CN106772384A - 一种单极化毫米波测云雷达系统及气象测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单极化毫米波测云雷达系统及气象测量方法，所述的测云雷达系统包括控制计算机、信号处理模块、一个收发模块、一个天线和加电控制模块，所述控制计算机、信号处理模块、收发模块和天线依次电性连接，所述控制计算机还与所述加电控制模块电连接，所述加电控制模块分别与信号处理模块和收发模块电连接。本发明采用单发单收单极化体制，低功率收发一体化设计，降低了系统成本，使整个系统的大面积组网成为可能。

Description

一种单极化毫米波测云雷达系统及气象测量方法
技术领域
本发明涉及天气雷达测量领域，具体涉及一种单极化毫米波测云雷达系统及气象测量方法。
背景技术
传统的激光测云仪成本较低，但存在云层穿透能力差，受降水、气溶胶粒子等衰减大的缺点，不能全天候工作；而传统的毫米波测云雷达对云具有较好的探测效果，但采用双极化、高发射功率设计，使得雷达体积大、造价高，不适用于大规模布网。
发明内容
本发明提供了一种单极化毫米波测云雷达系统及气象测量方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种单极化毫米波测云雷达系统，包括控制计算机、信号处理模块、收发模块、天线和加电控制模块，所述控制计算机、信号处理模块、收发模块和天线依次电性连接，所述控制计算机还与所述加电控制模块电连接，所述加电控制模块分别与信号处理模块和收发模块电连接；
所述控制计算机，用于向所述加电控制模块发送各分系统加断电的控制指令，以及向所述信号处理模块发送雷达系统开始工作的控制指令；还用于接收所述信号处理模块发送的功率谱数据，经过反演生成二次数据产品；
所述加电控制模块，用于在接收到控制计算机发送的加断电的控制指令时，对信号处理模块和收发模块进行加断电操作；
所述信号处理模块，用于在接收到控制计算机发送的雷达系统开始工作的控制指令时，向所述收发模块发送波形控制命令；还用于接收所述收发模块返回的气象目标中频回波信号，经过处理生成功率谱数据，并输出至控制计算机；
所述收发模块，用于在接收到信号处理模块发送的波形控制命令时，产生相应的工作波形和相应的射频功率信号，将所述射频功率信号输出至所述天线；还用于接收天线返回的气象目标射频回波信号，经过处理生成气象目标中频回波信号，并输出至所述信号处理模块；
所述天线，用于将所述射频功率信号辐射至空间中，以及接收气象目标射频回波信号，并将所述气象目标射频回波信号输出至所述收发模块。
本发明的有益效果是：在系统中采用一个极化天线和一个收发模块，通过一个收发模块同时实现发射和接收的功能，采用单发单收单极化体制，低功率收发一体化设计，降低了系统成本，使整个系统的大面积组网成为可能。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以作如下改进。
进一步的，还包括天线罩，所述天线罩固定安装罩设于所述天线上。
进一步的，所述天线罩表面喷涂防水涂料。
所述进一步的有益效果为：在天线上设置天线罩，且天线罩具有防水功能，使得经天线辐射出去的射频功率信号在通过天线罩时，不会因雨水附着而产生大的衰减，从而提高整个雷达系统在雨天的探测能力。
进一步的，所述收发模块产生的射频功率信号为水平极化射频功率信号或者垂直极化射频功率信号。
所述进一步的有益效果为：收发模块产生的射频功率信号也为一个方向，即水平极化方向或者是垂直极化方向，同时采用单通道的接收单元，实现了单极化体制，降低了整个系统的成本。
进一步的，所述收发模块包括发射单元和单通道的接收单元，所述发射单元为低峰值功率、高占空比的发射单元。
所述进一步的有益效果为：收发模块中的发射单元采用低峰值功率、高占空比，以及接收单元采用单通道，降低系统成本。
为了解决本发明的技术问题，还提供了一种采用单极化毫米波测云雷达系统进行气象测量的方法，包括：
S1，信号处理模块接收到控制计算机发送的雷达系统开始工作的控制指令时，向收发模块发送波形控制命令；
S2，收发模块根据波形控制命令，产生相应的工作波形和相应的射频功率信号，并将产生的射频功率信号经过天线辐射至空间中；
S3，收发模块经天线接收返回的气象目标射频回波信号，并经过处理生成气象目标中频回波信号，输出至信号处理模块；
S4，信号处理模块对所述气象目标中频回波信号进行处理生成对应的功率谱数据，并将功率谱数据输出至控制计算机；
S5，控制计算机对功率谱数据进行反演生成二次数据产品。
本发明的有益效果为：在系统中采用一个极化天线和一个收发模块，通过一个收发模块同时实现发射和接收的功能，采用单发单收单极化体制，低功率收发一体化设计，降低了系统成本，使整个系统的大面积组网成为可能。
