CN102141619A - 数字阵列式mst雷达及信号收发方法 - Google Patents

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刘一峰
李忱
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Abstract

一种数字阵列式MST雷达，其特征是它包括天线单元（1）和数据处理机（8）等，所述的频率源（5）与数字收发组件模块（4）相连，数字收发组件模块（4）与馈线网络矩阵（3）相连，馈线网络矩阵（3）与末级收发组件模块（2）连接，末级收发组件模块（2）与天线单元（1）连接；天线单元（1）与末级收发组件模块（2）相连，末级收发组件模块（2）通过馈线网络矩阵（3）与数字收发组件模块（4）相连，数字收发组件模块（4）与数字接收机相连，数字接收机与数字波束合成模块（6）相连，数字波束合成模块（6）与信号处理机（7）相连，信号处理机（7）与数据处理机（8）相连，数据处理机（8）与远程终端（9）和系统监控装置（10）相连。本发明稳定性好，体积小，可靠性好，安装调试方便。

Description

数字阵列式MST雷达及信号收发方法
技术领域
本发明涉及一种雷达技术，尤其是一种数字化气象雷达及其信号的收发方法，具体地说是一种数字阵列式MST雷达及信号收发方法。
背景技术
MST（中层—同温层—对流层）雷达是一种工作在VHF频段（一般在50MHz左右）上的高灵敏度相控阵雷达，主要用于测量中层（最高高度超过100km）、同温层及对流层的大气风场。从上世纪80年代以来，探测中层大气的雷达技术和分析方法不断完善，发射机开始采用全固态发射技术。
目前国际上共有20多个MST雷达站在运转，这些雷达分为两种体制，一种是采用高功率集中发射体制，另一种是采用分布式发射体制。这两种体制的MST雷达在形成雷达波束时都是采用馈线移相合成技术，因此现有的MST雷达存在模拟移相器移相精度难保证、尺寸较大及可靠性差、维修不便，天线阵面加权复杂等问题，对此尚无好的解决方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有的MST雷达存在移相精度难保证、结构复杂、可靠性差、维修不便等问题，发明一种利用数字技术为主设计的数字阵列式MST雷达，同时提供这种雷达的信号收发方法。
本发明的技术方案之一是：
一种数字阵列式MST雷达，其特征是它包括天线单元1、末级收发组件模块2、馈线网络矩阵3、数字收发组件模块4、频率源5、数字波束合成模块6、信号处理机7和数据处理机8，所述的频率源5的输出与数字收发组件模块4的发射信号输入端相连，数字收发组件模块4的发射信号输出端与馈线网络矩阵3的发射信号输入端相连，馈线网络矩阵3的发射信号输出端与末级收发组件模块2的发射信号输入端连接，末级收发组件模块2的发射信号输出端与天线单元1的信号发射端相连接；天线单元1的信号接收端与末级收发组件模块2的信号接收输入端相连，末级收发组件模块2的信号接收输出端通过馈线网络矩阵3与数字收发组件模块4上的接收信号输入端相连，数字收发组件模块4上的接收信号输出端与数字接收机的输入端相连，数字接收机的输出端与数字波束合成模块6的输入端相连，数字波束合成模块6的输出端与信号处理机7的输入端相连，信号处理机7的输出端与数据处理机8的输入端相连，数据处理机8的输出端与远程终端9和系统监控装置10的输入端相连。
所述的天线单元1为八木天线，天线单元共有576（24×24）个天线振子；所述的末级收发组件模块2数量为576（24×24）个；所述的数字收发组件模块4的数量为24个。
本发明的技术方案之二是：
一种数字阵列式MST雷达的信号发射方法，其特征是它包括以下步骤：
（1）首先由频率发生源产生源信号，所述的源信号输入数字收入组件模块的直接数字式频率合成器（DDS）通道，经频率组合产生所需的工作频率信号；每个DDS通道的工作频率信号经DDS移相后激励输出；每路输出的幅度相等，插入相位差由软件修正，DDS的差相移由指令控制；
