一种俯仰多波束天气雷达及其探测方法与流程

本发明涉及脉冲多普勒雷达测量技术领域，具体而言涉及一种俯仰多波束天气雷达及其探测方法。

背景技术：

自雷达诞生之日起，人们就开始利用它来进行降水探测和测量的研究。气象水文学家对降雨量的准确预报有强烈需求，正确的预报为防灾减灾赢得准备时间。利用雷达进行降水估计的主要优点在于，它可以以相当高的时空分辨率，获取大面积的测量数据。传统的天气雷达采用体积扫描的方式进行观测，完成一个扫描周期需要6分钟以上，难以快速获取探测范围内变化快、强度大的中小尺度系统灾害天气的强度和速度等信息，另外由于方位和俯仰角度均需要旋转扫描，两套旋转驱动系统也极大地降低了雷达的可靠性，增加了雷达耗电量。

相控阵天气雷达具有快速扫描能力，能够在一分钟内完成作用范围的三维立体探测，获取探测范围中小尺度天气强灾害天气的强度、速度等信息，实现对该类目标的结构和演变的精细化探测。现有的相控阵天气雷达采用方位旋转、俯仰相控多波束的方式工作，存在系统复杂、价格昂贵的不足，对架设安装的要求较高，难以满足大量部署的要求。

如专利号为cn201710858947.x的发明“移动观测相控阵天气雷达”，提出了一种移动观测相控阵天气雷达，包括固定平台、旋转平台、相控阵雷达及发电机；旋转平台设置在固定平台的顶部，相控阵雷达通过电动支撑杆与旋转平台固定连接；移动观测相控阵天气雷达还包括姿态传感器，方位传感器及gps模块；所述姿态传感器设置在旋转平台上，检测旋转平台的俯仰角及横滚角的数值；所述方位传感器设置在固定平台上，检测固定平台的方向。其使用为：s1，启动发电机；s2，电动支撑杆将相控阵雷达支撑起来，其与旋转平台平面形成45°仰角；s3，相控阵雷达开始探测，雷达天线旋转，完成360°方位扫描，0-90度仰角通过电扫完成；s4，通过无线网络将雷达探测资料和状态发送出并同时存储。该发明专利中俯仰采用电扫，系统复杂，价格昂贵；另外，虽然将结构复杂的设备安装在移动的车辆上，但仍存在便携性差、使用过程复杂的问题。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种俯仰多波束天气雷达及其探测方法，采用俯仰多波束、方位机械旋转扫描的新型设计，借助脉冲多普勒技术，成功解决了现有相控阵天气雷达成本高的不足，同时解决了传统天气雷达观测时间长、结构复杂、可靠性低等问题。本发明专利采用偏馈天线反射面，多个馈源排列形成俯仰多波束，俯仰角度可调，可实现不同俯仰角度的观测。雷达结构简单轻便，便携性强，完成全空域扫描时间短，可靠性高，成本低，安装使用方便。

为达成上述目的，结合图1，本发明提出一种俯仰多波束天气雷达，所述俯仰多波束天气雷达包括基座、偏馈天线反射面、多个馈源喇叭、旋转底座、旋转机构、第一伺服驱动器、发射接收模块、数据处理器、通讯模块、电源模块、供电电源；

所述供电电源通过电源模块分别与多个馈源喇叭、旋转底座、第一伺服驱动器、发射接收模块、数据处理器、通讯模块连接，提供其工作所需电能；

所述偏馈天线反射面、多个馈源喇叭、第一伺服驱动器、发射接收模块、数据处理器、通讯模块、电源模块安装在基座上方，所述供电电源安装在基座内；

所述旋转底座固定在基座下方，依次通过旋转机构、第一伺服驱动器与数据处理器连接，所述第一伺服驱动器根据数据处理器发送的控制指令驱动旋转机构转动以调整旋转底座的旋转角度，实现雷达实时方位旋转扫描；

