CN112505707A - 一种x波段双极化快速扫描相控阵天气雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种X波段双极化快速扫描相控阵天气雷达，它包括双极化天馈系统、发射系统、接收系统、数字处理系统、频率源、伺服系统和终端计算机。本发明的优点在于：通过减少发射通道数量并增加单通道发射功率的方式进行俯仰向宽波束发射、窄波束接收，实现了在不降低雷达探测能力的同时，显著提高雷达的探测效率。通过数字波束合成技术实现了一次接收即可完成俯仰角窄波束探测，在不牺牲雷达接收能力的同时，完成整个俯仰方向的回波计算。采用收发分离的新体制，减少了发射通道数量，降低接收、发射通道结构难度，减少了环形器等相关器件数量，从而降低了系统研发、生产成本。

Description

一种X波段双极化快速扫描相控阵天气雷达
技术领域
本发明涉及相控阵天线技术、收发系统领域，尤其涉及一种X波段双极化快速扫描相控阵天气雷达。
背景技术
相控阵雷达（Phased Array Radar，PAR）即相位控制电子扫描阵列雷达，利用大量个别控制的小型天线单元排列成天线阵面，每个天线单元都由独立的移相开关控制，通过控制各天线单元发射的相位，就能合成不同相位波束。而目前的相控阵雷达其快速扫描和高探测能力往往不能同时兼顾，且系统整体的复杂度较高，稳定性和抗干扰能力较弱；因此，如何使得相控阵雷达同时兼顾在宽波束扫描模式下的高效率与窄波束探测模式下的高探测能力是现阶段继续解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种X波段双极化快速扫描相控阵天气雷达，解决了现有相控阵雷达存在的问题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种X波段双极化快速扫描相控阵天气雷达，它包括双极化天馈系统、发射系统、接收系统、数字处理系统和频率源；
所述双极化天馈系统用于传导所述发射系统输出的双偏振发射信号向空间辐射，以及接收双偏振回波信号并传导至所述接收系统；
所述发射系统用于接收发射激励信号并对其进行功率放大和幅相加权处理；
所述接收系统用于接收所述双极化天馈系统传导的回波信号，并对其进行变频、滤波和放大处理后输出到所述数字处理系统；
所述数字处理系统用于接收系统输出的中频回波信号进行数字量化、数字波束合成和数字脉冲压缩处理；
所述频率源用于输出包括参考时钟、本振信号、射频激励和测试信号的相参信号。
所述发射系统包括n个发射模块，每个发射模块表示一个发射通道，通过控制发射通道的数量n控制发射波束的宽度。
还包括幅相控制模块，所述频率源产生射频激励信号经过功分器分至n个发射模块，并通过发射模块中的发射放大电路配合所述幅相控制模块进行发射幅相加权后输出至所述双极化天馈系统，形成设定发射波束宽度的门形电磁波束。
所述接收系统包括k个接收模块，每个接收模块表示一个接收通道，通过控制接收通道的数量k控制接收波束的宽度；所述接收通道的数量k大于所述发射通道的数量n。
所述双极化天馈系统的天线单元采用双偏振波导缝隙平面阵列天线，天线通道数量与所述接收通道数量一致，天线单元之间的间距为波长的一半。
还包括伺服系统和终端计算机；所述伺服系统用于承载所述双极化天馈系统、接收系统、发射系统和数字处理系统，实现雷达方位机械扫描以及雷达天线俯仰法线角度控制；所述终端计算机用于接收所述数字处理系统通过光纤上传的回波信号，分析相关气象信息输出分析结果。
本发明具有以下优点：一种X波段双极化快速扫描相控阵天气雷达，通过减少发射通道数量并增加单通道发射功率的方式进行俯仰向宽波束发射、窄波束接收，实现了在不降低雷达探测能力的同时，显著提高雷达的探测效率。通过数字波束合成技术实现了一次接收即可完成俯仰角窄波束探测，在不牺牲雷达接收能力的同时，完成整个俯仰方向的回波计算。采用收发分离的新体制，减少了发射通道数量，降低接收、发射通道结构难度，减少了环形器等相关器件数量，从而降低了系统研发、生产成本。将发射、采样、电源等发热量较大的子系统集中放置，并采用主动散热装置，提高了系统散热效率，提升系统可靠性与稳定性。
