一种用于云雾探测的毫米波与激光复合雷达系统的制作方法

本技术涉及气象，尤其是一种用于云雾探测的毫米波与激光复合雷达系统。

背景技术：

1、云雾引发的低能见度天气是影响交通和作业安全的重要因素，尤其是沿海地区的海雾可能会导致船只偏航、碰撞及触礁等事故，给人民生命财产和港口生产作业造成严重损失，因此开展云雾探测对气象灾害的防范具有重要意义。

2、随着雷达技术及硬件器件的技术进步，目前利用雷达来实现云雾探测的做法越来越引起人们的重视，并取得一定的成功案例。常见的使用雷达实现云雾探测的方法主要有两种：(1)毫米波气象雷达。微小的云雾粒子对波长很短的毫米波散射能力强，毫米波气象雷达正是利用这一特点来实现云雾探测的。(2)激光雷达，作为一种主动式光学遥感探测设备，其同样可以用于云雾探测，且在近些年取得了长足的进展。

3、毫米波气象雷达对于云、浓雾、弱降水的穿透性更强，而激光雷达对于淡云、轻雾的探测灵敏度更好，且其更容易得到接近于视觉的能见度信息。由上可以看出，同样作为云雾探测的设备，激光雷达与毫米波气象雷达由于各自的电磁波波长特点，各自具有不同的优点，但也都有各自的使用局限性。

技术实现思路

1、本技术针对上述问题及技术需求，提出了一种用于云雾探测的毫米波与激光复合雷达系统，本技术的技术方案如下：

2、一种用于云雾探测的毫米波与激光复合雷达系统，该毫米波与激光复合雷达系统包括综合控制模块、毫米波雷达模组、激光雷达模组和频率综合器；

3、综合控制模块分别连接毫米波雷达模组和激光雷达模组；毫米波雷达模组包括毫米波收发控制模块及其连接的毫米波时序控制模块，激光雷达模组包括激光收发控制模块及其连接的激光时序控制模块，频率综合器分别连接毫米波时序控制模块和激光时序控制模块，毫米波时序控制模块和激光时序控制模块相连以传输同步信号；

4、毫米波与激光复合雷达系统实现的云雾探测方法包括：

5、综合控制模块控制毫米波收发控制模块和激光收发控制模块均到达扫描任务的起始扫描位置后，在扫描任务的起始扫描时刻tstart同时向毫米波收发控制模块和激光收发控制模块发送开始扫描指令；

6、毫米波收发控制模块根据开始扫描指令按照毫米波时序控制模块产生的工作时序进行扫描，并从数据记录起始脉冲开始获取毫米波径向数据传输给综合控制模块；同时，激光收发控制模块根据开始扫描指令按照激光时序控制模块产生的工作时序进行扫描，并从数据记录起始脉冲开始获取激光径向数据传输给综合控制模块；综合控制模块对同一时刻获取到的毫米波径向数据和激光径向数据进行数据融合后进行云雾探测；毫米波时序控制模块和激光时序控制模块根据同步信号以同一个导前脉冲为数据记录起始脉冲；

7、其中，毫米波时序控制模块和激光时序控制模块基于频率综合器提供的参考时钟产生满足预定关系的工作时序，使得毫米波雷达模组和激光雷达模组的数据率相同。

8、其进一步的技术方案为，毫米波时序控制模块和激光时序控制模块产生的工作时序所满足的预定关系包括：

9、激光收发控制模块的脉冲重复频率为prfl且取n点的脉冲累积；毫米波收发控制模块的脉冲重复频率为prfm、每个驻留做nfft点的傅里叶变换并取m点的非相干累积；且prfl＝n×prfm，n＝n×m×nfft；其中，n、n和m均为参数。

10、其进一步的技术方案为，毫米波与激光复合雷达系统在每个扫描周期执行的一个扫描任务包括k个子扫描任务，每项子扫描任务具有各自的子任务起始角度以及子任务持续时长，第一项子扫描任务的子任务起始角度为扫描任务的起始扫描位置；

11、综合控制模块控制毫米波收发控制模块和激光收发控制模块执行扫描任务还包括：

12、初始化参数k＝1并初始化t1＝tstart；

13、控制毫米波收发控制模块和激光收发控制模块均到达第k项子扫描任务的子任务起始角度；

14、在tk时刻同时向毫米波收发控制模块和激光收发控制模块发送开始扫描指令以指示毫米波收发控制模块和激光收发控制模块执行第k项子扫描任务，δtk是第k项子扫描任务的子任务持续时长，且对于任意k≥2时tk＝tk-1+δtk-1；

15、在确定毫米波收发控制模块和激光收发控制模块执行完成第k项子扫描任务后，令k＝k+1并再次执行控制毫米波收发控制模块和激光收发控制模块均到达第k项子扫描任务的子任务起始角度的步骤，直至k＝k。

16、其进一步的技术方案为，毫米波与激光复合雷达系统采用ppi扫描模式、rhi扫描模式和thi扫描模式中的任意一种扫描模式执行每项子扫描任务。

17、其进一步的技术方案为，当毫米波与激光复合雷达系统采用ppi扫描模式或rhi扫描模式执行任意第k项子扫描任务时，当检测到毫米波收发控制模块和激光收发控制模块均到达第k项子扫描任务的子任务终止角度时，确定毫米波收发控制模块和激光收发控制模块执行完成第k项子扫描任务；