所述多个馈源喇叭通过多套平行的馈线系统与发射接收模块分别连接，在同一扫描时刻生成具有互不重叠的俯仰角覆盖范围的多个波束；

所述数据处理器通过通讯模块与上位机连接，根据上位机的控制指令或按照内置参数设置工作参数，生成全机工作所需定时信号和探测目标所需的调频信号或相位编码信号，对调频信号或相位编码信号变频放大处理后分发至多个馈源喇叭，再经偏馈天线反射面辐射至探测目标表面，以及接收多个馈源喇叭反馈的回波信号，结合接收到的多个回波信号计算得到探测目标回波信息，将探测目标回波信息经通讯模块反馈至上位机。

基于前述俯仰多波束天气雷达，本发明还提及一种俯仰多波束天气雷达的探测方法，所述探测方法包括以下步骤：

s1，采用人机交互输入控制参数或者调取预置的控制参数，将控制参数发送至数据处理模块；

s2，将控制参数发送至信号处理模块，控制信号处理模块定时产生调制序列信号，产生雷达工作所需控制指令；

s3，驱使频率源和信号发生器产生激励信号，将激励信号发送至发射机模块，同时将控制命令发送至第一伺服控制器，控制雷达方位旋转，确定当前工作状态；

s4，采用发射机模块将激励信号放大后发送至多路馈源喇叭，将电磁波通过偏馈天线反射面发送至云雨目标表面；

s5，接收云雨目标反射至偏馈天线反射面的回波信号，将回波信号通过多路馈源分别发送至对应的多个接收通道，在接收通道中经过放大、滤波、下变频处理后生成中频信号，发送至模数变换单元以采样成数字信号；

s6，对多路数字中频信号进行脉冲压缩、滤波、fft计算，得到多路回波信号的谱分布；

s7，对多路谱分布数据分别进行谱矩分析和滑窗滤波，得到回波信号的零阶矩、一阶矩和二阶矩；

s8，由多路信号的零阶矩、一阶矩和二阶矩分别计算出回波强度、速度及谱宽，完成气象基数据计算；

s9，通过通讯模块将气象基数据传输至上位机。

以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：

(1)采用俯仰多波束、方位机械旋转扫描的新型设计，借助脉冲多普勒技术，成功解决了现有相控阵天气雷达成本高的不足，同时解决了传统天气雷达观测时间长、结构复杂、可靠性低等问题。

(2)采用偏馈天线反射面，多个馈源排列形成俯仰多波束，俯仰角度可调，可快速实现不同俯仰角度的观测。

(3)雷达整体结构简单轻便，便携性强，借助俯仰调节装置，除了能够提供偏馈天线反射面的俯仰角调整外，还可以实现雷达的快速收纳和应用，减少占用空间，便于移动运输和保护馈源、雷达反射面安全。

(4)雷达完成全空域扫描时间短，可靠性高，成本低，安装使用方便，尤其适用于特殊场景的快速参数调整。

(5)借助配重块、供电电源等配重装置，以及合理的结构设计，即使在户外恶劣条件下也可以确保雷达无晃动，实现高可靠性的探测结果。

(6)拆装方便，易于维护；设置有天线罩，有效保护雷达安全。

(7)能够快速调整馈源数量、位置等馈源参数，利于维护馈源喇叭的同时，适用于特殊场景下的探测需求。

(8)连接线路可收纳在俯仰调节装置、支撑臂、基座等结构件内，外部无线路暴露，便于日常器件维护，有效确保线路安全。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的俯仰多波束天气雷达的模块结构示意图。

图2是本发明的整体结构示意图。

图3是本发明的细部结构示意图。

图4是本发明的雷达波束示意图。

图5是本发明的俯仰多波束天气雷达的探测方法的流程图。

图中，1-偏馈天线反射面，2-电源模块，3-发射接收模块，4-数据处理器，5-第一伺服驱动器，6-旋转底座，7-配重块，8-第一馈源，9-第二馈源，10-俯仰调节装置。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

