本发明涉及一种雷达，更具体涉及一种星载气象探测雷达。
背景技术：
自第一颗气象卫星发射成功以来，气象卫星在全球气象灾害监测和气候认知研究及预报等领域发挥着重要作用。目前多数气象卫星仍以搭载被动遥感仪器为主。美国国防气象卫星(dmsp)的微波遥感成像仪ssm-i已经在轨观测超过11年，监测全球云雨分布及其他有关参数。日本的adeos-ii项目中，微波扫描辐射计amsr反演大气中水汽、云中含水量及降水是重点研究目标。被动遥感仪器的探测结果是波束方向上的积分效应，无法获得波束路经上的云、雨粒子的分布信息。虽然有人曾利用多波段微波辐射计反演降水云中水汽的垂直分布，所得结果能粗略反映云雨垂直结构的主要特征，但它的垂直分辨率较差，提高它的垂直分辨率又非常困难，这种方法不可能达到星载云雨雷达的测量水平。
星载云雨测量雷达的基本设计研究开始于20世纪70年代的中后期，在20世纪80年代期间提出了一些星载云雨测量雷达的任务。20世纪90年代中期，人们在空间用航天飞机的成像雷达sir-c、x-sar以及topex高度计来观测降雨。虽然这些试验是初步的，但是这些试验结果预示了用星载云雨雷达测量降雨的可行性。
许多国际性大气科学实验计划中也把全球云雨测量列为重点，如美日合作的热带降水测量计划(trmm)，美国地球观测系统(eos)的cloudsat卫星、calipso卫星，以及即将发射的dpr卫星，欧洲livingplanet计划的earthcare卫星。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于提供了一种提高垂直分辨率，定量的获得视场内云和降水的三维垂直结构信息的双频段双极化星载云雨测量雷达系统。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种双频段双极化星载云雨测量雷达系统，主要由天线子系统、射频子系统、数字子系统、监控子系统和电源子系统组成；
天线子系统采用抛物柱反射面/微带反射阵列天馈体制，包括：抛物柱反射面/微带反射阵天线，ka频段有源相控阵馈源，w频段波束波导馈电系统，ka/w两个频段共用抛物柱反射面/微带反射阵天线；
射频子系统连接到ka频段有源相控阵馈源，w频段波束波导馈电系统和数字子系统，数字子系统连接到终端，监控子系统负责全机工作状态的监视和控制，电源子系统完成对雷达系统各个分机的供电。
作为优化的技术方案，抛物柱反射面/微带反射阵列天线包括偏置抛物柱主反射面和印制在抛物柱主反射面上的微带反射阵列天线，抛物柱主反射面的焦线与ka频段有源相控阵馈源重合，馈源实现±8.5°方位向扫描，对抛物柱主反射面进行照射完成俯仰向聚焦，形成ka频段远场方向图；微带反射阵列天线由印制在抛物柱主反射面上的微带贴片单元构成，这些贴片单元对ka频段透明，对w频段则在抛物柱面的方位向提供聚焦能力，使之等效于偏置抛物面，通过馈电喇叭照射后形成w频段远场方向图。
作为优化的技术方案，其中微带贴片在俯仰向引入微小的相位梯度，使w频段焦点下移，偏离ka频段焦线。
作为优化的技术方案，抛物柱反射面/微带反射阵列天线包括还包括副反射面。
作为优化的技术方案，所述ka频段有源相控阵馈源采用双极化一维有源相控阵馈源，包括ka频段天线阵面、校正耦合器、t/r组件、波束形成网络、矩阵开关、阵面波控及校正网络，其中ka频段天线阵面连接校正耦合器，若干t/r组件的两端分别与校正耦合器和波束形成网络连接，波束形成网络通过矩阵开关连接射频子系统，校正网络连接校正耦合器，阵面波控通过控制每个t/r组件的移相器调节射频信号相位，实现ka频段波束空间合成和波束扫描。
