CN112505706A - 一种天气雷达水平度自动测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种天气雷达水平度自动测量系统，包括：执勤装置、天线座水平度测量装置、馈源水平度测量装置和无线通讯模块；执勤装置用于在设定时间发送唤醒信号；天线座水平度测量装置用于根据唤醒信号开始测量俯仰角为0°时不同方位时的天线座水平度；馈源水平度测量装置用于根据所述唤醒信号开始接收雷达旁瓣辐射信号，并根据雷达旁瓣辐射信号计算馈源水平度；无线通讯模块用于将不同方位时的天线座水平度和馈源水平度发送至上位机进行显示。本发明通过设置天线座水平度测量装置和馈源水平度测量装置实现自动测量馈源水平度和不同方位时的天线座水平度，克服传统测量花费时间长、过程繁琐以及劳动强度大的问题。

Description

一种天气雷达水平度自动测量系统
技术领域
本发明涉及水平度测量技术领域，特别是涉及一种天气雷达水平度自动测量系统。
背景技术
天气雷达对气象目标高精度测量的基础是雷达定标，天线座水平度测量是天气雷达定标项目之一。天气雷达座水平度测量长期以来都是一项艰难的工作，天线孔径尺寸达4.3m，天线馈源高度达十几米，定标测量要求在天线座45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°、360°八个位置进行水平度测量，每次测量时，俯仰角置0°，天线旋转45°停止，人工爬到十几米平台安放合像水平仪，合像水平仪稳定后开始测量，人工读数以及换算，完成后爬下平台，撤走梯子，雷达开机，再旋转45°测量，如此循环，直到360°，频繁搬抬梯子，爬上平台测量，测量花费时间长，过程繁琐，劳动强度大。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种天气雷达水平度自动测量系统，以实现自动测量馈源水平度和不同方位时的天线座水平度。
为实现上述目的，本发明提供了一种天气雷达水平度自动测量系统，所述系统包括：
执勤装置，用于在设定时间发送唤醒信号；
天线座水平度测量装置，设置在旋转机构上，与所述执勤装置连接，用于根据所述唤醒信号开始测量俯仰角为0°时不同方位时的天线座水平度；
馈源水平度测量装置，与所述执勤装置连接，用于根据所述唤醒信号开始接收雷达旁瓣辐射信号，并根据所述雷达旁瓣辐射信号确定水平极化分量的幅度和垂直极化分量的幅度，并计算幅度比，根据所述幅度比计算馈源水平度；
无线通讯模块，分别与所述天线座水平度测量装置、所述馈源水平度测量装置和上位机连接，用于将不同方位时的天线座水平度和所述馈源水平度发送至上位机进行显示。
可选地，所述馈源水平度测量装置为双偏振微带天线。
可选地，所述天线座水平度测量装置为MEMS水平度传感器。
可选地，所述旋转机构包括：
天气雷达方位转台，用于驱动天气雷达方位旋转；
天线座，与天线法线平行，设置在所述天气雷达方位转台上，用于控制天气雷达在俯仰方向旋转扫描；
天线座水平度测量装置设置在所述天气雷达俯仰转台的中心位置。
可选地，所述系统还包括：
外壳，所述外壳的两侧板为有机玻璃，一侧板为所述馈源水平度测量装置辐射窗口，另一侧板为所述无线通讯模块的天线窗口，所述外壳用于放置所述天线座水平度测量装置、所述馈源水平度测量装置和所述无线通讯模块。
可选地，所述执勤装置为时钟日历芯片或集成ARM单片机的时钟日历芯片。
可选地，所述系统还包括电池，与所述时钟日历芯片连接，用于给所述时钟日历芯片提供电能。
可选地，所述系统还包括稳压电源，分别与所述时钟日历芯片、所述电池、所述天线座水平度测量装置和所述馈源水平度测量装置连接，用于根据所述唤醒信号开始工作，将所述电池输出的电压进行稳压，并给所述天线座水平度测量装置和所述馈源水平度测量装置提供稳定电压。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过设置天线座水平度测量装置和馈源水平度测量装置实现自动测量馈源水平度和不同方位时的天线座水平度，通过无线传输模块发送至上位机进行显示，实现天气雷达水平度长期自动非接触测量，远程网络化读数，无人值守工作，克服传统测量花费时间长、过程繁琐以及劳动强度大的问题。
