CN102508218A

CN102508218A - 风廓线雷达在线监控方法

Info

Publication number: CN102508218A
Application number: CN2011104110948A
Authority: CN
Inventors: 刘一峰; 樊文兵; 杜磊
Original assignee: Nanjing Enruite Industrial Co Ltd
Current assignee: Nanjing Enruite Industrial Co Ltd
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2031-12-12
Also published as: CN102508218B

Abstract

一种风廓线雷达在线监控方法，其特征是首先采用分布式监控系统，并将整个监控系统分为发射功率、天线反射功率、天线驻波系数、系统相干性、系统灵敏度、速度和动态范围七个监控模块；其次将馈线系统分为40个1/2等功分网络，并设计40个反向耦合口和40个前向耦合口；第三，在馈线系统中增加8个1/10等功分网络和2个1/4等功分网络，其中一个1/4等功分网络的总口带开关控制；第四，在发射前级中增设一个反射功率监测模块；在TR组件中增设一个发射功率监测模块；在接收机的发射通道中增设了1路测试信号输出，该信号的幅度和多普勒频偏均可调；在接收机的接收通道中增设1路15μs延迟线；在信号处理机中增设时域数据输出功能。本发明具有监控点完备、效率高、设备维护简单、成本低的优点。

Description

风廓线雷达在线监控方法

技术领域

本发明涉及一种雷达技术，尤其是一种风廓线雷达监控技术，具体地说是一种风廓线雷达在线监控方法。

背景技术

目前风廓线雷达有两种体制，一种是集中发射体制，另一种是分布式收发体制。在气象业务的使用中，风廓线雷达需要全年24小时连续不间断工作。因此在提高雷达自身可靠性的同时,必须在线监控雷达系统的状态，从而及时发现故障并排除。

在线监控系统的关键监控点是：“发射功率、天线反射功率、天线驻波系数、系统相干性、系统灵敏度、速度、动态范围”等七项。分布式收发体制的风廓线雷达具有可靠性高，易于维护的特点。但相比于集中发射体制只有一组收发模块而言，采用分布式收发体制的收发模块（TR模块/TR组件）有多组（一般大于10组），其在线监控系统就相对复杂。

发明内容

本发明的目的是针对现有的分布式风廓线雷达监控系统结构复杂造成监控方法相对复杂的问题，发明一种简洁高效的监控风廓线雷达在线监控方法。

本发明的技术方案是：

一种风廓线雷达在线监控方法，其特征是首先采用分布式监控系统，并将整个监控系统分为七个监控模块，七个监控模块分别是：发射功率、天线反射功率、天线驻波系数、系统相干性、系统灵敏度、速度和动态范围；其次将馈线系统分为40个1/2等功分网络，并设计40个反向耦合口和40个前向耦合口；第三，在馈线系统中增加8个1/10等功分网络和2个1/4等功分网络，其中一个1/4等功分网络的总口带开关控制；第四，在发射前级中增设一个反射功率监测模块；在TR组件中增设一个发射功率监测模块；在接收机的发射通道中增设了1路测试信号输出，该信号的幅度和多普勒频偏均可调；在接收机的接收通道中增设1路15μs延迟线；在信号处理机中增设时域数据输出功能。

所述的发射功率监控模块的监控方法是：当雷达处于正常工作状态时，每个TR组件内部的功率监测模块将其输出功率数值送给波束控制系统；波束控制系统将该模拟信号转换成数字信号，并将20个TR组件的输出功率数值汇总后通过RS485串口送给数据处理；数据处理软件通过串口获得波束控制系统送来的数字信号，经过计算得到发射功率的数值，并在软件界面上显示出来；当发射功率的数值超过正常范围时，软件界面显示故障并报警。

