一种任意极化波产生及校准方法
【专利摘要】本发明设及一种任意极化波产生和校准方法，在基带内产生数字信号，对两路正交数字信号进行幅相调整和补偿。将数字信号变换为模拟信号，然后上变频为射频信号，再通过两个发射机的进行功率放大和分配，两信号在正交模耦合器中合成出任意极化方向的极化波。在极化信号校准的设计中，从两路发射信号中耦合出两路少量信号进入校准通道。比较两通道信号的一致性，使用优化算法寻找极化信号的两个相位最小差值。比较两路信号的差异，并将其反馈回极化波产生单元，对产生的信号进行测量和补偿，确保两个通道信号的一致性。
【专利说明】
一种任意极化波产生及校准方法
技术领域
[0001] 本发明应用于双极化天气雷达技术领域，使用该方法不仅可产生任意极化的电磁 波，而且能对极化电磁波进行测量和校准，进而提高极化雷达测量的精度。
【背景技术】
[0002] 随着双极化雷达在气象探测和气象粒子识别方面的成功应用，双极化雷达在气象 粒子(冰雹、霾等)检测和人工影响天气领域获得了广泛的认可和应用前景。近二三十年来， 国内外研究和生产机构相继开展了极化雷达技术的深入研究，特别是极化波产生、测量和 标定等技术。最早报道极化散射矩阵测量的雷达是德国生产的DCR雷达（1985年）。该雷达通 过四个可变移相器和两个3dB电桥实现任意极化产生和任意正交极化同时发射的功能。通 过灵活的极化控制，可实现极化散射矩阵的全部参数测量，以及可用于分析Stockes矢量和 Muller矩阵元素的测量，是迄今为止功能最为完善、最复杂的极化雷达，但该雷达不包含极 化标定单元。
[0003] 美国WSR88D多普勒天气雷达网建成于1988年，已于2011年全面升级为双极化雷 达。该雷达由Baron公司实施升级改造，采用单发双收、或双发双收体制，极化产生方式灵 活，并且雷达的标定功能可由用户自行设定。在WSR88D雷达的升级改造方案中含两个极化 网络，即，极化信号的产生网络和极化信号的标定网络。雷达发射时，通过大功率可变移相 器和3dB电桥实现任意线极化的产生，然后通过两根波导将微波信号传输到正交模耦合器 0ΜΤ，实现发射信号的极化波合成。它所采用的馈线网络不同于国内以往的极化馈电网络， 是目前最先进灵活的极化产生方法。
[0004] 近一二十年内，国内几家雷达研究和生产单位相继开展了双极化天气雷达的研究 和试生产。但目前国内研制的双极化天气雷达普遍存在极化纯度低和极化测量精度差等问 题，导致了气象粒子形态的误判，影响了双极化天气雷达在国内的推广和应用。造成极化测 量的误差主要有两个原因，一是，目前极化雷达均采用高频段的微波合成技术产生极化波。 微波网络工作于高频高压环境时，微波器件易受外界环境因素影响，两个正交极化的极化 纯度会随温度、环境发生变化。二是，发射机功率、接收机的增益和噪声电平会随时间随机 变化和缓慢起伏，导致双极化雷达系统的不稳定性。
[0005] 传统的任意极化波产生是通过铁氧体移相器微波极化网络，对高发射功率信号进 行移相和分配功率，再通过微波合成网络形成任意极化波。该方法工作在高功率的射频环 境下，铁氧体移相器体积庞大，易受温度变化的影响，导致极化波纯度差、不同极化波间的 隔离度低等。本发明工作在数字域的低功率环境下，移相精度高，控制灵活，不受环境条件 的影响。本发明能够实现极化波的脉间极化捷变、极化分集、正交极化接收等功能，能够满 足Stokes矢量测量、Muller矩阵测量、极化度J、极化散射矩阵的测量要求，可以直接应用到 双极化天气雷达中的极化产生、馈线设计和极化信号处理。