（2）数字收发组件模块激励输出的信号通过馈线电缆馈入数字收发组件模块中的T/R收发开关，T/R收发开关掷在发射态；每个T/R收发开关发射路经相等的功率增益后输出一定功率的信号到输出端口。每个T/R收发开关有两个输出端口，分别为行输出和列输出端口；由波控控制所有T/R收发开关的发射功率馈至其中的一个端口或另一个端口；
（3）由所述的T/R收发开关输出的功率信号通过馈线馈至行扫描或列扫描网络矩阵，这些馈线网络的幅度相位相同；
（4）馈线网络矩阵再将信号输出到末级收发组件模块中；
（5）在末级收发组件模块（576个T/R组件）中，每个组件都将输入的发射信号放大到要求的发射功率，通过大功率开关馈到每个天线振子上；
（6）最后由天线振子将信号发射到空中，进行空间合成，照射目标。
本发明的技术方案之三是：
一种数字阵列式MST雷达的信号发射方法，其特征是它包括以下步骤：
（1由天线单元中的天线振子接收由空间散射回来的回波信号，通过馈线馈给末级收发组件模块；
（2）每个末级收发组件模块的接收通道都含有一个固定增益的低噪声放大器，目的是改善系统噪声系数；
（3）将末级收发组件模块中经过预放大的回波信号通过馈线系统馈至24路行扫描或24路列扫描馈线网络矩阵模块中，在馈线网络矩阵模块中完成回波信号的功率合成；
（4）将合成后的回波信号再经过馈线馈至数字收发组件模块中的T/R收发开关中，此时的T/R收发开关掷在接收态；
（5）将T/R收发开关接收回来的信号经过馈线馈入数字接收机，进入接收机后，第一步进行功率放大，然后进行数字直接采样、正交；
（6）将数字正交处理后的结果通过接口送给数字波束形成模块中，进行配相和幅度加权，形成指定指向的接收波束回波数字信号；再将该数字信号送信号处理机；
（7）信号处理机对数字波束形成模块送来的时域数字序列进行FFT运算，得到谱域结果，再将得到的谱域结果通过接口送至数据处理机；
（8）由数据处理机计算分析信号处理机提供的FFT功率谱，得到各个距离门的噪声功率、信号功率、信噪比、谱宽和置信度的基础数据，再经过处理得到所需的风廓线、风羽图、矢量图等各种产品。
本发明的有益效果：
本发明的MST雷达由于采用数字阵列技术，因此具有设计简化、设备体积小、性能稳定的优点，有利于提高探测性能、提高系统一致性、提高雷达可靠性。
本发明利用软件实现了在DDS和DBF中的数字移相，具有精度高、控制灵活和自检方便等优点；
本发明通过在数字域实现幅度加权，具有方便、灵活并且精度高的优点；
本发明实现了与有源设备的同类型部件的互换，有利于改善雷达整机的可维修性，提高可靠性。
本发明有利于减小雷达设备的体积。
本发明实现低功率小信号传输，有利于降低系统损耗，降低雷达成本，提高MST雷达探测能力。
本发明可以实现系统的自校正，方便了调试和维护。
附图说明
图1是本发明的数字阵列MST雷达结构框图。
图2是本发明MST雷达的发射链工作框图。
图3是本发明的MST雷达的信号处理流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-3所示。
一种数字阵列式MST雷达，它包括天线单元1、末级收发组件模块2、馈线网络矩阵3、数字收发组件模块4、频率源5、数字波束合成模块6、信号处理机7和数据处理机8，所述的频率源5的输出与数字收发组件模块4的发射信号输入端相连，数字收发组件模块4的发射信号输出端与馈线网络矩阵3的发射信号输入端相连，馈线网络矩阵3的发射信号输出端与末级收发组件模块2的发射信号输入端连接，末级收发组件模块2的发射信号输出端与天线单元1的信号发射端相连接；天线单元1的信号接收端与末级收发组件模块2的信号接收输入端相连，末级收发组件模块2的信号接收输出端通过馈线网络矩阵3与数字收发组件模块4上的接收信号输入端相连，数字收发组件模块4上的接收信号输出端与数字接收机的输入端相连，数字接收机的输出端与数字波束合成模块6的输入端相连，数字波束合成模块6的输出端与信号处理机7的输入端相连，信号处理机7的输出端与数据处理机8的输入端相连，数据处理机8的输出端与远程终端9和系统监控装置10的输入端相连。
MST雷达的天线共有24行×24列。天线单元采用八木天线，含有24×24＝576个天线振子，T/R组件同样有576个。馈线网络中含有24＋24＝48个功分/合成器，24路TR开关，以及天线阵面的连接电缆。数字T/R组件共有24个，通过1个DBF波束形成单元和1套信号处理系统将数据传输到1台数据处理机中处理。