作为优化的技术方案，w频段波束波导采用了双极化设计，双极化波束波导系统包括馈电喇叭、第一反射镜、第二反射镜、-45°极化栅、45°极化栅、第一法拉第旋转器、90°极化栅、频率选择表面、第二法拉第旋转器、第三反射镜、第四反射镜；
其中馈电喇叭、第一反射镜、-45°极化栅、90°极化栅依序设置，第二反射镜与第一反射镜分别位于-45°极化栅的反射路径以及透射路径上；
第三反射镜、45°极化栅、第二法拉第旋转器、90°极化栅依序设置，第四反射镜与第三反射镜分别位于45°极化栅的反射路径以及透射路径上。
作为优化的技术方案，所述双极化波束波导系统的工作流程为：
h极化通道的工作流程
(1)雷达处于发射状态时，h极化通道的发射机h的射频信号经速调管(eik)放大，通过喇叭辐射到空间形成波束，其初始极化方式为45°线极化，波束由第一反射镜改变方向透过-45°极化栅，接着通过第一法拉第旋转器，极化方向顺时针旋转45°成为h极化波，然后透过90°极化栅和频率选择表面，最终照射到天线反射面形成雷达波束辐射到空间；
(2)雷达处于接收状态时，回波经天线聚焦后，通过频率选择表面分离，在经过90°极化栅时，回波的h极化分量透过，而v极化分量被反射至v极化收发通道，实现极化分离，h极化分量通过第一法拉第旋转器后，极化方向再次顺时针旋转45°成为-45°线极化波，与发射波束极化方向正交，因此在经过-45°极化栅时不透过，而是被反射至第二反射镜，再经过第二反射镜反射至h极化接收机，从而实现双工；
v极化通道的工作流程
(3)雷达处于发射状态时，v极化通道的发射机v的射频信号经速调管(eik)放大，通过喇叭辐射到空间形成波束，其初始极化方式为45°线极化，波束由第三反射镜改变方向透过45°极化栅，接着通过第二法拉第旋转器，极化方向顺时针旋转45°成为v极化波，然后透过90°极化栅和频率选择表面，最终照射到天线反射面形成雷达波束辐射到空间；
(2)雷达处于接收状态时，回波经天线聚焦后，通过频率选择表面分离，在经过90°极化栅时，回波的h极化分量透过，而v极化分量被反射至v极化收发通道，v极化分量通过第二法拉第旋转器后，极化方向再次顺时针旋转45°成为-45°线极化波，与发射波束极化方向正交，因此在经过-45°极化栅时不透过，而是被反射至第四反射镜，再经过第四反射镜反射至h极化接收机，从而实现双工。
作为优化的技术方案，射频子系统由频率源、波形产生、发射激励、速调管和接收通道h、v组成,其中，频率源输出分别连接两路波形产生和发射激励，其中一路发射激励连接到ka频段有源相控阵馈源，具体的连接到ka频段有源相控阵馈源的矩阵开关，ka频段有源相控阵馈源链接到ka频段中频接收机，每个中频接收机均包括接收通道h和接收通道v，另一路发射激励同时连接到一路主w频段高功率速调管以及一路备用w频段高功率速调管，主w频段高功率速调管以及备用w频段高功率速调管均连接到双极化波束波导馈电系统，双极化波束波导馈电系统同时连接到w频段中频接收机，ka频段中频接收机以及w频段中频接收机均连接到数字子系统。
作为优化的技术方案，当系统工作于发射状态时，ka频段的波形信号在经过波形产生和发射激励放大后，通过矩阵开关和波束形成网络分配给每个t/r组件，t/r组件放大后的信号连接到校正耦合器，通过ka频段天线阵面发射，经抛物柱反射面的反射，在空间形成发射波束；在接收状态下，ka频段回波信号经抛物柱反射面聚焦被馈源阵列的ka频段天线阵面接收，经校正耦合器、t/r组件放大和波束形成网络合成，形成双极化射频接收信号，而w频段雷达波形信号经过波形产生和发射激励放大后，经速调管放大，再通过w频段波束波导和w频段副反射面辐射到抛物柱反射面上，在空间形成发射波束；当系统工作于接收状态时，目标回波信号经天线抛物柱反射面、w频段副反射面和w频段波束波导接收，形成双频段、双极化射频接收信号。
