双偏振相控阵天气雷达的制作方法

文档序号：23067576发布日期：2020-11-25 17:54阅读：349来源：国知局

本发明涉及雷达领域，具体涉及一种双偏振相控阵天气雷达。

背景技术：

天气雷达是气象雷达的一种，是监测和预警强对流天气的主要工具，其工作原理是通过发射一系列脉冲电磁波，利用云、雾、雨、雪等降水粒子对电磁波的散射作用，获取降水的空间位置位置、强弱分布、垂直结构等。雷达可以有效地监测暴雨、冰雹、龙卷等灾害性天气的发生、发展；同时具有良好的定量测量回波强度的性能，可以定量估测大范围降水；实现降水预报的定点、定量、定时化，为军民用气象保障提供可靠科学的探测数据。

现役业务运行天气雷达均采用机械扫描天线，仅有单个波束，完成一次空域探测通常需要6～8分钟，对于雷暴、下击暴流、风切变等航空危险天气，因其尺度小、变化速度快，导致无法即时获取危险天气的精细化三维结构，影响对危险天气的识别和监测预警。为了保证探测数据质量，只能采取减少体扫仰角个数，达不到俯仰空域全覆盖，这对获取雷暴、大风、下击暴流、风切变等航空危险天气的精细化三维结构数据造成影响，对雷暴、下击暴流等快速变化的中小尺度天气危险的有效探测。

在全球气候变化异常的背景下，灾害性、突发性天气日益增多，气象保障压力日益增大，迫切需要发展新型天气雷达装备，进一步提高短临危险天气探测能力。采用相控阵天气雷达技术，可缩短对雷暴、大风等强对流危险天气的探测周期，对下击爆流、中尺度气旋等危险天气的平均预警时间将由目前的不足10分钟延长到15分钟，实现短临危险天气的精准探测和预报。

相控阵双偏振多普勒天气雷达在相控阵天气雷达的基础上增加偏振测量功能，在单极化相控阵天气雷达所获取天气目标强度、速度、谱宽信息的基础上进一步获取云雨目标粒子相态、粒子尺寸谱和介电常数等微物理信息，大大提高相控阵天气雷达定量测量降水量、云中含水量的精度，实现云雨目标相态及零度层识别，对灾害性天气的预报和保障能力大大提高。发展相控阵双偏振天气雷达，可获取更多的气象目标的微观信息提高对短临危险天气精细探测，对于实现气象雷达探测技术跨越和实现天气雷达装备的更新换代具有重要作用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于波导裂缝阵列天线的双偏振相控阵天气雷达，可实现整机系统的双发双收，单发双收，单发单收的多种极化工作模式要求。雷达实现俯仰维相扫，单/多波束的工作需求，快速探测雷达周边空域天气目标信息，为军民用气象保障系统提供及时可靠全面的天气信息。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种双偏振相控阵天气雷达，包括：

由水平极化天线和垂直极化天线交替配置形成波导裂缝平面天线阵；

由dtru模块和散热风机构成的dtru分系统；

由信号处理和光传与定时同步模块组成的数字波束形成/信号处理分系统；

以及伺服分系统、频率源及分配网络分系统、监控分系统；

发射时，全阵面各dtru模块内的数字波形产生模块dds按指定幅度和相位控制字再结合时钟及定时信号产生发射的激励信号经上变频和功率放大输入天线单元，各天线单元产生相应偏振电磁波辐射到指定空域进行功率合成形成发射波束；

接收时，波导裂缝平面天线阵将接收空域内的反射电磁波信号送入dtru模块，经低噪声放大后下变频至中频，中频信号经a/d采样和数字下变频处理生成数字正交视频信号i/q送入数字波束形成系统，数字波束形成系统通过对每个通道信号的幅度和相位加权控制，在扫描空域内任意形成所需的接收波束。