附图说明
图1 为本发明的原理结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1所示，本发明涉及一种X波段双极化快速扫描相控阵天气雷达，解决传统相控阵天气雷达在快速扫描模式下以探测能力换取探测效率的问题，可同时具备相控阵天气雷达宽波束扫描模式下的高效率与窄波束探测模式下的高探测能力两大优势，从而大大提高了相控阵天气雷达探测的时空分辨率和探测能力，提前了灾害性天气的预警时间与监控范围；其具体包括以下内容：
该雷达主要由双极化天馈系统（阵面天线）、发射系统、接收系统、数字处理系统、频率源、供电系统、伺服系统及终端计算机等组成。将所有系统模块集中放置并设置主动热传导方式进行散热。
双极化天馈系统用于传导所述发射系统输出的双偏振发射信号向空间辐射，以及接收双偏振回波信号并传导至所述接收系统；
发射系统用于接收发射激励信号并对其进行功率放大和幅相加权处理，然后通过环形器传输到阵面天线中；
接收系统用于通过环形器接收所述双极化天馈系统传导的回波信号（如回波中频1、……、回波中频i、……、回波中频i+n+1），并对其进行变频、滤波和放大处理后输出到所述数字处理系统；
数字处理系统用于接收系统输出的中频回波信号进行数字量化、数字波束合成和数字脉冲压缩处理；
频率源用于输出包括参考时钟、本振信号、射频激励和测试信号的相参信号。
伺服系统用于承载所述双极化天馈系统、接收系统、发射系统和数字处理系统，实现雷达方位机械扫描以及雷达天线俯仰法线角度控制；终端计算机用于接收所述数字处理系统通过光纤上传的回波信号，分析相关气象信息输出分析结果。
本发明的相控阵天气雷达采用模拟合成宽波束发射，接收采用窄波束数字波束合成方式，也就是现有相控阵雷达中的“宽发窄收”模式。本发明中设定雷达接收模块数量为k（k=32、64、128……），每个接收模块表示一个接收通道，即接收通道的数量也为k，发射模块的数量为n（n=4、8、16……），每个发射模块表示一个发射通道，即发射通道的数量也为n。其中发射波束宽度与发射通道的数量n相关，接收波束与接收通道的数量k相关。图中R1、Ri、Ri+n-1、Rk表示接收通道，其中0<i<k，n<k，Ti、Tn表示发射通道，其中i<n。
本发明的收发系统中接收、发射单元采用分体设计，减少发射通道数量的同时增大发射通道的输出功率，以实现宽波束、大功率发射功能；接收通道数量根据设定接收波束宽度设计，通道接收后采用数字波束合成（DBF）方式，可同时完成多通道较窄宽度的波束接收，各接收通道波束指向叠加覆盖发射波束角度范围，以实现精细化的探测能力的同时提高雷达收发效率。
频率源产生射频激励信号经功分器功分至n个发射模块，并经由发射模块中的发射放大电路、配合天馈系统幅相特性进行发射幅相加权后输至天馈系统，形成设定发射波束宽度的门形电磁波束。回波信号经k个接收通道后，分别完成混频、滤波等相关处理并输出中频信号至数字采样模块进行数字量化处理，经数字量化的回波数据由数据处理板幅相加权、数字波束合成，生成设定接收波束宽度的多层回波数据后上传至终端计算机。
进一步地，双极化天馈系统的天线单元采用双偏振波导缝隙平面阵列天线，具有口面场分布容易控制、天线口径效率高、性能稳定、波束易控直、低副瓣等特点。
天线通道数量与接收通道数量一致，各天线单元排成一条直线，天线单元间距为d（d≈λ/2），λ表示波长。
天线波束半功率点宽度为：
Figure 564541DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 684944DEST_PATH_IMAGE002
。
可见线阵天线波束的半功率点宽度和天线波束扫描角的余弦值成反比，当波束扫描角与天线法向方向重合时可得到最小波束角度：
Figure 402364DEST_PATH_IMAGE003
由此，雷达发射通道数量和接收通道数量可根据设计的发射波束宽度和接收波束宽度计算设计。