结合图1-图4，本发明提出一种俯仰多波束天气雷达，所述俯仰多波束天气雷达包括基座、偏馈天线反射面1、多个馈源喇叭(第一馈源8和第二馈源9)、旋转底座6、旋转机构、第一伺服驱动器5、发射接收模块3、数据处理器4、通讯模块、电源模块2、供电电源。

所述供电电源通过电源模块2分别与多个馈源喇叭、旋转底座6、第一伺服驱动器5、发射接收模块3、数据处理器4、通讯模块连接，提供其工作所需电能。其中，电源提供各模块所需的各品种电源，内含上电控制板，根据任务计算机指令，对雷达进行上电控制。

所述偏馈天线反射面1、多个馈源喇叭、第一伺服驱动器5、发射接收模块3、数据处理器4、通讯模块、电源模块2安装在基座上方，所述供电电源安装在基座内，一方面可以避免供电电源因风雨导致损坏或工作异常，另一方面，较重的供电电源可以作为配重装置以稳定整个雷达，在此前提下，优选的，供电电源可以安装在整个俯仰多波束天气雷达的质心垂直线上，以尽可能提高配重效果。

所述旋转底座6固定在基座下方，依次通过旋转机构、第一伺服驱动器5与数据处理器4连接，所述第一伺服驱动器5根据数据处理器4发送的控制指令驱动旋转机构转动以调整旋转底座6的旋转角度，实现雷达实时方位旋转扫描。图3是其中一种旋转底座6和旋转机构的结构方式，旋转机构包括电机、驱动轮、传送带，以及层叠在旋转底座6上方与基座固定在一起的从动轮，电机根据第一伺服驱动器5的指令调整转速，驱使驱动轮转动，继而通过传送带带动从动轮和基座转动，实现雷达波束的方位机械扫描。优选的，雷达采用全固态全相参脉冲多普勒体制，方位可360°机械扫描，最高12转/分的速度连续扫描，方位角分辨力是1°，每圈提供360组径向数据。更加优选的，天线方位转速可调，例如将转速设置成0°/s～72°/s(0转/分～12转/分)，连续360°旋转扫描。第一伺服驱动器5包含伺服控制驱动、方位电机、角度编码器等，根据指令控制偏馈天线反射角的方位机械转动速度和位置。

所述多个馈源喇叭通过多套平行的馈线系统与发射接收模块3分别连接，在同一扫描时刻生成具有互不重叠的俯仰角覆盖范围的多个波束。

所述数据处理器4通过通讯模块与上位机连接，根据上位机的控制指令或按照内置参数设置工作参数，生成全机工作所需定时信号和探测目标所需的调频信号或相位编码信号，对调频信号或相位编码信号变频放大处理后分发至多个馈源喇叭，再经偏馈天线反射面1辐射至探测目标表面，以及接收多个馈源喇叭反馈的回波信号，结合接收到的多个回波信号计算得到探测目标回波信息，将探测目标回波信息经通讯模块反馈至上位机。

作为其中的一种优选例，所述发射接收模块3包括采用一体化设计生成的发射机模块和接收机模块。

所述发射机模块包括固态发射机，所述接收机模块包括依次连接的信号发生器、频率源、接收前端。例如，发射机模块采用全固态发射机，输出功率经功分器分送至多个馈源喇叭，接收机模块为多路接收机，负责产生雷达的全机定时、送至发射模块的激励信号、接收到的回波信号下变频至基带。

所述固态发射机的输入端与信号发生器的其中一个输出端连接，输出端通过多个环流器一一对应地连接至多个馈源喇叭，构成雷达信号发送通道，所述多个馈源通过多个环流器连接至接收前端，构成雷达信号接收通道。