所述的天线反射功率监控模块的监控方法是：当雷达处于正常工作状态时，40个1/2等功分网络的-20dB反向耦合口将天线的反射信号收集，并经过4个1/10等功分网络、1个1/4等功分网络以及若干连接电缆将天线的反射信号合成一路送给发射前级；发射前级内的监测电路将该模拟信号转换成数字信号，并通过RS485串口送给数据处理；数据处理软件通过串口获得发射前级送来的数字信号，经过计算得到天线反射功率的数值，并在软件界面上显示出来；当天线反射功率和天线驻波的数值超过正常范围时，软件界面显示故障并报警。

所述的天线驻波系数监控模块的监控方法是：数据处理软件获得发射功率和天线反射功率的数值后，经过计算得到天线驻波的数值，并在软件界面上显示出来；

Figure 2011104110948100002DEST_PATH_IMAGE002

当天线驻波的数值超过正常范围时，软件界面显示故障并报警。

所述的系统相干性监控模块的监控方法是：当雷达处于标定状态时，40个1/2等功分网络的-30dB前向耦合口将发射耦合信号收集，并经过4个1/10等功分网络、1个1/4等功分网络以及若干连接电缆将天线的反射信号汇总送给接收机；接收机内的延迟电路将该信号延迟约15μs后进行功率放大，然后进行数字直接采样、正交，形成回波数字信号。该数字信号送信号处理机；信号处理机对接收机送来的时域数字序列进行64点～128点相干积累后将时域数字序列送给数据处理；数据处理软件将信号处理机送来的时域数字序列，经过计算对应距离门上的相位标准差得到相干性测试结果，并在软件界面上显示出来；当相干性测试结果超过正常范围时，软件界面显示故障并报警。

所述的系统灵敏度监控模块的监控方法是：当雷达处于标定状态时，接收机的测试端口输出功率可调的测试信号，经过若干连接电缆和1个1/4等功分网络、4个1/10等功分网络以及40个1/2等功分网络的-30dB前向耦合口将测试信号送给TR组件；TR组件中经过预放大的回波信号通过馈线系统馈至两个1/10加权合成网络和一个1/2等功分网络，在网络中完成回波信号功率合成；合成后的回波信号再经过馈线馈至接收机；进入接收机后，第一步进行功率放大，下变频，然后进行数字直接采样、正交，形成回波数字信号。该数字信号送信号处理机；信号处理机对接收机送来的时域数字序列进行FFT运算，得到谱域或时域结果。果通过接口送至数据处理机；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；数据处理软件识别测试信号的多普勒频率偏移、功率数值和信噪比数值，其最小可识别的信号功率就是系统灵敏度；数据处理软件将系统灵敏度数值在软件界面上显示，当测试结果超过正常范围时，显示故障并报警。

所述的速度监控模块的监控方法是：当雷达处于标定状态时，接收机的测试端口输出多普勒频偏可调的测试信号，经过若干连接电缆和1个1/4等功分网络、4个1/10等功分网络以及40个1/2等功分网络的-30dB前向耦合口将测试信号送给TR组件；TR组件中经过预放大的回波信号通过馈线系统馈至两个1/10加权合成网络和一个1/2等功分网络，在网络中完成回波信号功率合成；合成后的回波信号再经过馈线馈至接收机；进入接收机后，第一步进行功率放大，下变频，然后进行数字直接采样、正交，形成回波数字信号。该数字信号送信号处理机；信号处理机对接收机送来的时域数字序列进行FFT运算，得到谱域或时域结果。结果通过接口送至数据处理机；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。数据处理软件识别测试信号的多普勒频率偏移、功率数值和信噪比数值，并与正常状态下的数值进行比较；数据处理软件将速度测试结果在软件界面上显示，当测试结果超过正常范围时，显示故障并报警。

