收发信处天线一体化短馈线多参数多通道天气雷达及应用的制作方法

1.本发明属于电子信息技术领域，尤其涉及一种收发信处天线一体化短馈线多参数多通道天气雷达及应用。


背景技术：

2.目前，多参数测量同一目标的优越性，犹如层析成像的特征，使观测目标在不同情况状态和物理特性方面具有不同维度的展现，对反演天气系统的内在关系和物理特征具有重大作用。因此，具有多参数测量能力的天气雷达将逐渐成为更加重要而有效的探测装备。常规雷达的结构由天线、馈线以及收发机与信号信息处理系统等四部分组成，其中，不管固定式或移动式雷达，天线处于室外最高处，收发机与信号信息处理系统置于对应机柜放于室内合适位置，馈线则是连接二者的重要环节。在单通道多普勒雷达的应用中，这种电气结构是完美可靠的。但是，在多参数探测的多通道系统，如双偏振、双波长雷达中，这种电气结构存在一定的隐患；而要消除或减轻这种隐患或影响，需要使用多个多通道高稳定旋转关节，这将以极高的成本为代价。为了解决这一问题，收发信处天线一体化短馈线电气结构多参数天气雷达系统被提了出来。
3.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：由于旋转关节的信号传输通道在不同的角度位置信号电性能不一致，从而引起传输信号的幅度和相位误差。因此在天气雷达扫描过程中，由于方位和俯仰旋转关节引起的参数测量误差不可避免，虽然对于单偏振天气雷达，可通过旋转关节不同角度的电性能测试进行误差补偿，但是过程繁琐；尤其对于双偏振天气雷达应用，对偏振参数的测量精度要求高，如对差分反射率z
dr
的测量误差通常要求在
±
0.1db范围内，较大的测量误差对天气雷达降水估测、粒子相态识别均有较大影响；而对于多参数、多波长天气雷达雷达应用，更需要考虑在大带宽工作范围内，旋转关节均要实现良好的阻抗匹配，满足通道间良好的隔离和极化隔离要求，并满足高功率容量的要求，对多通道的旋转关节的机械设计、电气设计及加工精度、装配均有很高的要求。因此在多参数探测的多通道天气雷达系统中，现有技术的这种电气结构存在一定的隐患；而要消除或减轻这种隐患或影响，需要使用多个多通道高稳定旋转关节，这将以极高的成本为代价。
4.解决以上问题及缺陷的难度为：
5.现有技术对于多参数多通道天气雷达应用，对方位俯仰旋转关节在不同角度的幅相一致性要求很高，同时在大带宽范围内满足良好的阻抗匹配和通道间隔离度，并要求有较高的功率容量。现有的多通道旋转关节大多采用一到两路为高功率波导通道，其余为中功率或低功率同轴通道，无法均满足大功率容量要求；对于多波长的天气雷达应用不同波长的多通道隔离度指标很难满足应用要求，而采用多个多通道高稳定旋转关节，将大幅增加雷达设备的复杂性并大幅增加成本。
6.解决以上问题及缺陷的意义为：通过收发信处天线一体化短馈线雷达结构设计具备良好的阻抗匹配，可以避免由于使用旋转关节导致的信号幅相一致性问题，独立的物理
通道具备良好的通道隔离度，同时免去了旋转关节复杂的电气特性和机械机构设计，降低旋转关节工作可靠性对天气雷达系统性能的影响；同时其短馈线的设计应用极大的减少模拟信号在传输过程中的衰减，有利于改善天气雷达系统的信噪比。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种收发信处天线一体化短馈线多参数多通道天气雷达及应用。
8.本发明是这样实现的，一种收发信处天线一体化短馈线多参数多通道天气雷达，所述收发信处天线一体化短馈线多参数多通道天气雷达设置有天线底座；
9.天线底座上端设置有转动平台，转动平台左端设置有信号机箱，转动平台右端设置有辅助机箱；信号机箱内部设置有n通道发射机、n通道模拟接收前端、发射波形发生器、数字信号处理器和频率综合器(频综)；频综与发射波形发生器连接，为发射波形发生器提供时钟及本振信号等输入信号，发射波形发生器提供多参数多通道天气雷达所需的雷达发射信号，通过发射信号v
tx
与n通道发射机连接，数字信号处理器通过触发信号tr与n通道发射机连接，频综通过本振v
lo
与n通道模拟接收前端连接；