18、当毫米波与激光复合雷达系统采用thi扫描模式执行任意第k项子扫描任务时，当检测到执行第k项子扫描任务时接收到的毫米波径向数据和激光径向数据分别达到数量阈值时，确定毫米波收发控制模块和激光收发控制模块执行完成第k项子扫描任务。

19、其进一步的技术方案为，综合控制模块控制毫米波收发控制模块和激光收发控制模块执行第k项子扫描任务包括：

20、控制毫米波收发控制模块按照扫描速度配置表中的扫描速度sm(k)执行第k项子扫描任务、以及控制激光收发控制模块按照扫描速度配置表中的扫描速度sl(k)执行第k项子扫描任务。

21、其进一步的技术方案为，毫米波与激光复合雷达系统实现的云雾探测方法还包括：

22、综合控制模块根据毫米波收发控制模块和激光收发控制模块在当前扫描周期执行第k项子扫描任务的执行情况更新扫描速度配置表中的扫描速度sm(k)和/或扫描速度sl(k)，并在下一个扫描周期按照更新后的扫描速度配置表控制毫米波收发控制模块和激光收发控制模块执行第k项子扫描任务。

23、其进一步的技术方案为，更新扫描速度配置表中的扫描速度sm(k)和/或扫描速度sl(k)包括：

24、当毫米波收发控制模块执行完成第k项子扫描任务的耗时比激光收发控制模块执行完成第k项子扫描任务的耗时短超过时差阈值时，按照预定比例减小扫描速度sm(k)和/或按照预定比例增大扫描速度sl(k)；

25、当毫米波收发控制模块执行完成第k项子扫描任务的耗时比激光收发控制模块执行完成第k项子扫描任务的耗时长超过时差阈值时，按照预定比例增大扫描速度sm(k)和/或按照预定比例减小扫描速度sl(k)。

26、其进一步的技术方案为，毫米波与激光复合雷达系统实现的云雾探测方法还包括：

27、综合控制模块在确定当前处于联合扫描模式时，控制毫米波雷达模组和激光雷达模组同时扫描，并融合毫米波径向数据和激光径向数据进行云雾探测；

28、综合控制模块在确定当前处于毫米波扫描模式时，控制毫米波雷达模组扫描并根据毫米波径向数据进行云雾探测；

29、综合控制模块在确定当前处于激光扫描模式时，控制激光雷达模组扫描并根据激光径向数据进行云雾探测。

30、其进一步的技术方案为，毫米波收发控制模块包括毫米波信号处理器、毫米波收发器、毫米波伺服控制器和毫米波雷达天线；毫米波伺服控制器按照毫米波时序控制模块产生的工作时序控制毫米波雷达天线的空间位置，毫米波收发器根据毫米波时序控制模块产生的工作时序控制极化开关和发射激励信号，产生高功率射频脉冲信号并经由毫米波雷达天线进行辐射；毫米波收发器将毫米波雷达天线接收到的回波信号处理为中频信号后传输给毫米波信号处理器，毫米波信号处理器按照毫米波时序控制模块产生的工作时序进行信号处理后传输给综合控制模块；

31、激光收发控制模块包括激光信号处理器、激光收发器、激光伺服控制器和激光雷达望远镜；激光伺服控制器按照激光时序控制模块产生的工作时序控制激光雷达望远镜的空间位置，激光收发器通过激光时序控制模块产生的工作时序产生注入脉冲，激光雷达望远镜对注入脉冲进行扩束和压缩发散角并以无穷远汇聚的方式注入大气；激光收发器通过激光雷达望远镜接收到的回波信号并传输给激光信号处理器，激光信号处理器进行信号处理后传输给综合控制模块。

32、本技术的有益技术效果是：

33、本技术公开了一种用于云雾探测的毫米波与激光复合雷达系统，该复合雷达系统在硬件结构上集成毫米波雷达模组和激光雷达模组，且在软件上优化控制方法，通过时序设计使得两个模组的工作时序一致，保证了两个模组的径向数据在时间上的一致性，且利用综合控制模块对毫米波雷达模组和激光雷达模组进行联合控制调度，确保两个模组在同一时刻指向同一方向，保证了两个模组的径向数据在空间上的一致性。从而使得毫米波雷达模组和激光雷达模组的数据具有时空一致性而能够进行数据的联合反演，真正从功能上将毫米波雷达和激光雷达进行一体化集成，不仅能够实现毫米波雷达和激光雷达之间的功能互补而具有良好的探测性能，而且两者的数据联合反演还可以得到云场分布、云滴谱信息、云层识别和分类、云粒子相态识别、风场、能见度分布等二次数据产品，探测功能更为丰富。

34、该毫米波与激光复合雷达系统还可以动态更新毫米波雷达模组和激光雷达模组的扫描速度，从而避免两个模组中的伺服器由于硬件差异造成的精度下降的问题，进一步毫米波雷达模组和激光雷达模组的数据在长时间使用过程中也能有较好的时空一致性。

35、另外该毫米波与激光复合雷达系统还可以单独实现毫米波雷达的功能和单独实现激光雷达的功能，能够兼容单雷达模式，在实际使用时可以根据需要配置工作模式，适合不同的应用场景。