所述的动态范围监控模块的监控方法是：当雷达处于标定状态时，接收机的测试端口输出功率可调的测试信号，经过若干连接电缆和1个1/4等功分网络、4个1/10等功分网络以及40个1/2等功分网络的-30dB前向耦合口将测试信号送给TR组件；TR组件中经过预放大的回波信号通过馈线系统馈至两个1/10加权合成网络和一个1/2等功分网络，在网络中完成回波信号功率合成；合成后的回波信号再经过馈线馈至接收机；进入接收机后，第一步进行功率放大，下变频，然后进行数字直接采样、正交，形成回波数字信号。该数字信号送信号处理机；信号处理机对接收机送来的时域数字序列进行FFT运算，得到谱域或时域结果。结果通过接口送至数据处理机；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。数据处理软件识别测试信号的多普勒频率偏移、功率数值和信噪比数值，并与正常状态下的数值进行比较；数据处理软件将动态范围测试结果在软件界面上显示，当测试结果超过正常范围时，显示故障并报警。

本发明的有益效果：

1) 根据本发明的方法可设计出构架简洁、成本低的监控系统。

2) 本发明具有监控点完备、效率高的优点。

3) 使用本发明的设备维护简单、成本低。

4) 本发肯实现了雷达全自动在线监控，及时上报故障。

附图说明

图1是本发明的分布式收发体制风廓线雷达在线监控系统框图。

图2是本发明的在线监控系统工作流程图。

图3是本发明的发射功率监控流程图。

图4是本发明的天线反射功率监控流程图。

图5是本发明的天线驻波监控流程图。

图6是本发明的系统相干性监控流程图。

图7是本发明的系统灵敏度监控流程图。

图8是本发明的速度监控流程图。

图9是本发明的动态范围监控流程图。

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1-9所示。

一种风廓线雷达在线监控方法，首先采用分布式监控系统，并将整个监控系统分为七个监控模块，七个监控模块分别是：发射功率、天线反射功率、天线驻波系数、系统相干性、系统灵敏度、速度和动态范围；其次将馈线系统分为40个1/2等功分网络，并设计40个反向耦合口和40个前向耦合口；第三，在馈线系统中增加8个1/10等功分网络和2个1/4等功分网络，其中一个1/4等功分网络的总口带开关控制；第四，在发射前级中增设一个反射功率监测模块；在TR组件中增设一个发射功率监测模块；在接收机的发射通道中增设了1路测试信号输出，该信号的幅度和多普勒频偏均可调；在接收机的接收通道中增设1路15μs延迟线；在信号处理机中增设时域数据输出功能。

详述如下：

本实施例的分布式风廓线雷达采用全固态全相参脉冲多普勒（PD）体制，主要设备有天线馈系统、分布式全固态收发系统、数字接收系统、波束控制系统、信号处理系统、数据处理及产品生成系统、自动定标系统、用户终端等。技术上应用高可靠性全固态发射机、低噪声大动态范围数字接收机、有源相控阵列天线、数字信号处理、实时图象终端等新技术和工艺，具有高灵敏度、大动态、可靠性高、使用维护方便等特点。可全天候连续自动观测、数据处理、以及运行监控和标校。PD体制设计使本雷达能够在地杂波背景下测量大气湍流回波分布特性，同时可测量散射体径向速度和速度谱宽。风廓线雷达通过天顶、偏东15°、偏西15°、偏南15°、偏北15°五个波束位置在不同高度层的散射信号的积累和数据处理，可得到不同时刻的各高度层上的风廓线数据。

分布式收发体制风廓线雷达的天线阵面大小是3.3m×3.3m，共有20行×20列。天线单元采用微带双极化天线，含有20×20＝400个天线振子；TR组件20个，放置于天线阵面下方的两个户外机柜内，总发射峰值功率≥2kW，占空比≤10%；馈线网络中含有40个行馈、40个列馈、40个1/2等功分网络，以及天线阵面的连接电缆若干等。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。

