CN111308579B - 一种l波段窄带电子探空仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高空气象探测领域，尤其涉及一种L波段窄带电子探空仪，其特征在于：其包括传感器模块、接收模块和发射模块；发射模块包括单片机控制系统、多功能射频模块、滤波器、两级微波开关、两级高放和一级功放；传感器模块的探空数据和接收模块发射的脉冲信号输入单片机控制系统；单片机控制系统采用分时工作模式，将单位时间分为三个时间段，分别输出探空码信号、测距信号和测角信号，信号特性分别为调频信号、脉冲调制信号和连续波信号。本发明，采用调频、调幅混合体制解决了当前调幅体制探空仪占用频带宽，调频体制探空仪无法测距的缺点，满足了气象频段频谱资源占用带宽的要求；采用时分的工作方式解决了同频干扰，稳定可靠。

Description

一种L波段窄带电子探空仪

技术领域

本发明涉及高空气象探测领域，尤其涉及一种L波段窄带电子探空仪。

背景技术

高空气象探测雷达系统是目前大气常规探测最主要手段之一，常规高空气象探测是指雷达跟踪气球携带的探空仪以自由升空方式对自地球表面到几万米高度空间气象要素的变化进行探测、收集、处理的活动和工作过程。探空仪是高空气象探测系统的重要组成部分。

当前中国气象部门各个台站使用的是调幅体制的探空仪。此探空仪占用频带宽，在无线电频谱资源日益紧张稀缺的今天已经不满足使用要求，所以迫切的需要研制一种窄带探空仪，能够满足气象频带占用带宽的要求。

当前探空仪主要有调幅体制、单频调频体制、双频调频体制等几种模式。其中调幅体制探空仪发送给地面雷达在时间上相关的信号用于测距，可以测距，该探空仪采用高频三极管临界自激振荡模式，优点是设备简单，成本低，缺点是频率不稳，容易漂移，中心频率(漂移)范围为±4MHz，由于采用多级调幅体制导致频谱带宽较宽，频带宽度大于30MHz/-35dBc，占用频带宽；单频调频体制无法测距；双频调频体制可以测距但需占用上行与下行不同频率的频点；因此，当前几种模式的探空仪都是无法满足现在使用要求的。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种L波段窄带电子探空仪，采用调频、调幅混合体制解决了当前调幅体制探空仪占用频带宽，调频体制探空仪无法测距的缺点，满足了气象频段频谱资源占用带宽的要求；采用时分的工作方式解决了同频干扰，稳定可靠。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种L波段窄带电子探空仪，包括传感器模块、接收模块和发射模块；传感器模块用于探测气象要素输出探空数据；接收模块用于接收地面雷达的发射信号、解调并输出脉冲信号；发射模块包括单片机控制系统、多功能射频模块、滤波器、两级微波开关、两级高放和一级功放；传感器模块的探空数据和接收模块发射的脉冲信号输入单片机控制系统，单片机控制系统对探空数据进行频率调制，对脉冲信号进行脉冲调制，经多功能射频模块放大、滤波器滤波后，经两级微波开关和两级高放放大送到功放进一步放大后输出；单片机控制系统采用分时工作模式，将单位时间分为三个时间段，分别输出探空码信号、测距信号和测角信号，信号特性分别为调频信号、脉冲调制信号和连续波信号。

按以上方案，所述发射模块在发送测距信号的时间段内，发射模块首先关闭输出，等待接收模块接收地面雷达的发射信号并输出脉冲信号；当发射模块接收到脉冲信号后，发射模块打开输出，发送脉冲调制信号作为测距信号；然后再关闭输出，处于等待状态；循环往复至发送测距信号的时间段结束；进一步分时，解决同频干扰的问题。

按以上方案，接收模块包括高放下变频电路单元、中频对数检波单元和脉冲放大整形单元；高放下变频电路单元包括低噪声放大器、频率合成器和混频器，中频对数检波单元包括中频放大器和对数检波器，脉冲放大整形单元包括视频放大器和高速电压比较器；接收模块接收到地面雷达发射的高频信号后，首先经过低噪声放大器进行放大，然后与频率合成器产生的本振信号通过混频器进行混频，输出中频信号；经中频放大器放大后经对数放大检波，输出脉冲信号；脉冲信号经视频放大器放大后，送到高速电压比较器进行脉冲整形，高速电压比较器输入端还输入固定门限电压用于脉冲整形，固定门限电压由固定电压分压得到；整形后的信号为发射脉冲信号传输至单片机控制系统输入端。