进一步的，所述水平极化天线由采用脊波导窄边开斜缝的方式形成，所述垂直极化天线由脊波导宽边开纵缝的方式形成。

进一步的，所述水平极化天线和垂直极化天线分别由64行线源组成，发射时，由中间48行线源等幅发射，接收时由64行线源接收。

进一步的，所述波导裂缝平面天线阵由8组子阵天线组成，每组子阵天线包括8根宽边纵缝线源和8根窄边裂缝线源。

进一步的，所述dtru分系统包括17个dtru模块，每个dtru模块包含8个通道，内含射频通道、数字板以及相应的电气互联接口和机械安装接口，其中射频通道和数字板可拆分。

进一步的，所述数字波束形成/信号处理分系统由数字波形产生模块、数字中频接收处理模块、数字波束形成模块、数字脉冲压缩模块、多普勒信号处理模块、以及光传与定时同步处理模块组成，其中数字波形产生模块以及数字中频接收处理集成在所述dtru模块中。

进一步的，本雷达还包括用于解决探测盲区的补盲方式，所述补盲方式采用时分补盲或频分补盲；

所述时分补盲采用脉间交替发射宽窄脉冲组来解决探测盲区，宽脉冲探测远区回波，窄脉冲对宽脉冲探测盲区进行补盲处理，利用两次探测数据进行拼接处理，时分方式实现补盲处理；

所述频分补盲采用脉内发射不同频率宽窄脉冲来解决探测盲区，采用脉内发射双频数字波形，先发宽脉冲再发窄脉冲，宽窄脉冲在脉内采用不同的频率，数字接收通道通过不同的数字滤波器进行分离，分离后的窄脉冲回波信号和经数字脉冲压缩处理后的宽脉冲回波信号输出至多普勒信号处理单元进行处理，脉内频分方式实现探测距离补盲处理。

所述时分补盲采用脉间交替发射宽窄脉冲组来解决探测盲区，宽脉冲探测远区回波，窄脉冲对宽脉冲探测盲区进行补盲处理，宽窄脉冲间隔时间为脉冲累积数(32、64、128、256可选)，利用两次探测数据进行拼接处理，时分方式实现补盲处理；

所述频分补盲采用脉内发射不同频率宽窄脉冲来解决探测盲区，采用脉内发射双频数字波形，先发宽脉冲再发窄脉冲，宽窄脉冲发射间隔小于1μs，宽窄脉冲在脉内采用不同的频率，数字接收通道通过不同的数字滤波器进行分离，分离后的窄脉冲回波信号和经数字脉冲压缩处理后的宽脉冲回波信号输出至多普勒信号处理单元进行处理，脉内频分方式实现探测距离补盲处理。

进一步的，本雷达还包括一个发射增益、发射波束宽度校正方法，其步骤如下：

步骤1：计算天线波束宽度为：

其中：θ为偏离法线角度；

λ为波长；

d为线源间距；

in为第n路电场强度

步骤2：由公式(1)计算出天线增益为：

其中：θt为水平波束宽度；

为垂直波束宽度；

步骤3：计算接收通道增益变化引起的天线接收波束方向图变化为：

p(θ)＝|w^ha(θ)|……(3)

其中，p(θ)为阵列天线方向图；w为阵列的权矢量，{w}^h表示共轭转置；a(θ)为单元因子；

步骤4：计算相扫天线波束宽度变化和增益变化分别为：

g＝g0+10xlog(cosδδ)……(5)

其中：为垂直波束宽度；

δδ为仰角偏离法线方向的角度

x＝1δδ≤30°

x＝1.530≤δδ≤40°

x＝240≤δδ≤50°

x＝350≤δδ≤60°。

本发明的有益效果是：

1、采用全数字双偏振相控阵体制，偏振方式灵活可控，可实现任意偏振。

2、采用宽发窄收多波束体制，缩短探测周期，数据率高，危险天气捕获能力强。

3、采用异频多波束扫描，减少波束间干扰气象回波结构清晰。

4、采用在线自动幅相校正和完备的在线雷达标校，提高探测数据质量。

5、采用数字有源相控阵，可靠性高，全寿命周期维护成本低。

6、采用宽带有源相控阵天线，具有多频点跳频工作方式，抗干扰能力强。

附图说明

图1是本发明整体示意图；

图2是波导裂缝平面天线阵平面示意图；

图3是图2沿垂直方向的剖面图；

图4是波导裂缝平面天线阵侧视图；

图5是dtru分系统原理示意图；

图6是数字波束形成(dbf)/信号处理分系统组成框图；

图7是数字波束形成(dbf)/信号处理分系统信号处理示意图；

图8是数数字波束形成(dbf)分机原理框图；

图9是数字波束形成(dbf)/信号处理分系统工作原理及处理流程图；

图10是定时同步分系统及网络组成原理框图；

图11是时分补盲交替发射宽窄脉组示意图

图12是频分补盲宽窄脉冲发射示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种双偏振相控阵天气雷达，包括：