在另一些例子中，所述数据处理器4包括依次连接的数据处理模块和信号处理模块。所述信号处理模块包括依次连接的信号处理单元、数字中频单元、模数变换单元，所述信号处理单元与数据处理模块连接，用于根据数据处理模块发送的控制指令驱动雷达工作，和接收发射接收模块3反馈的多个回波信号，对接收机送来的回波信号进行采样，下变频到中频信号，对中频信号进行算法处理，输出气象产品数据。

所述数据处理模块还与第一伺服驱动器5连接，用于控制第一伺服驱动器5的工作参数。

通讯模块完成雷达探测数据与中心站的数据传输。

本发明所提出的雷达的其中一种工作流程为：首先接收上位机指令或者按照内置参数设置工作参数，信号处理器产生全机工作所需的定时信号，雷达进入工作模式。在调制脉冲的作用下，信号产生形成雷达探测目标所需的调频信号或相位编码信号，经接收机上行变频至雷达工作波段后，送激励信号至功率放大组件放大，分到多个馈源喇叭照射反射面辐射出去。电磁波遇到目标后产生后向散射返回，雷达天线接收到回波信号通过馈线网络，进入接收机低噪声放大，再经过滤波器，输入到数字中频接收机。由数字中频接收机进行滤波、放大、采样、数据抽取等处理，最后由信号处理机得到目标回波信息。回波信息由通讯模块传输到中心站。

例如，雷达采用全固态全相参脉冲多普勒体制，方位可360°机械扫描，最高12转/分的速度连续扫描，方位角分辨力是1°，每圈提供360组径向数据。俯仰为多波束，覆盖需要监视的区域，俯仰角度可调。采用脉冲压缩体制兼顾距离分辨率和和作用距离，信号波形为线性调频脉冲、非线性调频脉冲及相位编码脉冲方式，带宽为5mhz，距离分辨率达到30m。脉冲宽度为1μs、20μs、100μs三种。脉冲压缩后，在信号处理中通过进行频域加权处理来减小距离副瓣。

本发明所提及的雷达采用脉冲压缩多普勒体制，俯仰多波束方位机械扫描的工作方式，采用多馈源喇叭照射偏馈天线反射面1的结构方式，并采用全固态发射技术、数字中频接收技术、多通道信号处理技术、无线通讯等，实现在方位旋转扫描时不同俯仰角度的探测，缩短完成体积扫描的时间，提高雷达可靠性。天线采用偏馈抛物面天线，俯仰由多个馈源实现多波束同时工作，俯仰波束之间不重叠。俯仰设计有角度调节结构，可以改变俯仰波束指向。既能实现相控阵天气雷达的俯仰多波束工作的能力，又避免了相控阵天气雷达复杂昂贵的波束移相控制系统和数量众多的tr组件。与传统的二维机械扫描天气雷达相比，俯仰不需要机械扫描，完成全空域体积扫描的时间大大缩短，由传统机械扫描雷达完成一个体扫的6分钟减少到1分钟以内，提高雷达可靠性。

一、雷达结构

结合图2-图4，所述偏馈天线反射面1安装在基座一端，所述多个馈源喇叭安装在基座另一端，所述多个馈源喇叭所在的基座一端安装有用以平衡基座两端差重的配重块7，配重块7呈t型，配重块7的底端面与基座下表面平齐。t型结构的配重块7有利于雷达取放，另外，与底部断面垂直的边还可以有效减少基座甚至雷达遭受外部磕碰。

所述偏馈天线反射面1远离馈源喇叭的一侧设置有散热板，所述伺服驱动器、发射接收模块3、数据处理器4、通讯模块、电源模块2分布设置在散热板上，减少电路部分热量，使电路主板能够安全工作。优选的，各模块为封装结构，减少外界环境造成的各类损伤。