按以上方案，所述调频信号的信号带宽为±10KHz。

按以上方案，所述脉冲调制信号的脉冲宽度为10us。

按以上方案，所述探空仪还包括泡沫盒，传感器模块、接收模块和发射模块均安装于泡沫盒内，其中，接收模块和发射模块分别安装有单极天线。

按以上方案，所述探空仪的泡沫盒内还有用于给传感器模块、接收模块和发射模块供电的电池。

本发明具有如下有益效果：

本发明探空仪与地面雷达配套使用，发射输出三种信号；一是发送气象信息的探空码信号用于探空；二是发送测角信号用于角跟踪；三是接收地面雷达信号，然后发送与地面雷达信号在时间上相关的距离信号用于测距；在满足以上功能的条件下，采用调频、调幅混合体制解决了当前调幅体制探空仪占用频带宽，调频体制探空仪无法测距的缺点，降低信号带宽，满足气象频段频谱占用带宽的要求；采用时分的工作方式解决了同频干扰问题，具有成本低，设计简单，稳定可靠等优点，填补了国内窄带制式电子探空仪的空白。

附图说明

图1为本发明窄带探空仪组成示意图；

图2为本实施例结构示意框图；

图3为本实施例信号时序示意图；

图4为图3中测距信号时序图；

图5为发射模块电路图；

图6为接收模块中高放下变频电路单元的电路原理图；

图7为接收模块中中频对数检波单元和脉冲放大整形单元的电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

请参考图1至图7，本发明为一种L波段窄带电子探空仪，与地面雷达协同工作，探测地面至30千米高空的温度、气压、湿度、风向、风速等气象要素，窄带电子探空仪包括传感器模块、接收模块和发射模块；传感器模块用于探测气象要素输出探空数据；接收模块用于接收地面雷达的发射信号、解调并输出脉冲信号；发射模块对探空数据和脉冲信号采用发射调频信号、调幅信号及载波信号的混合体制解决当前调幅体制探空仪占用频带宽，调频体制探空仪无法测距的缺点，并采用时分的工作方式解决同频干扰。

如图2所示，L波段窄带电子探空仪主要组成分为四个部分，一是传感器模块，二是发射模块，三是接收模块，四是电池；四个部分安装在一个泡沫盒内，形成一个整体，发射模块带有单极天线，用于发射探空仪信号；接收模块也带有单极天线，用于接收地面雷达的发射信号；其中，传感器模块用于探测高空的温度、气压、湿度、风向、风速等气象要素，与其它探空仪一致；电池采用干电池用于给传感器模块、接收模块和发射模块供电的电池；传感器模块和电池均为现有技术，在此不做赘述。

参阅图1、图3至图5，发射模块包括单片机控制系统、多功能射频模块、滤波器、两级微波开关、两级高放和一级功放。传感器模块的探空数据和接收模块发射的脉冲信号输入单片机控制系统，单片机控制系统对探空数据进行频率调制，对脉冲信号进行脉冲调制，经多功能射频模块放大、滤波器滤波后，经两级微波开关和两级高放放大送到功放进一步放大后输出。

参阅图5，发射模块以多功能射频模块为核心，在单片机控制系统的控制下，输出所需的射频信号，射频信号经过滤波、开关控制、放大后输出,输出信号频率稳定，地面接收设备不需要增加自动频率控制电路。

多功能射频模块的IA4432射频集成电路芯片D3中集成高性能ADC和高效率功放，能够完成发射和接收功能，本电路主要应用其发射功能，优点是高集成度、低成本、使用灵活、外围电路精简。

单片机控制系统采用PIC18F2XK22型低功耗、高性能单片机，带有高性能精简指令集CPU，针对C编译器优化架构，最大1K字节的数据EEPRROM；灵活的振荡器架构，高精度16MHz内部振荡器，4种晶振震荡模式，两种外部时钟模式；采用XLP的超低功耗管理，包含休眠模式、看门狗定时器、Timer1振荡器以及外设模块禁止；外设丰富，含有最多35个I/O引脚、锁存器、CCP模块、两个主同步串口、两个增强型通用同步/异步收发器等。