在线监控系统与整个雷达系统相融合，达到了设计简洁成本低的目的。在线监控系统由数据处理软件全自动控制，无需操作人员干预，其工作流程图见图2。

在线监控系统设计了“发射功率、天线反射功率、天线驻波系数、系统相干性、系统灵敏度、速度、动态范围”等七项监控项目，其关键组成部分有：

1) 在馈线系统的40个1/2等功分网络中设计了40个反向耦合口和40个前向耦合口；

2) 在馈线系统中另外设计了8个1/10等功分网络、2个1/4等功分网络（其中一个的总口带开关控制）以及连接电缆若干；

3) 在发射前级中设计了反射功率监测模块；

4) 在TR组件中设计发射功率监测模块；

5) 在接收机的发射通道中设计了1路测试信号输出，该信号的幅度和多普勒频偏均可调；

6) 在接收机的接收通道中设计了1路15μs延迟线；

7) 在信号处理机中设计了时域数据输出功能；

8) 在数据处理软件中设计了“发射功率、天线反射功率、天线驻波系数、系统相干性、系统灵敏度、速度、动态范围”等七项全自动在线监控功能模块。

在线监测系统监控项目如下表：

Figure 2011104110948100002DEST_PATH_IMAGE004

在线监测系统工作流程图见图2，“发射功率、天线反射功率、天线驻波系数、系统相干性、系统灵敏度、速度、动态范围”等七项监控项目的监控方法如下。

1. 发射功率监控

1) 当雷达处于正常工作状态时，每个TR组件内部的功率监测模块将其输出功率数值送给波束控制系统；

2) 波束控制系统将该模拟信号转换成数字信号，并将20个TR组件的输出功率数值汇总后通过RS485串口送给数据处理；

3) 数据处理软件通过串口获得波束控制系统送来的数字信号，经过计算得到发射功率的数值，并在软件界面上显示出来；当发射功率的数值超过正常范围时，软件界面显示故障并报警。

发射功率监控流程图见图3。

2. 天线反射功率监控

1) 当雷达处于正常工作状态时，40个1/2等功分网络的-20dB反向耦合口将天线的反射信号收集，并经过4个1/10等功分网络、1个1/4等功分网络以及若干连接电缆将天线的反射信号合成一路送给发射前级；

2) 发射前级内的监测电路将该模拟信号转换成数字信号，并通过RS485串口送给数据处理；

3) 数据处理软件通过串口获得发射前级送来的数字信号，经过计算得到天线反射功率的数值，并在软件界面上显示出来；当天线反射功率和天线驻波的数值超过正常范围时，软件界面显示故障并报警。

天线反射功率监控流程图见图4。

3. 天线驻波监控

1) 数据处理软件获得发射功率和天线反射功率的数值后，经过计算得到天线驻波的数值，并在软件界面上显示出来；

2) 当天线驻波的数值超过正常范围时，软件界面显示故障并报警。

天线驻波监控流程图见图5。

4. 系统相干性监控

1) 当雷达处于标定状态时，40个1/2等功分网络的-30dB前向耦合口将发射耦合信号收集，并经过4个1/10等功分网络、1个1/4等功分网络以及若干连接电缆将天线的反射信号汇总送给接收机；

2) 接收机内的延迟电路将该信号延迟约15μs后进行功率放大，然后进行数字直接采样、正交，形成回波数字信号。该数字信号送信号处理机；

3) 信号处理机对接收机送来的时域数字序列进行64点~128点相干积累后将时域数字序列送给数据处理；

4) 数据处理软件将信号处理机送来的时域数字序列，经过计算对应距离门上的相位标准差得到相干性测试结果，并在软件界面上显示出来；当相干性测试结果超过正常范围时，软件界面显示故障并报警。

系统相干性监控流程图见图6。

5. 系统灵敏度监控

1) 当雷达处于标定状态时，接收机的测试端口输出功率可调的测试信号，经过若干连接电缆和1个1/4等功分网络、4个1/10等功分网络以及40个1/2等功分网络的-30dB前向耦合口将测试信号送给TR组件；