作为其中的一种优选例，所述多个馈源喇叭通过支撑臂安装在基座上。

所述支撑臂由相互连接的直线臂部和弧形臂部构成，直线臂部平行贴附在基座上表面，弧形臂部与基座上表面呈夹角状设置，多个馈源喇叭分布设置在弧形臂部远离直线臂部的一端。优选的，馈源喇叭为可拆卸式安装，使整个雷达能够根据外界实际需求增减馈源数量或调整馈源位置；甚至可以在弧形臂部朝向反射面的一侧设置导轨，馈源喇叭可移动地安装在导轨上，以便于快速调整馈源位置。

采用支撑臂结构的目的有二：第一，便于馈源喇叭和偏馈天线反射面1的安装，使其尽可能成为一个较为独立的整体结构，便于控制两者之间的相对位置。第二，部分连接线路可收纳在支撑臂内，减少外部线路暴露，便于日常器件维护，并且能够有效确保线路安全。

作为其中的另一种优选例，所述偏馈天线反射面1通过俯仰调节装置10安装在直线臂部远离弧形臂部的一端。

所述俯仰调节装置10通过第二伺服驱动器与数据处理器4连接，第二伺服驱动器根据数据处理器4的控制指令调整俯仰调节装置10的参数以调整偏馈天线反射面1的俯仰角。

例如，所述俯仰调节装置10包括支撑机构、两个调节杆、锁紧机构。

所述支撑机构呈l型，支撑机构的两端分别连接在偏馈天线反射面1的支撑点和直线臂部端部上。

所述调节杆呈直线状，由相互套接的多个直杆组成，两个调节杆对称设置在支撑臂两侧，每个所述调节杆的两端均通过两个支撑底座分别连接在偏馈天线反射面1和直线臂部之间，并且被设置成能够分别以对应的支撑底座为轴心旋转。

所述锁紧机构设置在偏馈天线反射面1和直线臂部之间，用于维持或解除偏馈天线反射面1和直线臂部之间的夹角。

同前述支撑臂结构，俯仰调节装置10内也可以设置有连接线路的收纳腔，减少外部线路暴露，事实上，通过合理运用俯仰调节装置10、支撑臂、基座，可以做到外部无连接线路，有效确保线路安全，简化整体雷达结构。同时，通过调整俯仰调节装置10，能够快速收纳整个雷达装置，减少占用空间，提高雷达的便携性，便于移动运输。例如，将俯仰调节范围设置为0～60°。天线在工作时展开并可锁紧，运输时可折叠并锁紧等。

作为其中的另一种优选例，所述俯仰多波束天气雷达还包括天线罩，所述基座、偏馈天线反射面1、多个馈源喇叭、旋转底座6、第一伺服驱动器5、发射接收模块3、数据处理器4、通讯模块、电源模块2均安装在天线罩内，减少雷达受到的外界环境干扰。

二、探测方法

结合图5，基于前述俯仰多波束天气雷达，本发明还提及一种俯仰多波束天气雷达的探测方法，所述探测方法包括以下步骤：

s1，采用人机交互输入控制参数或者调取预置的控制参数，将控制参数发送至数据处理模块。

s2，将控制参数发送至信号处理模块，控制信号处理模块定时产生调制序列信号，产生雷达工作所需控制指令。

s3，驱使频率源和信号发生器产生激励信号，将激励信号发送至发射机模块，同时将控制命令发送至第一伺服控制器，控制雷达方位旋转，确定当前工作状态。

s4，采用发射机模块将激励信号放大后发送至多路馈源喇叭，将电磁波通过偏馈天线反射面1发送至云雨目标表面。

s5，接收云雨目标反射至偏馈天线反射面1的回波信号，将回波信号通过多路馈源分别发送至对应的多个接收通道，在接收通道中经过放大、滤波、下变频处理后生成中频信号，发送至模数变换单元以采样成数字信号。

