CN105425213B - 一种气象雷达远距离射频传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气象雷达远距离射频传输方法及系统，其方法包括：步骤1：将射频信号通过上行光发射机转换为光信号；步骤2：将光信号通过光纤发送到上行光接收机，上行光接收机将光信号转换为射频信号并发送到多个接收子站；步骤3：所有接收子站将接收到的射频信号通过天线发送出；步骤4：低噪声放大器将通过天线接收的射频信号放大后传送至下行光发射机，下行光发射机将放大后的射频信号转换为光信号；步骤5：通过光纤将光信号发送到下行光接收机，下行光接收机对光信号进行处理得到射频信号。提高了激光器工作的稳定度。保证了接收到的电信号的失真尽可能小；保证气象雷达射频信号在长距离光纤中精确、稳定的进行传输。

Description

一种气象雷达远距离射频传输方法及系统

技术领域

本发明涉及一种气象雷达远距离射频传输方法及系统。

背景技术

气象雷达由于其工作的特殊性，设备经常安装在地理环境较为特殊的地方，如山顶、海岸、森林等。这些较为偏远的地理位置给设备运行、维护带来了许多不便，特别是无法保障工作人员的正常工作环境；此外，随着气象雷达的不断发展，天线阵面走线以及抗电磁干扰这些问题之间的矛盾随着阵面单元数量的不断增加而日益严重；同时，由于新技术的采用以及雷达各分系统之间需要传输的信息量大幅增加，雷达需要传输的数据量、数据率变高，传输的距离变长，采用传统的同轴电缆进行射频信号传输的方法具有损耗大、可靠性低和抗干扰能力差等缺点。

采用光纤传输射频信号能够有效的解决上述难题，光纤具有传输损耗低、传输频带宽、抗干扰能力强、线径细、重量轻及抗电磁干扰等优点，在整个雷达频率上光纤传输损耗几乎比同轴电缆和波导低三个数量级，并且在整个频段内其损耗对于任何调制信号都相同。光纤及大量光波器件均为介质材料，无电磁辐射，采用光纤传输技术不仅降低了重量和成本，还显著提高了抗电磁干扰(EMI)的能力。正是这些优点，使得光纤传输在雷达系统中的应用越来越广泛。

由于气象雷达需要对气象目标回波进行微弱信号检测，整个系统对精密度都有较高的要求。现有的光纤传输射频信号方法，由于其发射机、接收机、光纤存在系统噪声及非线性干扰，会严重影响气象雷达的探测结果，而且激光器容易受到环境因素影响，进一步干扰探测结果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种气象雷达远距离射频传输方法及系统，解决由于气象雷达布设位置造成的不便以及传统同轴电缆损耗大、不能远距离传输的问题，同时克服现有技术的不足，实现高质量的气象雷达射频信号传输。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种气象雷达远距离射频传输方法，具体包括以下步骤：

步骤1：将射频信号通过上行光发射机转换为光信号；

步骤2：将光信号通过光纤发送到上行光接收机，上行光接收机将光信号转换为射频信号并发送到多个接收子站；

步骤3：所有接收子站将接收到的射频信号通过天线发送出；

步骤4：低噪声放大器将通过天线接收的射频信号放大后传送至下行光发射机，下行光发射机将放大后的射频信号转换为光信号；

步骤5：通过光纤将光信号发送到下行光接收机，下行光接收机对光信号进行处理得到射频信号。

本发明的有益效果是：提高了激光器工作的稳定度。由低失真还原部分以及光功率检测部分组成的光接收机能够保证接收到的电信号的失真尽可能小；采用了传输系统链路负增益设计方案提高气象雷达的动态范围，并采用光前馈补偿技术解决激光调制电路的非线性失真问题，保证气象雷达射频信号在长距离光纤中精确、稳定的进行传输。

进一步，所述步骤1中除传输雷达射频信号外，还能够传输数字信号。

数字信号包括控制信号、同步信号和检测信号，采用编码的方式由控制中心发出，目的是向雷达子站的分系统下达指令或接受子站回馈的信息，数字信号的传输方式与模拟信号相同且不与模拟信号相互影响。

