一种基于一维有源相控阵多普勒体制的机载天气雷达系统的制作方法

1.本发明涉及机载天气雷达技术领域，具体是一种基于一维有源相控阵多普勒体制的机载天气雷达系统。


背景技术：

2.对快速变化易引起灾害性天气的中小尺度天气过程如冰雹云、台风、暴雨等过程，用现有地基探测技术难以形成高时空分辨率的探测能力，无法满足探测天气过程三维精细结构和发展演变的业务需求。对于云的观测也缺乏先进探测手段,难以得到云结构、云状态的准确信息。
3.目前探测的手段从地基-空基-天基手段上看，各自有其特点。地面雷达探测系统，布网密度大，可以对局地降水进行监测，但是不够机动灵活；天基系统观测范围大，可对大范围的天气现象进行监测，但是出于距离地球很远，得到的观测数据距离分辨率低；空基观测的平台可以分为静止和机动性的，对于机动平台而言，可以发挥快速到达指定空域进行机动观测的目的，弥补地基和天基观测的不足。基于以上不足，本发明提出一种基于一维有源相控阵多普勒体制的机载天气雷达系统。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于一维有源相控阵多普勒体制的机载天气雷达系统。
5.为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种基于一维有源相控阵多普勒体制的机载天气雷达系统，包括终端分系统、信号处理模块、数字中频模块、片式有源模块、一体化裂缝波导天线以及校正模块；
6.所述终端分系统与用于波束控制、监控及回波数据处理的信号处理模块相连接，用于向信号处理模块发送探测需求的工作模式；所述信号处理模块接收到工作模式后将控制信号及工作参数发送给各分系统，通过数字中频模块输出频率和相位符合特性要求的中频信号，然后经收发模块上变频输出激励信号发送至片式有源模块，通过片式有源模块中的t/r组件射频放大后输出至对应的一体化裂缝波导天线；通过天线辐射在空间合成需要的发射波束；
7.一体化裂缝波导天线接收回波信号并送往片式有源模块经过滤波放大合成处理后输出给收发模块；经过下变频、数字中频处理后，收发模块用于将i/q信号通过光纤传送至信号处理模块；所述信号处理模块对回波信号进行脉冲压缩处理和多普勒处理后得到反映气象目标的信息数据；
8.其中，校正模块用于产生测试信号实现对各收发模块进行幅相检测、接收通道放大特性检测和定标。
9.进一步地，所述校正模块的具体测试过程为：
10.数字中频模块产生一个模拟的目标信号，该信号经校正网络耦合到32路tr组件的
接收通道，经合成后送回数字中频模块，生成i/q信号送到信号处理模块进行处理，对系统通道的基本功能测试和验证。
11.进一步地，其中，伺服推杆通过信号处理模块控制扫描；所述伺服推杆由伺服控制板、驱动器、编码器和电动推杆组成，实现俯仰方向-30
°‑
30
°
扫描范围；具体工作步骤为：
12.根据监控指令的要求，控制伺服控制板作不同速度的扫描运动，同时提供天线的俯仰角度信息；伺服控制板接收天线控制指令和编码器输出的角度码，经过解码和软件运算处理后输出控制电动推杆转动方向的电平信号和控制电动推杆转速信号到伺服驱动器，驱动电机转动。
13.进一步地，所述信号处理模块采用dsp+fpga组合架构的通用平台，包括2片bwdsp100芯片和1片ep2sgx9芯片；其中2片bwdsp100采用多个链路口互连，每个链路口单向数据传输速度达到300mb/s；所述信号处理模块通过4个光纤接口、网络接口和串口实现与其他系统通信，并通过高速光纤接口接收i/q信号，对i/q信号进行脉压处理、滤波处理和气象要素的估算。
14.进一步地，其中，雷达为全相参一维有源相控阵多普勒天气雷达，其中雷达的发射信号、本振信号和相参基准信号都是由一个主振源同步产生的。
15.进一步地，所述一体化裂缝波导天线包括裂缝天线面、校正网络及天线罩；所述裂缝天线面由32只裂缝波导管排列组成，较长的位于天线中间，其余排布在天线面两侧；所述校正网络位于天线背后，安装在32路裂缝波导的中心口位置；所述天线罩根据天线面的外形尺寸设计，天线罩安装后与天线形成一体；所述一体化裂缝波导天线用于将雷达收发组件输出的大功率脉冲信号定向辐射到空间；在发射脉冲间隔期间，回波信号通过天线进入收发组件的接收支路。