另外，本发明通过设置执勤装置，在设定时间发送唤醒信号，进而根据唤醒信号来检测馈源水平度和不同方位时的天线座水平度，除设定时间之外的其他时间为为睡眠状态，实现低功耗设计。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例天气雷达水平度自动测量系统结构原理图；
图2为本发明实施例天线座水平度测量装置安装示意图；
图3为本发明实施例天线座水平度测量装置结构图；
图4为本发明实施例馈源水平度测量结构图；
图5为本发明实施例双偏振天气雷达馈源水平度测量示意图；
图6为本发明实施例外壳示意图；
图7为本发明实施例天气雷达水平度自动测量系统内部结构布局图；
其中，1、执勤装置，2、天线座水平度测量装置，3、馈源水平度测量装置，4、无线通讯模块，5、电池，6、稳压电源。
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。
本发明的目的是提供一种天气雷达水平度自动测量系统，以实现自动测量馈源水平度和不同方位时的天线座水平度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明公开一种天气雷达水平度自动测量系统，所述系统包括：执勤装置1、天线座水平度测量装置2、馈源水平度测量装置3和无线通讯模块4；所述天线座水平度测量装置2设置在旋转机构上，所述天线座水平度测量装置2与所述执勤装置1连接，所述馈源水平度测量装置3与所述执勤装置1连接，所述无线通讯模块4分别与所述天线座水平度测量装置2、所述馈源水平度测量装置3和上位机连接。
所述执勤装置1用于在设定时间发送唤醒信号；所述天线座水平度测量装置2用于根据所述唤醒信号开始测量俯仰角为0°时不同方位时的天线座水平度；所述馈源水平度测量装置3用于根据所述唤醒信号开始接收雷达旁瓣辐射信号，并根据所述雷达旁瓣辐射信号确定水平极化分量的幅度和垂直极化分量的幅度，并计算幅度比，根据所述幅度比计算馈源水平度；所述无线通讯模块4用于将不同方位时的天线座水平度和所述馈源水平度发送至上位机进行显示。
本发明执勤装置1用于在设定时间自动开机发送唤醒信号，以使后续根据唤醒信号利用天线座水平度测量装置2测量天气雷达俯仰角置0°，方位角在45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°、360°时的天线座水平度，旋转一周时间为60s；本发明执勤模块在设定时间自动开机，其余时间休眠待机，实现超长待机。本发明中的所述执勤装置1既可以只包括时钟日历芯片，还可以包括集成ARM单片机的时钟日历芯片。
本发明天线座水平度测量装置2设置在旋转机构上，天线座水平度测量装置2用于根据所述唤醒信号开始测量俯仰角为0°时不同方位时的天线座水平度，即天气雷达水平度；天线座水平度定标测试是测量天气雷达在俯仰角为“0°”，处于水平状态时水平度是否满足指标要求的天气雷达定标测试项目之一。
本发明中的无线通讯模块4为ZigBee无线通讯模块。
上位机，与所述无线通讯模块4连接，用于判断天线座水平度是否超出设定范围；如果超出设定范围，则通过闪烁报警并显示天气雷达的方位角及俯仰角，以使工作人员根据方位角及俯仰角调整天线座水平度；如果没超出设定范围，则无需处理。所述上位机还用于判断所述馈源水平度与所述天线座水平度的差值是否大于设定值；如果差值大于设定值，则通过闪烁报警，以使指导工作人员微调馈源，使馈源与天线座水平度一致。
本发明所述旋转机构包括：天气雷达方位转台和天线座；所述天线座与天线法线平行，所述天线座设置在所述天气雷达方位转台上；天线座水平度测量装置2设置在所述天线座的中心位置。所述天气雷达方位转台用于驱动天气雷达方位旋转。所述天线座用于控制天气雷达在俯仰方向旋转扫描。天线座水平度测量装置2设置在所述天线座的中心位置，通过测量天线座在俯仰角0°时的水平度确定天气雷达水平度。
具体的，如图2所示，右侧为天气雷达抛物面反射体局部切面，呈抛物线状，中间圆形盘状为天气雷达方位转台，控制天气雷达方位旋转，中间大方形为天气雷达俯仰转台，即天线座，控制天气雷达在俯仰方向旋转扫描，中心小方形为天线座水平度测量装置2，安装在俯仰转台顶部方形平台中心，天线座水平度测量装置2通过测量旋转机构在俯仰角0°时的水平度来确定天气雷达水平度，反射体为天气雷达主体，通过反射位于抛物面反射体焦点位置的馈源辐射信号，形成天线波束，向空间辐射电磁波。