作为优化的技术方案，该双频段双极化星载云雨测量雷达系统通过设置工作时序，实现三种工作模式，具体如下：
(1)双频段模式
此时ka/w频段雷达均以hh极化方式工作，利用双频段反演算法提高气象参数反演精度，ka与w频段的可探测最小雷达反射率因子分别为-12dbz和-35dbz，水平分辨率分别为1.8km×1km和0.7km×1km，垂直分辨率都为250m，观测带宽度分别为120km和1km；
(2)双极化模式
此时ka/w频段雷达工作于hh、hv双极化方式，利用极化信息对不同气象目标进行辨识，可探测最小雷达反射率因子、水平、垂直分辨率、观测带宽度与双频段模式一致；
(3)综合探测模式
将双频段模式与双极化模式进行组合，实现对气象目标的综合探测，可探测最小雷达反射率因子、水平、垂直分辨率、观测带宽度与双频段、双极化模式一致。
本发明相比现有技术具有以下优点：通过数据预处理、校正及反演可以定量的获得视场内云和降水的三维垂直结构信息，获得的全球云雨三维结构数据可以应用于大气云和降水的三维高精度反演，也可应用于全球极端天气的监测和预报，并可应用到大气科学和数值模式模拟研究中。
附图说明
图1是星载云雨测量雷达系统框图；
图2为抛物柱反射面/微带反射阵列天线示意图；
图3为双极化波束波导系统示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
请参阅图1所示，为星载云雨测量雷达的系统设计框图，星载云雨测量雷达系统主要由天线子系统、射频子系统、数字子系统、监控子系统和电源子系统组成。
天线子系统采用抛物柱反射面/微带反射阵列天馈体制，包括：抛物柱反射面/微带反射阵天线，ka频段有源相控阵馈源，w频段波束波导馈电系统。
参阅图2所示，其中，抛物柱反射面/微带反射阵列天线设置在卫星平台上，由偏置抛物柱主反射面10和印制在抛物柱主反射面10上的微带反射阵列天线20及对应的副反射面30(双曲)组成。ka频段有源相控阵馈源40以及w频段波束波导也设置在卫星平台上，抛物柱主反射面10的焦线与ka频段有源相控阵馈源40(线阵)重合，馈源实现±8.5°方位向扫描，对抛物柱主反射面10进行照射完成俯仰向聚焦，形成ka频段远场方向图；微带反射阵列天线20由印制在抛物柱主反射面10上的微带贴片单元构成，这些贴片单元对ka频段透明，对w频段则在抛物柱面的方位向提供聚焦能力，使之等效于偏置抛物面，通过馈电喇叭照射后形成w频段远场方向图。其中微带贴片在俯仰向引入微小的相位梯度，使w频段焦点下移，偏离ka频段焦线，避免线阵馈源和双曲反射面在空间布局上的冲突。通过以上结构，w频段微带反射阵印制在抛物柱反射面天线上，从而ka/w两个频段共用抛物柱主反射面10，实现ka/w双频段共用一个天线的设计要求。
为了实现ka频段电子扫描功能，本发明中ka频段有源相控阵馈源40采用双极化一维有源相控阵馈源，该馈源高度集成了ka频段天线阵面、校正耦合器、t/r组件、波束形成网络、矩阵开关、阵面波控及校正网络等单元，其中ka频段天线阵面连接校正耦合器，若干t/r组件的两端分别与校正耦合器和波束形成网络连接，波束形成网络通过矩阵开关连接射频子系统。校正网络连接校正耦合器。阵面波控通过控制每个t/r组件的移相器调节射频信号相位，实现ka频段波束空间合成和波束扫描。
为了实现w频段波束波导馈电系统的双极化和低损耗馈电，请参阅图3所示，w频段波束波导采用了双极化设计，双极化波束波导系统包括馈电喇叭、第一反射镜、第二反射镜、-45°极化栅、第一法拉第旋转器、90°极化栅、频率选择表面、第二法拉第旋转器、第三反射镜、第四反射镜。双极化波束波导系统实现波导(射频信号由喇叭至天线面的传输)、正交模耦合器(极化分离)、环行器(双工)以及波导开关(主备发射机切换)的功能。