16.进一步地，所述片式有源模块集成了8个四通道片式t/r组件及综合馈电网络；接收时，片式有源模块接收天线输出的微弱回波信号，通过滤波放大合成后变成一路接收射频信号；发射时，激励信号经片式有源模块功率放大移相后，产生32路大于20w的信号，再经天线辐射出去，形成波束。
17.进一步地，所述收发模块包括开关放大衰减组件、变频通道、三脉冲中频数字接收机以及频率源，用于为雷达提供射频发射信号；具体为：
18.将微弱的回波信号通过放大和变频得到中频信号，再经过相干解调提取回波信号的i/q信号，将i/q信号提供至信号处理模块进行多普勒处理，输出激励信号、全机的同步时钟信号以及全机标定信号，实现雷达系统关键参数的特性检测和定标。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
20.本发明中雷达采用一维相控阵多普勒体制，代替传统的机械扫描，波束灵活可变、扫描速度快，系统可实现多种工作模式工作，时空分辨率高；雷达采用轮廓修正一体化裂缝波导天线设计，满足机载天气雷达系统设计参数，满足对快速变化的中小尺度天气过程更加精细的探测、海洋上的对流探测以及极地和高层大气化学探测的需求；片式有源模块集成了片式t/r组件及综合馈电网络，实现了有源天线阵面前端的小型化、轻量化，解决机载有限空间小型化、轻量化设计要求；一维相控阵的高集成性能可以更好的适应机载平台，其波束捷变能力可以满足快速精细观测的需求，解决了现有地基雷达不够机动灵活、空基雷达探测距离分辨率低、机载空间尺寸有限的问题。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明一种基于一维有源相控阵多普勒体制的机载天气雷达系统的系统框图。
23.图2为本发明的电路原理图。
24.图3为本发明中一体化裂缝波导天线的结构示意图。
25.图4为本发明中片式有源模块的原理框图。
具体实施方式
26.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
27.如图1所示，一种基于一维有源相控阵多普勒体制的机载天气雷达系统，包括终端分系统、信号处理模块、收发模块、主振源、数字中频模块、片式有源模块、一体化裂缝波导天线以及校正模块；
28.雷达为全相参一维有源相控阵多普勒天气雷达，其中雷达的发射信号、本振信号和相参基准信号都是由一个高稳定度和高纯度的主振源同步产生的，它们之间保持着严格的、固定的相位关系；
29.雷达通过发射高功率的微波脉冲信号，借助于云、雨等气象目标的后向散射来检测、分析和确定降水目标的；
30.在工作时，终端分系统用于向信号处理模块发送探测需求的工作模式；信号处理模块接收到工作模式后将控制信号及工作参数发送给各分系统，通过数字中频模块输出频率和相位符合特性要求的中频信号，然后经收发模块上变频输出激励信号发送至片式有源模块，通过片式有源模块中的t/r组件射频放大后输出至对应的天线阵元，即一体化裂缝波导天线；通过天线辐射，各阵元辐射功率在空间合成需要的发射波束；
31.天线阵元接收回波信号并送往片式有源模块，经过滤波放大合成处理后输出给收发模块，经过下变频、数字中频处理后，将i/q信号通过光纤传送至信号处理模块；信号处理模块对回波信号进行脉冲压缩处理和多普勒处理后得到反映气象目标的信息数据；
32.其中，校正模块用于产生测试信号实现对各收发模块进行幅相检测、接收通道放大特性检测和定标；具体为：
33.数字中频模块产生一个模拟的目标信号，该信号经校正网络耦合到32路tr组件的接收通道，经合成后送回数字中频模块，生成i/q信号送到信号处理模块进行处理，对系统通道的基本功能测试和验证；
34.其中，伺服推杆通过信号处理模块控制扫描；伺服推杆由伺服控制板、驱动器、编码器和电动推杆组成，实现俯仰方向-30