[0006] 目前，国内极化波产生是通过铁氧体移相器形成微波极化网络，对信号进行连续 移相和不等功率分配，然后用微波合成网络形成任意极化波。该方法工作在射频频段、高功 率的环境下，控制高频高功率信号比较复杂，并且精度低。而且，铁氧体移相器不仅体积庞 大，而且易受环境温度的影响，导致所产生的极化波纯度差、不同极化波间的隔离度低等。 另外，国内双极化雷达的极化切换也采用铁氧体极化开关。铁氧体器件存在温度漂移的弱 点，环境变化时极化隔离度迅速下降。特别是双极化同时发射时，两通道的差异导致差分反 射率的测量误差可达4dB左右，不能满足气象探测中0.1 dB的误差精度要求。
【发明内容】
[0007] 要解决的技术问题
[0008] 本发明的目的是为了改善双极化雷达发射的电磁波极化性能而设计的一种新型 方法。使用该设计方法产生的任意极化波，其优点是极化特性好，容易控制，不受环境和温 度的影响等。如该发明应用于双极化天气雷达中，能够提高极化雷达的探测能力，准确地识 别各类气象粒子和探测预报天气。
[0009] 技术方案
[0010] 设计了双极化雷达的极化控制方法，能够控制雷达发射不同模式的、高隔离度的 极化波。在基带内调整两路极化信号的幅度和相位，通过双发射机产生了任意极化波。为校 准极化信号的一致性，设计了反馈式的极化信号校准方法。
[0011] 1)变极化器采用移相式高速变极化开关来实现极化波的控制。
[0012] 2)在基带内对极化信号进行幅相调整。由信号处理器产生I/Q两个等幅同相的信 号，采用移相控制网络(复数乘法器、混合器、电桥等组成），在基带调整极化信号的相位和 幅度。
[0013] 3)使用I/Q调制产生射频信号，合成产生任意极化波。在移相控制网络中完成幅相 调整后，再增补变频器和发射机引入的幅相误差。将基带信号上变频为发射频率，由发射机 放大后，分别进入OMT的H、V端口，形成所需的极化波。
[0014] 4)对H、V两路信号的幅相一致性进行在线测量和校准。采用辅助测试支路对接收 通道进行测量，通过魔T的差通道检测幅相一致性，快速寻找最优的补偿信号，补偿耦合效 应引起的误差。对极化网络进行控制，调节两信号通道的各支路相位和幅度，产生优化的任 意极化信号。
[0015] -种任意极化波产生，其特征在于步骤如下：
[0016] 步骤1:产生两路等幅同相的基带数字信号Vl和V2;
[0017] 步骤2:对Vl和V2两路信号进行相位的调整，产生椭圆极化波所需的椭圆倾角e#和 椭圆极角，输出水平极化H和垂直极化V的两路信号；
[0018] 步骤3:H和V信号均功分成I/Q两路，其中H路的I/Q信号经过幅相调整单元六阳#^ 路的I/Q信号经过幅相调整单元A 2eA
[0019] 步骤4:将经过幅相调整后的H路和V路的I/Q信号均上变频为与发射机频率相同的 射频信号；
[0020] 步骤5:上变频后的信号再经加法器、滤波器处理后，由发射机放大后，经耦合器分 别进入OMT的H、V端口，在OMT合成所需的极化波。
[0021] 所述的步骤2中采用极化波控制器对Vl和V2两路信号进行相位的调整，所述的极 化波控制器依次包括数字移相器Θ、电子开关、数字移相器90°、3dB电桥、数字移相器供和 3dB电桥。
[0022] -种对极化波进行校准的方法，其特征在于步骤如下：
[0023] 步骤1:对两路发射信号分别进行耦合；
[0024]步骤2:将两路耦合信号输入到MT，取两路信号的差信号进入差通道接收机，和信 号接地；
[0025]步骤3:差信号与本振信号混频后，下变频为中频信号；中频信号经AD转换，采样处 理后变为数字中频差信号；
[0026] 步骤4:将数字中频差信号累积后与设定阈值进行比较:如果该差信号大约设定阈 值，将差信号经DA、滤波后，再调整两通道极化信号的幅相;如果差信号小于设定阈值，则说 明H、V两路信号幅相满足设计要求。