在上述技术方案的基础上，还可以作如下改进。
进一步的，还包括：
在所述天线上固定安装罩设有天线罩。
进一步的，所述天线罩表面喷涂防水涂料。
进一步的，所述收发模块产生的射频功率信号为水平极化射频功率信号或者垂直极化射频功率信号。
进一步的，所述二次数据产品包括回波强度、径向速度、速度谱宽、云底高、云顶高、云厚和云中水含量。
附图说明
图1为实施例1的一种单极化毫米波测云雷达系统连接框图；
图2为实施例2的一种采用单极化毫米波测云雷达系统进行气象测量的方法流程图。
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。
参见图1，为实施例1的一种单极化毫米波测云雷达系统，包括控制计算机、信号处理模块、收发模块、天线和加电控制模块，所述控制计算机、信号处理模块、收发模块和天线依次电性连接，所述控制计算机还与所述加电控制模块电连接，所述加电控制模块分别与信号处理模块和收发模块电连接；
所述控制计算机，用于向所述加电控制模块发送各分系统加断电的控制指令，以及向所述信号处理模块发送雷达系统开始工作的控制指令；还用于接收所述信号处理模块发送的功率谱数据，经过反演生成二次数据产品；
所述加电控制模块，用于在接收到控制计算机发送的加断电的控制指令时，对信号处理模块和收发模块进行加断电操作；
所述信号处理模块，用于在接收到控制计算机发送的雷达系统开始工作的控制指令时，向所述收发模块发送波形控制命令；还用于接收所述收发模块返回的气象目标中频回波信号，经过处理生成功率谱数据，并输出至控制计算机；
所述收发模块，用于在接收到信号处理模块发送的波形控制命令时，产生相应的工作波形和相应的射频功率信号，将所述射频功率信号输出至所述天线；还用于接收天线返回的气象目标射频回波信号，经过处理生成气象目标中频回波信号，并输出至所述信号处理模块；
所述天线，用于将所述射频功率信号辐射至空间中，以及接收气象目标射频回波信号，并将所述气象目标射频回波信号输出至所述收发模块。
应理解为，本实施例的整个测云雷达系统中只设计了一个天线，以及设计了一个集成一体化的收发模块，可以同时实现发射功能和接收功能，本实施例采用单发单收单极化的体制，相比于双极化测云雷达，降低了整个系统的成本，使整个系统的大面积组网成为可能。
本实施例中还包括固定安装罩设于天线上的天线罩，且天线罩表面喷涂防水涂料，能够防水，使得经天线辐射出去的射频功率信号在通过天线罩时，不会因雨水附着而产生大的衰减，从而提高整个雷达系统在雨天的探测能力。
其中，收发模块产生的射频功率信号为水平极化射频功率信号或者垂直极化射频功率信号。本实施设计一个极化方向的天线，对应的发射一个极化方向的射频功率信号，相比于双极化方向的天线，降低了整个系统的成本，使得整个系统的大面积组网成为可能。所述收发模块包括发射单元和单通道的接收单元，所述发射单元为低峰值功率、高占空比的发射单元，由于雷达系统的主要成本在发射极上，本实施例采用低峰值功率、高占空比的发射单元，以及采用单通道的接收单元，降低了整个雷达系统的成本，使得该雷达系统的大面积组网称为可能。
参见图2，为实施例2的一种采用单极化毫米波测云雷达系统进行气象测量的方法，包括：
S1，信号处理模块接收到控制计算机发送的雷达系统开始工作的控制指令时，向收发模块发送波形控制命令；
S2，收发模块根据波形控制命令，产生相应的工作波形和相应的射频功率信号，并经过天线将相应的射频功率信号辐射至空间中；
S3，收发模块经天线接收返回的气象目标射频回波信号，并经过处理生成气象目标中频回波信号，输出至信号处理模块；
S4，信号处理模块对所述气象目标中频回波信号进行处理生成对应的功率谱数据，并将功率谱数据输出至控制计算机；
S5，控制计算机对功率谱数据进行反演生成二次数据产品。
本实施例中在所述天线上固定安装罩设有天线罩，天线罩表面喷涂防水涂料，可防止雨水、雪等附着在天线上，使得经天线辐射出去的射频功率信号在通过天线罩时，不会因雨水附着而产生大的衰减，从而提高整个雷达系统在雨天的探测能力，同时也能够延长天线的使用寿命。