°‑
30
°
扫描范围；
35.该伺服推杆采用先进、成熟、稳定的高精度直流伺服系统，根据监控指令的要求，伺服控制板作不同速度的扫描运动，同时提供天线的俯仰角度信息；伺服控制板接收天线控制指令和编码器输出的角度码，上述信息经过解码和软件运算处理后输出控制电动推杆转动方向的电平信号和控制电动推杆转速信号到伺服驱动器，驱动电机转动；
36.信号处理模块采用dsp+fpga组合架构的通用平台，该模块架构主要由2片bwdsp100芯片、1片altera公司的ep2sgx90组成。同时使用了一些ram、flash和ddr2器件来存储系统中的数据和程序。在与外部通信的接口通过4个光纤接口、网络接口和串口实现与其他系统通信。在内部通信接口方面，由1片fpga通过链路口与2片dsp实现双向数据传输。2片bwdsp100采用多个链路口互连，每个链路口单向数据传输速度可以达到300mb/s(75m*32bit/s)。此外为了满足大数据容量的存储，实现多处理器的耦合，bwdsp100均外带了容量为1gb的ddr2存储，通过飞越传输，不同的处理器之间就能间接地共享ddr2外存。信号处理模块通过高速光纤接口接收i/q信号，对其进行脉压处理、滤波处理和气象要素的估算，该雷达采用三脉冲工作方式，有两个补盲脉冲，对三个脉冲的回波分别进行处理后，在气象要素数据输出前完成数据的拼接，并进行数据处理；
37.如图2所示，雷达采用一维相控阵多普勒体制，代替传统的机械扫描，波束灵活可变、扫描速度快，系统可实现多种工作模式工作，时空分辨率高。
38.如图3至图4所示，雷达采用轮廓修正一体化裂缝波导天线设计，满足机载天气雷达系统设计参数；片式有源模块集成了片式t/r组件及综合馈电网络，实现了有源天线阵面前端的小型化、轻量化，解决机载有限空间小型化、轻量化设计要求；
39.一体化裂缝波导天线由裂缝天线面(集成天线骨架)、校正网络及天线罩组成。裂缝天线面由32只裂缝波导管排列组成，较长的位于天线中间，其余排布在天线面两侧；校正网络位于天线背后，安装在32路裂缝波导的中心口位置；天线罩根据天线面的外形尺寸设计，天线罩安装后与天线形成一体；天线采用轮廓修正设计，解决机载有限空间小型化轻量化设计要求，满足机载天气雷达系统设计参数；天线外形尺寸为560mm
×
600mm
×
60mm(宽
×
高
×
厚)，重量约8.3kg。天线主要是将雷达收发组件输出的大功率脉冲信号定向辐射到空间；在发射脉冲间隔期间，回波信号通过天线进入收发组件的接收支路；
40.片式有源模块采用一种高度集成的通用构建模块(cbb)设计，集成了8个四通道片式t/r组件及综合馈电网络(功分合成网络、电源分配网络及末级波控)，实现了有源天线阵面前端的小型化、轻量化；接收时，片式有源模块接收天线输出的微弱回波信号，通过滤波放大合成后变成一路接收射频信号，发射时，激励信号经片式有源模块功率放大移相后，产生32路大于20w的信号，再经天线辐射出去，形成波束。
41.收发模块由开关放大衰减组件、变频通道、三脉冲中频数字接收机、频率源组成，收发模块功能主要是为雷达提供大功率、全相参、高品质的射频发射信号；将微弱的回波信号通过高灵敏度的放大和变频得到中频信号，再经过相干解调提取回波信号的i、q信息，提供给信号处理分系统进行多普勒处理；它产生发射激励信号和全机的同步时钟信号，还提供全机标定信号，对雷达系统的一些关键参数进行测量和标定。本系统的发射接收工作频率范围规定为9320～9420mhz，系统设计要求采用11个工作频点切换；3脉冲信号的频率依次为短脉冲125mhz、中脉153.5-156.5mhz、长脉冲139-141mhz。adc芯片采用gk3128，gk3128是一款国产货架adc芯片，性能可靠稳定。
42.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
43.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。