[0027] 所述的步骤4中采用最速下降法进行比较。
[0028] 有益效果
[0029] 本发明提出的一种任意极化波产生及校准方法，该方法在基带信号中调制信号的 幅相，工作在低功率的数字域的环境，控制灵活，移相精度高，不受环境条件的影响。本发明 能够实现极化波的脉间极化捷变、极化分集、正交极化接收等功能，能够满足Stokes矢量测 量、Muller矩阵测量、极化度J、极化散射矩阵的测量要求。有益效果如下：
[0030] (1)使用两个移相器实现可变功率分配和移相，达到等幅同相的目的；
[0031] (2)在其中一个支臂中通过波导开关选择0°或90°移相器，可分别实现水平极化、 垂直极化同时发射和单极化发射功能；
[0032] (3)由于可变功率分配和可变调相，该发明可产生任意极化；
[0033] (4)极化波校准中，通过一个负反馈，控制使幅相一致性达到最佳，可实现实时极 化控制；
[0034] (5)负反馈控制是一个队的平面上寻找最小值的进程，因此，需要使用最速下降算 法达到快速控制的目的；
[0035] (6)使用魔T的差通道检测幅相一致性，而不是直接测量两通道的幅相。
[0036] 本发明成果可以直接应用到双极化气象雷达中，其相关成果也可用于极化产生、 馈线设计和信号处理、以及极化信号处理等领域中。如果将魔T更换成两个相同设计的发射 机，该技术方案可以应用到双发射机体制的极化雷达中。
【附图说明】
[0037]图1是本发明极化控制器原理图
[0038]图2是本发明双发射机产生任意极化波原理图
[0039]图3是本发明极化波校准原理图
【具体实施方式】
[0040] 现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
[0041] 本发明是在基带的数字域中产生和控制极化信号的幅相，并在水平和垂直极化的 两路通道中使用两个发射机进行功率放大与分配，进而合成出任意极化方向的极化波。在 任意极化波产生的设计中，首先，在基带中产生两路正交数字信号，通过数字移相器、电子 开关和电桥等器件调整两路信号的幅相和极化特征，输出两路垂直和水平的极化信号。两 路极化信号经过变频、滤波等处理，产生射频极化信号，并通过两路发射机进行功率放大和 分配。最后，两路极化信号通过正交模耦合器合成出任意极化方向的极化波，再经过波导和 天馈线辐射出任意极化的电磁波。在极化信号校准设计中，对两接收通道的一致性进行测 量。通过比较两接收支路信号，寻找最优的补偿信号，反馈给极化波产生单元，调节和补偿 两信号通道的路相位和幅度，产生优化的任意极化信号。
[0042] 1.任意极化波产生
[0043] 通常的极化雷达包含一个高功率的发射机和两个通道接收机(分别为水平极化方 向H接收机和垂直极化方向V接收机）。通过工作于射频环境中的极化微波网络控制发射机 发射出水平极化波，或垂直极化波，或者同时水平和垂直的两种极化波。
[0044] 极化微波网络用于调整极化波的极化特征和极化雷达工作的模式，能够实现雷达 极化波的单发单收、单发双收或双发双收功能。为使雷达能在多种极化模式下工作，需使用 变极化器进行切换。本发明中的变极化器采用移相式高速变极化开关来实现极化的变化。 为了提高水平极化和垂直极化通道间的隔离度，在变极化开关两个输出端口处再级联两个 铁氧体快速开关。由于铁氧体快速开关的反向隔离，实现了垂直极化通道和水平极化通道 的隔离度高达45dB，小功率状态下通道间的隔离度可达60dB以上。
[0045] 当前，产生极化波通常使用一个发射机，为了达到稳定的输出功率，发射机通常工 作在饱和状态下。发射的射频信号经由魔T(MT)分成两路，在极化微波网络调整节极化波的 极化状态。通常，极化微波网络由MT、移相器、微波开关、电桥、正交模耦合器(OMT)和辅助功 能电路等组成。
