CN110146892B - 一种双偏振雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明属于雷达技术领域，公开了一种双偏振雷达，包括：发射模块，用于生成脉冲对信号，所述脉冲对信号包括：射频不同的第一脉冲信号和第二脉冲信号；接收模块，用于接收第一脉冲信号和第二脉冲信号的后向散射回波信号；收发切换模块，用于将第一脉冲信号传输至第一极化方向天线，将第二脉冲信号传输至第二极化方向天线，并将第一极化方向回波信号和第二极化方向回波信号传输至接收模块；第一极化方向天线，用于发射第一脉冲信号，并接收第一极化方向回波信号；第二极化方向天线，用于发射第二极化脉冲信号，并接收第二极化方向回波信号。本发明提供的双偏振雷达实现了交替发送同时接收单接收通道的雷达结构，具备较好的回波信号相关性和监测精度。

Description

一种双偏振雷达
技术领域
本发明涉及天气雷达技术领域，特别涉及一种双偏振雷达。
背景技术
现有的双偏振天气雷达主要分为：交替发送同时接收的AHV体制和同时发送同时接收的SHV体制。其中，SHV和AHV体制都需要设置两路接收通道，导致架构规模和复杂程度相对较高；同时，设备成本也居高不下。尤其对于多通道的相控阵雷达，这种规模庞大性，复杂程度以及设备成本表现得更加明显。
发明内容
本发明提供一种双偏振雷达，解决现有技术中双偏振雷达接收模块结构复杂，规模大的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种双偏振雷达，包括：发射模块、接收模块、收发切换模块、第一极化方向天线以及第二极化方向天线；
所述发射模块用于生成脉冲对信号，所述脉冲对信号包括射频不同的第一脉冲信号和第二脉冲信号；
所述接收模块用于接收第一脉冲信号和第二脉冲信号的后向散射回波信号；
所述收发切换模块用于将所述第一脉冲信号传输至所述第一极化方向天线，将所述第二脉冲信号传输至所述第二极化方向天线，并将第一极化方向回波信号和第二极化方向回波信号传输至所述接收模块；
所述第一极化方向天线用于发射所述第一脉冲信号，并接收所述第一极化方向回波信号；
所述第二极化方向天线用于发射所述第二极化脉冲信号，并接收所述第二极化方向回波信号；
所述双偏振雷达还包括：信号合成模块；
所述信号合成模块用于接收所述第一极化方向回波信号以及所述第二极化方向回波信号，并将所述第一极化方向回波信号以及所述第二极化方向回波信号合成为后向散射回拨信号后发送给所述接收模块。
进一步地，所述脉冲对信号包括：两个或两个以上的脉冲对；
所述两个或两个以上的脉冲对中，第一脉冲对的脉冲宽度大于其它脉冲对的脉冲宽度。
进一步地，所述信号发射模块包括：信号发生器以及频率转换电路；
所述信号发生器用于生成波形相同的所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号；
所述频率转换电路用于将所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号转换成射频不同的两个射频信号后传输至所述收发切换模块。
进一步地，所述信号发射模块包括：信号发生器以及频率转换电路；
所述信号发生器用于生成相同的所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号；
所述频率转换电路用于将所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号转换成射频不同的两个射频信号后传输至所述收发切换模块。
进一步地，所述信号发生器包括：直接数字式频率合成器DDS或者数模转换器DA。
进一步地，所述频率转换电路包括：第一混频器或者倍频器。
进一步地，所述接收模块包括：接收机；
所述接收机与所述信号合成模块相连，接收所述后向散射回拨信号。
进一步地，所述信号合成模块包括：功分器、第二低噪放和第三低噪放；
所述功分器的输出端与所述接收模块相连；
所述功分器的两个输入端分别通过所述第二低噪放的输出端和第三低噪放的输出端相连；
所述第二低噪放的输入端以及所述第三低噪放的输入端分别与所述收发切换模块相连，获取所述第一极化方向回波信号和所述第二极化方向回波信号。