进一步，所述上行光发射机和下行光发射机将射频信号转换为光信号包括以下步骤：

a.接收射频信号，将射频信号转换为光信号；

b.光隔离器将光信号中的反射光进行隔离，获得处理后的光信号；

c.处理后的光信号通过光分路器处理为多路相同的子信号。

进一步，所述步骤a具体包括以下步骤：

a1.接收射频信号，将射频信号通过分支器分为两路与原始信号相同的射频信号，一路射频信号进入第一激光调制器；

a2.第一激光调制器将射频信号转换为原光信号，原光信号输出到光隔离器的同时，分支出另一路相同的原光信号输入到光检测器中；

a3.光检测器将原光信号转换为射频信号，此射频信号与分支器分离出的另一路射频信号进行混频，得到反干扰射频信号；反干扰射频信号通过第二激光调制器得到反干扰光信号；

a4.将反干扰光信号与原光信号进行叠加，得到光信号。

进一步，所述第一激光调制器和第二激光调制器对射频信号的处理包括：将射频信号的波形转换为电流变化；根据电流变化输出随电流变化的光信号。

进一步，所述激光调制器采用了包含自动温度控制(ATC)电路以及自动功率控制(APC)电路的分布反馈式激光器组件。

进一步，所述上行光接收机和下行光接收机将光信号转换为射频信号包括以下步骤：

d.光功率检测模块接收光信号检测获得光信号的功率数据，对功率数据进行处理，并生成指示信号；

e.将接收到的光信号转换为模拟射频信号，通过匹配网络去除噪声并提高信噪比，得到处理后的模拟信号；

f.根据指示信号调节合适的增益对处理后的模拟射频信号进行适当放大得到放大模拟射频信号；

g.对放大模拟射频信号再次进行放大得到射频信号并输出。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种气象雷达远距离射频传输系统，包括上行光发射机、上行光接收机、接收子站、低噪声放大器和下行光接收机；

所述上行光发射机用于将射频信号通过上行光发射机转换为光信号，将光信号通过光纤发送到上行光接收机；

所述上行光接收机用于将光信号转换为射频信号并发送到多个接收子站；

所有所述接收子站将接收到的射频信号通过天线发送出；

所述低噪声放大器将通过天线接收的射频信号放大后传送至下行光发射机，下行光发射机将放大后的射频信号转换为光信号，通过光纤将光信号发送到下行光接收机；

所述下行光接收机对光信号进行处理得到射频信号。

一、气象雷达射频信号远距离传输工作原理：

气象雷达射频光传输系统是利用光纤将控制中心的信号传输到5～100km外的一个或多个接受子站，并保证子站天线发射的信号与原始发射信号一致，从而实现气象雷达射频信号远距离传输功能。

当雷达处于探测模式时，首先由频率综合器产生探测需要的射频信号，然后将需传送的射频信号进行光调制后通过上行光纤向上行接收机传输；接收端将光信号转换为射频信号并传送至天线发射，回波信号经低噪声放大器放大后被下行光接收机转换为光信号并输送至下行光接收机，下行光接收机将回波信号恢复为射频信号；信号处理系统对获得的射频信号进行A/D转换、相参积累、非相参积累获得I/Q数据，并最后通过数据处理系统得到最终的探测结果。

光纤传输系统传包括模拟传输系统以及数字传输系统，其中模拟传输系统负责传输射频信号，而数字传输系统负责控制信号、同步定时信号、检测信号等数字信号的传输。

二、光发射机工作原理：

光发射机可根据传输信号类型分为模拟部分光发射机与数字部分光发射机。模拟部分光发射机通过改变流向激光器电流的方法将要发送的射频电信号直接调制在光载波上，使输出的光波强度随电信号变化。数字部分光发射机采用可编程逻辑器件以时分复用的方式实现雷达多路信号的传输，数字部分设计的关键在于确定编码的形式与编码的帧结构，插入帧码，以便在接收时数据同步，帧码有集中帧插入和分散帧插入两种形式；而编码形式的选取需遵循以下几个原则：提供足够的定时信息、比特序列独立性以及误码率低。常用的编码形式有mBnB、CMI、mB1C、扰码等。从帧结构和编码形式综合考虑，我们选择了CMI编码方式。

光发射机采用了分布反馈式(DFB)激光器组件。由于激光器易受到温度影响改变其工作状态，本发明所采用的DFB激光器包含的自动温度控制(ATC)电路能够通过调节制冷量使激光器工作在恒定的温度下；此外，为了保证功率的稳定输出，采用了自动功率控制器(APC)，使激光器能够准确根据驱动电流变化输出光信号。

