CN109884641A

CN109884641A - 一种基于调频中断连续波的毫米波云雷达

Info

Publication number: CN109884641A
Application number: CN201910167254.5A
Authority: CN
Inventors: 张越; 林思夏; 曾仲毅
Original assignee: Nanjing Micrus Micro Electronic Technology LLC
Current assignee: Nanjing Micrus Micro Electronic Technology LLC
Priority date: 2019-03-06
Filing date: 2019-03-06
Publication date: 2019-06-14

Abstract

一种基于调频中断连续波的毫米波云雷达，包括：天线、高频箱和天线座；所述高频箱包括环流器、发射机、接收机、信号处理器、数据处理单元，以及电源模块；所述毫米波云雷达输出数据是按高度给出的云反射率强度、云垂直运动速度、云顶高度、云底高度等；所述毫米波云雷达采用调频中断连续波技术，较好地解决了大作用距离、高分辨率、无盲区快速探测的问题。

Description

一种基于调频中断连续波的毫米波云雷达

技术领域

本发明属于气象探测中云的测量技术领域，涉及一种基于调频中断连续波的毫米波云雷达。该毫米波云雷适用于民航机场、气象局自动气象观测站等地，测量雷达上空云的气象参数。

背景技术

大气中能量和水的循环是影响全球气候变化的最重要因素，其中云是联系这两种循环过程的纽带，降水则是这两种循环的一个基本过程。云是发生在高空的水汽凝结现象，由悬浮在大气中的微小水滴、冰晶微粒或二者混合的可见聚合物组成，其底部处于地面之上，液体质粒的最大直径在200μm左右，比这还要大的水滴形成降雨。云对地球的辐射收支可以产生很大的影响，其辐射强迫作用对于地球气候变化非常重要。云还是影响飞机起飞、着陆和飞行安全最重要的气象要素之一。云在天气系统发展、降水形成和大气辐射传输等物理过程以及国民经济的许多领域中都扮演着极其重要的角色。因此，对云的探测显得特别重要。

毫米波云雷达作为一种微波遥感探测方式，国内外的发展正如火如荼。对于云的监测，目前有大气透射仪、能见度仪等设备，这些设备均存在监视距离短的缺点，只能获得监视点的能见度情况。激光雷达能够大范围监视云，但由于激光无法穿透云，因此难以判断云的大小和范围。工作在毫米波段的云雷达已成为主动探测云参数的重要设备，其探测距离远，距离分辨率高，达到其它系统和方法所无法实现的效果。

依靠技术的发展，现有的毫米波云雷达多采用固态发射机。固态发射机的可靠性高，使用寿命长，深受用户欢迎。固态发射机存在峰值功率小、但连续工作能力强的特点。毫米波云雷达一般采用脉冲多普勒体制，也有采用连续波体制。脉冲多普勒体制云雷达在采用固态发射机时，由于固态发射机峰值功率低，为保证作用距离，需要使用脉冲编码及脉冲压缩技术，这就带来雷达观测时的盲区。脉冲编码越长，探测盲区就越大。为了探测盲区中的云的反射，需要发射短脉冲进行补盲，这带来回波信号之间归一化的困难，也使得完成一次探测的时间变长。

连续波体制是毫米波云雷达中常用的技术体制，采用低峰值功率大占空比的固态发射机，探测时没有盲区，也不需要对回波信号进行归一化。但是由于在发射的同时接收机接收信号，因此在设计时必须考虑接收与发射之间的隔离度要求，隔离度不够时发射信号就会阻塞接收机工作，甚至烧毁接收机。一般都需要采用两个天线分别用于发射和接收。这样设备体积重量都增加了一倍，对雷达的运输、安装都会出现更高要求。

本发明针对目前技术存在的问题，提出一种基于调频中断连续波的毫米波云雷达，达到理想的设计目标。

发明内容

为克服上述现有的不足，本发明目的在于提供一种基于调频中断连续波的毫米波云雷达，该毫米波云雷达具有设备简单、工作可靠、性能优秀的特点。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于调频中断连续波的毫米波云雷达，包括天线、高频箱单元和天线座；所述天线安装在所述高频箱单元上方，所述高频箱单元安装在所述天线座上；

所述高频箱单元包括环流器、发射机、接收机、信号处理单元、数据处理单元以及电源模块；所述天线与所述高频箱单元内环流器连接，所述环流器与所述发射机和所述接收机分别连接，所述发射机与所述接收机连接，所述接收机与所述信号处理单元连接，所述信号处理单元与数据处理单元连接，所述数据处理单元与接收机、发射机均有连接；

所述发射机通过所述环流器到天线发射信号，回波信号通过所述天线到环流器再到接收机，回波信号通过接收机的接收通道和数字接收单元，得到原始回波数据；原始回波数据输出到信号处理单元，进行滤波、二维FFT处理后，得到回波强度谱分布；数据处理单元对回波强度谱分布进行识别，得到按高度给出的云反射率强度、云垂直运动速度、速度谱宽、云顶高度及云底高度数据。