进一步地，所述收发切换模块包括：第一选通模块、第二选通模块以及第三选通模块；
所述第一选通模块的输入端与所述发射模块相连，用于获取所述脉冲对信，并选通所述第二选通模块，将所述第一脉冲信号传送至所述第一极化方向天线或者选通所述第三选通模块，将所述第二脉冲信号传送至所述第二极化方向天线；
所述第二选通模块还接收所述第一极化方向回波信号并将其传送至所述信号合成模块；
所述第三选通模块还接收所述第二极化方向回波信号并将其传送至所述信号合成模块。
进一步地，所述第一选通模块、所述第二选通模块以及所述第三选通模块为射频开关或者环形器。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例中提供的双偏振雷达，通过发射模块交替输出不同中心频率的脉冲对信号，并通过收发切换模块分别连接第一极化方向天线和第二极化方向天线以及接收模块，从而实现交替发送两个极化方向的监测信号、从而避免同时发送两个极化信号导致的交叉耦合，降低测量误差；进一步通过收发切换模块将第一极化方向回波信号和第二极化方向回波信号发送给接收模块，完成回波信号的接收，实现雷达结构优化，减少一路接收通道结构，从而大幅降低雷达结构规模和复杂程度，更利于大批量规模化使用；同时，通过在每一次发射期内，短间距的连续发射脉冲对信号，从而克服现有的AHV体制下的交替发射模式中发射时间间隔大导致的回波信号相关性差的缺陷，从而保证监测精度；并进一步地，为了避免两个偏振方向的回波混叠在一起难以分辨的问题，将两个极化方向的脉冲采用不同的射频和中频频率，从而实现交替发射模式下的高相关性和双极化目标区分，达到良好的雷达监测性能。另一方面，设置成发射连续的脉宽不同的脉冲对，能够通过宽脉冲覆盖较远距离库，通过窄脉冲对解决宽脉冲盲区过长问题，从而解决结构优化导致的衍生缺陷，达到了优化结构的同时，仍然具备良好的雷达监测性能。
附图说明
图1为本发明提供的双偏振雷达结构示意图；
图2为本发明提供的双偏振雷达结构脉冲时序控制图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种双偏振雷达，解决现有技术中双偏振雷达接收模块结构复杂，规模大的技术问题。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
本实施例一种双偏振雷达，相对于现有技术中的双偏振天气雷达，大幅简化了结构，降低其组件规模，使得其使用成本大幅降低，尤其是相控阵雷达等具有多通道的产品中；并在简化结构的同时，本申请提供的实施方案仍然能够与现有的双偏振雷达具备相当的性能，甚至略好于基于AHV和SHV体制的双偏振雷达。
下面将具体描述本申请的实施方案。
参见图1，本实施例提供的双偏振雷达包括：发射模块1、接收模块8、收发切换模块、第一极化方向天线4以及第二极化方向天线6。
所述发射模块1用于生成脉冲对信号，所述脉冲对信号包括射频不同的第一脉冲信号和第二脉冲信号。
参见图2，具体来说，所述脉冲对信号为时间紧临的两个脉冲信号，两个脉冲之间的时间间隔很小，如1us或者更小。也就是说，两个射频信号之间的时间间隔很短，从而能够提升两个回波信号的相关性，保证良好的监测精度。
所述接收模块8用于接收第一脉冲信号和第二脉冲信号的后向散射回波信号；也就是两个极化方向的回波信号。
所述收发切换模块用于将所述第一脉冲信号传输至所述第一极化方向天线4，将所述第二脉冲信号传输至所述第二极化方向天线6，并将第一极化方向回波信号和第一极化方向回波信号传输至所述接收模块8。
所述双偏振雷达还包括：信号合成模块7；所述信号合成模块7用于接收所述第一极化方向回波信号以及所述第二极化方向回波信号，并将所述第一极化方向回波信号以及所述第二极化方向回波信号合成为后向散射回拨信号后发送给所述接收模块8；实现单接收通道结构。
所述第一极化方向天线4用于发射所述第一脉冲信号，并接收所述第一极化方向回波信号；所述第二极化方向天线6用于发射所述第二极化脉冲信号，并接收所述第二极化方向回波信号。
参见图2，进一步地，所述脉冲对信号包括：两个或两个以上的脉冲对；所述两个或两个以上的脉冲对中，第一脉冲对的脉冲宽度大于其它脉冲对的脉冲宽度。