传感器模块输出的探空数据通过串口连接到单片机的P18脚RX1，单片机只接收数据，所以只需要一个接收管脚；接收模块输出的发射应答脉冲信号连接到单片机P26脚fsyd；单片机通过P23脚contrl1、P22脚contrl2输出脉冲对两个微波开关D2和D4进行控制；通过P24脚contrl3、P25脚contrl4对末级功率放大器HMC413QS16G进行增益控制。

滤波器F1采用CS-JZ/B1675M20-01SMT型介质滤波器，体积小，插损小，矩形系数好，用来从谐波信号中选择出L波段频率的信号。

微波开关为UPG2214TB型单刀双掷微波开关，插损小，为0.3dB，在L波段频率的隔离度为28dB，控制开关响应速度典型值为20ns；在本电路中，接入了两级微波开关，另外，最后一级功放带有增益控制功能，控制能力为34dB，所有整个电路中对信号幅度有90dB的衰减能力；在分时工作时，解决了同频干扰问题。

高放采用ERA-5微波放大器，在L波段频率的增益为16.5dB，电路设计简单，可靠性高。

最后一级功放采用HMC413QS16G型功率放大器，此放大器增益为23dB，最大输出信号幅度为29.5dBm，供电电压+2.75V～5V，带有增益控制功能，增益控制能力在L波段频率不小于34dB，控制开关响应速度典型值为80ns。

单片机控制系统采用分时工作模式，将单位时间分为三个时间段，分别输出探空码信号、测距信号和测角信号，信号特性分别为调频信号、脉冲调制信号和连续波信号；参阅图3和图4，本实施例中，在1s的时间内，分为三个时间段，分别用于发送探空码信号、测距信号、测角信号，信号特性分别为调频信号、脉冲调制信号以及连续波信号。

第一段时间：0.2s发送探空码信号，信号特性为调频信号；

第二段时间：0.2s时间用于发送测距信号，如图3所示，信号特性为脉冲调制信号；在0.2s测距时间内，发射模块首先关闭输出，等待接收模块接收地面雷达信号，当接收到地面雷达脉冲信号后，接收模块经过解调处理，输出检波脉冲至发射模块；发射模块接收到脉冲信号后，输出脉冲调制信号作为测距信号，脉冲宽度为10us；然后再处于等待状态，这样循环往复至0.2s时间结束；

第三段时间：0.6s时间用于发送测角信号进行角跟踪，信号特性为连续波信号。

窄带探空仪以多功能射频模块为核心，在整机时序与单片机控制系统控制下，分时输出调频信号、脉冲调制以及连续波信号；信号频率稳定度高，与基准晶振是同样级别。

原探空仪采用多级调幅体制，测距、探空码和测角均采用调幅体制，所以占用的频带宽，达30MHz以上；本发明中，探空码采用调频体制，测角采用载波连续波，测距采用调幅体制。调频体制带宽相对调幅体制窄；调频信号设计的带宽为±10KHz，这个带宽很窄，载波连续波稳定度很高，占用系统的带宽相对更窄，因此系统的带宽主要是由脉冲调制信号的带宽决定的；本实施例中测距脉冲为10us，用脉冲前沿取样进行测距，根据周期矩形脉冲频谱分析可知，信号频带宽度与脉冲宽度成反比，因此，适当的增加脉冲宽度，可以减小信号带宽；本实施例中设计输出测距信号的脉冲宽度为τ＝10us，经计算和实测，带宽小于6MHz/-35dBc。

对于周期性矩形脉冲信号，其脉冲宽度为τ，周期为T，可以求得其傅里叶系数

考虑到

上式也可以写成

如令

则公式(2)可写为

根据公式(3)，可以写出周期性矩形脉冲指数形式傅里叶级数展开式为：

将上式写为三角函数形式，则为：

上式中：

n＝1,2，……，是n次谐波的振幅。

此外，角频率ω与信号频率f的关系为：

将周期矩形脉冲信号参数：频率600Hz，脉冲宽度10us，频率偏移6MHz对应的n值为60，将参数代入公式(5)，可以计算出An＝0.0002，取对数计算即为-37dB。所以求得信号带宽为：6MHz/-37dB，主瓣频带宽度为0.1MHz，满足设计要求。