三、光接收机工作原理：

在光接收机处，由激光探测器接收光信号并将其恢复成电信号，经过电路处理，将电信号还原为射频电信号输出。光接收核心单元主要有两大部分，分别为射频信号低失真还原部分和光功率监测部分。射频信号低失真还原部分主要由激光探测器、宽带高效高阻-低阻抗的阻抗变换匹配网络部分、低噪声放大部分、二级功放、输出保护部分组成。光功率监测部分主要由直流功率检测部分、功率计算处理部分、光功率指示部分组成。

光接收单元通过PIN光探测器将光信号转换为电信号；光接收单元有接收光功率指示功能；放大电路的增益应适当，保证接收到的电信号的失真尽可能小，也需要有一定的幅度来有效驱动接收机，满足雷达需求。

四、噪声抑制、信号质量增强：

由于气象目标的回波强度较弱，因此气象雷达容易受到噪声影响。为了满足气象雷达高动态范围(≥100dB)的要求，采用了传输系统链路负增益设计方案，在系统光发射机和光接收机的RF射频通道上，去掉了两个超低噪声系数放大器，理论上将使系统的噪声系数改善至少3dB，输入信号的动态范围也相应扩大。

激光器调制特性的非线性是光传输系统中主要的非线性失真来源，本光纤传输系统采用的是光前馈补偿技术，通过设计出一种与激光器具有相反失真特性的网络来进行补偿，这样激光器输出的光信号和输入的电信号(RF信号)便成线性关系，使线性指标达到系统设计要求。

附图说明

图1为本发明所述的一种气象雷达远距离射频传输方法流程图；

图2为本发明气象雷达信号光纤传输系统工作原理图；

图3为本发明气象雷达信号光纤传输系统模拟部分原理框图；

图4为本发明气象雷达信号光纤传输系统数字部分原理框图；

图5为本发明所述射频光发射机原理图；

图6为本发明所述激光器驱动单元原理组成结构图；

图7为本发明所述射频光接收机组成原理图；

图8为本发明光前馈补偿方案原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种气象雷达远距离射频传输方法，具体包括以下步骤：

步骤1：将射频信号通过上行光发射机转换为光信号；

步骤2：将光信号通过光纤发送到上行光接收机，上行光接收机将光信号转换为射频信号并发送到多个接收子站；

步骤3：所有接收子站将接收到的射频信号通过天线发送出；

步骤4：低噪声放大器将通过天线接收的射频信号放大后传送至下行光发射机，下行光发射机将放大后的射频信号转换为光信号；

步骤5：通过光纤将光信号发送到下行光接收机，下行光接收机对光信号进行处理得到射频信号。

一种气象雷达远距离射频传输系统，包括上行光发射机、上行光接收机、接收子站、低噪声放大器和下行光接收机；

所述上行光发射机用于将射频信号通过上行光发射机转换为光信号，将光信号通过光纤发送到上行光接收机；

所述上行光接收机用于将光信号转换为射频信号并发送到多个接收子站；

所有所述接收子站将接收到的射频信号通过天线发送出；

所述低噪声放大器将通过天线接收的射频信号放大后传送至下行光发射机，下行光发射机将放大后的射频信号转换为光信号，通过光纤将光信号发送到下行光接收机；

所述下行光接收机对光信号进行处理得到射频信号。

气象雷达射频信号远距离传输工作原理：

如图2所示，气象雷达射频光传输系统是利用光纤传输系统将控制中心的信号传输到5～100km外的接收子站天线处，并保证子站天线发射的信号与原始发射信号一致，从而实现气象雷达射频信号远距离传输功能。

当雷达处于探测模式时，首先由频率综合器产生探测需要的射频信号，然后将需传送的射频信号进行光调制后通过上行光纤向上行接收机传输；接收端将光信号转换为射频信号并放大后传送至天线发射，回波信号经低噪声放大器放大后被下行光接收机转换为光信号并输送至下行光接收机，下行光接收机将回波信号恢复为射频信号；信号处理系统对获得的射频信号进行A/D转换、相参积累、非相参积累获得I/Q数据，并最后通过数据处理系统得到最终的探测结果。

光纤传输系统传包括如图3所示的模拟传输系统以及如图4所示的数字传输系统，其中模拟传输系统负责传输射频信号，可根据具体需求选择子站天线的个数；而数字传输系统负责控制信号、同步定时信号、检测信号等数字信号的传输。控制信号的功能是实现系统的本控、遥控以及自动复位功能；同步定时信号实现主站与子站的同步与定时功能；检测信号实现对整个光纤传输系统的故障定位功能。数字信号采用编码的方式由控制中心发出，目的是向雷达子站的分系统下达指令或接受子站回馈的信息，数字信号的传输方式与模拟信号相同且不与模拟信号相互影响。

