CN112433212A - 固态一体化机载气象成像雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固态一体化机载气象成像雷达系统，主要解决现有磁控管体制机载气象雷达多分机安装体积、重量和传输损耗大的问题。其包括收发机(1)、天线驱动器(2)和阵列天线(3)，阵列天线和收发机分别安装在天线驱动器的上下表面，形成一体结构。该收发机包括X波段集成收发模块和信号处理模块，X波段集成收发模块采用将频率综合器、固态发射机、固态接收机、功率放大器和中频放大器集成一体的固态化设计；信号处理模块采用全可编程SoC芯片，以实现雷达接口控制、信号和数据处理。本发明缩短了分机间连接电缆和波导管长度，减轻了整机重量，能准确输出目标分布显示数据，可用于对航路前方影响飞行安全的气象和地形目标探测及定位。

Description

固态一体化机载气象成像雷达系统

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种机载气象成像雷达系统，可用于对航路前方影响飞行安全的气象和地形目标进行探测及定位，辅助飞行员操纵飞机进行规避，提高直升机的生存能力。

背景技术

直升机是一种机动性特别优良的空中作战平台，其作战和运营能力主要受限于对飞行环境的感知能力。当气象条件较差时，如果缺乏可靠详细的飞行路径探测感知手段，直升机的安全将会遭受到严重威胁。恶劣气象条件是直升机飞行事故的一个重要诱因，足够的气象感知与告警设备则可以使直升机在一定程度上规避这种危险。从上世纪开始，世界各军事强国就相继开展了机载气象雷达的研究工作，也提出了各种技术措施。以美国为例，针对气象探测，先后研制了磁控管体制机载气象雷达和全固态的新一代机载气象雷达。比如美国Honeywell公司的RAR-1400C气象雷达和RDR-4000气象雷达。目前国内厂家的气象雷达多数仍采用磁控管体制。使用磁控管可以获得大功率的发射波形，提升雷达的探测距离等性能指标。但存在以下不足：

1.磁控管对外围电路设计要求高，通电后需要预热才能开始工作，其在工作时需要高压激励，若检修或调试过程中操作不当，会造成操作人员的触电危险；

2.高压电源的应用会造成雷达的可靠性下降；

3.磁控管发射机的射频信号发射功率越大，所需磁控管的体积和重量越大；

4.多个分机独立的安装方式增加了连接电缆和波导管的长度，增加了射频信号的传输损耗，影响雷达性能的同时，给雷达的安装和维护工作造成不便，不能满足直升机对机载气象雷达一体化的要求；

5.可编程逻辑模块和处理器功能分离，需要在不同的芯片上实现雷达功能。

发明内容

本发明的目的在于针对以上不足，提出一种固态一体化机载气象成像雷达系统，以优化安装方式，减轻机载气象成像雷达系统的重量，提高其可靠性，以满足直升机对机载气象成像雷达固态化和一体化的要求。

为实现上述目的，本发明的固态一体化机载气象成像雷达系统，包括收发机1、天线驱动器2和阵列天线3，阵列天线3固定在天线驱动器2上，且阵列天线3与收发机1与之间通过波导管双向连接，实现雷达发射和回波射频信号的传输，其特征在于：

所述天线驱动器2固定在收发机1上，形成一体化安装结构，且两者之间通过圆形低频接插件和电缆双向连接，以实现电源和控制信号传输；

进一步，所述收发机1，包括电源模块11、接口模块12、X波段集成收发模块13和信号处理模块14，其中：

电源模块11，用于向雷达各分机和功能模块供电；

接口模块12，其分别与电源模块11、X波段集成收发模块13、信号处理模块14和天线驱动器2双向连接，用于对接口数据进行数据中转以及雷达各分机和功能模块的电源转接。

X波段集成收发模块13，用于产生雷达的射频发射信号，接收射频回波信号并将其下变频为中频回波信号发送到信号处理模块14，同时接收接口模块12的控制命令，产生射频发射波形，调整接收通道参数，并将工作状态形成反馈数据发送到接口模块12；

信号处理模块14，用于完成对回波信号处理、数据处理及接口控制，并向接口模块12发送雷达控制命令，接收接口模块12的显控平台控制指令和反馈数据；同时接收X波段集成收发模块13的中频回波信号，经过信号处理和数据处理后，生成显示数据发送到接口模块12。

进一步，所述X波段集成收发模块13，采用集成有频率综合器、固态发射机、固态接收机、功率放大器和中频放大器的整体组件。

进一步，所述信号处理模块14，采用全可编程SoC芯片，利用该SoC芯片内部集成的处理器硬核和可编程逻辑资源实现雷达功能。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明由于采用将收发机1、天线驱动器2、阵列天线3安装在一起的一体化结构，并不仅减轻了雷达整机重量，降低了射频信号的传输损耗，而且缩短了低频电缆和波导管的长度，提高了雷达性能。