本发明中双极化波束波导系统的工作流程为：
h极化通道的工作流程
(1)雷达处于发射状态时，h极化通道的发射机h的射频信号经速调管(eik)放大，通过喇叭辐射到空间形成波束，其初始极化方式为45°线极化(设水平向右为0°，顺时针为负，逆时针为正)。波束由第一反射镜改变方向透过-45°极化栅，接着通过第一法拉第旋转器，极化方向顺时针旋转45°成为h极化波，然后透过90°极化栅和频率选择表面，最终照射到天线反射面形成雷达波束辐射到空间。
(2)雷达处于接收状态时，回波经天线聚焦后，通过频率选择表面分离，在经过90°极化栅时，回波的h极化分量透过，而v极化分量被反射至v极化收发通道，实现极化分离。h极化分量通过第一法拉第旋转器后，极化方向再次顺时针旋转45°成为-45°线极化波，与发射波束极化方向正交，因此在经过-45°极化栅时不透过，而是被反射至第二反射镜，再经过第二反射镜反射至h极化接收机，从而实现双工(收发通道分离)。
v极化通道的工作流程
(3)雷达处于发射状态时，v极化通道的发射机v的射频信号经速调管(eik)放大，通过喇叭辐射到空间形成波束，其初始极化方式为45°线极化。波束由第三反射镜改变方向透过45°极化栅，接着通过第二法拉第旋转器，极化方向顺时针旋转45°成为v极化波，然后透过90°极化栅和频率选择表面，最终照射到天线反射面形成雷达波束辐射到空间。
(2)雷达处于接收状态时，回波经天线聚焦后，通过频率选择表面分离，在经过90°极化栅时，回波的h极化分量透过，而v极化分量被反射至v极化收发通道，v极化分量通过第二法拉第旋转器后，极化方向再次顺时针旋转45°成为-45°线极化波，与发射波束极化方向正交，因此在经过-45°极化栅时不透过，而是被反射至第四反射镜，再经过第四反射镜反射至h极化接收机，从而实现双工(收发通道分离)。
在确定天线体制之后，要根据天线系统指标要求，确定天线参数，并综合考虑表面公差损耗、结构设计等。
天线表面公差损耗由ruze公式计算得出的表面公差与增益损耗之间的关系，计算得知，当增益损失0.1db时，表面误差的均方根必须小于0.04mm。
另一方面，天线反射面必须满足极高的结构稳定性，以抑制天线变形造成表面误差。因此，天线要在满足表面加工精度的条件下，具有极高的刚度。通常使用天线背架保证结构刚度并控制变形。天线背架采用碳纤维夹层结构，并在背架内预埋及胶接各种安装件，以便安装连接相应的器件及组装，再进行整体加工以提高其基准面的安装定位精度。
当系统工作于发射状态时，ka频段的波形信号在经过波形产生和发射激励放大后，通过矩阵开关和波束形成网络分配给每个t/r组件，t/r组件放大后的信号连接到校正耦合器，通过ka频段天线阵面发射，经抛物柱反射面的反射，在空间形成发射波束；在接收状态下，ka频段回波信号经抛物柱反射面聚焦被馈源阵列的ka频段天线阵面接收，经校正耦合器、t/r组件放大和波束形成网络合成，形成双极化射频接收信号。而w频段雷达波形信号经过波形产生和发射激励放大后，经速调管(eik)放大，再通过w频段波束波导和w频段副反射面辐射到抛物柱反射面上，在空间形成发射波束；当系统工作于接收状态时，目标回波信号经天线抛物柱反射面、w频段副反射面和w频段波束波导接收，形成双频段、双极化射频接收信号。