水平度测量方法较多，合像水平仪是天气雷达水平度测量应用最广泛的一种，此类型水平度测量装置依靠气泡或水泡变化测量，需在雷达停止并稳定后人工读取数据，因此存在使用不便的特性，因此本发明选为高精度MEMS水平度传感器作为天线座水平度测量装置2，MEMS的全称是微型电子机械系统(Micro-ElectroMechanicalSystem)，如图3所示，高精度MEMS水平度传感器采用MEMS技术、数字输出实现水平度测量，传感器内部采用高分辨力差分数模转换，内置自动补偿和滤波算法，最大程度减小了环境变化引起的误差，精确测量天线座相对于X、Y轴倾角，测量精度0.001°，高精度MEMS水平度传感器为成熟产品，安装在壳体内，通过加工和微调整使高精度MEMS水平度传感器与测量装置底座平面保持平行。
本发明馈源水平度测量装置3选为双偏振微带天线，如图4所示，双偏振微带天线垂直于水平面安装，双偏振微带天线的水平极化方向与馈源口面水平极化方向平行，双偏振微带天线的垂直极化方向与雷达天线垂直极化方向平行，设计雷达垂直极化辐射信号测量与水平极化辐射信号测量等电路进行极化分量测试。利用雷达天线馈源旁瓣辐射信号极化方向不变的原理，通过接收雷达旁瓣辐射信号确定垂直极化分量的幅度与水平极化分量的幅度的比值获得幅度比，进而根据幅度比计算馈源水平度。
本发明通过双偏振微带天线测量雷达辐射信号垂直极化信号幅度与水平极化信号幅度，计算幅度比，通过幅度比计算雷达天线馈源，即相对于水平度测量装置的偏移角，用于测量双偏振天气雷达天线馈源水平度。目前天气雷达天线馈源水平度依靠天线座水平度保证，出厂时天线馈源水平度与天线座水平度已校准，通过测量天线座水平度就可以保证馈源水平度，考虑到雷达长期运行的形变因素，出现馈源水平度超差时，会影响双偏振雷达差分反射率因子等参数测量准确度。
图5为双偏振天气雷达馈源水平度出现偏差时偏移角测量示意图，图(a)所示在天线馈源发射垂直极化波Ha，天线座水平度测量装置2接收垂直极化波Ha，如果天线座水平度测量装置2极化方向与馈源极化方向平行，垂直极化分量为Ha，水平极化分量为“0”，如果相对偏移，如馈源水平度相对于天线座水平度右偏或左偏，则天线座水平度测量装置2水平极化通道输出Vb，垂直极化通道输出Hb，偏移角为：
Figure BDA0002842728580000061
图(b)所示在天线馈源发射水平极化波Va，天线座水平度测量装置2接收水平极化波Va，如果天线座水平度测量装置2极化方向与馈源极化方向平行，水平极化分量为Va，垂直极化分量为“0”，如果馈源水平度右偏或左偏，则天线座水平度测量装置2水平极化通道输出Vb，垂直极化通道输出Hb，偏移角为：
Figure BDA0002842728580000062
对垂直极化单偏振雷达用图(a)所示方法测量偏移角，对水平极化单偏振雷达用图(b)所示方法测量偏移角，对垂直极化与水平极化双发双收雷达，通过雷达垂直极化和水平极化通道接收信号，计算方法同上。
本发明所述系统还包括电池5和稳压电源6，所述电池5与所述时钟日历芯片连接，所述稳压电源6分别与所述时钟日历芯片、所述电池5、所述天线座水平度测量装置2和所述馈源水平度测量装置3连接，所述电池5用于给所述时钟日历芯片和所述稳压电源6提供电能。所述稳压电源6用于根据所述唤醒信号开始工作，将所述电池5输出的电压进行稳压，并给所述天线座水平度测量装置2和所述馈源水平度测量装置3提供稳定电压。
本发明所述电池5选取锂电池5进行高效率供电，所述稳压电源6为常规稳压电路即可，在工作时电源给时钟日历芯片和稳压电源6提供供电，其余时间电池5仅仅给时钟日历芯片提供电能，每月一次定标测量时唤醒，工作状态功耗仅毫瓦级。另外，本发明通过对所述天线座水平度测量装置2及所述馈源水平度测量装置3的低功耗设计，测量结束后，执勤装置1控制稳压电源6关机，进入休眠状态，等待下一次唤醒，电池5容量按照三年不充电设计，确保一年工作。