光发射机工作原理：

光发射机可根据传输信号类型分为模拟部分光发射机与数字部分光发射机。数字部分光发射机采用可编程逻辑器件以时分复用的方式实现雷达多路信号的传输，数字部分设计的关键在于确定编码的形式与编码的帧结构，插入帧码，以便在接收时同步数据，帧码有集中帧插入和分散帧插入两种形式；而编码形式的选取需遵循以下几个原则：提供足够的定时信息、比特序列独立性以及误码率低。常用的编码形式有mBnB、CMI、mB1C、扰码等。从帧结构和编码形式综合考虑，我们选择了CMI编码方式。模拟部分光发射机通过改变流向激光器电流的方法将要发送的射频电信号直接调制在光载波上，使输出的光波强度随电信号变化。

如图5所示，光发送机在组成上主要由射频信号处理单元、激光器驱动单元、光信号处理单元三部分组成。射频信号处理单元的功能是对射频信号进行整形，将射频信号的波形变化转换为电流变化并传送至激光驱动单元；激光器驱动单元根据接收到的电流变化，输出随电流变化的光波强度，并且由ATC保持激光器恒温、APC保证输出功率稳定随电流变化；光信号处理单元的功能是根据子站数量将光信号分为多路子信号发出，并通过光隔离器保证激光器的稳定工作状态。其中激光驱动单元采用了如图6所示分布反馈式(DFB)激光器组件，由于激光器易受到温度影响改变其工作状态，本发明所采用的DFB激光器包含的自动温度控制(ATC)电路，由小型制冷器、热敏元件及控制部分组成，热敏元件检测激光器的结温及环境温度，并与设定的基准温度相比较，若温度高于预设温度超过一定阈值则驱动制冷器，改变制冷量，从而保证激光器工作在恒定温度下；此外，为了保证功率的稳定输出，采用了自动功率控制器(APC)，APC通过驱动电流探测器接收随射频信号波形变化而变化的驱动电流，并控制激光器发射功率随电流的强度变化，同时控制激光器偏置电流，使激光器总是偏置在最佳工作状态。

光接收机工作原理：

在光接收机处，由激光探测器接收光信号并将其恢复成电信号，经过电路处理，将电信号还原为原始的射频电信号输出。如图7所示，光接收核心单元主要有两大部分，分别为射频信号低失真还原部分和光功率监测部分，接收到的光信号首先经过光功率检测部分，根据光信号功率大小由光功率指示器调节低失真还原部分的增益大小。射频信号低失真还原部分主要由激光探测器、宽带高效高阻-低阻抗的阻抗变换匹配网络部分、低噪声放大部分、输出驱动部分、输出保护部分组成。光功率监测部分主要由直流功率检测部分、功率计算处理部分、光功率指示部分组成。激光探测器能够将光信号转换为模拟信号，然后通过匹配网络去除噪声，提高模拟信号的信噪比，然后低噪声放大器根据光功率指示器的控制调节合适的增益对模拟信号进行放大，再通过二级功放进行再次放大后输出。输出保护部分的功能是预防增益过大导致信号对后面的电路产生损坏。

光接收单元通过PIN光探测器将光信号转换为电信号；光接收单元有接收光功率指示功能；放大电路的增益应适当，保证接收到的电信号的失真尽可能小，也需要有一定的幅度来有效驱动接收机，满足雷达需求。

噪声抑制、信号质量增强：

由于气象目标的回波强度较弱，因此气象雷达容易受到噪声影响。为了满足气象雷达高动态范围(≥100dB)的要求，采用了传输系统链路负增益设计方案，在系统光发射机和光接收机的RF射频通道上，去掉了两个超低噪声系数放大器，理论上将使系统的噪声系数改善至少3dB，输入信号的动态范围也相应扩大。

激光器调制特性的非线性是光传输系统中主要的非线性失真来源，因此在光发射机内应用了光前馈补偿技术来应对这一问题，如图8所示，宽带射频信号先进入激光调制电路，得到带有非线性失真的光信号，再将带有非线性失真的光信号通过光检测器还原成射频信号，继而与原始射频信号混频，这样就能够得到反向干扰信号，最后通过将受到干扰的光信号与反向干扰信号叠加，得到线性信号。这样激光器输出的光信号和输入的电信号(RF信号)便成线性关系，使线性指标达到系统设计要求。