10.n通道发射机通过第一发射通道与第一环流器连接，n通道发射机通过第n发射通道与第n环流器连接，n通道模拟接收前端与数字信号处理器连接；
11.数字信号处理器包含n通道adc中频采集，通过n通道数字信号处理形成n通道数字中频接收机，输出信号及控制信号通过光纤，经过天线底座的混合汇流环，与雷达控制机柜进行通信交互。
12.进一步，所述天线底座上设置有混合汇流环。
13.进一步，所述混合汇流环设置有电缆、光纤、气体管道。
14.进一步，所述天线底座左右两侧设置有配重。
15.进一步，所述转动平台顶部安装有波导支撑，波导支撑上设置有n通道波导、旋转抛物面天线。
16.进一步，所述旋转抛物面天线上端设置有双极化多波长喇叭馈源。
17.进一步，所述第一环流器上设置有第一馈源，第n环流器上设置有第n馈源。
18.进一步，所述第一环流器通过第一接收通道与n通道模拟接收前端连接，n通道模拟接收前端与数字信号处理器连接，第n环流器通过第n接收通道与n通道模拟接收前端连接。
19.进一步，所述频综通过时钟clk信号与数字信号处理器连接，频综通过状态与控制信号与数字信号处理器连接。
20.本发明的另一目的在于提供一种所述收发信处天线一体化短馈线多参数多通道天气雷达用于实现雷达对气象目标多参数准确测量的应用。
21.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明中收发信处天线一体化短馈线多参数多通道天气雷达技术，用于实现雷达对气象目标多参数的准确测量。本装置由完善的机电系统构成，其中，机械系统包括天线座——天线方位、俯仰支撑和传动机构、机箱封闭环境干燥冷却控制、以及天线和机箱支撑机构；电讯系统包括短馈线旋转抛物面多波长双极化天馈线系、信号机箱、辅助机箱和包括方位、俯仰汇流环在内的线
缆连接系统。收发信处天线一体化的结构，使收发机与天线的免旋转关节、短馈线多通道连接的低损耗、一致性和稳定性极为出色，保证了多参数测量的幅-相性能优良；收发信处一体化，使雷达探测的回波信号直接变成数字信号，处理后通过光纤传输至下一级，极大地减少了由于模拟传输通道引入的噪声、衰减和幅-相畸变等影响。引入的干燥冷却控制技术，使上移到天线上的机箱中的封闭环境，与常规雷达室中空调环境相当，保证了收发机与信号处理器的正常工作环境条件。因此，雷达探测气象目标的多参数质量大为提高。
附图说明
22.图1是本发明实施例提供的收发信处天线一体化短馈线多参数多通道天气雷达结构示意图。
23.图2是本发明实施例提供的传统双极化多普勒天气雷达原理方块图。
24.图3是本发明实施例提供的收发信处天线一体化短馈线双极化天气雷达系统结构示意图。
25.图4是本发明实施例提供的收发信处天线一体化短馈线双极化天气雷达信号通道原理方块图。
26.图中：1、n通道发射机；2、发射波形发生器；3、频综；4、n通道模拟接收前端；5、第n环流器；6、数字信号处理器；7、信号机箱；8、配重；9、天线座；10、电缆；11、光纤；12、气体管道；13、混合汇流环；14、辅助机箱；15、转动平台；16、通道n波导；17、波导支撑；18、旋转抛物面天线；19、双极化多波长喇叭馈源；20、通道1波导；21、第一环流器。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
28.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种收发信处天线一体化短馈线多参数多通道天气雷达，下面结合附图对本发明作详细的描述。
29.本发明提供的收发信处天线一体化短馈线多参数多通道天气雷达业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的收发信处天线一体化短馈线多参数多通道天气雷达仅仅是一个具体实施例而已。