如图6-7所示，外壳的两侧板为有机玻璃，一侧板为所述馈源水平度测量装置3辐射窗口，另一侧板为所述无线通讯模块4的天线窗口，所述外壳用于放置所述天线座水平度测量装置2、所述馈源水平度测量装置3和所述无线通讯模块4；具体的，馈源水平度测量装置3位于右侧，右侧板天线窗口为有机玻璃板，透射电磁波，无线通讯模块4位于左侧，左侧板天线窗口为有机玻璃板，透过天线，馈源水平度测量装置3和无线通讯模块4通过螺钉固定在侧板上，馈源水平度测量装置3天线与底板垂直，天线水平极化方向与雷达馈源水平面平行，天线垂直极化方向与雷达馈源水平面垂直。馈源水平度测量装置3与无线通讯模块4中间开导槽，可插入执勤装置1、稳压电源6与电池5，三个装置背后是母板，实现三个装置之间连接，底板上安装天线座水平度测量装置2。
本发明公开的技术方案存在以下优点：
1.天气雷达水平度自动测量长期以来都是难题，目前通过人工方式，利用合像水平仪测试，测试过程复杂，测试难度大，是雷达站定标工作中耗费体力最大的项目之一，本发明通过采用MEMS水平度测量模块、双偏振馈源水平度测量模块、ARM执勤控制模块及无线通讯模块等，实现天气雷达水平度长期自动非接触测量。
2.天气雷达天线座水平度测量的目的是保证天线馈源水平度，目前没有天线馈源水平度测量装置，本发明通过天线馈源水平度测量模块双偏振天线，接收雷达馈源辐射信号，通过测量垂直极化和水平极化幅度比，计算天线馈源水平度，达到自动测量天线馈源水平度目的，在长期运行过程中馈源形变引起的馈源水平度测量一直是空白。
3.本发明提出时钟日历芯片休眠唤醒设计，结合大容量电池，并通过天线座水平度测量装置、馈源水平度测量装置及无线通讯模块的低功耗设计，以及高效率电源设计，综合降低系统功耗，实现长期自动非接触测量。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种天气雷达水平度自动测量系统，其特征在于，所述系统包括：
执勤装置，用于在设定时间发送唤醒信号；
天线座水平度测量装置，设置在旋转机构上，与所述执勤装置连接，用于根据所述唤醒信号开始测量俯仰角为0°时不同方位时的天线座水平度；
馈源水平度测量装置，与所述执勤装置连接，用于根据所述唤醒信号开始接收雷达旁瓣辐射信号，并根据所述雷达旁瓣辐射信号确定水平极化分量的幅度和垂直极化分量的幅度，并计算幅度比，根据所述幅度比计算馈源水平度；
无线通讯模块，分别与所述天线座水平度测量装置、所述馈源水平度测量装置和上位机连接，用于将不同方位时的天线座水平度和所述馈源水平度发送至上位机进行显示。
2.根据权利要求1所述的天气雷达水平度自动测量装置，其特征在于，所述馈源水平度测量装置为双偏振微带天线。
3.根据权利要求1所述的天气雷达水平度自动测量装置，其特征在于，所述天线座水平度测量装置为MEMS水平度传感器。
4.根据权利要求1所述的天气雷达水平度自动测量装置，其特征在于，所述旋转机构包括：
天气雷达方位转台，用于驱动天气雷达方位旋转；
天线座，与天线法线平行，设置在所述天气雷达方位转台上，用于控制天气雷达在俯仰方向旋转扫描；
天线座水平度测量装置设置在所述天气雷达俯仰转台的中心位置。
5.根据权利要求1所述的天气雷达水平度自动测量装置，其特征在于，所述系统还包括：
外壳，所述外壳的两侧板为有机玻璃，一侧板为所述馈源水平度测量装置辐射窗口，另一侧板为所述无线通讯模块的天线窗口，所述外壳用于放置所述天线座水平度测量装置、所述馈源水平度测量装置和所述无线通讯模块。
6.根据权利要求1所述的天气雷达水平度自动测量装置，其特征在于，所述执勤装置为时钟日历芯片或集成ARM单片机的时钟日历芯片。
7.根据权利要求6所述的天气雷达水平度自动测量装置，其特征在于，所述系统还包括电池，与所述时钟日历芯片连接，用于给所述时钟日历芯片提供电能。
8.根据权利要求7所述的天气雷达水平度自动测量装置，其特征在于，所述系统还包括稳压电源，分别与所述时钟日历芯片、所述电池、所述天线座水平度测量装置和所述馈源水平度测量装置连接，用于根据所述唤醒信号开始工作，将所述电池输出的电压进行稳压，并给所述天线座水平度测量装置和所述馈源水平度测量装置提供稳定电压。
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