由水平极化天线和垂直极化天线交替配置形成波导裂缝平面天线阵；

由dtru模块和散热风机构成的dtru分系统；

由信号处理和光传与定时同步模块组成的数字波束形成/信号处理分系统；

以及伺服分系统、频率源及分配网络分系统、监控分系统；

发射时，全阵面dtru模块内的数字波形产生模块dds按幅度和相位控制字在结合时钟及定时信号在波形产生时预置相位和幅度，通过波导裂缝平面天线阵向指定空域定向辐射发射波束；

接收时，波导裂缝平面天线阵接收空域内的反射电磁波信号，经处理后形成数字正交信号送入数字波束形成分系统，并根据全阵面的数字正交信号，产生扫描空域内的任意接收波束。

作为一种优选实施例，水平极化天线由采用脊波导窄边1开斜缝3的方式形成，垂直极化天线由脊波导宽边2开纵缝4的方式形成，其结构可参考图2所示。水平极化天线和垂直极化天线分别由64行线源组成，发射时，由中间48行线源等幅发射，接收时由64行线源接收。波导裂缝平面天线阵由8组子阵天线组成，每组子阵天线包括8根宽边纵缝线源和8根窄边裂缝线源。脊波导窄边1沿轴向依次开设有多条斜缝3，作为水平极化天线；脊波导宽边2沿轴向依次开设有多条纵缝4，作为垂直极化天线；水平极化天线和垂直极化天线交替配置形成脊波导裂缝平面天线阵。脊波导窄边1上相邻斜缝3间距为20.8±0.02mm，斜缝3数量为80。纵缝4间距为22.1±0.02mm，纵缝4宽度为1.7±0.02mm，纵缝4长度为，纵缝4数量为76。纵缝4沿脊波导宽边2轴向交错分布，其偏移量为0.02m。每根脊波导窄边1和脊波导宽边2一端分别连接一同轴连接器5，其另一端分别连接一同轴负载6，其结构可参考图3和图4所示。

垂直面若要满足相扫±18°的要求，一维相扫双偏振相控阵天线根据理论计算，天线单元间距为23mm。即水平极化和垂直极化天线单元间距均不能大于24mm。由于两种规格天线交替排列，按两种天线无间隔排列，两种波导外形尺寸之和也不能超过24mm。在x波段，通常有bj84和bj100两种规格的标准波导，若选取较小的bj100型波导，波导尺寸为22.86mm×10.16mm×1mm。波导宽边和窄边交替排列，间距为37.02mm。此间距远远大于所要求的单元间距，所以天线线源已不能选取传统常规标准波导，必须把波导尺寸进行压缩。

单脊波导的特点是波导中间有凸起的脊，与矩形波导相比，脊波导由于凸缘电容的作用，te10波的截止波导比矩形波导中te10波的截止波长更长，因此，可以通过压缩宽边尺寸来得到需要的波导尺寸。权衡加工和设计，最终确定窄边线源单脊波导外形尺寸为18mm×7.2mm×1mm。宽边线源单脊波导尺寸为11.7mm×9.5mm×1mm。两种波导间距为18.9mm，可以满足天线单元间距24mm的要求。