进一步地，所述天线采用卡赛格伦天线，所述天线上安装设有天线罩。该天线罩用以避开雨、雪等对天线工作的影响。

进一步地，所述发射机包括固态功率放大器和定向耦合器，定向耦合器将功率放大器的输出功率耦合后得到功率监测信号；所述接收机包括频率源、激励通道、接收通道、数字接收单元以及测试信号，所述频率源用于产生调频中断连续波信号，所述测试信号用于测试雷达接收性能；所述信号处理单元用于进行滤波、二维FFT处理；所述数据处理单元用于将信号处理单元处理的结果进行谱矩分析，得到回波强度、速度数据，反演得到云垂直分布数据。

进一步地，所述毫米波云雷达具有内监测工作模式，功率监测信号连接到接收机，通过接收机到数据处理单元的通道得到发射功率参数，测试信号连接到接收机，通过接收机到数据处理单元的通道得到接收通道参数。

进一步地，所述毫米波信号遇到云目标后散射返回，散射信号由卡赛格伦天线收集后输送到环流器，再输入到接收机的接收通道，接收通道中有低噪声放大器及混频器，散射信号与雷达频率源信号混频到中频后，输入到数字接收单元，在数字接收单元中进行A/D采样、滤波、放大、正交相位检测、数据抽取，最后由信号处理单元进行二维FFT计算，形成云回波信号功率谱。

进一步地，所述信号处理单元将数据传输到数据处理单元，数据处理单元对谱数据进行分析，获取所需的各参量。

本发明的工作原理：本发明的雷达工作在34GHz～36GHz频段，采用调频中断连续波体制，天线垂直向上照射，快速获取天线上方大气反射率，从而得到云的分布距离。雷达工作时，首先由数据处理单元按照确定的工作模式控制信号处理单元，信号处理单元控制接收机的频率源产生相应的调制信号，调制信号放大后成为激励信号，输出到发射机，固态发射机将激励信号放大，产生毫米波辐射信号，该信号穿过环流器传输到天线上，卡赛格伦天线将毫米波信号辐射出去。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明采用调频中断连续波技术，较好地解决了现在的毫米波云雷达探测中大作用距离、高分辨率、无盲区快速探测之间的矛盾；毫米波云雷达只需要一个天线，降低了设备量；毫米波云雷达无需补盲探测，提高了数据获取速度，并且不需要进行归一化处理，简化了雷达标定。

本发明的毫米波云雷达用于获取按高度给出的云反射率强度、云垂直运动速度、速度谱宽、云顶高度、云底高度等数据；毫米波云雷达产生调频中断连续波信号，较好地解决了大作用距离、高距离分辨率、快速探测、无盲区的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为本发明实施例中的采用调频中断连续波的毫米波云雷达示意图；

图2为本发明毫米波云雷达调频中断连续波信号形式示意图；

图3为本发明毫米波云雷达处理流程图。

具体实施方式

以下结合附图，由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

实施例：

如图1所示，一种基于调频中断连续波的毫米波云雷达，该毫米波云雷达工作在34GHz-36GHz频段；毫米波云雷达垂直于地面安装，向上发射电磁波，测量从地面到20km以上高空的云的参数。毫米波云雷达包括天线、高频箱单元和天线座；所述天线安装在所述高频箱单元上方，所述高频箱单元安装在所述天线座上。

进一步地，所述天线采用卡赛格伦天线，为了达到20km的探测高度，一般需要采用较大口径的天线，本实施例中的天线直径为1.5m(可以更大或略小)，为了防止雨雪影响雷达探测性能，在所述天线上安装有天线罩。

所述高频箱单元包括环流器、发射机、接收机、信号处理单元、数据处理单元以及电源模块；所述天线与所述高频箱单元内环流器连接，所述环流器与所述发射机和所述接收机分别连接，所述发射机与所述接收机连接，所述接收机与所述信号处理单元连接，所述信号处理单元与数据处理单元连接，所述数据处理单元与接收机、发射机均有连接。

在前述采用调频中断连续波技术的毫米波云雷达中，信号形式如图2所示。图2(a)是锯齿形调频连续波信号，图2(b)是用于发射控制的门信号，图2(c)是用于接收控制的门信号。发射与接收分时工作，满足发射机和接收机之间的良好隔离要求。发射与接收各占50％的工作时间，即占空比为50％。由于收发信号中断处理，所以称为调频中断连续波(FMICW)。在这个条件下，平均发射功率比调频连续波降低了3dB，需要通过增加超过3dB的SNR来克服隔离损耗，提高了系统抗噪声性能。

进一步地，图2(d)显示了发射信号的波形，图2(e)显示了接收信号的波形。从接收信号波形可以看出，雷达能够探测到较远的云目标，因为雷达照射远处云的时间更长，而照射较近的云目标的时间短。所幸的是，同样反射率的云在近处则回波强，在远处则回波弱，所以调频中断连续波体制适合云的探测。

