CN109975808A - 一种分布式mimo气象雷达探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气象雷达探测系统技术领域，且公开了一种分布式MIMO气象雷达探测系统，包括数量不等的多个发射站和接收站及一个数据处理中心，发射站包括发射天线、发射模块、信号产生模块和信号处理模块，接收站包括接收天线、接收模块和信号/数据处理模块，发射站和接收站均设置有时间同步模块、通信模块和伺服机构，数据处理中心包括控制单元、监测单元、数据处理平台、数据传输中心和数据存储单元，信号处理模块用于向数据处理中心发射参数并接收控制命令，信号/数据处理模块用于数据采集和向数据处理中心传输探测数据。该分布式MIMO气象雷达探测系统，具备可以实现时间和空间的同步作业，融合出来的数据可信度高等优点。

Description

一种分布式MIMO气象雷达探测系统

技术领域

本发明涉及气象雷达探测系统技术领域，具体为一种分布式MIMO气象雷达探测系统。

背景技术

气象雷达根据云雨降水或大气湍流目标物对电磁波的散射特性来探测大气参量，并测定其空间位置、强弱分布、相态特征等，从而了解气象目标的生消演变和移向移速，是完成气象实时观测及天气预报的最有效手段。从二次世界大战后雷达技术引用到气象部门至今已有70多年历史，目前约有1000部以上的气象雷达布设在全世界各地机场或周围地区。

现有的单站气象雷达能较好地观测中尺度环流，但只能获取气象目标的径向速度分量，并且受地球曲率的影响，在较远距离处会存在很大的低空盲区。多部气象雷达组网形成网络化雷达系统，但由于网络化雷达扫描速度慢，合成误差大，在小尺度天气探测中仍然见效甚微。公开号为“CN104730524B”的专利中提出采用阵列天气雷达探测系统，需要在一定的假设条件下使用，很大限制了其应用，同时误差也比较大；同时，由于此方法是在信息级的数据融合，时间和空间不能完全同步，因此融合出来的数据可信度低，无法获取气象目标真实的三维场分布，无法真实揭示空间尺度小、变化快的小尺度大气环流精细化结构。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种分布式MIMO气象雷达探测系统，具备可以实现时间和空间的同步作业，融合出来的数据可信度高等优点，解决了由于此方法是在信息级的数据融合，时间和空间不能完全同步，因此融合出来的现有技术中，数据可信度低，无法获取气象目标真实的三维场分布，无法真实揭示空间尺度小、变化快的小尺度大气环流精细化结构的问题。

(二)技术方案

为实现可以实现时间和空间的同步作业的目的，本发明提供如下技术方案：一种分布式MIMO气象雷达探测系统，包括数量不等的多个发射站和接收站及一个数据处理中心，所述发射站包括发射天线、发射模块、信号产生模块和信号处理模块，所述接收站包括接收天线、接收模块和信号/数据处理模块，所述发射站和接收站均设置有时间同步模块、通信模块和伺服机构，所述数据处理中心包括控制单元、监测单元、数据处理平台、数据传输中心和数据存储单元，所述信号处理模块用于向数据处理中心发射参数并接收控制命令，所述信号/数据处理模块用于数据采集和向数据处理中心传输探测数据，所述数据处理中心用于将收到的回波数据融合为三维反射率因子场和三维速度场，完成发射站、接收站与数据处理中心间的通信、及数据存储和分发。

进一步的，所述发射站的数量至少为一个，所述接收站的数量至少为三个，所述接收站呈星形分布在发射站的四周，用于对三维探测区域进行扫描。

进一步的，所述发射站的数量有三个，所述接收站的数量为四个，所述发射站和接收站呈蜂窝式布局，三个所述发射站同时扫描且频率不同，每个所述接收站设置有三个接收通道，三个所述接收通道分别用于接收不同发射站发射信号的回波。