2) TR组件中经过预放大的回波信号通过馈线系统馈至两个1/10加权合成网络和一个1/2等功分网络，在网络中完成回波信号功率合成；

3) 合成后的回波信号再经过馈线馈至接收机；

4) 进入接收机后，第一步进行功率放大，下变频，然后进行数字直接采样、正交，形成回波数字信号。该数字信号送信号处理机；

5) 信号处理机对接收机送来的时域数字序列进行FFT运算，得到谱域或时域结果。结果通过接口送至数据处理机。

6) 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。数据处理软件识别测试信号的多普勒频率偏移、功率数值和信噪比数值，其最小可识别的信号功率就是系统灵敏度；

7) 数据处理软件将系统灵敏度数值在软件界面上显示，当测试结果超过正常范围时，显示故障并报警。

系统灵敏度监控流程图见图7。

6. 速度监控

1) 当雷达处于标定状态时，接收机的测试端口输出多普勒频偏可调的测试信号，经过若干连接电缆和1个1/4等功分网络、4个1/10等功分网络以及40个1/2等功分网络的-30dB前向耦合口将测试信号送给TR组件；

3) 合成后的回波信号再经过馈线馈至接收机；

6) 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。数据处理软件识别测试信号的多普勒频率偏移、功率数值和信噪比数值，并与正常状态下的数值进行比较；

7) 数据处理软件将速度测试结果在软件界面上显示，当测试结果超过正常范围时，显示故障并报警。

速度监控流程图见图8。

7. 动态范围监控

3) 合成后的回波信号再经过馈线馈至接收机；

7) 数据处理软件将动态范围测试结果在软件界面上显示，当测试结果超过正常范围时，显示故障并报警。

动态范围监控流程图见图9。

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

1.一种风廓线雷达在线监控方法，其特征是首先采用分布式监控系统，并将整个监控系统分为七个监控模块，七个监控模块分别是：发射功率、天线反射功率、天线驻波系数、系统相干性、系统灵敏度、速度和动态范围；其次将馈线系统分为40个1/2等功分网络，并设计40个反向耦合口和40个前向耦合口；第三，在馈线系统中增加8个1/10等功分网络和2个1/4等功分网络，其中一个1/4等功分网络的总口带开关控制；第四，在发射前级中增设一个反射功率监测模块；在TR组件中增设一个发射功率监测模块；在接收机的发射通道中增设了1路测试信号输出，该信号的幅度和多普勒频偏均可调；在接收机的接收通道中增设1路15μs延迟线；在信号处理机中增设时域数据输出功能。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的发射功率监控模块的监控方法是：当雷达处于正常工作状态时，每个TR组件内部的功率监测模块将其输出功率数值送给波束控制系统；波束控制系统将该模拟信号转换成数字信号，并将20个TR组件的输出功率数值汇总后通过RS485串口送给数据处理；数据处理软件通过串口获得波束控制系统送来的数字信号，经过计算得到发射功率的数值，并在软件界面上显示出来；当发射功率的数值超过正常范围时，软件界面显示故障并报警。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的天线反射功率监控模块的监控方法是：当雷达处于正常工作状态时，40个1/2等功分网络的-20dB反向耦合口将天线的反射信号收集，并经过4个1/10等功分网络、1个1/4等功分网络以及若干连接电缆将天线的反射信号合成一路送给发射前级；发射前级内的监测电路将该模拟信号转换成数字信号，并通过RS485串口送给数据处理；数据处理软件通过串口获得发射前级送来的数字信号，经过计算得到天线反射功率的数值，并在软件界面上显示出来；当天线反射功率和天线驻波的数值超过正常范围时，软件界面显示故障并报警。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的天线驻波系数监控模块的监控方法是：数据处理软件获得发射功率和天线反射功率的数值后，经过计算得到天线驻波的数值，并在软件界面上显示出来；