30.如图1所示，本发明实施例提供的收发信处天线一体化短馈线多参数多通道天气雷达中天线底座9上设置有混合汇流环13，混合汇流环13设置有电缆10、光纤11、气体管道12；天线底座9左右两侧设置有配重8，天线底座9上端设置有转动平台15，转动平台15左端设置有信号机箱7，转动平台15右端设置有辅助机箱14；转动平台15顶部安装有波导支撑17，波导支撑17上设置有通道n波导16、旋转抛物面天线18和通道1波导20，旋转抛物面天线18上端设置有双极化多波长喇叭馈源19。
31.信号机箱7内部设置有频综3和数字信号处理器6，频综3通过时钟c1k信号与数字信号处理器6连接，频综3通过状态与控制信号与数字信号处理器6连接；频综3通过本振v
lo
与n通道模拟接收前端4连接。频综3与发射波形发生器2连接，发射波形发生器2通过发射信号v
tx
与n通道发射机1连接，数字信号处理器6通过触发tr信号与n通道发射机1连接。n通道
发射机1通过第一发射通道与第一环流器21连接，n通道发射机1通过第n发射通道与第n环流器5连接。第一环流器21通过第一接收通道与n通道模拟接收前端4连接，n通道模拟接收前端4与数字信号处理器6连接，第n环流器5通过第n接收通道与n通道模拟接收前端4连接。其中，第一环流器21上设置有第一馈源，第n环流器5上设置有第n馈源。
32.下面结合具体实施例对本发明的技术方案作详细的描述。
33.1、系统描述
34.首先摒弃旋转关节采用短馈线技术，避免了天线转动造成的测量参数起伏。
35.收发信处天线一体化短馈线电气结构多参数天气雷达系统如图1所示。多参数雷达的收发通道数至少为两通道，如单独的双极化或双波长，均具有多参数探测能力，均为双通道；而在双极化且同时又具有双波长的情况下，则需四通道，测量参数更多。图中，假设通道数为n。
36.如果是单波长双极化雷达形式，天线馈源可以采用双极化馈源；不管是中心馈电还是偏馈，也不管是常规的单反射体还是卡塞格伦双反射体天线形式，主天线反射体可以采用单一旋转抛物面来实现。
37.如果是双波长双极化雷达形式，天线馈源如果采用同轴双波长馈源，单一旋转抛物面天线的方法仍然成立。如果采用其他形式多馈源单一旋转抛物面天线的技术，图1的结构是可用的。
38.在更复杂的情况，就可能需要使用多反射体天线的结构了。那种情况下，虽然馈源和反射体可能多个，且波束不同轴，但每个波束的轴线是平行的，且间距总是恒定的，这对气象体目标的探测仍然是有效的。在多通道馈线连接的方法上，与图1中的展示没有技术上的差异。
39.按常规雷达结构，1个收发通道至少需要方位、俯仰各1个，共2个旋转关节(也称铰链)。如果使用n个通道，则需2n个旋转关节。
40.假设每个旋转关节的重复性很好，即在转动过程中，每次转到同一位置的幅度与相位误差可以忽略，仅在不同位置存在差异，则其传递特性，即系统函数可用(1)式表述：
[0041][0042]
其中，h为传递函数，a为幅度特性，为相位特性，θ为旋转关节转过的角度，exp表示自然数为底的指数函数，下标f表示正向传递，即发射信号经由方位和俯仰旋转关节通过天线发射；下标b表示反向传递，即天线接收信号通过方位和俯仰旋转关节进入接收机；下标n表示通道序号。
[0043]
在多通道中，如果是同波长通道，并考虑通道间隔离不够理想，(1)式还应增加相互耦合的情况，变成(2)式：
[0044][0045]
其中，下标i为交叉耦合通道序号，当i＝n，表示本通道n的情况，即耦合通道和当
前信号通道是同一通道，c
fnn
和c
bnn
均为1，如(1)式；其他i下标定义的c
fin
和c
bin
分别代表正向和反向的交叉通道耦合系数。
[0046]
假设幅度特性a随θ的波动为δa，相位特性随θ的波动为
[0047]
举例分析
[0048]
如图2是一个常规技术的双极化雷达电讯结构图。为了天线运行，雷达设置了1个双通道的方位旋转关节和2个单通道的俯仰旋转关节。
[0049]
根据实验结果，正反向波动特性相当。对于x波段，幅度特性a随θ的波动δa最大可达0.25db(变化5.9％)，相位特性随θ的波动最大可达7
°
；对于c波段，幅度特性a随θ的波动δa最大可达0.1db(变化2.3％)，相位特性随θ的波动最大可达1.6
°
；s波段的情况与c波段接近。同样地，当i≠n时，c