2.本发明的X波段集成收发模块13，由于采用集成化和固态化的设计，减小了收发机的体积和重量，且相比于现有采用磁控管发射机的收发机，其通电后不需要预热，可快速进入工作模式，电路设计上不需要高压电源，具有更好的可靠性和更长的使用寿命。

3.本发明的信号处理模块14，由于通过软件模块化设计，在一块全可编程SoC芯片上实现雷达功能，精简了雷达信号处理模块的电路设计，提高了信号处理和数据处理效率。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明中的收发机结构框图；

图3为本发明中的信号处理模块框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实例进行详细描述。

参照图1，本实例的固态一体化机载气象成像雷达系统，包括收发机1、天线驱动器2和阵列天线3。阵列天线3通过专用天线卡扣安装在天线驱动器2上，天线驱动器2通过紧固件安装在收发机1上，三者之间形成一体化结构。收发机1和天线驱动器2之间通过圆形低频接插件和电缆双向电连接，实现电源和控制信号传输；收发机1与和阵列天线3之间通过波导管双向电连接，实现雷达发射和回波射频信号传输。

参照图2，本实例的收发机1，包括电源模块11、接口模块12、X波段集成收发模块13和信号处理模块14，该电源模块11与接口模块12双向连接；该接口模块12分别与电源模块11、X波段集成收发模块13和信号处理模块14双向连接；该X波段集成收发模块13与接口模块12双向连接，中频输出端与信号处理模块的中频输入端连接；该信号处理模块14与接口模块12双向连接，中频输入端与X波段集成收发模块13的中频输出端连接。其中：

所述电源模块11，采用直流开关电源形式，具有过流保护、过压保护和故障指示功能，用于向雷达各分机和功能模块供电。其输入直流电压范围为+18V～+30V，输入端与接口模块12输出端连接，输出端与接口模块12电源输入端连接，总输出功率不大于180W。

所述接口模块12，用于接收显控平台控制指令及天线驱动器2和X波段集成收发模块的反馈数据，发送到信号处理模块14，并接收信号处理模块14的雷达控制命令和目标分布显示数据分别发送到天线驱动器2、X波段集成收发模块13和外部显控平台，完成数据中转功能，同时接收电源模块11输出的电源信号并输出到雷达各分机和功能模块的电源输入端。该接口模块上还设计有一次性保险、可恢复性保险、EMI滤波器和储能电容，同时具备工作状态BIT检测功能。

所述X波段集成收发模块13，射频输出峰值功率不低于30W，工作频段为9.3GHz～9.4GHz，发射信号带宽为2MHz，可发射非等周期、非等宽度脉冲信号，接收通道灵敏度不大于-113dBm，支持通道增益衰减控制，中频输出P_-1不小于13dBm，主要完成雷达的射频收发功能，同时具备工作状态BIT检测功能。

所述信号处理模块14，采用一块全可编程SoC芯片，本实例使用但不限于XILINX公司的ZYNQ-7000系列全可编程SoC芯片，利用SoC芯片内部集成的Cortex-A9处理器硬核，通过标准C语言开发用户应用程序，实现数据处理功能，利用该SoC芯片内部集成的可编程逻辑资源实现雷达回波信号处理和接口控制功能。

参照图3，信号处理模块14包括如下功能子模块：

回波信号处理子模块141，用于接收X波段集成收发模块13的中频回波数据，利用可编程逻辑资源依次完成中频回波信号的数字下变频、低通滤波、脉冲压缩和求模处理，得到雷达回波数据发送到数据处理子模块143；

接口控制子模块142，用于接收接口模块12的显控平台控制命令和反馈数据，利用可编程逻辑资源完成校验和打包，发送到数据处理子模块143，同时接收数据处理子模块143的雷达控制命令并将其发送到接口模块12；

所述数据处理子模块143，用于接收接口控制子模块142的显控平台控制命令和反馈数据，同时接收信号处理子模块141的雷达回波数据，利用处理器硬核完成数据处理，产生雷达控制命令和目标分布显示数据发送到接口控制子模块142。

本实例的天线驱动器2，用于接收接口模块12的控制命令，以在设定的角度范围内带动阵列天线3进行方位扫描，并进行俯仰角度调整，方位扫描范围可切换为60°或120°，方位扫描速率为28°/s，俯仰角度调整范围为-30°～30°。