需要说明的是，由于两个射频信号十分接近，这样就导致两个偏振方向的回波会混叠在一起而完全无法分辨；为了分辨出回波的极化方向，本实施例中，将第一射频信号和第二射频信号采用不同的射频频率，这样能够将两个偏振方向的回波区分开来。
另一方面，在执行雷达监测时，在一个发射周期内，所述发射通道发射两个或者两个以上的脉冲对；每个脉冲对由一个水平极化脉冲和垂直极化脉冲构成；所述两个或者两个以上连续的脉冲对中，第一个脉冲对的宽度大于在其后的脉冲对的宽度。也就是在宽脉冲对后设置窄脉冲对，达到解盲区的目的，从而避免出现较大的盲区，提升监测的可靠性。
当然，值得说明的是，脉冲对的数量也是可以为一对的，可能存在盲区。
进一步地，所述信号发射模1块包括：信号发生器11以及频率转换电路12；所述信号发生器11用于生成波形相同，且中频不同的所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号；所述频率转换电路12用于将所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号转换成射频不同的两个射频信号后传输至所述收发切换模块。
或者，所述信号发射模块1包括：信号发生器11以及频率转换电路12；所述信号发生器11用于生成相同的所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号；所述频率转换电路12用于将所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号转换成射频不同的两个射频信号后传输至所述收发切换模块。
一般来说，所述信号发生器11包括：直接数字式频率合成器DDS或者数模转换器DA，用于生成脉冲对信号。
通常，所述频率转换电路12包括：第一混频器或者倍频器；当然还可以是其它频率调节设备。
所述接收模块8包括：接收机；所述接收机与所述信号合成模块相连，接收所述后向散射回拨信号。
或者，接收模块8包括：模数转换电路AD 81以及第二混频器82；所述模数转换电路AD 81通过所述第二混频器82与所述信号合成模块7相连；实现回波合成信号的采集转化。
相类似的，所述接收通道接收模块8还包括：第一低噪放83；所述第一低噪放83串联在所述第二混频器82和所述信号合成器7的输出端之间，实现通路的滤波放大接收回波信号，提升信噪比。
进一步地，所述信号合成模块包括：功分器71、第二低噪放73和第三低噪放72；所述功分器71的输出端与所述接收模块8相连；所述功分器71的两个输入端分别通过所述第二低噪放73的输出端和第三低噪放72的输出端相连；所述第二低噪放73的输入端以及所述第三低噪放72的输入端分别与所述收发切换模块相连，获取所述第一极化方向回波信号和所述第二极化方向回波信号。
具体来说，所述收发切换模块包括：第一选通模块2、第二选通模块3以及第三选通模块5；所述第一选通模块2的输入端与所述发射模块1相连，用于获取所述脉冲对信，并选通所述第二选通模块3，将所述第一脉冲信号传送至所述第一极化方向天线4或者选通所述第三选通模块5，将所述第二脉冲信号传送至所述第二极化方向天线6；所述第二选通模块3还接收所述第一极化方向回波信号并将其传送至所述信号合成模块7；所述第三选通模块5还接收所述第二极化方向回波信号并将其传送至所述信号合成模块7。
进一步地，所述第一选通模块2、所述第二选通模块3以及所述第三选通模块5为射频开关或者环形器。
本实施例中，相对于现有的双接收模块的体制进行了优化，设置成单接收模块，用于降低结构的复杂性和元件规模；下面将具体说明。
所述第一极化方向天线4与所述第二选通模块3相连，发射所述第一射频信号或者接收所述第一极化方向回波信号；所述第二极化方向天线6与所述第三选通模块5相连，发射所述第二射频信号或者接收所述第二极化方向回波信号。
具体来说，在发射时，所述第一选通模块2在选通控制信号的作用下，选通第二选通模块3或者第三选通模块5，也就是选通第一极化天线4或者第二极化天线6，通过对应天线的极化馈电口将极化波发射出去。
对应的，在接收回波信号时，所述信号合成模块7的两个输入端分别与所述第二选通模块3和所述第三选通模块5相连，获取所述第一极化方向回波信号和所述第二极化方向回波信号并合成为后向散射回波信号。