作为一种优选实施例，dtru分系统包括17个dtru模块，每个dtru模块包含8个通道，内含射频通道、数字板以及相应的电气互联接口和机械安装接口，其中射频通道和数字板可拆分，其结构原理可参考图5所示。

dtru模块射频通道主要完成发射中频信号的放大、混频以及接收信号的滤波、混频、放大。数字通道完成发射信号的产生、接收信号的数字正交下变频。电源转换单元完成电压转换、电压电流监测。功分板把输入组件的信号功分后输出给数字dtru。主要功能包括：

a)发射功能：接收本振信号、ad时钟、dds时钟、同步信号等控制信号，按指定工作模式要求完成信号产生、上变频、组件初相补偿、功率放大；

b)接收功能：接收射频微弱信号，进行放大、滤波、下变频、量化等处理，将i/q数字正交信号打包后经光链路输出(包括同时多频点接收状态)；

c)监控标校功能，可控制任意收发通道工作或不工作，实现对每个通道组件的收发测试、校准；

d)实时监测模块中发射通道工作状态，输出bite信号；对模块故障定位到每个独立通道，并输出通道故障状态信息；

e)保护功能：具有过脉宽、过重复频率、过占空比、过压、过温等保护功能；

f)具有同步信号的校正功能；

g)模块具有故障隔离能力，任意通道故障不影响其他通道正常工作；

h)模块预设软件调试口，可不拆卸模块完成程序升级。

如图6所示，数字波束形成/信号处理分系统由数字波形产生模块、数字中频接收处理模块、数字波束形成模块、数字脉冲压缩模块、多普勒信号处理模块、以及光传与定时同步处理模块组成，其中数字波形产生模块以及数字中频接收处理集成在dtru模块中。

进一步的，数字波束形成模块包括发射波束形成和接收波束形成两部分。系统采用dtru方案，不但可以省去以前模拟系统前端复杂的功分移相网络，同时收发前端馈电系统简单，非理想因素大大减少。系统波束校正全部通过数字处理完成，能量分配灵活，自适应能力强、精度和可靠性高。数字波束形成(dbf)/信号处理分系统数据通信采用全光互联，所有上行和下行数据流及雷达整机控制信息都通过光纤传输。模块之间数据互联互通，均通过单模双纤光纤连接，系统内部走线网络及逻辑清晰简单，大大提高了雷达整机的六性指标，使用、维修、维护方便，系统组成框图如6所示。

数字波束形成(dbf)/信号处理分系统分为：数字波形产生(dds)、数字中频采集、数字波束形成(dbf)及数字脉冲压缩处理(dpc)、定时与同步处理模块、多通道多普勒信号处理等部分。其中数字采集部分由多个采集板卡分布式组成，单个板卡集成8个采集通道，采集板与数字波束形成及数字脉冲压缩处理板之间采用全光通信，单个数字波束形成及数字脉冲压缩处理单元对应16块(128路)采集板卡的输入，数字波束形成及数字脉冲压缩处理将数字采集部分输出的部分数据形成波束指向和进行脉冲压缩处理并将处理后iq数据输出至数据合成及传输处理单元进行最终的波束形成处理并打包传输至多通道多普勒信号处理；多通道多普勒信号处理完成多通道多普勒参数处理，并将处理结果输出至数据采集系统，信号处理连接示意图如7所示。

数字波形产生及数字中频接收处理部分集成在dtru中，主要完成中频激励产生、回波中频采样、数字中频处理、相干处理、iq数据光纤传输及转换。功能如下：

a)将模拟中频变为数字中频处理，并输出正交信号或处理的中间结果。

b)将频分波束回波进行滤波分离，产生多路独立的iq信号。

c)利用校正信息对回波进行幅相初校正。

d)利用波控信息实现输出激励信号的相位加权。

e)数字任意波形生成，将产生发射激励中频脉冲，同时产生中频模拟及测试信号，支持任意调幅、调相、调频及组合。

f)完成模块内部温度，电压实时检测，前端rf参考时钟等检测。

g)完成模块的bite检测。

每路数字波形产生和数字中频接收完成一路中频激励输出和一路中频回波接收处理，同时给集成射频前端提供高稳定度、低相噪的定时和同步。接收来自终端的dbf控制信号，完成相应的工作模式切换和发射波束移相控制，最后输出对应频率的iq信号，通过单模光纤传送至dbf处理器。系统共有129数字接收模块和97路带波形激励输出，其中32路为纯接收通道。模块的监控信息、时间信息等所有控制和状态信号，与iq数据一起打包通过光纤传输至多普勒信号处理器。