[0046] 极化微波网络用于调整极化信号的幅相和极化波模式。雷达信号经MT的支路功分 成两路，通过模拟移相器进行幅相调整后，再经过3dB电桥合成出水平极化方向H和垂直极 化方向V的两路极化信号。当Θ和φ连续可调时，输出两路水平和垂直方向H、V极化波，经正 交耦合器OMT后合成所需要的椭圆极化波。调整0和印的大小，控制椭圆的倾角和长短轴的 比例，可产生任意椭圆极化波。如果MT的上臂再用一个波导开关控制90°移相器，当波导开 关选择0°移相时，可产生等幅同相的H、V极化信号，从而产生同时水平、垂直极化发射信号。 当波导开关选择90°移相时，可使所有的发射功率全部进入H通道，从而产生水平极化发射 信号。上述方法的简化原理图如图1所示。如果该方法工作于射频环境下调整极化信号的幅 相会存在不足，因为射频发射信号的相位和幅度很难控制，会导致极化波的极化精度低和 隔离度低，极化误差误差大。
[0047]上述方法中，MT的作用是分配两路信号的功率。如果使用两个发射机代替上述方 法中的MT，同样能实现功率分配。并且可将射频极化信号调整幅相的功能转移在低功率的 基带信号中实现。在基带信号中调整极化信号的幅相具有如下优点：在数字域采用数字电 路控制极化信号的幅相，控制方式灵活，精度高;在低功率情况下移相不需要大功率器件， 容易产生任意极化波。
[0048]使用两个发射机的方法也存在不足，需要改进。例如，发射机工作在线性工作状 态，会引起发射机的工作效率和输出功率会下降，需要在数字信号处理器中进行幅相控制。 另外，两路发射机的差异会带来幅度和相位的不平衡性，还要通过移相校正校正两路极化 信号的差异。综上考虑，基于数字化移相和双发射机技术，本发明设计了一种产生任意极化 波的方法。其原理如图2所示，其工作步骤如下：
[0049] 1)在基带信号中，用数字方式产生两个等幅同相的信号Vl和V2,参见图2中的Al平 面；
[0050] 2)在Al和A2平面之间，Vl和V2两路信号经过两个数字移相器、两个3dB电桥和90° 的数字移相器(如图1中Pl与P2平面间的极化波控制网络)输出两路H、V极化信号，两路H、V 极化信号用于合成椭圆极化波。在此过程中，调整椭圆倾角和椭圆极角可改变椭圆极化波 的任意极化状态，其中，e#用来调整椭圆倾角，用来调整椭圆极角；
[0051] 3)从A2平面输出时，所需要的椭圆极化波参数已经形成，H、V两路极化信号分别功 分成I/Q两路，进行I/Q正交变换。
[0052] 4)H、V两路信号分别功分I/Q两路后，会引起两路I/Q信号的差异，同时两个发射机 在幅相上也存在着差异，两支路的不一致会引起产生椭圆极化波的误差。因而在两个支臂 上分别串接了一个幅相调整单元AidiPAse#，以补偿两支路幅相失配。此阶段调整极化信 号的幅相仍工作在基带信号上，在数字域中实现。A ie#调整H通道的I/Q幅相误差，A2e^H周整 V通道的I/Q幅相误差。
[0053] 5)完成幅相失配补偿后，在A3平面，包括I/Q正交上变频器和发射机引入的幅相误 差被完全补增。通过I/Q上变频器将基带信号上变频到发射频率，数字信号变为射频信号。 [0054] 6)再经加法器、滤波器处理后，极化信号由发射机放大后，经耦合器分别进入OMT 的H、V端口，合成所需的椭圆极化波。
[0055] 7)为了对H、V幅相一致性进行在线测量。在每个发射机的输出端(A5平面)耦合一 小部分发射能量进入双通道接收机中。如果发射机的幅相误差被完全补偿掉，那么输入到 接收机的幅相误差就代表了 H、V的幅相误差。从接收机输出引入负反馈到e#、e^环节就可 以对椭圆极化的纯度进行测量和调整。