接收模块用于接收地面雷达的发射信号，解调并输出发射脉冲信号；综合考虑成本、体积、重量、功耗等因素，接收模块采取最简单的超外差接收机形式，无增益、频率控制；通过对数检波器与扩展动态范围，满足收灵敏度与动态范围两个主要指标要求。

结合图1、图6和图7，接收模块包括高放下变频电路单元、中频对数检波单元和脉冲放大整形单元；高放下变频电路单元包括低噪声放大器、频率合成器和混频器，中频对数检波单元包括中频放大器和对数检波器，脉冲放大整形单元包括视频放大器和高速电压比较器；接收模块接收到地面雷达发射的高频信号后，首先经过低噪声放大器进行放大，然后与频率合成器产生的本振信号通过混频器进行混频，输出中频信号；经中频放大器放大后经对数放大检波，输出脉冲信号；脉冲信号经视频放大器放大后，送到高速电压比较器进行脉冲整形，高速电压比较器输入端还输入固定门限电压用于脉冲整形，固定门限电压由固定电压分压得到；整形后的信号为发射脉冲信号传输至单片机控制系统输入端。

低噪声放大器N1选用HMC618，该放大器噪声系数0.75dB，增益19dB，噪声系数低，具有高增益、高1dB压缩点，保证系统有足够的灵敏度和动态范围；体积小，节省设计空间。

混频器型号为08AG，无源混频器，对本振信号幅度要求低，变频损耗小。

本振采用ADF4351集成VCO宽带频率合成器，频率稳定性好，占用空间小，频率控制简单，在较宽频带内可通过小数分频模式精细设置频点。

如图6所示，中频信号经过π网络再进行放大调整通道增益；放大器选择EAR-5型，与发射模块中放大器一致，减少器件种类。

中频放大后的脉冲调制信号经过AD8307对数放大检波，输出脉冲信号；脉冲幅度与输入中频信号幅度呈正比。中频对数检波单元的核心是采用AD8307对数放大器做检波器；在本探空仪中，输入信号是地面雷达发射的脉冲信号，探空仪越飞越远，则接收到的地面雷达信号越来越弱，所以，需要接收系统有较大的动态范围；AD8307动态范围高达90dB，而且电路中只需要极少的信号耦合与电源去耦等外部元件；AD8307采用2.75V～5V电压、电流7.5mA的单电源供电，功耗低、工作温度范围宽、稳定性高；AD8307整个动态由6个放大限幅级及与其相连的gm型全波检波器和3个顶端检测共同实现；对9个检波器输出的差分电流求和，然后在输出级转换为单端输出，电流流经12.5KΩ电阻形成对数输出电压，斜率约为25mv/dB。对数放大器输出信号含有直流信号，通过隔直电容输出发射调制脉冲信号。

对数放大检波信号幅度偏弱，需再次进行放大；经过大增益带宽比放大器AD811进行放大，放大后的信号幅度范围为200mV～3V；AD811是一个高性能视频放大器，增益带宽达120MHz(3dB，G＝2)，满足对窄脉冲信号的放大要求；电路采用同相放大电路形式，放大倍数为4。

经过放大的脉冲信号最后进行脉冲整形；脉冲放大整形单元采用高速电压比较器LM211进行脉冲整形，LM211是一种响应速度快，使用高度灵活的通用电压比较器，响应时间小于165ns；比较门限电压根据信号噪声与灵敏度要求进行设置；当脉冲幅度大于比较门限电压时，输出TTL电平脉冲信号，就完成了对地面雷达信号的接收与解调，TTL电平的脉冲信号输出至发射模块；LM211的高增益和大带宽容易产生振荡，为了避免使用中的振荡和不稳定性，高速电压比较器LM211在5脚与6脚之间增加1000pF的电容，再把两个平衡管脚连接到电源端，可以获得更快的响应速度。比较门限由固定电压分压得到，设置范围为300mv～400mV。主要目的地是滤除干扰噪声，同时保证弱脉冲信号的整形。