中频激励波形可通过波形数据文件上传实现，用户可根据需要选择合适的波形文件，产生所需的波形形式、脉宽和脉压比。

数字波束形成部分分为发射波束形成和接收波束形成两部分。

发射波束形成控制96+1路发射通道，将每个发射波束的移相码发送至各个数字中频接收通道，在dds中产生各种移相的激励信号。由于系统采用时分发射多波束方式，为了尽可能降低首次发射脉冲回波的盲区，要求发射波束形成具有非常快速的布相能力以及频率切换能力，在两个相邻脉冲之间亚微秒级时间内完成波束形成的切换。大大缩短了波束切换导致的盲区。光纤只传送数字信息，移相控制、同步触发等信号采用电传输。

dbf分机主要由光纤信号接口板、信号处理板、定时及接口控制板与vpx机箱(包括电源和风扇)、vpx主板，数字信号测试源模块等组成，其原理图参考图8所示。

多普勒信号处理

雷达系统回波波束数最大为20个，其处理能力、数据量、是一般多普勒信号处理器的20倍，对于硬件资源的消耗非常大。在设计上，采用高性能服务器。信号处理器需要完成的处理算法有杂波对消、fft变换及相关运算、数据通信及故障检测等。系统硬件资源的设计配置能满足其所采用的高性能算法的运算量要求并留有适当余量，便于将来升级为更复杂算法，支持更多的波束数量处理。多普勒信号处理和dbf处理器之间采用全光通信，处理模式支持ppp、fft等多种处理模式和多种处理结果输出。

多普勒信号处理采用通用服务器架构平台，摆脱现有信号处理系统由硬件定义的模式，最大程度的提高了软硬件解耦程度，软硬件独立升级维护，且系统所需的所有功能均由软件定义，功能扩展灵活。

标校、同步处理单元

在dbf处理器中，还配置有标校/同步控制单元，该单元在系统进行dtru的幅相标校时，可单独进行发射和接收的标校控制，并将标校结果数据进行保存，对发射波束形成和接收波束形成数据进行修正，消除幅相误差等对波束形成的影响。

工作原理

雷达在俯仰上有128行天线，其中发射96行，接收128行，数字波束形成(dbf)/信号处理分系统工作原理和流程为：

a)终端控制系统通过光纤将各种系统控制命令传输到多普勒信号处理模块(该模块由高性能服务器组成)；

b)多普勒信号处理模块将命令通过光纤传输到数据合成及传输处理模块，再由数字波束形成(dbf)及数字脉冲压缩处理(dpc)模块传输到每个dtru；

c)dtru在系统波控命令和定时时序控制下，以频综送来的基准时钟产生相应的数字发射信号，通过上变频到射频，经天线辐射；

d)天线接收云雨目标反射的雷达回波，经dtru内的数字中频接收处理模块转换成数字信号，再经高速光纤传输到后级的数字波束形成(dbf)及数字脉冲压缩处理(dpc)模块；

e)数字波束形成(dbf)及数字脉冲压缩处理(dpc)模块将128路基带i/q数据处理成最多20路接收波束，并传输至数据合成及传输处理模块，数据合成及传输处理模块同时接收gps授时系统输入的时间信息，数据合成后经光纤传输给多普勒信号处理模块；

f)多普勒信号处理模块完成最多20路的气象回波信号处理，并输出至数据采集处理分系统。

数字波束形成(dbf)/信号处理分系统工作原理及处理流程图如图9所示。

光纤传输网络是整个雷达系统的控制命令和数据传输核心，主要功能是接收主控计算机的各种指令并分发给各个模块，各个模块之间的数据交换和状态信息回传。位于阵面的光收发模块接收多普勒信号处理转发自终端计算机的各种控制命令，及dbf及数字脉冲压缩处理模块进行分发给阵面的每个dtru单元、标校模块和定时同步模块；同时接收每个dtru、标校模块和定时同步的数据和状态信息在dbf及数字脉冲压缩处理模块进行打包处理后经光收发模块传输至阵面下的多普勒信号处理单元。各个模块间均采用单模双向光纤进行通信，同时光纤传输网络只传输控制命令、数据和状态信号，不传输同步信号和时钟信号，既能满足系统的高速大容量传输要求，又能提高整个系统的可靠性。