进一步地，FMICW兼有线性调频连续波和脉冲体制的优点，一次测量可以获得多个距离上云的信息。调频连续波信号可以简单表示为：

x(t)＝cos(2π(f₁-αt/2)t),0≤t≤T (1)

式中：α是频率扫描率，f1是初始频率。

脉冲信号如式(2)所示：

式中：rect(t/T0)是一个脉冲宽度为T0的矩形脉冲信号，q是脉冲周期。那么，单个FMICW的表达式可认为是x(t)g(t)。用一个谱分布为F(ω)的信号f(t)调制x(t)，该信号送到接收机输入端，与延时时间为τ的FMICW信号混频并经过低通滤波后得到信号s(t)：

s(t)＝L{x′(t)x(t-τ)}＝c₁(1+m_am)f(t)cos[2π(ατt-f₀τ-ατ²/2)] (3)

式中：m_am是调幅系数。

进一步地，对s(t)信号采样，并进行一次FFT计算，可以得到在一个FMICW扫描周期中云雷达测量距离上不同距离处的云回波信号。这样连续进行m次测量后，对相同距离m个一次FFT结果进行第二次FFT处理，就可以获得每个距离处的云的功率谱。

在前述采用调频中断连续波技术的毫米波云雷达中，信号流程及处理步骤如图3所示。所述信号处理单元中的数字控制模块分别控制开关1和开关2，开关1的控制时序如图2(c)所示，开关2的控制时序如图2(b)所示。

进一步地，所述数字控制模块控制DDS模块产生如图2(a)所示的调频连续波信号，信号经过开关2后送至功放，功放的信号如图2(d)所示。功放将信号放大后通过谐波滤波器滤波后送到环流器，再到天线，天线将调频中断连续波信号发射出去。

进一步地，所述发射的调频中断连续波信号遇到云或其他目标反射回来，天线接收到回波信号。回波信号通过环流器后到达开关1，开关1只在不发射时才打开，让回波信号通过，此处的回波信号如图2(e)所示。所述回波信号再送到带通滤波器，滤除带外杂波。接着信号进入LNA(低噪声放大器)，放大后进行混频器，与DDS送来的信号进行混频，得到中频信号。考虑到抑制带外杂散，所述中频信号输入到低通滤波器进行滤波。所述中频信号再送入AGC(自动增益控制)模块，AGC由A/D转换器根据信号是否饱和进行增益控制，以扩大增益范围。所述中频信号再送入A/D转换器，变成数字信号。

进一步地，所述数字信号在数字域进行混频滤波，再加窗计算以降低距离副瓣，考虑到云的回波特性，这里采用汉明窗，其他窗也可以使用。加过汉明窗后，即进行第一次FFT计算，得到在一个FMICW扫描周期中不同距离处的回波信号。

进一步地，上述过程进行n次重复，如n＝64，将所述不同距离处的回波信号进行n次累加，即为相干积累。相干积累后的回波信号仍然是不同距离的回波信号，这样再进行m次重复，如m＝256，形成矩阵排列，矩阵行数即为m，矩阵列则按距离排列。这样连续进行m次测量后，按列对相同距离处m个一次FFT结果进行第二次FFT处理，得到每个距离处的目标的功率谱。

进一步地，所述第二次FFT处理的功率谱进行数字滤波，这里采用递归IIR滤波，也可以采用其他方法滤波。滤波后的数据通过点目标识别算法进行点目标剔除。剔除后的功率谱再进行多次非相干积累，进行谱平均处理。这样形成最终的功率谱，对此功率谱进行谱矩识别，分别求零阶矩、一阶矩、二阶矩。功率谱及所求的矩均需存储在数据处理单元中，供离线分析使用。

本实施例未披露的部分均采用的是现有技术。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种基于调频中断连续波的毫米波云雷达，其特征在于：包括天线、高频箱单元和天线座；所述天线安装在所述高频箱单元上方，所述高频箱单元安装在所述天线座上；

2.根据权利要求1所述的基于调频中断连续波的毫米波云雷达，其特征在于：所述天线采用卡赛格伦天线，所述天线上安装设有天线罩。

3.根据权利要求1所述的基于调频中断连续波的毫米波云雷达，其特征在于：所述发射机包括固态功率放大器和定向耦合器，定向耦合器将功率放大器的输出功率耦合后得到功率监测信号；所述接收机包括频率源、激励通道、接收通道、数字接收单元以及测试信号，所述频率源用于产生调频中断连续波信号，所述测试信号用于测试雷达接收性能；所述信号处理单元用于进行滤波、二维FFT处理；所述数据处理单元用于将信号处理单元处理的结果进行谱矩分析，得到回波强度、速度数据，反演得到云垂直分布数据。