主要技术指标：

a)发射功率：≥23dBm；

b)接收灵敏度：≤-80dBm；

c)功耗：≤800mW；

d)信号带宽：≤6MHz/-35dBc；

e)发射频率漂移：≤20KHz

f)重量：≤600g

本发明探空仪与地面雷达配套使用，接收地面雷达信号后经低噪声放大器放大，和接收模块的本振信号进行混频，得到中频信号，经中频放大器放大后频信号经对数放大检波，输出脉冲信号，脉冲信号经视频放大器放大后，送到脉冲整形单元进行脉冲整形，脉冲整形采用高速电压比较器，比较门限电压由固定电压分压得到，可滤除干扰噪声，整形后的脉冲信号和传感器模块信号一同加到发射模块的单片机控制系统，单片机控制系统分时对脉冲信号进行脉冲调制，对传感器模块信号进行频率调制，经多功能射频模块放大，滤波器滤波后，经两级微波开关和两级高放放大送到功放进一步放大输出，由地面接收设备接收；发射模块两级微波开关和功放自带的增益控制可在接收地面雷达信号状态下，对发射模块发射信号衰减达90dB，减小了收发同频干扰，保证了接收机正常工作。该探空仪是窄带L波段二次测风雷达-探空仪系统中的重要组成部分，L波段雷达探空系统从研制到业务化组网使用已近20年，受到了各界好评。随着科学技术的不断发展，中国气象局提出对L波段雷达系统在原有的技术上进行升级，解决原雷达频谱过宽等技术难题。本发明解决了原探空仪频谱过宽的技术难题，良好的社会效益和经济效益。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种L波段窄带电子探空仪，与地面雷达协同工作，其特征在于，包括传感器模块、接收模块和发射模块；

传感器模块，用于探测气象要素输出探空数据；

接收模块，用于接收地面雷达的发射信号、解调并输出脉冲信号；

发射模块，包括单片机控制系统、多功能射频模块、滤波器、两级微波开关、两级高放和一级功放；传感器模块的探空数据和接收模块发射的脉冲信号输入单片机控制系统，单片机控制系统对探空数据进行频率调制，对脉冲信号进行脉冲调制，经多功能射频模块放大、滤波器滤波后，经两级微波开关和两级高放放大送到功放进一步放大后输出，由地面接收设备接收；单片机控制系统采用分时工作模式，将单位时间分为三个时间段，分别输出探空码信号、测距信号和测角信号，信号特性分别为调频信号、脉冲调制信号和连续波信号。

2.根据权利要求1所述的L波段窄带电子探空仪，其特征在于：所述发射模块在发送测距信号的时间段内，发射模块首先关闭输出，等待接收模块接收地面雷达的发射信号并输出脉冲信号；当发射模块接收到脉冲信号后，发射模块打开输出，发送脉冲调制信号作为测距信号；然后再关闭输出，处于等待状态；循环往复至发送测距信号的时间段结束。

3.根据权利要求1所述的L波段窄带电子探空仪，其特征在于：所述接收模块包括高放下变频电路单元、中频对数检波单元和脉冲放大整形单元；高放下变频电路单元包括低噪声放大器、频率合成器和混频器，中频对数检波单元包括中频放大器和对数检波器，脉冲放大整形单元包括视频放大器和高速电压比较器；接收模块接收到地面雷达发射的高频信号后，首先经过低噪声放大器进行放大，然后与频率合成器产生的本振信号通过混频器进行混频，输出中频信号；经中频放大器放大后经对数放大检波，输出脉冲信号；脉冲信号经视频放大器放大后，送到高速电压比较器进行脉冲整形，高速电压比较器输入端还输入固定门限电压用于脉冲整形，固定门限电压由固定电压分压得到；整形后的信号为发射脉冲信号传输至单片机控制系统输入端。

4.根据权利要求1所述的L波段窄带电子探空仪，其特征在于：所述调频信号的信号带宽为±10KHz。

5.根据权利要求1所述的L波段窄带电子探空仪，其特征在于：所述脉冲调制信号的脉冲宽度为10us。

6.根据权利要求1所述的L波段窄带电子探空仪，其特征在于：所述探空仪还包括泡沫盒，传感器模块、接收模块和发射模块均安装于泡沫盒内，其中，接收模块和发射模块分别安装有单极天线。

7.根据权利要求6所述的L波段窄带电子探空仪，其特征在于：所述探空仪的泡沫盒内还有用于给传感器模块、接收模块和发射模块供电的电池。

Images