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的系统相干性监控模块的监控方法是：当雷达处于标定状态时，40个1/2等功分网络的-30dB前向耦合口将发射耦合信号收集，并经过4个1/10等功分网络、1个1/4等功分网络以及若干连接电缆将天线的反射信号汇总送给接收机；接收机内的延迟电路将该信号延迟约15μs后进行功率放大，然后进行数字直接采样、正交，形成回波数字信号；该数字信号送信号处理机；信号处理机对接收机送来的时域数字序列进行64点～128点相干积累后将时域数字序列送给数据处理；数据处理软件将信号处理机送来的时域数字序列，经过计算对应距离门上的相位标准差得到相干性测试结果，并在软件界面上显示出来；当相干性测试结果超过正常范围时，软件界面显示故障并报警。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的系统灵敏度监控模块的监控方法是：当雷达处于标定状态时，接收机的测试端口输出功率可调的测试信号，经过若干连接电缆和1个1/4等功分网络、4个1/10等功分网络以及40个1/2等功分网络的-30dB前向耦合口将测试信号送给TR组件；TR组件中经过预放大的回波信号通过馈线系统馈至两个1/10加权合成网络和一个1/2等功分网络，在网络中完成回波信号功率合成；合成后的回波信号再经过馈线馈至接收机；进入接收机后，第一步进行功率放大，下变频，然后进行数字直接采样、正交，形成回波数字信号；该数字信号送信号处理机；信号处理机对接收机送来的时域数字序列进行FFT运算，得到谱域或时域结果；结果通过接口送至数据处理机；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；数据处理软件识别测试信号的多普勒频率偏移、功率数值和信噪比数值，其最小可识别的信号功率就是系统灵敏度；数据处理软件将系统灵敏度数值在软件界面上显示，当测试结果超过正常范围时，显示故障并报警。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的速度监控模块的监控方法是：当雷达处于标定状态时，接收机的测试端口输出多普勒频偏可调的测试信号，经过若干连接电缆和1个1/4等功分网络、4个1/10等功分网络以及40个1/2等功分网络的-30dB前向耦合口将测试信号送给TR组件；TR组件中经过预放大的回波信号通过馈线系统馈至两个1/10加权合成网络和一个1/2等功分网络，在网络中完成回波信号功率合成；合成后的回波信号再经过馈线馈至接收机；进入接收机后，第一步进行功率放大，下变频，然后进行数字直接采样、正交，形成回波数字信号；该数字信号送信号处理机；信号处理机对接收机送来的时域数字序列进行FFT运算，得到谱域或时域结果；结果通过接口送至数据处理机；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；数据处理软件识别测试信号的多普勒频率偏移、功率数值和信噪比数值，并与正常状态下的数值进行比较；数据处理软件将速度测试结果在软件界面上显示，当测试结果超过正常范围时，显示故障并报警。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的动态范围监控模块的监控方法是：当雷达处于标定状态时，接收机的测试端口输出功率可调的测试信号，经过若干连接电缆和1个1/4等功分网络、4个1/10等功分网络以及40个1/2等功分网络的-30dB前向耦合口将测试信号送给TR组件；TR组件中经过预放大的回波信号通过馈线系统馈至两个1/10加权合成网络和一个1/2等功分网络，在网络中完成回波信号功率合成；合成后的回波信号再经过馈线馈至接收机；进入接收机后，第一步进行功率放大，下变频，然后进行数字直接采样、正交，形成回波数字信号；该数字信号送信号处理机；信号处理机对接收机送来的时域数字序列进行FFT运算，得到谱域或时域结果；结果通过接口送至数据处理机；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；数据处理软件识别测试信号的多普勒频率偏移、功率数值和信噪比数值，并与正常状态下的数值进行比较；数据处理软件将动态范围测试结果在软件界面上显示，当测试结果超过正常范围时，显示故障并报警。