一种沿自然地形布局的共形相控阵MST雷达的制作方法

本发明属于雷达阵面布局技术领域，具体涉及一种天线子阵构造技术。

背景技术：

mst雷达是一种工作在vhf频段的大气层观测专用无线电探测雷达，主要用于中间层、平流层、对流层中性大气风场和气体分子分布的观测，字母m、s、t分别表示中间层、平流层、对流层。

根据大气折射指数不规则体对雷达发射电磁波的散射实现探测，可得到对流层、平流层、中间层大气(从地面到100km高度)的动力学特征，包括风场、波动、湍流、大气稳定性，以及与大气折射指数相关的湿度、温度、梯度等大气要素信息。

mst雷达能够在所有天气条件下工作，几乎能在站址的正上方做连续测量，时空分辨率高，连续性和实时性好，可获取全大气状态参数，包括温度、密度、风场、大气成分等的垂直分布信息，改进对宏观动力学过程与微物理过程相互联系的认识，特别是在揭示那些源于低层(对流层大气至地面)的重大天气气候过程与中高层大气(电离层)之间关系方面有重要作用，是空间天气探测的主要设备。

mst雷达采用相控阵技术，工作在vhf频段，波长一般在6米以上，其天线阵面积较大，一般接近或超过10000m²，其发射功率也较大，都在几百千瓦到兆瓦的量级，随着经济的迅速发展，现在已经难以寻找到合适的大而平整的地面布设雷达天线阵，而在较偏僻的地方利用不平整地面进行建设，平整地面的费用也较高，克服mst雷达选址场地的困难，降低雷达建设成本，是mst雷达建设过程中需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术存在的问题，提出了一种沿自然地形布局的共形相控阵mst雷达，为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。

采用数个天线阵子组成一个子阵，采用数个子阵组成天线阵，每个天线阵子连接一个tr组件，tr组件控制天线阵子辐射的幅度、相位、极化和收发时间；每个阵子接收频率源的激励信号，经tr组件将指定频率的发射信号辐射到空间；tr组件控制天线阵子接收回波，经子阵传输到dbf模块，形成指定方向的波束信号，发送到信号数据处理模块分析，得到目标的强度、速度、谱宽信息。

天线阵子采用偶极子天线或八木天线45°/135°极化方式排列，阵子之间呈三角型排列，水平投影和4.5米间隔的等边三角形网格对齐，对应于0.7波长。

采用19对天线阵子和tr组件、一个1:19功分器组成一个天线子阵，子阵的布局为六边形，采用931个天线阵子组成49个天线子阵，天线阵近似圆形，直径160米，波束的法线方向正对天顶。

每个tr组件的输出功率可控，分为2kw、1kw、500w三档，最大占空比为5％，所有tr组件的最大总峰值输出功率超过1.8mw。

沿自然地形布置天线阵，各子阵布置在不同高度，各子阵的天线阵子布置在相同高度，采用dbf模块调节辐射信号的相位和幅度，补偿各子阵在波束方向的路径差。

在机房通过软件控制雷达，发送指令和定时，由频率综合器产生激励信号，通过发射前级发送至天线阵面的发射馈电网络，经子阵放大，分配至每个t/r组件，由波控主机预置t/r组件的相位和幅度的代码，实现对天线阵面的子阵波控，t/r组件控制天线阵子，在空间形成发射波束，覆盖探测空域。

天线阵面探测到气象目标，形成回波信号，由子阵合成网络发送至数字接收机，经滤波、放大、a/d变换，发送至机房的dbf模块形成波束，经信号处理，计算各高度层的水平风速、水平风向、垂直气流信噪比、垂直气流廓线图、垂直气流廓线时变图，经数据处理，实现状态显控和数据采集

采用多普勒波束摆动扫描(mst模式)方法、间隔天线(sa模式)方法、干涉测量(interferometry模式)方法、非相干散射探测(is模式)方法，抽取离散复信号，使输出结果的时间间隔为自相关函数的时延间隔；计算滤波结果的时延积，生成时延剖面矩阵，对不同脉冲的自相关函数进行积累；根据编码方式，通过时延剖面矩阵和模糊函数，计算散射信号不同高度范围内的自相关函数，对不同周期内的自相关函数进行非相干积累；对最终积累后的自相关函数结果进行离散傅里叶变换，得到散射信号的功率谱。

采用多普勒波束摆动扫描(mst模式)方法探测雷达上空的三维风场，通过相位控制，实现由天顶倾斜45°内任意角度时在不同高度散射信号，得到不同时刻不同高度层的风场数据，或者由天顶、偏东15°、偏西15°、偏南15°、偏北15°在不同高度散射信号，得到不同时刻不同高度层的风廓线数据，通过瞬时多波束探测，得到小尺度涡流结构。

采用间隔天线(sa模式)方法垂直向雷达上空发射宽波束电波，采用数个天线子阵分别接收回波信号，通过全相关分析，计算大气目标的水平运动速度。

采用干涉测量(interferometry模式)方法发射垂直波束，包括两个分离且接近的工作频率信号，采用数个天线子阵组合成三个间隔天线阵，接收大气的后向散射信号，计算自相关频谱和互相关频谱，反演风速和风向。