本实例的阵列天线3，其尺寸不大于Φ306mm，天线增益不小于27dB，波束宽度不大于9°×9°，采用水平极化方式，用于雷达射频发射信号的空间散射及射频回波信号的接收。

本发明的工作原理如下：

雷达系统在装机时需要与飞机的显控平台连接，飞行员根据飞行任务需求操作显控平台，产生显控平台控制指令发送到接口模块12，接口模块12将该控制指令转发到信号处理模块14，信号处理模块14根据控制指令产生雷达控制命令，发送到接口模块12，接口模块12将控制命令转发到天线驱动器2和X波段集成收发模块13，天线驱动器2根据控制命令进行方位扫描和俯仰角度调节，X波段集成收发模块13根据控制命令产生射频发射波形，并设置接收通道参数，射频回波信号经过接收通道进行下变频、滤波和放大后形成中频回波数据，并通过中频输出端发送到信号处理模块14的中频输入端。同时，接口模块12接收天线驱动器2的扫描角度反馈数据和X波段集成收发模块13的状态反馈数据，并将扫描角度反馈数据和状态反馈数据发送到信号处理模块14，信号处理模块根据显控平台控制指令、扫描角度反馈数据、状态反馈数据和中频回波数据进行数据处理，产生目标分布显示数据发送到接口模块12，最后由接口模块12将该目标分布显示数据发送到显控平台进行显示。

应用本发明系统对气象目标和地形目标的距离、强度和分布区域进行探测，输出目标分布显示数据到显控平台或模拟器进行显示，可显示不同回波强度和距离的目标信息，满足直升机对于气象雷达系统的功能要求。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种固态一体化机载气象成像雷达，包括收发机(1)、天线驱动器(2)和阵列天线(3)，阵列天线(3)固定在天线驱动器(2)上，且阵列天线(3)与收发机(1)与之间通过波导管双向连接，实现雷达发射和回波射频信号的传输，其特征在于：

所述天线驱动器(2)固定在收发机(1)上，形成一体化安装结构，且两者之间通过圆形低频接插件和电缆双向连接，以实现电源和控制信号传输。

2.根据权利要求1所述的雷达，其特征在于，所述收发机(1)，包括电源模块(11)、接口模块(12)、X波段集成收发模块(13)和信号处理模块(14)，其中：

电源模块(11)，用于向雷达各分机和功能模块供电；

接口模块(12)，其分别与电源模块(11)、X波段集成收发模块(13)、信号处理模块(14)和天线驱动器(2)双向连接，用于对接口数据进行中转以及雷达各分机和功能模块的电源转接。

X波段集成收发模块(13)，用于产生雷达的射频发射信号，接收射频回波信号并将其下变频为中频回波信号发送到信号处理模块(14)，同时接收接口模块(12)的控制命令，产生射频发射波形，调整接收通道参数，并将工作状态形成反馈数据发送到接口模块(12)；

信号处理模块(14)，用于完成对回波信号处理、数据处理及接口控制，并向接口模块(12)发送控制命令，接收接口模块(12)的显控平台控制命令和反馈数据；同时接收X波段集成收发模块(13)的中频回波信号，经过信号处理和数据处理后，生成显示数据发送到接口模块(12)。

3.根据权利要求2所述的雷达，其特征在于，所述X波段集成收发模块(13)，采用集成有频率综合器、固态发射机、固态接收机、功率放大器和中频放大器的整体组件，其射频输出峰值功率不低于30W，工作频段为9.3GHz～9.4GHz，发射信号带宽为2MHz，接收通道灵敏度不大于-113dBm，中频输出P_-1不小于13dBm。

4.根据权利要求2所述的雷达，其特征在于，所述信号处理模块(14)，采用全可编程SoC芯片，利用该SoC芯片内部集成的处理器硬核和可编程逻辑资源实现雷达功能，其功能子模块包括：

回波信号处理子模块(141)，用于接收X波段集成收发模块(13)的中频回波数据，利用可编程逻辑资源完成中频回波信号的数字下变频、低通滤波、脉冲压缩和求模处理，得到雷达回波数据发送到数据处理子模块(143)；

接口控制子模块(142)，用于接收接口模块(12)的显控平台控制命令和反馈数据，利用可编程逻辑资源完成校验和打包，发送到数据处理子模块(143)，同时接收数据处理子模块(143)的雷达控制命令并将其发送到接口模块(12)；

所述数据处理子模块(143)，用于接收接口控制子模块(142)的显控平台控制命令和反馈数据，同时接收信号处理子模块(141)的雷达回波数据，利用处理器硬核完成数据处理，产生雷达控制命令和目标分布显示数据发送到接口控制子模块(142)。

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