fin
和c
bin
是复数，其幅度大约在-40至-30db(10-4
至10-3
)量级，由于幅度较低，其相角的影响可以忽略。
[0050]
每个通道需要经过2个旋转关节，而雷达的发射(正向传递函数)和接收(反向传递函数)相当于级联的关系。因此，根据误差分析理论，由2个旋转关节引起的幅度测量误差最大将达到4δa，相位测量误差最大将达到这是最坏的情况，通常情况不至于这么糟糕。但是，并不能说最坏情况不会出现，只是概率不会过高而已。就算这样，其波动或误差已经超过了天气雷达在双极化测量上的要求，导致雷达实际测量数据难以使用，或使用效果不好。如果更多的参数和通道，并再考虑相互交叉耦合，情况会更糟。
[0051]
在收发信处天线一体化短馈线电气结构多参数天气雷达系统中，由于收发系统、信号处理系统等直接安装在雷达天线上，彻底摒弃了旋转关节这种在工作中性能会发生较大波动的微波部件，使由于旋转关节带来的波动或误差不复存在。这对多参数探测的多收发通道雷达来说，消除了由于天线转动的需要，而不得不采用旋转关节，并可能引起的通道间的随机不一致误差，从而保证使用通道关联的测量估计参数稳定可靠。
[0052]
图1左半部分，描述了n通道发射、n通道接收以及通过短馈线与n通道天线馈源连接的原理示意。显然，馈线环节简短，只有性能稳定的若干小段波导(元件)以及环流器部件，使雷达馈线的衰减降到最低。
[0053]
其次，采用引入“光电气”混合传输技术的混合汇流环，保证雷达数据传输可靠，运动控制准确，关键分机工作环境适宜。
[0054]
图1中的三个混合汇流环(也称滑环)就是完成“光电气”混合传输功能的。每个汇流环传递3种不同类型的信号或物质，即“光传输”表示以千兆速率传递雷达探测的多种参数数据；“电传输”表示输送电力(电源与电机控制强电信号)和传送控制信号；“气传输”表示传送干冷空气。“光传输”传递的是数字信号，在一定信噪比条件下对幅度不敏感，在光汇流环中传输性能完美；“电传输”传送的控制信号也是数字信号，在一定信噪比条件下对幅度也不敏感，在电汇流环中传输性能完美，而输送电力更不在乎微小的波动衰减；“气传输”中传送的干冷空气的微小传输率波动自然也不足以影响干燥和冷却的性能。因此，旋转中传递此类信号或物质，是很合适的。
[0055]
在雷达中，方位和俯仰两个旋转自由度，需要两级“光电气”混合旋转关节，如图1右半部分所示。图1的左下部分，描述了n通道模拟接收前端，以及n通道adc中频采集，通过n通道数字信号处理形成n通道数字中频接收机。而后续的信号处理，将n通道复数信号整合
成多基本物理参数数据集，并转换成光信号，通过光旋转关节(在“光电气”混合旋转关节中)、光纤和专门设计的光端机进行节点接续与终端接收，实现完美的雷达数据传输。远端控制计算机的控制命令也是通过此光传输通道上传上来的。
[0056]
下传的多基本物理参数数据集，包含了经过信号处理器处理的多通道回波信息。如水平/垂直极化回波信息，以及不同波长的回波信息等。
[0057]“电传输”输送电力，主要用于发射机的大功率电源、接收机与信号处理器的各种电源，以及俯仰电机驱动强电信号；传送控制信号则用于各分机间的联络以及俯仰位置测量电信号下传等。“气传输”表示传送干冷空气，其作用是对天线上的信号机箱和辅助机箱(用于安装较大体积的电源等零部件)中的各分系统的工作环境进行调节，即进行冷却和干燥，使工作温度和湿度满足特定的要求，起到改善工作条件的目的。
[0058]
最后，在雷达控制机柜中实现包括电源控制、开关机流程控制与伺服控制在内的全面控制，并增设多路干冷气体发生器。
[0059]
多路干冷气体发生器是主动调节雷达关键分机/部件工作环境的核心部件，其性能优于“风冷”降温方式，采用“气传输”技术，解决了天线上各机箱难以甚至无法安装除湿装置的弊端。干冷气体发生器的工作原理是使用大功率半导体致冷器，将该半导体致冷器置于封闭仓室中，使外部空气进入此封闭仓室，在半导体致冷器造成的低温冷凝平面上，空气中被冷却至其露点温度以下，其中的水汽被冷凝称为露水(液态)并被排出，空气湿度大为降低，同时温度也随之下降。利用高风压轴流风机将此干冷气体送出，通过“气传输”技术使干冷气体到达天线上的各机箱中。干冷气体发生器的数量主要根据雷达发热分机/部件(如发射机)的数量决定，一般不会少于两个。