至此，实现了气象雷达远距离射频传输。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种气象雷达远距离射频传输方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：将射频信号通过上行光发射机转换为光信号；

步骤2：将光信号通过光纤发送到上行光接收机，上行光接收机将光信号转换为射频信号并发送到多个接收子站；

步骤3：所有接收子站将接收到的射频信号通过天线发送出；

步骤4：低噪声放大器将通过天线接收的射频信号放大后传送至下行光发射机，下行光发射机将放大后的射频信号转换为光信号；

步骤5：通过光纤将光信号发送到下行光接收机，下行光接收机对光信号进行处理得到射频信号；

其中，所述上行光发射机与所述上行光接收机之间，所述下行光发射机与所述下行光接收机之间均采用传输系统链路负增益的设计方案，各去掉一个超低噪声系数放大器，以提高气象雷达信号的动态范围。

2.根据权利要求1所述的一种气象雷达远距离射频传输方法，其特征在于，所述步骤1中除传输雷达射频信号外，还传输数字信号。

3.根据权利要求2所述的一种气象雷达远距离射频传输方法，其特征在于，所述数字信号包括控制信号、同步信号和检测信号。

4.根据权利要求1所述的一种气象雷达远距离射频传输方法，其特征在于，所述步骤4中的下行光发射机将射频信号转换为光信号包括以下步骤：

a.接收射频信号，将射频信号转换为光信号；

b.光隔离器将光信号中的反射光进行隔离，获得处理后的光信号；

c.处理后的光信号通过光分路器处理为多路相同的子信号。

5.根据权利要求4所述的一种气象雷达远距离射频传输方法，其特征在于，所述步骤a具体包括以下步骤：

a1.接收射频信号，将射频信号通过分支器分为两路与原始信号相同的第一射频信号和第二射频信号，所述第一射频信号进入第一激光调制器；

a2.第一激光调制器将所述第一射频信号转换为原光信号，原光信号输出到光隔离器的同时，分支出另一路相同的原光信号输入到光检测器中；

a3.光检测器将原光信号转换为第三射频信号，所述第三射频信号与分支器分离出的所述第二射频信号进行混频，得到反干扰射频信号；反干扰射频信号通过第二激光调制器得到反干扰光信号；

a4.将反干扰光信号与原光信号进行叠加，得到光信号。

6.根据权利要求5所述的一种气象雷达远距离射频传输方法，其特征在于，所述第一激光调制器和第二激光调制器对射频信号的处理包括：将射频信号的波形转换为电流变化；根据电流变化输出随电流变化的光信号。

7.根据权利要求6所述的一种气象雷达远距离射频传输方法，其特征在于，所述第一激光调制器和第二激光调制器采用了包含自动温度控制ATC电路以及自动功率控制APC电路的分布反馈式激光器组件。

8.根据权利要求1所述的一种气象雷达远距离射频传输方法，其特征在于，所述步骤2中上行光接收机将光信号转换为射频信号包括以下步骤：

d.光功率检测模块接收光信号检测获得光信号的功率数据，对功率数据进行处理，并生成指示信号；

e.将接收到的光信号转换为模拟射频信号，通过匹配网络去除噪声并提高信噪比，得到处理后的模拟射频信号；

f.根据指示信号调节合适的增益对处理后的模拟射频信号进行放大得到放大模拟射频信号；

g.对放大模拟射频信号再次进行放大得到射频信号并输出。

9.一种气象雷达远距离射频传输系统，其特征在于，包括上行光发射机、上行光接收机、接收子站、低噪声放大器和下行光接收机；

所述上行光发射机用于将射频信号通过上行光发射机转换为光信号，将光信号通过光纤发送到上行光接收机；

所述上行光接收机用于将光信号转换为射频信号并发送到多个接收子站；

所有所述接收子站将接收到的射频信号通过天线发送出；

所述低噪声放大器将通过天线接收的射频信号放大后传送至下行光发射机，下行光发射机将放大后的射频信号转换为光信号，通过光纤将光信号发送到下行光接收机；

所述下行光接收机对光信号进行处理得到射频信号；

其中，所述上行光发射机与所述上行光接收机之间，所述下行光发射机与所述下行光接收机之间均采用传输系统链路负增益的设计方案，各去掉一个超低噪声系数放大器，以提高气象雷达信号的动态范围。