定时同步分系统及网络主要完成时钟信号、高精度定时和同步信号的产生，控制雷达阵面各组成系统同步协调工作。定时同步分系统及网络组成原理框图如图10所示。工作时，定时同步模块接收dbf及数字脉冲压缩处理模块转发的各种控制指令，根据指令产生各功能模块所需的同步信号和时序控制信号，控制雷达各系统按主控计算机命令正常工作。定时同步模块和频综模块都在天线阵面，整机所需的时钟、定时和同步都采用硬件直连方式而不是光传再解码方式，确保整个系统稳定可靠工作。

天线伺服子系统完成天线方位机械转动、俯仰机械转动两个功能。系统由方位电机、方位减速器、方位旋转变压器、俯仰电动执行机构、方位锁紧结构、伺服驱动等组成。

采用交流伺服系统，用交流无刷伺服电机来作驱动天线方位轴的执行电机。交流无刷伺服电机具有良好的调速特性和线性的机械特性，而且它无换向电刷，免维护保养，可做到输出功率很小，具有体积小、重量轻等优点。

天线俯仰机械转动采用俯仰电动执行机构完成，翻转通过其伺服电动缸实现，在俯仰转动过程中利用编码器形成位置闭环控制。

主监控分别通过rs-422和rs-485控制方位驱动器和俯仰驱动器进行运动；

方位旋变信号，俯仰电动执行机构上、下限位接近开关信号，俯仰角度检测编码器信号直接进入主监控；方位旋变信号：四根信号线(cos+，cos-，sin+，sin-)。

接近开关信号：通过一根信号线传输开关信号(接近开关导通输出+12v，接近开关断开输出0v)；

编码器信号：编码器通过rs-485通信传送数据。

伺服控制板通过rs-485与主监控进行通讯，伺服控制板向主监控上报俯仰锁、俯仰接近开关、俯仰角码状态信息。主监控向伺服控制板下达锁定指令。另外在撤收天线时，天线撤收到位，主监控需告知伺服系统，以便进行后续工作。

最后，频率源及分配网络分系统主要由频率源、2路时钟功分网络、2路本振功分网络、1路测试标校功分网络、定标衰减器组成，其结构可参考图1所示。监控分系统对雷达整机的遥控控制包括对配电系统、伺服系统、接收系统等的多项控制。用户可以通过监控分系统实现对雷达整机的全功能遥控操作。

进一步的，本雷达还包括用于解决探测盲区的补盲方式，补盲方式采用时分补盲或频分补盲；

如图11所示，时分补盲采用脉间交替发射宽窄脉冲组来解决探测盲区，宽脉冲探测远区回波，窄脉冲对宽脉冲探测盲区进行补盲处理，利用两次探测数据进行拼接处理，时分方式实现补盲处理；

如图12所示，频分补盲采用脉内发射不同频率宽窄脉冲来解决探测盲区，采用脉内发射双频数字波形，先发宽脉冲再发窄脉冲，宽窄脉冲在脉内采用不同的频率，数字接收通道通过不同的数字滤波器进行分离，分离后的窄脉冲回波信号和经数字脉冲压缩处理后的宽脉冲回波信号输出至多普勒信号处理单元进行处理，脉内频分方式实现探测距离补盲处理。

时分补盲采用脉间交替发射宽窄脉冲组来解决探测盲区，宽脉冲探测远区回波，窄脉冲对宽脉冲探测盲区进行补盲处理，宽窄脉冲间隔时间为脉冲累积数(32、64、128、256可选)，利用两次探测数据进行拼接处理，时分方式实现补盲处理；

频分补盲采用脉内发射不同频率宽窄脉冲来解决探测盲区，采用脉内发射双频数字波形，先发宽脉冲再发窄脉冲，宽窄脉冲发射间隔小于1μs，宽窄脉冲在脉内采用不同的频率，数字接收通道通过不同的数字滤波器进行分离，分离后的窄脉冲回波信号和经数字脉冲压缩处理后的宽脉冲回波信号输出至多普勒信号处理单元进行处理，脉内频分方式实现探测距离补盲处理。