[0056] 2.任意极化波校准
[0057]由于稳漂、环境改变等原因，H、V两通道的幅相一致性会遭到破坏，需要重新调整 幅相θ、φ。调整和测量幅相的一致性的方法有两种。一种方法是利用两路接收机对幅相一致 性进行测量，该方法会由于接收机自身的不一致性带来测量误差。另一种方法是使用耦合 器后再使用一个MT检测两信号的差。根据MT的特性，当两臂等幅同相时，差信号为0。由于检 测差信号比检测等幅同相的信号更容易，所以需要另外设计一路接收机用于校准H、V两路 极化波。幅相调整的目标是接收机的信号差输出达到最小。
[0058]由于耦合效应，调整幅度或相位时，另一个参量也随着变化。差接收机的输出是二 维函数s(e，q>)。为使函数s(e，cp)达到最小，需要使用最速下降法寻找最佳控制路径使s(e,(p) 极小化，通过信号两路差值形成的负反馈去校准h、v极化信号的相位和幅度。综上所述，双 通道任意极化波校准方法如图3所示。该方法步骤如下：
[0059] 1)由两路发射信号分别经耦合器耦合出少量发射信号；
[0060] 2)两路信号进入ΜΤ，取两路信号的差信号进入差通道接收机，和信号接地；
[0061] 3)差信号与本振信号混频处理后，下变频为中频信号。中频信号经AD转换、采样处 理后变为数字中频差信号。
[0062] 4)数字中频差信号输入信号处理器进行校准。差信号累积处理后与设定阈值进行 比较。如果该差信号小于设定阈值，则说明H、V两路信号差异满足设计要求。如果该差信号 大于设定阈值，将差信号经DA、滤波等处理后，反馈回极化控制器。再调整两通道极化信号 的幅相。再经上述过程比较两路的差信号，直到差信号足够小，满足设定阈值。在循环比较 中，使用最速下降法进行优化比较。
【主权项】
1. 一种任意极化波产生，其特征在于步骤如下： 步骤1:产生两路等幅同相的基带数字信号VI和V2; 步骤2:对VI和V2两路信号进行相位的调整，产生椭圆极化波所需的椭圆倾角e#和椭圆 极角e#，输出水平极化Η和垂直极化V的两路信号； 步骤3:Η和V信号均功分成I/Q两路，其中Η路的I/Q信号经过幅相调整单元六阳#^路的 I/Q信号经过幅相调整单元A2eA 步骤4:将经过幅相调整后的Η路和V路的I/Q信号均上变频为与发射机频率相同的射频 信号； 步骤5:上变频后的信号再经加法器、滤波器处理后，由发射机放大后，经耦合器分别进 入ΟΜΤ的H、V端口，在ΟΜΤ合成所需的极化波。2. 根据权利要求1所述的一种任意极化波产生，其特征在于所述的步骤2中采用极化波 控制器对VI和V2两路信号进行相位的调整，所述的极化波控制器依次包括数字移相器Θ、电 子开关、数字移相器90°、3dB电桥、数字移相器巧和3dB电桥。3. -种对权利要求1产生的极化波进行校准的方法，其特征在于步骤如下： 步骤1:对两路发射信号分别进行耦合； 步骤2:将两路耦合信号输入到MT，取两路信号的差信号进入差通道接收机，和信号接 地； 步骤3:差信号与本振信号混频后，下变频为中频信号；中频信号经AD转换，采样处理后 变为数字中频差信号； 步骤4:将数字中频差信号累积后与设定阈值进行比较:如果该差信号大约设定阈值， 将差信号经DA、滤波后，再调整两通道极化信号的幅相;如果差信号小于设定阈值，则说明 H、V两路信号幅相满足设计要求。4. 根据权利要求3所述的校准方法，其特征在于所述的步骤4中采用最速下降法进行比 较。
【文档编号】H01Q15/24GK106058480SQ201610382382
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】魏志强, 李春化, 闫兴伟, 周子超, 陈明, 苏小敏, 李重阳, 王乐
【申请人】西安电子工程研究所