具体来说，通过天线发射出去的水平极化波、垂直极化波遇到目标，就会产生后向散射回波到雷达天线。回波到达双极化天线后，理想情况下垂直极化口只能接收自身发射出去的垂直极化波，而水平极化口也只能接收自身发射出去的水平极化波，分别通过所述第二选通模块3和所述第三选通模块5进入到信号合成模块7，合成一股信号后进入到接收模块8，进行解析。
通常来说，天气目标的移动速度一般不超过60m/s，对应的多普勒频移为kHz量级，只要两个射频信号的不重合频率间隔达到比如MHz，则接收机即可分辨出来，也就可以分辨出垂直极化回波，水平极化回波。
值得说明的是，本实施例中两个发射极化波的时间间隔控制在脉宽对应的时间内，而不是现有的AHV模式中的脉冲周期间隔，所以比AHV模式的回波相关性高。比如1GHz的工作频率，16m/s的谱宽分布，100us的脉冲宽度条件下，两个极化波的相关系数为0.998，接近SHV模式下的零延时相关系数；也就是说，本实施例提供的单接收模块的优化方案的回波相关性的性能与现有采用的SHV体制的雷达持平，比AHV更优。
下面将具体针对上述功能结构进行说明。
所述发射模块包括：信号发生器11以及频率转换电路12；
所述信号发生器11与所述频率转换电路12相连，将脉冲对信号转换成所述第一极化方向射频信号和所述第二极化方向射频信号；一般来说，发射分为两个子脉冲，信号发生器11生成两个时间上紧临的不同中心频率的相同波形的信号IF1、IF2，而后经过频率转换电路12变为射频信号RF1、RF2；当然，这个过程也可以是信号发生器1生成两个一模一样的信号，然后由频率转换电路12来实现RF1、RF2，比如混频器中的本振频率快速切换。
其中，信号发生器11可采用直接数字式频率合成器DDS或者激励放大器DA。频率转换电路12可采用混频器或者倍频器。
所述频率转换电路12与所述第一选通模块2相连，发送所述第一极化方向射频信号和所述第二极化方向射频信号。
通常，所述发射模块1还包括：放大器14和滤波器；所述放大器13和所述滤波器串联后连接在所述频率转换电路12和所述第一选通模块2之间。
所述接收模块8包括：模数转换电路AD 81以及第二混频器82；所述模数转换电路AD 81通过所述第二混频器82与所述信号合成模块7相连；实现回波合成信号的采集转化。
相类似的，所述接收模块8还包括：第一低噪放83；所述第一低噪放83串联在所述第二混频器82和所述信号合成器7的输出端之间，实现通路的放大接收回波信号，提升信噪比。
进一步地，所述信号合成模块7包括：功分器71、第二低噪放73和第三低噪放72；所述功分器71的输出端与所述接收模块8相连；所述功分器71的两个输出端分别通过所述第二低噪放73和第三低噪放72与所述第二选通模块3和所述第三选通模5块相连；将两路回波信号后合成一路，从而比3和5之后直接接到71的信噪比高，高出来的信噪比值要超过71的噪声系数，从而保持较高的信噪比。
进一步地，所述第一选通模块2、所述第二选通模块3以及所述第三选通模块5，均用于选通，可选择为射频开关或者环形器。
本实施例还提出基于上述双偏振雷达的天气雷达监测方法。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例中提供的双偏振雷达，通过发射模块交替输出不同中心频率的脉冲对信号，并通过收发切换模块分别连接第一极化方向天线和第二极化方向天线以及接收模块，从而实现交替发送两个极化方向的监测信号、从而避免同时发送两个极化信号导致的交叉耦合，降低测量误差；进一步通过收发切换模块将第一极化方向回波信号和第二极化方向回波信号发送给接收模块，完成回波信号的接收，实现雷达结构优化，减少一路接收通道结构，从而大幅降低雷达结构规模和复杂程度，更利于大批量规模化使用；同时，通过在每一次发射期内，短间距的连续发射脉冲对信号，从而克服现有的AHV体制下的交替发射模式中发射时间间隔大导致的回波信号相关性差的缺陷，从而保证监测精度；并进一步地，为了避免两个偏振方向的回波混叠在一起难以分辨的问题，将两个极化方向的脉冲采用不同的射频和中频频率，从而实现交替发射模式下的高相关性和双极化目标区分，达到良好的雷达监测性能。另一方面，设置成发射连续的脉宽不同的脉冲对，能够通过宽脉冲覆盖较远距离库，通过窄脉冲对解决宽脉冲盲区过长问题，从而解决结构优化导致的衍生缺陷，达到了优化结构的同时，仍然具备良好的雷达监测性能。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种双偏振雷达，其特征在于，包括：发射模块、接收模块、收发切换模块、第一极化方向天线以及第二极化方向天线；