采用非相干散射探测(is模式)方法以最大峰值功率发射信号，选择单载频长脉冲、多脉冲或巴克码，接收信号，通过自相关分析，得到大气目标的非相干散射信号。

本发明将雷达的天线阵划分成多个子阵，子阵依据地形高度布置在不同高差的地面或者建筑上，子阵内的天线安装处于同一高差面上，各个子阵安装基准根据所处的实际地理位置决定，将雷达的建设成本降低到最低；采用多普勒波束扫描(mst模式)方法、间隔天线(sa模式)方法、干涉测量(interferometry模式)方法及非相干散射探测(is模式)方法，在传统mst雷达上增加了多种探测模式，满足对从地面到数百公里高度的大气层多种大气环境参量的探测需求。

附图说明

图1是雷达系统结构图，图2是天线阵子布局图，图3是天线子阵布局图，图4是回波信号处理流程图，图5是法向波瓣图，图6是法向二维波瓣图，图7是扫描25°波瓣图，图8是扫描25°二维波瓣图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做具体的说明。

采用数个天线阵子组成一个子阵，采用数个子阵组成天线阵，每个天线阵子连接一个tr组件，tr组件控制天线阵子辐射的幅度、相位、极化和收发时间。

天线阵子采用偶极子天线或八木天线45°/135°极化方式排列，如图1所示，阵子之间呈三角型排列，水平投影和4.5米间隔的等边三角形网格对齐，对应于0.7波长，采用19对天线阵子和tr组件、一个1:19功分器组成一个天线子阵。

子阵的布局为六边形，采用931个天线阵子组成49个天线子阵，天线阵近似圆形，直径160米，波束的法线方向正对天顶。

每个tr组件的输出功率可控，分为2kw、1kw、500w三档，最大占空比为5％，所有tr组件的最大总峰值输出功率超过1.8mw。

沿自然地形布置天线阵，各子阵布置在不同高度，如图2所示，各子阵的天线阵子布置在相同高度，采用dbf模块调节辐射信号的相位和幅度，补偿各子阵在波束方向的路径差。

每个阵子接收频率源的激励信号，经tr组件将指定频率的发射信号辐射到空间；tr组件控制天线阵子接收回波，经子阵传输到dbf模块，形成指定方向的波束信号，发送到信号数据处理模块分析，得到目标的强度、速度、谱宽信息，如图3所示，在机房通过软件控制雷达，发送指令和定时，由频率综合器产生激励信号，通过发射前级发送至天线阵面的发射馈电网络，经子阵放大，分配至每个t/r组件，由波控主机预置t/r组件的相位和幅度的代码，实现对天线阵面的子阵波控，t/r组件控制天线阵子，在空间形成发射波束，覆盖探测空域，天线阵面探测到气象目标，形成回波信号，由子阵合成网络发送至数字接收机，经滤波、放大、a/d变换，发送至机房的dbf模块形成波束，经信号处理，计算各高度层的水平风速、水平风向、垂直气流信噪比、垂直气流廓线图、垂直气流廓线时变图，经数据处理，实现状态显控和数据采集

采用多普勒波束摆动扫描(mst模式)方法、间隔天线(sa模式)方法、干涉测量(interferometry模式)方法、非相干散射探测(is模式)方法，抽取离散复信号，如图4所示，使输出结果的时间间隔为自相关函数的时延间隔；计算滤波结果的时延积，生成时延剖面矩阵，对不同脉冲的自相关函数进行积累；根据编码方式，通过时延剖面矩阵和模糊函数，计算散射信号不同高度范围内的自相关函数，对不同周期内的自相关函数进行非相干积累；对最终积累后的自相关函数结果进行离散傅里叶变换，得到散射信号的功率谱。

相干信号针对同一个距离门，在多个脉冲周期内执行相干积累，然后计算自相关函数，这是一种“脉冲－脉冲”技术。对于电离层的非相干回波信号，其相干时间较短(小于脉冲重复周期)，所有采样样本的自相关函数和谱分析都必须在脉冲周期内完成。每个脉冲周期内都分别计算子相关函数，再对自相关函数进行积累。

采用多普勒波束摆动扫描(mst模式)方法探测雷达上空的三维风场，通过相位控制，实现从天顶偏离45°内任意角度时在不同高度散射信号，得到不同时刻不同高度层的风场数据，通过瞬时多波束探测，得到小尺度涡流结构。

采用多普勒波束摆动扫描(风廓线模式)方法探测雷达上空的三维风场，通过相位控制，实现天顶、偏东15°、偏西15°、偏南15°、偏北15°在不同高度散射信号，得到不同时刻不同高度层的风廓线数据，通过瞬时多波束探测，得到小尺度涡流结构。

采用间隔天线(sa模式)方法垂直向雷达上空发射宽波束电波，采用数个天线子阵分别接收回波信号，通过全相关分析，计算大气目标的水平运动速度。

采用干涉测量(interferometry模式)方法发射垂直波束，包括两个分离且接近的工作频率信号，采用数个天线子阵组合成三个间隔天线阵，接收大气的后向散射信号，计算自相关频谱和互相关频谱，反演风速和风向。

法向波瓣图如图5所示，法向二维波瓣图如图6所示，扫描25°波瓣图如图7所示，扫描25°二维波瓣图如图8所示。

上述作为本发明的实施例，并不限制本发明，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，均包含在本发明的保护范围之内。