s6，对多路数字中频信号进行脉冲压缩、滤波、fft计算，得到多路回波信号的谱分布。

s7，对多路谱分布数据分别进行谱矩分析和滑窗滤波，得到回波信号的零阶矩、一阶矩和二阶矩。

s8，由多路信号的零阶矩、一阶矩和二阶矩分别计算出回波强度、速度及谱宽，完成气象基数据计算。

s9，通过通讯模块将气象基数据传输至上位机。

本发明专利中的俯仰多波束天气雷达装置支持双偏振模式工作。例如，所述俯仰多波束天气雷达采用单发双收或者双发双收的双偏振模式以对气象目标双偏振参数进行探测。

三、具体实例

假设雷达工作频率为x波段，以上述方式设计一台x波段双波束天气雷达。

如图1所示。在一个优选实施例中，雷达主要由天线罩、天线反射面、双馈源(第一馈源8和第二馈源9)、俯仰调节装置、发射机、接收机、信号处理器、第一伺服驱动器、数据处理器、通讯模块、电源模块、汇流环、基座、散热板等组成。实施例中，雷达工作频率为x波段，9375±150mhz；天线口径：600mm；波束形状：笔形波束；方位机械扫描范围：0～360°；俯仰波束数：2；天线增益：≥31db(净增益、中心频点)；收发副瓣：≤-18db(中心频点)；极化方式：水平。俯仰调节范围：0～60°。天线在工作时展开并可锁紧，运输时可折叠并锁紧。

雷达探测距离设计为30km(30dbz@30km)，距离分辨力为30m，输出产品为每个距离库上的速度、谱宽、强度。通讯模块支持4g网络传输及wifi传输。

天线方位转速可调，转速设置0°/s～72°/s(0转/分～12转/分)，连续360°旋转扫描。在方位以72°/s旋转扫描时，脉冲重复频率设计为4096hz，最大探测距离为30km，最大测速范围达到30m/s。脉冲宽度设计为1μs、20μs、100μs，可以分别扫描一圈，3圈完成整个空域扫描。

雷达设计两个馈源喇叭(第一馈源8和第二馈源9)，因此有两套并行的馈线系统，连接发射机与两个馈源喇叭。

发射机将来自频率源10mw的小功率射频激励信号放大，输出200w的高功率脉冲射频信号，再通过功分器分为两路，经馈线送往两个馈源，作为雷达辐射的高功率源。发射机由一个固态发射组件、控制保护电路组成。固态放大链采用gaas功率管，主要由功放模块、分配器、合成器、隔离器、耦合器等组成；控制保护电路主要给功率放大器件提供漏极调制电源、栅极负压保护、过脉宽过工作比及过热保护等功能。发射机峰值功率设计为200w，最大占空比可以达到50％。

接收机主要完成回波信号的放大、下变频以及产生发射激励信号。接收到的两路回波信号经低噪声放大器、滤波、一次下变频到中频后送到ad中进行带通采样，再进行数字下变频，正交时分复用输出数字i、q信号，预处理后送给信号处理器。

如图2所示。在一个优选实施例中，天线与其他设备均安装在天线罩内。

如图3所示。在一个优选实施例中，发射机、接收机、信号处理器、伺服驱动、数据处理器、电源均安装在散热板上。发射机接收机在结构上一体化设计，通讯模块集成在数据处理器中。

在一个优选实施例中，雷达的俯仰是双波束，两个波束覆盖0-8°的俯仰角，可通过俯仰调节装置10改变波束中心指向，方位上采用机械旋转扫描方式。伺服分系统提供雷达天线方位机械扫描。主要包括含伺服控制、伺服驱动、步进电机、编码器、汇流环、转台等。

如图4所示。在一个优选实施例中，俯仰有2个波束，波束1的中心指向是2°，3db波束宽度是3.9°；俯仰波束2的中心指向是6°，3db波束宽度是4.1°。考虑到雷达可能安装在不同地方，在天线反射面后面安装有俯仰调节机构，可以实现波束1的最低探测角度为-2°，最高探测角度为60°。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。