所述发射模块用于生成脉冲对信号，所述脉冲对信号包括：两个或两个以上的脉冲对；所述两个或两个以上的脉冲对中，第一脉冲对的脉冲宽度大于其它脉冲对的脉冲宽度；
所述脉冲对由时间紧邻且射频不同的第一脉冲信号和第二脉冲信号构成，第一脉冲信号和第二脉冲信号之间的时间间隔不大于1μs；
所述接收模块用于接收第一脉冲信号和第二脉冲信号的后向散射回波信号；
所述收发切换模块用于将所述第一脉冲信号传输至所述第一极化方向天线，将所述第二脉冲信号传输至所述第二极化方向天线，并将第一极化方向回波信号和第二极化方向回波信号传输至所述接收模块；
所述第一极化方向天线用于发射所述第一脉冲信号，并接收所述第一极化方向回波信号；
所述第二极化方向天线用于发射所述第二极化脉冲信号，并接收所述第二极化方向回波信号；
所述双偏振雷达还包括：信号合成模块；
所述信号合成模块用于接收所述第一极化方向回波信号以及所述第二极化方向回波信号，并将所述第一极化方向回波信号以及所述第二极化方向回波信号合成为后向散射回波信号后发送给所述接收模块。
2.根据权利要求1所述的双偏振雷达，其特征在于，所述信号发射模块包括：信号发生器以及频率转换电路；
所述信号发生器用于生成波形相同的所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号；
所述频率转换电路用于将所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号转换成射频不同的两个射频信号后传输至所述收发切换模块。
3.根据权利要求2所述的双偏振雷达，其特征在于，所述信号发射模块包括：信号发生器以及频率转换电路；
所述信号发生器用于生成相同的所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号；
所述频率转换电路用于将所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号转换成射频不同的两个射频信号后传输至所述收发切换模块。
4.根据权利要求2或3所述的双偏振雷达，其特征在于，所述信号发生器包括：直接数字式频率合成器DDS或者数模转换器DA。
5.根据权利要求4所述的双偏振雷达，其特征在于，所述频率转换电路包括：第一混频器或者倍频器。
6.根据权利要求1所述的双偏振雷达，其特征在于，所述接收模块包括：接收机；
所述接收机与所述信号合成模块相连，接收所述后向散射回拨信号。
7.根据权利要求1所述的双偏振雷达，其特征在于，所述信号合成模块包括：功分器、第二低噪放和第三低噪放；
所述功分器的输出端与所述接收模块相连；
所述功分器的两个输入端分别通过所述第二低噪放的输出端和第三低噪放的输出端相连；
所述第二低噪放的输入端以及所述第三低噪放的输入端分别与所述收发切换模块相连，获取所述第一极化方向回波信号和所述第二极化方向回波信号。
8.根据权利要求1所述的双偏振雷达，其特征在于，所述收发切换模块包括：第一选通模块、第二选通模块以及第三选通模块；
所述第一选通模块的输入端与所述发射模块相连，用于获取所述脉冲对信，并选通所述第二选通模块，将所述第一脉冲信号传送至所述第一极化方向天线或者选通所述第三选通模块，将所述第二脉冲信号传送至所述第二极化方向天线；
所述第二选通模块还接收所述第一极化方向回波信号并将其传送至所述信号合成模块；
所述第三选通模块还接收所述第二极化方向回波信号并将其传送至所述信号合成模块。
9.根据权利要求8所述的双偏振雷达，其特征在于，所述第一选通模块、所述第二选通模块以及所述第三选通模块为射频开关或者环形器。
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