进一步的，相邻所述发射站和接收站之间的距离为5千米～60千米。

进一步的，所述发射天线采用抛物面天线，所述发射天线的水平面旋转扫描角度为360°，所述发射天线的竖直面扫描角度为-2°～92°。

进一步的，所述接收天线包括6个方位宽波束裂缝天线和1个抛物面天线，每个所述方位宽波束裂缝天线覆盖方位为水平面旋转扫描60°、竖直面扫描0°～20°，6个方位宽波束裂缝天线共同覆盖水平面360°和竖直面0°～20°的扫描范围，所述方位宽波束裂缝天线和抛物面天线均接入接收模块；所述发射天线的口径为1m，所述发射天线的转速为2rpm，所述接收天线的口径为1m，所述接收天线的转速为2rpm，接收通道为3个。

进一步的，所述信号/数据处理模块采用相参处理或者非相参处理。

进一步的，所述射站、接收站与数据处理中心之间的通过数据传输链路传输信号，所述数据传输链路包括雷达专用信道和通用信道。

进一步的，所述发射天线包括天线主体，所述天线主体的下方固定连接有对称的两个安装板，两个所述安装板之间固定连接有第一转轴和第一固定轴，所述第一转轴的两端均贯穿两侧的安装板的侧壁，且均固定连接有固定板，所述固定板的底端固定连接有第一支撑杆，所述第一支撑杆的底端固定安装有转盘，所述转盘的上表面远离天线主体的一侧开设有T形滑槽，所述T形滑槽的内部滑动连接有多个T形块，多个所述T形块的顶端均伸出T形滑槽，且共同固定连接有滑板，所述滑板的顶端固定安装有电动推杆，所述第一固定轴的一侧固定连接有连接杆，所述连接杆远离第一固定轴的一端与电动推杆的活塞端铰接，所述转盘的下方设置有驱动箱，所述驱动箱的内底部固定连接有轴承座和驱动电机，所述轴承座上通过轴承转动连接有转杆，所述转杆的顶端与转盘的下表面固定连接，所述转杆的侧壁上固定连接有从动齿轮，所述驱动电机侧输出端通过联轴器固定连接有主动齿轮，所述主动齿轮与从动齿轮相啮合。

本发明还提出了一种分布式MIMO气象雷达系统探测气象目标的方法，包括以下步骤，

S1：按照蜂窝状方式布设发射站和接收站，每个发射站周围可布置6个接收站，每个接收站周围可布置3个发射站，形成一个三维探测区域；

S2：一个三维探测区域内的发射天线对探测区域进行扫描，接收天线分别接收回波信号，获得探测区域内降水粒子或大气湍流的强度数据和径向速度数据；

S3：通过发射站、接收站与数据处理中心之间的数据传输链路将步骤S2中获得的数据传到数据处理中心；

S4：数据处理中心对步骤S2的数据进行合成，得到三维反射率因子场Z值和大气三维速度场V值或测站上空大气三维风场的垂直廓线。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种分布式MIMO气象雷达探测系统，具备以下有益效果：

1、该分布式MIMO气象雷达探测系统，通过设置带有接收站、发射站和数据处理中心的雷达探测系统，将接收站和发射站按照蜂窝式分布，接收站接收发射站发射信号的回波，发射站从不同的扫描角度起始观测，在一个扫描周期内，目标被各接收站分时观测，因此能获得高时空分辨率、高精度的三维云雨粒子速度场与强度场信息，采用多个发射天线和接收天线构成分布式MIMO气象雷达探测系统，实现信号级的数据融合系统，综合利用各通道的回波数据，时间和空间完全同步，获取真实的气象目标三维场分布，真实揭示空间尺度小、变化快的小尺度环流，克服数据合成误差大的缺点，提高雷达对气象目标的检测和参数估计性能。