射频子系统由频率源、波形产生、发射激励、速调管(eik)和接收通道(h、v)等组成。其中，频率源输出分别连接两路波形产生和发射激励，其中一路发射激励连接到ka频段有源相控阵馈源，具体的连接到ka频段有源相控阵馈源的矩阵开关，ka频段有源相控阵馈源连接到ka频段中频接收机，每个中频接收机均包括接收通道h和接收通道v，另一路发射激励同时连接到一路主w频段高功率速调管以及一路备用w频段高功率速调管，主w频段高功率速调管以及备用w频段高功率速调管均连接到双极化波束波导系统，双极化波束波导系统同时连接到w频段中频接收机，ka频段中频接收机以及w频段中频接收机均连接到数字子系统。该射频子系统产生激励信号和时钟信号，并完成对双频段、双极化回波信号的接收、混频和中频放大处理。为了提高系统的任务可靠性，接收分系统需设置冗余通道。为了减少设备量，接收机设计通用模块，使冗余通道成为公用通道。
数字子系统包括数据采集和信号处理，利用数据采集和信号处理完成对回波信号数据的采集和处理，得到回波信号的强度和速度数据，再由回波数据提取设备提取和压缩成适合通讯传输的气象点迹数据。为了提高系统的任务可靠性，信号处理系统需设置公用冗余通道。
监控子系统负责全机工作状态的监视和控制，系统状态信息的采集、处理、雷达回波基本数据i/q录取和存储等功能。监控子系统在硬件结构上为位于中央电子设备舱中的监控分机，通过监控链路与各分系统连接。其核心是一块采用高性能fpga芯片为核心的监控处理板。此外，作为监控子系统辅助设备的i/q记录仪，实现了对雷达输出原始i/q数据的存储。
电源子系统完成对雷达系统各个分机的供电，包括配电器、二次电源、w频段高压电源等。该雷达系统利用配电器将卫星母线提供的28v电源合理分配给各分机，并可通过电源控制模块监测各个分机供电状态。
作为一个具体的案例，本发明的主要系统技术参数如下：
中心频率：35.5ghz，94.05ghz
极化方式：双极化(hh，vv)
天线形式：抛物柱反射面/反射阵列天线
天线尺寸：2400mm×2400mm
信号带宽：10mhz
脉冲宽度：1.67微秒(ka、w)
工作模式：双频段模式、双极化模式、综合探测模式
水平分辨率：1.5km×1.5km(ka，方位×距离)，0.75km×0.75km(w，方位×距离)
垂直分辨率：250m(ka、w)
峰值功率：1000w(ka)，1800w(w)
本发明采用双频段双极化分时发射，分时接收，从而获得气象目标更多维度信息，提高气象反演精度。使用时，通过将微带反射面天线侧立安装在卫星平台上，通过桁架结构提供必要支撑，ka频段有源相控阵馈源置于星体外；w频段发射机、高压电源、w频段波束波导馈电系统以及中央电子设备等则集成在星体上端面。在发射过程中，天线通过结构力学设计来适应卫星发射中产生的冲击力，同时使星体体积包络最小，使星体的体积包络满足卫星总体发射状态时运载火箭整流罩包络要求。
本发明通过设置工作时序，可以实现三种工作模式，具体如下：
(1)双频段模式
此时ka/w频段雷达均以hh极化方式工作，利用双频段反演算法提高气象参数反演精度。ka与w频段的可探测最小雷达反射率因子分别为-12dbz和-35dbz，水平分辨率分别为1.8km×1km和0.7km×1km，垂直分辨率都为250m，观测带宽度分别为120km和1km。
(2)双极化模式
此时ka/w频段雷达工作于hh、hv双极化方式，利用极化信息对不同气象目标进行辨识。可探测最小雷达反射率因子、水平、垂直分辨率、观测带宽度与双频段模式一致。
(3)综合探测模式
将双频段模式与双极化模式进行组合，可以实现对气象目标的综合探测。可探测最小雷达反射率因子、水平、垂直分辨率、观测带宽度与双频段、双极化模式一致。
综合所述，本发明采用脉间交替发射h、v极化信号的工作方式实现双极化，工作模式设计有双频段模式、双极化模式、综合探测模式三种模式，通过交替发射，四通道接收实现极化信息获取。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。