调试，也便于在调试阶段直接用信号源给定本振信号进行调试。

具体地，混频滤波电路：3.002ghz本振信号与3ghz射频接收信号混频得到2mhz的中频信号，再经过低通滤波输出电路，进入下一级进行数字信号处理。

如图13为s波段降水粒子散射测量仪的接收电路对应接收功率的通路选择控制组合图。因为每个单刀三掷开关以输入2位地址码ab控制，图中1a1b表示从输入端开始第一单刀三掷开关203的控制位ab，依次类推到4a4b(即第四单刀三掷开关2019)；假如接收到的信号为-55dbm,选着第二列功率范围(-60，-50]的地址码，则整个系统对信号放大到-10dbm以上进入混频，对应不同的输入功率，实现增益可调。

本发明的接收电路具有增益可调节的特点，通过第一级可调增益放大支路和第二级可调增益放大支路可实现接收的大动态范围测量，保证了降水粒子测量的不同距离，可让不同大小的信号满足接收的要求，具有一定的兼容性。本发明的接收电路在衰减器和滤波器方面都是采用无源器件，自己设计参数，大大节约成本。

针对发射/接收天线的实施步骤：

如图14所示，本发明中的应用于实验室内对降水粒子进行探测的发射/接收天线均包括一层介质基板103与两层蚀刻的金属层。其中，金属层分别为顶层金属层101与底层金属层102。顶层金属层101、底层金属层102以及介质基板103由上至下依次设置。顶层金属层101层为天线，底层金属为馈电的微带线，顶层金属层101与底层金属102相对一侧为渐变线，形成对称设置的槽线104，槽线间形成渐变缝隙区105。两块金金属层可旋转地设置于于介质基板上，采用微带线馈电，然后通过巴伦将微带线转换到平行双线。该天线由于采用的巴轮是渐变结构，所以本身具有很宽的带宽。模块采用两块相同的天线，实现一收一发，示意图如图14。

介质基板103上设有辐射源、馈线、馈源。介质基板103采用玻璃纤维环氧树脂覆铜板制成，辐射源、馈线、馈源均采用铜材料制成，敷铜厚度为0.018mm。

本实施例的介质基板的大小为15.6mm*17.8mm*1mm。

如图14，顶层金属101层由底部的矩形连接座1013、带有槽线的信号收发部1011以及条形连接部1012组成。连接座1013通过连接部1012与信号收发部1011连接。

底层金属层由带有槽线104的信号收发部与条形连接部组成。

本实施例的两层金属层连接有一sma接头。

图15为天线各个参数的说明图，图16为图15中各个参数的定义以及定量设置图。

如图17所示为天线驻波比仿真结果图，由图17可知天线驻波比小于2的带宽为1.5ghz-8.5ghz。

如图18所示为在3ghz天线方向图e面方向图，e面的最大增益为7.5db。

如图19所示为在3ghz天线方向h面方向图,h面的最大增益为8.2db。

如图20所示为天线的仿真增益图，天线工作的中心频率在3ghz左右。

本发明s波段降水粒子散射测量系统还包括控制与显示装置40、微波暗室50、目标支架60；所述s波段降水粒子散射测量仪30、目标支架60设于所述微波暗室50内；所述微波暗室50的内壁设有吸波材料层51；所述目标支架60外周侧包裹有吸波材料层61；所述s波段降水粒子散射测量仪的接收天线31和发射天线32之间设有吸波材料层。s波段降水粒子散射测量仪30通过光纤与微波暗室外部设置的控制与显示装置40连接，如图26所示。

如图21，本实施例控制与显示装置，包括高速a/d采样器、高速同步动态随机存储器sdram1、高速静态随机存储器sram、串行存储器epcs、高速以太网控制器、以太网接口、可编程逻辑器件fpga、高速同步动态随机存储器sdram2、tft液晶显示屏和拓展接口。高速a/d采样器的数字信号输出端和采样时钟输入端分别与可编程逻辑器件fpga的数据端及时钟输出端相连。高速同步动态随机存储器sdram1的数据端和地址端分别与可编程逻辑器件fpga的数据端和地址端相连。高速静态随机存储器sram的数据端和地址端分别与可编程逻辑器件fpga的数据端和地址端相连。高速以太网控制器的数据端和控制端分别与可编程逻辑器件fpga的数据端和控制端相连。以太网接口与高速以太网控制器的输出端相连。扩展接口与可编程逻辑器件fpga的gpio接口相连。串行存储器epcs的数据端和地址端分别与可编程逻辑器件fpga的数据端和地址端相连。高速同步动态随机存储器sdram2的数据端和地址端分别与可编程逻辑器件fpga的数据端和地址端相连。tft液晶显示屏的数据端和控制端分别与可编程逻辑器件fpga的数据端和控制端相连。

在本实例中，高速a/d采样器采用ad9226芯片，它是一款12位单芯片采样模数转换器，内置一个片内高性能采样保持放大器和基准电压源。它采用多级差分流水线架构，数据速率达65msps，在整个工作温度范围内保证无失码，具有出众的信噪比。