附图说明

图1为本发明提出的一种分布式MIMO气象雷达探测系统的系统架构图；

图2为本发明提出的一种分布式MIMO气象雷达探测系统的星形探测区域示意图；

图3为本发明提出的一种分布式MIMO气象雷达探测系统的蜂窝状探测区域示意图；

图4为本发明提出的一种分布式MIMO气象雷达探测系统蜂窝状探测区域示意图的扩展示意图；

图5为本发明提出的一种分布式MIMO气象雷达探测系统的发射天线的结构示意图。

图中：TX为发射站，RX为接收站，1天线主体、2安装板、3固定板、4第一支撑杆、5转盘、6滑板、7电动推杆、8连接杆、9驱动箱、10轴承座、11驱动电机、12转杆、13从动齿轮、14主动齿轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，一种分布式MIMO气象雷达探测系统，包括数量不等的多个发射站和接收站及一个数据处理中心，发射站包括发射天线、发射模块、信号产生模块和信号处理模块，接收站包括接收天线、接收模块和信号/数据处理模块，发射站和接收站均设置有时间同步模块、通信模块和伺服机构，其中接收天线为接收站前端，接收模块、信号/数据处理模块、时间同步模块、通信模块及伺服机构为接收站后端，发射天线为发射站前端，发射模块、信号产生模块、信号处理模块、时间同步模块、通信模块和伺服机构为发射站后端，发射站也可以包括接收站中接收天线后的整个系统，以构成一个完整的气象雷达，数据处理中心包括控制单元、监测单元、数据处理平台、数据传输中心和数据存储单元，信号处理模块用于向数据处理中心发射参数并接收控制命令，信号/数据处理模块用于数据采集和向数据处理中心传输探测数据，数据处理中心用于将收到的回波数据融合为三维反射率因子场和三维速度场，完成发射站、接收站与数据处理中心间的通信、及数据存储和分发。

发射站的数量至少为一个，接收站的数量至少为三个，接收站呈星形分布在发射站的四周，发射站居于星形结构中心，接收站分布在星形结构的周围，用于对三维探测区域进行扫描，三个接收站分别获取发射站照射的气象目标的强度、速度，三组强度数据分别为：z₁(x,y,z)、z₂(x,y,z)、z₃(x,y,z)，三组径向速度分别为：v₁(x,y,z)、v₂(x,y,z)、v₃(x,y,z)。数据处理中心通过数据传输中心得到三组强度数据：z₁(x,y,z)、z₂(x,y,z)、z₃(x,y,z)，采用加权平均法得到空间单元的强度；得到三组径向速度分别为：v₁(x,y,z)、v₂(x,y,z)、v₃(x,y,z)，采用两两合成的方法计算得到三维风场，即先将v₁(x,y,z)、v₂(x,y,z)进行径向速度合成，再对已经合成的速度与v₃(x,y,z)合成。

发射站的数量有三个，接收站的数量为四个，发射站和接收站呈蜂窝式布局，三个发射站同时扫描且频率不同，每个接收站设置有三个接收通道，三个接收通道分别用于接收不同发射站发射信号的回波，多个发射站与多个接收站形成蜂窝状布局。如此可以不断扩展分布式MIMO雷达的探测区域，这样不仅能获取近距离和低空气象信息，还能获取天顶气象信息，实现全天空覆盖。

相邻发射站和接收站之间的距离为5千米～60千米。

发射天线采用抛物面天线，发射天线的水平面旋转扫描角度为360°，发射天线的竖直面扫描角度为-2°～92°。

接收天线包括6个方位宽波束裂缝天线和1个抛物面天线，每个方位宽波束裂缝天线覆盖方位为水平面旋转扫描60°、竖直面扫描0°～20°，6个方位宽波束裂缝天线共同覆盖水平面360°和竖直面0°～20°的扫描范围，方位宽波束裂缝天线和抛物面天线均接入接收模块，发射天线的口径为1m，发射天线的转速为2rpm，接收天线的口径为1m，接收天线的转速为2rpm，接收通道为3个，接收站根据指令要求选择裂缝天线或者抛物面天线接入接收站后端，这样不仅能获取近距离和低空气象信息，还能获取天顶气象信息，实现全空域覆盖，而通过工作过程中选择不同的接收天线，本探测系统的工作模式有：警戒模式、降水模式和测风探测，其中警戒模式中接收天线选择方位宽波束裂缝天线，扫描速度快，适合用于发现和监视强回波目标的出现和移动；降水模式中接收天线选择抛物面天线，弱回波探测能力强，主要用于探测云雨等降水目标的三维精细化结构；测风模式中接收天线选择抛物面天线，以高仰角扫描为主，主要针对大气湍流目标，探测资料用于反演测站上空的大气三维风场。系统工作时，用户可根据需要选择任意一种探测模式，也可以将上述工作模式组合成作业表，按照一定的顺序或时间自动切换。