具体的，当需要控制毫米波测云雷达系统进行气象测量时，控制计算机向信号处理模块发送雷达系统开始工作的控制指令，同时也向加电控制模块发送各分系统的加断电控制指令。当加电控制模块接收到控制计算机发送的加断电控制指令时，对信号处理模块和收发模块进行加断电操作。当信号处理模块接收到控制计算机发送的雷达系统开始工作的控制指令时，向收发模块发送波形控制命令。当收发模块接收到信号处理模块的波形控制命令后，产生相应的工作波形，以及根据相应的工作波形产生对应的射频功率信号，并将产生的射频功率信号输出至天线。本实施例中，收发模块产生的射频功率信号为水平极化射频功率信号或者垂直极化射频功率信号。如果天线为水平极化天线，则收发模块产生的为水平极化射频功率信号，如果天线为垂直极化天线，则收发模块产生的为垂直极化射频功率信号。天线对射频功率信号进行放大，经过天线罩辐射至空间中，并接收气象目标散射回来的气象目标射频回波信号，并输出至收发模块。收发模块接收到天线返回的气象目标射频回波信号，对其进行放大、过滤、下变频等处理，生产气象目标中频信号输出至信号处理模块。信号处理模块对气象目标中频回波信号进行傅里叶变换、相干积累、非相干积累、质量控制等处理，生成对应的功率谱数据，并将功率谱数据发送给控制计算机。控制计算对功率谱数据进行识别、处理、反演，生成回波强度、径向速度、速度谱宽以及云底高、云顶高、云厚、云中水含量等二次数据产品。
本发明提供的一种单极化毫米波测云雷达系统及使用其进行气象测量的方法，采用单极化、低峰值功率设计，降低了雷达系统的成本，收发模块采用收发一体化设计以及模块化设计，实现了雷达系统的小型化设计，使整个系统的大面积组网成为可能；本申请克服了激光测云仪探测效果差，传统毫米波测云雷达体积大造价高的劣势，为云、雨等目标的观测提供了探测效果佳、成本低、体积小的解决方案。
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 (10)

1.一种单极化毫米波测云雷达系统，其特征在于，包括控制计算机、信号处理模块、一个收发模块、一个天线和加电控制模块，所述控制计算机、信号处理模块、收发模块和天线依次电性连接，所述控制计算机还与所述加电控制模块电连接，所述加电控制模块分别与信号处理模块和收发模块电连接；
所述控制计算机，用于向所述加电控制模块发送各分系统加断电的控制指令，以及向所述信号处理模块发送雷达系统开始工作的控制指令；还用于接收所述信号处理模块发送的功率谱数据，经过反演生成二次数据产品；
所述加电控制模块，用于在接收到控制计算机发送的加断电的控制指令时，对信号处理模块和收发模块进行加断电操作；
所述信号处理模块，用于在接收到控制计算机发送的雷达系统开始工作的控制指令时，向所述收发模块发送波形控制命令；还用于接收所述收发模块返回的气象目标中频回波信号，经过处理生成功率谱数据，并输出至控制计算机；
所述收发模块，用于在接收到信号处理模块发送的波形控制命令时，产生相应的工作波形和相应的射频功率信号，将所述射频功率信号输出至所述天线；还用于接收天线返回的气象目标射频回波信号，经过处理生成气象目标中频回波信号，并输出至所述信号处理模块；
所述天线，用于将所述射频功率信号辐射至空间中，以及接收返回的气象目标射频回波信号，并将所述气象目标射频回波信号输出至所述收发模块。
2.如权利要求1所述的单极化毫米波测云雷达系统，其特征在于，还包括天线罩，所述天线罩固定安装罩设于所述天线上。
3.如权利要求2所述的单极化毫米波测云雷达系统，其特征在于，所述天线罩表面喷涂防水涂料。
4.如权利要求2所述的单极化毫米波测云雷达系统，其特征在于，所述收发模块产生的射频功率信号为水平极化射频功率信号或者垂直极化射频功率信号。
5.如权利要求4所述的单极化毫米波测云雷达系统，其特征在于，所述收发模块包括发射单元和单通道的接收单元，所述发射单元为低峰值功率、高占空比的发射单元。
6.一种使用如权利要求1-5任一项所述的单极化毫米波测云雷达系统进行气象测量的方法，其特征在于，包括：
S1，信号处理模块接收到控制计算机发送的雷达系统开始工作的控制指令时，向收发模块发送波形控制命令；
S2，收发模块根据波形控制命令，产生相应的工作波形和相应的射频功率信号，并将产生的射频功率信号经过天线辐射至空间中；
S3，收发模块经天线接收返回的气象目标射频回波信号，并经过处理生成气象目标中频回波信号，输出至信号处理模块；
S4，信号处理模块对所述气象目标中频回波信号进行处理生成对应的功率谱数据，并将功率谱数据输出至控制计算机；
S5，控制计算机对功率谱数据进行反演生成二次数据产品。
7.如权利要求6所述的使用单极化毫米波测云雷达系统进行气象测量的方法，其特征在于，还包括：
在所述天线上固定安装罩设有天线罩。
8.如权利要求7所述的使用单极化毫米波测云雷达系统进行气象测量的方法，其特征在于，所述天线罩表面喷涂防水涂料。
9.如权利要求8所述的使用单极化毫米波测云雷达系统进行气象测量的方法，其特征在于，所述收发模块产生的射频功率信号为水平极化射频功率信号或者垂直极化射频功率信号。
10.如权利要求6所述的使用单极化毫米波测云雷达系统进行气象测量的方法，其特征在于，所述二次数据产品包括回波强度、径向速度、速度谱宽、云底高、云顶高、云厚和云中水含量。
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