[0060]
2、实施例
[0061]
使用本技术的一个收发信处天线一体化短馈线双极化天气雷达系统结构示意图见图3，和原理方块图见图4。
[0062]
从图3可见，从结构上，雷达被分成了三个部分。第一部分是天线综合体，位于室外视野无遮挡的相对高处(如楼顶)，第二部分为主控机柜，位于天线综合体下的雷达室中，第三部分是运行中心(即显控中心)，位于需要使用雷达探测数据的业务单位处。
[0063]
天线综合体，是典型的发射机、模拟接收前端和信号处理器等与天馈线有机结合的统一综合体，即实现了收发信处天线一体化短馈线的技术要求。雷达赖以探测的所有微波部件全部绑定在雷达天线上，体现在天线的抛物面反射体、双极化馈源、连接波导以及信号机箱内的双通道发射机、双通道接收机以及两个环流器等，形成刚性固定的牢靠结构和性能稳定的电气连接。
[0064]“光电气”的传递和输送则通过一个方位多通道混合汇流环、若干连接零部件(光纤、电缆和气体管道及其连接器)以及通往信号机箱和辅助机箱的两个俯仰多通道混合汇流环实现。
[0065]
主控机柜是实施雷达控制的场所，电力提供的根源，也是数据传输的一个节点。在主控机柜中，按位置自下而上的排列，分别是不间断电源系统(其储能电池仓盒位于主控机柜外)、双通道干冷空气发生器、系统控制与伺服分机以及专门设计的特殊光端机等四大部分。下面简述重要控制过程。
[0066]
系统控制实现对雷达运行的硬件控制以及运行状态的监控，如开关发射机、接收
机、伺服分机即检测和记录其运行状态等。系统控制具有安全监控功能，遇到运行过程中出现的、可能导致雷达系统运行环境变得恶劣、或可能导致损坏等严重情况，会立即停止当前雷达的运行命令，甚至按照预定顺序进行部分或整机关机。
[0067]
伺服分机的功能是控制雷达天线运行以满足探测和采集天气系统数据的准确空间位置(方位和仰角)。天线位置是通过安装在天线上的，与方位/俯仰转轴具有固定速比关系的两组测角电机(无刷旋转变压器)来确定的。电机信号经过数码转换后以高精度角度编码的形式被传输和使用。
[0068]
天线的驱动则使用交流伺服电机(也称无刷直流伺服电机)实现，以交流脉冲调宽方式来激励电机。通过模糊pid控制逻辑算法实现对天线定位和匀速运动的高精度和高可靠性控制。
[0069]
专门设计的特殊光端机除了转接和中继信号处理器与运行中心的命令与数据交换功能以外，也是解析运行中心通过光纤传输发来命令、激起控制请求、并收集雷达运行状态的重要执行机构。运行中心(即显控中心)由一个光端机和一组(至少一台)计算机组成，其功能是通过光纤传输通道发出雷达控制命令以完成气象数据采集，接收并以最佳方式显示雷达测量多参数的雷达终端。
[0070]
图4是该实施例的收发信处天线一体化短馈线双极化天气雷达信号通道原理方块图。由于系统属于双极化测量结构，使用大功率真空管放大器，结构相对比较简单，其发射波形直接从频综输出简单频谱控制波形即可。双通道发射信号通过大功率3db功分器即可获得，这样，双通道发射的一致性更好。
[0071]
通过两个环流器将发射、天线和接收三端连接在一起，并实现信号流向的隔离，即发射至天线，天线至接收机。接收机由低噪声放大器、镜频抑制混频器、中频放大器以及高速中频采集adc和数字下变频(在数字信号处理器中完成)等部分组成。由于两个通道在环境温度受控的相同条件下工作，其噪声、增益等性能的一致性比较容易得到满足。
[0072]
显然，由于系统本身(主要指收发通道性能)的差异造成的测量偏差几乎可以忽略不计，雷达测量参数就是目标特性引起的。这就实现了对目标的准确测量。
[0073]
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0074]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。