雷达频率源产生频率范围在9.3GHz~9.5GHz之间的脉冲射频激励信号，经功分器功分成n路后分别进入n个发射模块。发射模块对输入的激励信号进行放大、滤波等相关处理后搭配6位射频移相器为信号进行相位加权，相位加权的目的是修正天线、线缆等相关器件的相位差异并使发射信号在天线裂缝输出口形成设定的相位差以在空间合成固定发射指向波束。通过发射通道内部幅度加权，控制到达波导裂缝输出口的功率，以达到空间合成波束在指定角度范围内实现等幅发射，形成门形波束，波束宽度为
Figure 836DEST_PATH_IMAGE004
。
发射相位控制采用6位移相控制器实现，移相步进5.625°，移相精度误差小于0.2°；发射幅度控制采用功放末级电源调压实现，输出功率范围12dB，输出功率误差小于0.2dB。
接收系统采用数字波束合成（DBF）技术，接收通道数量与天线通道数量相同，阵列天线k通道的接收信号分别进入k通道接收机进行独立的放大、滤波、下混频等处理，并最终输出模拟中频信号。
数字处理系统对k通道的模拟中频信号进行数字量化、数字滤波和变频处理，将其 以数字方式解调到基带信号。对k通道的基带数字信号进行不同的幅相加权，形成“窄角度” 接收波束，波束宽度为
Figure 18470DEST_PATH_IMAGE006
，波束数量为
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，接收波束角度覆盖发射波束角度范围。
由于模拟链路上没有幅相控制单元，从基带信号上保留了天线阵列每个单元信号的全部信息，采用先进的数字信号处理技术对每个通道的信号进行处理，在不损失能量和时间的情况下同时合成多个接收波束，波束角度小、探测更精细，可显著提高雷达的接收性能和探测效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种X波段双极化快速扫描相控阵天气雷达，其特征在于：它包括双极化天馈系统、发射系统、接收系统、数字处理系统和频率源；
所述双极化天馈系统用于传导所述发射系统输出的双偏振发射信号向空间辐射，以及接收双偏振回波信号并传导至所述接收系统；
所述发射系统用于接收发射激励信号并对其进行功率放大和幅相加权处理；
所述接收系统用于接收所述双极化天馈系统传导的回波信号，并对其进行变频、滤波和放大处理后输出到所述数字处理系统；
所述数字处理系统用于接收系统输出的中频回波信号进行数字量化、数字波束合成和数字脉冲压缩处理；
所述频率源用于输出包括参考时钟、本振信号、射频激励和测试信号的相参信号。
2.根据权利要求1所述的一种X波段双极化快速扫描相控阵天气雷达，其特征在于：所述发射系统包括n个发射模块，每个发射模块表示一个发射通道，通过控制发射通道的数量n控制发射波束的宽度。
3.根据权利要求2所述的一种X波段双极化快速扫描相控阵天气雷达，其特征在于：还包括幅相控制模块，所述频率源产生射频激励信号经过功分器分至n个发射模块，并通过发射模块中的发射放大电路配合所述幅相控制模块进行发射幅相加权后输出至所述双极化天馈系统，形成设定发射波束宽度的门形电磁波束。
4.根据权利要求2所述的一种X波段双极化快速扫描相控阵天气雷达，其特征在于：所述接收系统包括k个接收模块，每个接收模块表示一个接收通道，接收通道的数量也为k，通过控制接收通道的数量k控制接收波束的宽度；所述接收通道的数量k大于所述发射通道的数量n。
5.根据权利要求4所述的一种X波段双极化快速扫描相控阵天气雷达，其特征在于：所述双极化天馈系统的天线单元采用双偏振波导缝隙平面阵列天线，天线通道数量与所述接收通道数量一致，天线单元之间的间距为波长的一半。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种X波段双极化快速扫描相控阵天气雷达，其特征在于：还包括伺服系统和终端计算机；所述伺服系统用于承载所述双极化天馈系统、接收系统、发射系统和数字处理系统，实现雷达方位机械扫描以及雷达天线俯仰法线角度控制；所述终端计算机用于接收所述数字处理系统通过光纤上传的回波信号，分析相关气象信息输出分析结果。
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