本实施例的高速同步动态随机存储器sdram1和sdram2采用h57v2562gtr芯片，其具有16位总线，256mb存储容量，可满足大容量数据的存储。

本实施例的高速静态随机存储器sram采用is61lv25616-10t芯片，其具有16位总线，4mb存储容量。

本实施例的高速以太网控制器采用dm9000a芯片，dm9000a芯片是一款10m/100m自适应以太网控制芯片，可满足高速数据的传输。

本实施例的以太网接口采用rj45_hr911105a集成变压器插座。可编程逻辑器件fpga采用altera公司的ep4ce15f17c8n芯片，其具有丰富的片内资源和gpio，满足与各种接口的连接，tft液晶显示屏采用的是3.2寸触摸显示屏，显示效果出色，被应用于各种工业和家用电器等场合，比如仪器仪表、手持工业产品，扫描装备等。

如图22，本发明控制与显示装置基本工作原理是：测量仪发射高频信号由天线接收进入接收电路，接收电路对回波信号进行变频、滤波、放大和检波等处理然后输出中频信号。高速adc接收来自接收电路的中频信号并对其进行采样，输出数字信号至可编程逻辑器件fpga，fpga控制其内部fifo及高速静态随机存储器sram实现对采样后的数据缓存并进行乒乓操作取出最大值和最小值。fpga内部的niosii软核读取待处理的数据并缓存至高速同步动态随机存储器sdram2中，然后对信号进行处理，处理好的数据被缓存至高速同步动态随机存储器sdram1，最后通过高速以太网将处理好的数据传输至显示终端同时将数据显示在tft显示屏上。其中，可编程逻辑器件fpga还完成对发射板与接受板的开关的逻辑控制、以及发射信号的时序控制等功能。

如图23，为了使adc处于正常的工作状态，工作时钟应该在50mhz以上，所以通过一个锁相环，将时钟信号放大到50mhz，输入的信号通过ad模块进入乒乓模块中，内部采用流水线工作模式，两个单独分开的高速静态存储器sram一个处于写入状态一个处于读入状态，保证时时刻刻都能对高频信号进行采样，同时将状态引脚引出，后面的求最值模块根据读写状态来分别求出每一个sram中的最大值和最小值，由于ad9226芯片采用的是补码形式，所以最后需要将最大值和最小值由原码转换成补码，通过max_top[11..0]，min_top[11..0]与fpga数据端相连，此外ad芯片的clk和rst引脚与fpga相连，避免跨时钟域信号带来的问题。

如图24，由于本发明采用的高速以太网控制器dm9000a的外部总线符合isa标准。因此，可通过isa总线直接与fpga实现连接。其中，sdo[0..15]为以太网控制器的数据端口，cs#为控制器使能端口，ior#为控制器读命令端口，iow#为控制器写命令端口，cmd为控制器命令格式选择端口，int为控制器的中断请求端口，reset#为控制器的复位端口。由fpga内部的niosii软核实现对高速以太网控制器dm9000a的驱动。

如图25，本发明对气溶胶粒子散射信号处理流程为：首先对中频信号进行ad采样，将采样的点进行乒乓操作，判断sram1的空间是否已满，如果满就对sram2写，再从sram1中读；反之则从sram2中读，往sram1中写。最后比较两个sram中的最大值和最小值，得到最终的最大值和最小值，并将最值转换成带有正负的补码形式输入到fpga中的niosii软核中进行数据处理。在niosii中通过中值滤波算法，稳定中频信号的幅值，并通过取对数运算，求出散射波的s参数，最终通过tft屏显示出来同时通过高速以太网传输至显示终端。

本发明s波段降水粒子散射测量原理如下：

假设s波段降水粒子散射测量仪的发射天线辐射功率为pt，发射天线的增益为gt，距离发射天线r处目标的功率密度为：

假设降水目标的散射截面为σ，则由降水目标散射的功率为：

当p2均匀辐射时，接收天线处收到的回波功率密度为：

如果接收天线的有效接收面积为ar，则在接收天线处接收的回波功率为：

因为则接收的回波功率为：

公式(5)可改写成下面的形式：

其中

因此为了测量降水目标的rcs，只要得到测量时的发射功率pt、接收功率pr以及h因子即可获得被测降水目标的rcs结果。

为了获得需要读取s波段降水粒子散射测量仪的s21值为了获得h因子，需要对已知rcs的目标(比如标准球)进行测量。被测降水目标rcs的测试流程如下所示：

①将被测降水目标放置到目标支架上，读取s波段降水粒子散射测量仪的s21(trg)参数，利用下面的换算关系得到被测目标物的接收功率和发射功率的比值：

②将已知rcs的标准体(如金属球或者金属平板)放置到目标支架上，各项设置同①，读取s波段降水粒子散射测量仪的s21(std)参数，利用下面的换算关系得到标准体的接收功率和发射功率的比值：

③根据公式(6)可知被测降水目标的rcs为标准体的rcs为则：

根据公式(9)可知，利用被测降水目标的s21(trg)(db)、标准体的s21(std)(db)以及标准体的rcs(σstd(m²))可推导出被测降水目标的rcs(σtrg(m²))。

公式(9)也可写成下面的形式：

σtrg_dbsm＝s21(trg)-s21(std)+σstd_dbsm(10)

上式中σtrg_dbsm表示以dbm²为单位的被测目标的rcs，s21(trg)表示被测降水目标的s参数(单位为db)，s21(std)表示定标体的s参数，σstd_dbsm表示以dbm²为单位的标准体的rcs。

由于降水目标与测量仪的距离有限，所以入射到目标物上的电波几乎都是球面波，为了确保降水目标能够获得平面波需要满足下面的远场条件：

上式中d为目标的横向宽度；λ为发射电磁波的波长，r为天线到降水目标的距离。