从图1中可以看出，MST雷达从逻辑上分为两大部分：一部分是模拟部分，这部分含有天线单元（576个）、末级收发组件模块（576个）、馈线网络。这部分所有的同类型整件的电性能（幅相性能）都是一致的，可以相互替换。第二部分为数字部分，包括数字T/R模块（24个）、DBF波束形成单元、信号处理机、数据处理机和系统监测模块。这部分是实现数字阵列的关键部分，是整个雷达的智能部分。该部分中的数字T/R模块也具有互换性。
MST雷达系统采用数字阵列技术设计。雷达发射垂直向上的入射电波，可得到相对较大的回波功率。雷达为5波束探测，分别发射天顶、偏东α角、偏西α角、偏南α角、偏北α角（α为0∽20゜之间的任意角度）的多个波束，探测到大气运动在这5个方向上的径向回波分量，合成出大气运动的按高度分层的速度矢量和垂直气流分布。再根据回波信噪比以及谱宽等参数计算出大气折射率指数结构参数Cn2等重要大气参数的垂直分布。
雷达采用脉冲多普勒探测体制。天线阵面大小是100m×100m，由一个24行×24列组成的方阵。发射峰值功率≥170kW，占空比≤20%。相参的24路数字接收机激励经发射前级预放大，至一定的功率量级馈给24路功分器，每个功分器再将功率等分给24路天线阵子。天线阵子采用24×24等分布排列形式，每个天线阵子下面均带有一个收发组件，576个组件的收发幅度和相位均一致，单个辐射功率为300W，发射功率空间合成。
天线阵面576个末级收发组件模块化为144个户外单元，阵面48个行列馈组件、24个电源组件模块化为8个户外单元，其它功能组件均模块化为独立机箱结构，产品外观整体性强，系统走线最短。子模块独立设计，尽量减少各模块之间的功能交叉；同时模块的组合应尽可能采取树状结构，便于产品的拆卸和维修。
发射链工作流程：
（1）频率发生源产生的源信号输入数字T/R模块的DDS通道，经频率组合产生所需的工作频率信号。每个通道的工作频率信号经DDS移相后激励输出。每路输出的幅度相等，插入相位差由软件修正，DDS的差相移由指令控制；
（2）数字T/R模块的输出信号通过馈线电缆馈入T/R收发开关，收发开关掷在发射态。每个T/R收发开关发射路有相等的功率增益，输出一定功率（小功率）的信号到输出端口。每个T/R收发开关有两个输出端口，分别为行输出和列输出端口。由波控控制所有T/R收发开关的发射功率馈至其中的一个端口或另一个端口；
（3）由T/R收发开关输出的功率信号通过馈线馈至行扫描或列扫描网络，这些馈线网络的幅度相位相同；
（4）馈线网络再将信号输出到576个末级收发组件；
（5）在576个末级收发组件中，每个组件都将输入的发射信号放大到要求的发射功率，通过大功率开关馈到每个天线振子上；
（6）576个天线振子功率发射到空中，进行空间合成，照射目标。
发射链工作流程如图2所示。
接收链工作流程：
（1）576个天线单元接收由空间散射回来的回波信号，通过馈线馈给576个末级收发组件；
（2）每个末级收发组件的接收通道都含有一个固定增益的低噪声放大器，目的是改善系统噪声系数；
（3）末级收发组件中经过预放大的回波信号通过馈线系统馈至24路行扫描或24路列扫描馈线网络，在网络中完成回波信号功率合成；
（4）合成后的回波信号再经过馈线馈至T/R收发开关。此时T/R收发开关掷在接收态；
（5）T/R收发开关接收回来的信号经过馈线馈入数字接收机。进入接收机后，第一步进行功率放大，然后进行数字直接采样、正交；
（6）数字正交处理后的结果通过接口送给DBF波束形成器，进行配相和幅度加权，形成指定指向的接收波束回波数字信号。该数字信号送信号处理机；
（7）信号处理机对DBF送来的时域数字序列进行FFT运算，得到谱域结果。结果通过接口送至数据处理机；
（8）数据处理机计算分析信号处理机提供的FFT功率谱，得到各个距离门的噪声功率、信号功率、信噪比、谱宽、置信度等基础数据。经过进一步处理，可以由这些基础数据得到风廓线、风羽图、矢量图等产品文件。