分布式MIMO气象雷达探测系统可工作在频率分集或极化分集状态下，接收站的处理可采用相参处理或者非相参处理。分布式MIMO气象雷达探测系统在极化分集工作时，可实现双偏振探测，成为分布式MIMO双偏振气象雷达探测系统。

发射站、接收站与数据处理中心之间的通过数据传输链路传输信号，数据传输链路包括雷达专用信道和通用信道，其中用雷达专用信道传输探测指令和探测信息，分布式MIMO气象雷达探测系统可以完全独立运行；而采用通用信道传输探测指令和探测信息，对分布式MIMO气象雷达探测系统的技术要求低。

发射天线包括天线主体1，天线主体1的下方固定连接有对称的两个安装板2，两个安装板2之间固定连接有第一转轴和第一固定轴，第一转轴的两端均贯穿两侧的安装板2的侧壁，且均固定连接有固定板3，固定板3的底端固定连接有第一支撑杆4，第一支撑杆4的底端固定安装有转盘5，转盘5的上表面远离天线主体1的一侧开设有T形滑槽，T形滑槽的内部滑动连接有多个T形块，多个T形块的顶端均伸出T形滑槽，且共同固定连接有滑板6，滑板6的顶端固定安装有电动推杆7，第一固定轴的一侧固定连接有连接杆8，连接杆8远离第一固定轴的一端与电动推杆7的活塞端铰接，转盘5的下方设置有驱动箱9，驱动箱9的内底部固定连接有轴承座10和驱动电机11，轴承座10上通过轴承转动连接有转杆12，转杆12的顶端与转盘5的下表面固定连接，转杆12的侧壁上固定连接有从动齿轮13，驱动电机11侧输出端通过联轴器固定连接有主动齿轮14，主动齿轮14与从动齿轮13相啮合。

本发明还提供一种分布式MIMO气象雷达系统探测气象目标的方法，包括以下步骤，

S1：按照蜂窝状方式布设发射站和接收站，每个发射站周围可布置6个接收站，每个接收站周围可布置3个发射站，形成一个三维探测区域；

S2：一个三维探测区域内的发射天线对探测区域进行扫描，接收天线分别接收回波信号，获得探测区域内降水粒子或大气湍流的强度数据和径向速度数据；

S3：通过发射站、接收站与数据处理中心之间的数据传输链路将步骤S2中获得的数据传到数据处理中心；

S4：数据处理中心对步骤S2的数据进行合成，得到三维反射率因子场Z值和大气三维速度场V值或测站上空大气三维风场的垂直廓线。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种分布式MIMO气象雷达探测系统，包括数量不等的多个发射站和接收站及一个数据处理中心，其特征在于：所述发射站包括发射天线、发射模块、信号产生模块和信号处理模块，所述接收站包括接收天线、接收模块和信号/数据处理模块，所述发射站和接收站均设置有时间同步模块、通信模块和伺服机构，所述数据处理中心包括控制单元、监测单元、数据处理平台、数据传输中心和数据存储单元，所述信号处理模块用于向数据处理中心发射参数并接收控制命令，所述信号/数据处理模块用于数据采集和向数据处理中心传输探测数据，所述数据处理中心用于将收到的回波数据融合为三维反射率因子场和三维速度场，完成发射站、接收站与数据处理中心间的通信、及数据存储和分发。

2.根据权利要求1所述的一种分布式MIMO气象雷达探测系统，其特征在于：所述发射站的数量至少为一个，所述接收站的数量至少为三个，所述接收站呈星形分布在发射站的四周，用于对三维探测区域进行扫描。

3.根据权利要求1所述的一种分布式MIMO气象雷达探测系统，其特征在于：所述发射站的数量有三个，所述接收站的数量为四个，所述发射站和接收站呈蜂窝式布局，三个所述发射站同时扫描且频率不同，每个所述接收站设置有三个接收通道，三个所述接收通道分别用于接收不同发射站发射信号的回波。

4.根据权利要求1所述的一种分布式MIMO气象雷达探测系统，其特征在于：相邻所述发射站和接收站之间的距离为5千米～60千米。

5.根据权利要求1所述的一种分布式MIMO气象雷达探测系统，其特征在于：所述发射天线采用抛物面天线，所述发射天线的水平面旋转扫描角度为360°，所述发射天线的竖直面扫描角度为-2°～92°。

6.根据权利要求1所述的一种分布式MIMO气象雷达探测系统，其特征在于：所述接收天线包括6个方位宽波束裂缝天线和1个抛物面天线，每个所述方位宽波束裂缝天线覆盖方位为水平面旋转扫描60°、竖直面扫描0°～20°，6个方位宽波束裂缝天线共同覆盖水平面360°和竖直面0°～20°的扫描范围，所述方位宽波束裂缝天线和抛物面天线均接入接收模块；所述发射天线的口径为1m，所述发射天线的转速为2rpm，所述接收天线的口径为1m，所述接收天线的转速为2rpm，接收通道为3个。

7.根据权利要求1所述的一种分布式MIMO气象雷达探测系统，其特征在于：所述信号/数据处理模块采用相参处理或者非相参处理。

8.根据权利要求1所述的一种分布式MIMO气象雷达探测系统，其特征在于：所述射站、接收站与数据处理中心之间的通过数据传输链路传输信号，所述数据传输链路包括雷达专用信道和通用信道。

9.根据权利要求1所述的一种分布式MIMO气象雷达探测系统，其特征在于：所述发射天线包括天线主体(1)，所述天线主体(1)的下方固定连接有对称的两个安装板(2)，两个所述安装板(2)之间固定连接有第一转轴和第一固定轴，所述第一转轴的两端均贯穿两侧的安装板(2)的侧壁，且均固定连接有固定板(3)，所述固定板(3)的底端固定连接有第一支撑杆(4)，所述第一支撑杆(4)的底端固定安装有转盘(5)，所述转盘(5)的上表面远离天线主体(1)的一侧开设有T形滑槽，所述T形滑槽的内部滑动连接有多个T形块，多个所述T形块的顶端均伸出T形滑槽，且共同固定连接有滑板(6)，所述滑板(6)的顶端固定安装有电动推杆(7)，所述第一固定轴的一侧固定连接有连接杆(8)，所述连接杆(8)远离第一固定轴的一端与电动推杆(7)的活塞端铰接，所述转盘(5)的下方设置有驱动箱(9)，所述驱动箱(9)的内底部固定连接有轴承座(10)和驱动电机(11)，所述轴承座(10)上通过轴承转动连接有转杆(12)，所述转杆(12)的顶端与转盘(5)的下表面固定连接，所述转杆(12)的侧壁上固定连接有从动齿轮(13)，所述驱动电机(11)侧输出端通过联轴器固定连接有主动齿轮(14)，所述主动齿轮(14)与从动齿轮(13)相啮合。

10.一种分布式MIMO气象雷达系统探测气象目标的方法，其特征在于：包括以下步骤，

S1：按照蜂窝状方式布设发射站和接收站，每个发射站周围可布置6个接收站，每个接收站周围可布置3个发射站，形成一个三维探测区域；

S2：一个三维探测区域内的发射天线对探测区域进行扫描，接收天线分别接收回波信号，获得探测区域内降水粒子或大气湍流的强度数据和径向速度数据；

S3：通过发射站、接收站与数据处理中心之间的数据传输链路将步骤S2中获得的数据传到数据处理中心；

S4：数据处理中心对步骤S2的数据进行合成，得到三维反射率因子场Z值和大气三维速度场V值或测站上空大气三维风场的垂直廓线。