MST雷达信号及数据处理分析流程见图3。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种数字阵列式MST雷达，其特征是它包括天线单元（1）、末级收发组件模块（2）、馈线网络矩阵（3）、数字收发组件模块（4）、频率源（5）、数字波束合成模块（6）、信号处理机（7）和数据处理机（8），所述的频率源（5）的输出与数字收发组件模块（4）的发射信号输入端相连，数字收发组件模块（4）的发射信号输出端与馈线网络矩阵（3）的发射信号输入端相连，馈线网络矩阵（3）的发射信号输出端与末级收发组件模块（2）的发射信号输入端连接，末级收发组件模块（2）的发射信号输出端与天线单元（1）的信号发射端相连接；天线单元（1）的信号接收端与末级收发组件模块（2）的信号接收输入端相连，末级收发组件模块（2）的信号接收输出端通过馈线网络矩阵（3）与数字收发组件模块（4）上的接收信号输入端相连，数字收发组件模块（4）上的接收信号输出端与数字接收机的输入端相连，数字接收机的输出端与数字波束合成模块（6）的输入端相连，数字波束合成模块（6）的输出端与信号处理机（7）的输入端相连，信号处理机（7）的输出端与数据处理机（8）的输入端相连，数据处理机（8）的输出端与远程终端（9）和系统监控装置（10）的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的数字阵列式MST雷达，其特征是所述的天线单元（1）为八木天线，天线单元（1）共有576（24×24）个天线振子；所述的末级收发组件模块（2）数量为576（24×24）个；所述的数字收发组件模块（4）的数量为24个。
3.一种权利要求1所述的天线雷达的信号发射方法，其特征是它包括以下步骤：    
（1）首先由频率源产生源信号，所述的源信号输入数字收入组件模块的直接数字式频率合成器（DDS）通道，经频率组合产生所需的工作频率信号；每个DDS通道的工作频率信号经DDS移相后激励输出；每路输出的幅度相等，插入相位差由软件修正，DDS的差相移由指令控制；
（2）数字收发组件模块激励输出的信号通过馈线电缆馈入数字收发组件模块中的T/R收发开关，T/R收发开关掷在发射态；每个T/R收发开关发射路经相等的功率增益后输出到输出端口。
4.每个T/R收发开关有两个输出端口，分别为行输出和列输出端口；由波控控制所有T/R收发开关的发射功率馈至其中的一个端口或另一个端口；
（3）由所述的T/R收发开关输出的功率信号通过馈线馈至行扫描或列扫描网络矩阵，这些馈线网络的幅度相位相同；
（4）馈线网络矩阵再将信号输出到末级收发组件模块中；
（5）在末级收发组件模块（576个T/R组件）中，每个组件都将输入的发射信号放大到要求的发射功率，通过大功率开关馈到每个天线振子上；
（6）最后由天线振子将信号发射到空中，进行空间合成，照射目标。
5.一种权利要求1所述的天线雷达的信号接收方法，其特征是它包括以下步骤：
（1由天线单元中的天线振子接收由空间散射回来的回波信号，通过馈线馈给末级收发组件模块；
（2）每个末级收发组件模块的接收通道都含有一个固定增益的低噪声放大器，目的是改善系统噪声系数；
（3）将末级收发组件模块中经过预放大的回波信号通过馈线系统馈至24路行扫描或24路列扫描馈线网络矩阵模块中，在馈线网络矩阵模块中完成回波信号的功率合成；
（4）将合成后的回波信号再经过馈线馈至数字收发组件模块中的T/R收发开关中，此时的T/R收发开关掷在接收态；
（5）将T/R收发开关接收回来的信号经过馈线馈入数字接收机，进入接收机后，第一步进行功率放大，然后进行数字直接采样、正交；
（6）将数字正交处理后的结果通过接口送给数字波束形成模块中，进行配相和幅度加权，形成指定指向的接收波束回波数字信号；再将该数字信号送信号处理机；
（7）信号处理机对数字波束形成模块送来的时域数字序列进行FFT运算，得到谱域结果，再将得到的谱域结果通过接口送至数据处理机；
（8）由数据处理机计算分析信号处理机提供的FFT功率谱，得到各个距离门的噪声功率、信号功率、信噪比、谱宽和置信度的基础数据，再经过处理得到所需的风廓线、风羽图和矢量图产品。
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