CN112558061A - 一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达，包括微波激光共口径天线子系统、微波雷达子系统、激光雷达子系统和系统管理及信号处理子系统，通过W频段全固态调频连续波云雷达与多波长拉曼偏振激光雷达进行软硬件复合及联合反演，实现对云和气溶胶精细结构的遥感探测，激光与微波被云及气溶胶后向散射的回波信号由微波激光复合探测雷达共口径天线接收，通过空间分离技术实现将微波和激光回波分离，分别通过微波探测通道和光学探测通道实现对微波和激光回波信号的探测处理，再通过运行在显控计算机的微波雷达与激光雷达系统控制及数据反演软件，实现对微波激光复合雷达控制、状态监视、回波信号及数据处理及产品显示功能。

Description

一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达
技术领域
本发明涉及测量测试技术领域，具体涉及一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达。
背景技术
大气云与气溶胶在全球气候和环境变化过程中扮演重要的角色。准确的云和气溶胶信息能够加深人们对地球能量收支平衡的了解，提高数值天气预报的准确性，对气候研究而言具有十分重要的意义。同时，对气溶胶特性空间分布的详细了解，也是了解污染机制、控制污染的前提。
云和气溶胶遥感探测技术主要包括成像光谱仪等被动探测技术、激光雷达技术以及微波雷达技术。相比被动遥感探测技术，激光雷达与微波雷达可探测云、气溶胶垂直剖面，获取云和气溶胶三维空间分布信息及精细结构。
当前，国内外已开展了多项主动遥感气象雷达的研制，其典型特点包括：微波测云采用Ka或W频段，Ka/W频段多频联合探测，微波雷达和激光雷达同址协同观测等设计。2016年10月至2018年3月，塞浦路斯地基LACROS系统采用多种遥感设备进行了18个月的云、气溶胶和降水实验，主要的先进遥感设备包括一台测量气溶胶高度廓线的气溶胶激光雷达，一台用于混合相和冰云廓线测量和冰水含量测量的毫米波云雷达等；中国气象局正在组织进行的超大城市试验项目，其中云的观测主要利用同一试验场地基毫米波云雷达和激光雷达进行协同遥感观测；上述项目中采用微波激光协同探测方案均采用微波雷达与激光雷达同址协同观测设计，并未解决对同一云团同时、同指向的高时空同步探测问题。
发明内容
本发明是为了解决微波激光雷达同时同指向探测的问题，提供一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达，采用激光光学主镜与微波天线共型设计、部分复用的方式，实现微波与激光回波的高效接收；本发明由微波激光复合探测雷达共口径天线子系统、微波雷达子系统、激光雷达子系统、系统管理及信号处理子系统及系统结构组成，各系统之间紧密联系，相互配合，完成微波激光复合探测云-气溶胶微波、光学参数的测量任务。
本发明提供一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达，包括微波激光共口径天线子系统，与微波激光共口径天线子系统连接的微波雷达子系统、激光雷达子系统，和与微波雷达子系统、激光雷达子系统均电连接的系统管理及信号处理子系统、供电系统；
微波激光共口径天线子系统用于接收激光回波信号，用于发射微波信号和接收微波回波信号，用于将激光回波信号和微波回波信号进行分离和准直；
微波雷达子系统用于接收系统管理及信号处理子系统输出的中频微波基带信号并放大成微波信号输出至微波激光共口径天线子系统，用于接收微波激光共口径天线子系统输出的微波回波信号并处理生成微波中频信号输出至系统管理及信号处理子系统；
激光雷达子系统用于生成激光信号并输出至微波激光共口径天线子系统，用于接收微波激光共口径天线子系统输出的激光回波信号并处理生成激光探测电信号输出至系统管理及信号处理子系统；
系统管理及信号处理子系统用于接收微波雷达子系统输出的微波中频信号和激光雷达子系统输出的激光探测电信号并进行放大、采集和存储，用于产生微波基带信号并生成中频微波基带信号，用于将中频微波基带信号输出至微波雷达子系统，用于控制微波雷达子系统和激光雷达子系统的运行，用于进行信号采集与处理并产生时序信号和控制开关信号，用于进行微波中频信号和激光探测电信号的数据反演和显示；
微波激光共口径天线子系统包括微波激光共口径天线，微波激光共口径天线用于接收所述微波回波信号和所述激光回波信号。
本发明所述的一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达，作为优选方式，微波激光共口径天线包括主镜和副镜，主镜为包括包括中心圆形区域和周边圆环区域的共口径主镜，中心圆形区域用于接收微波回波信号和激光回波信号，周边圆环区域用于接收微波回波信号；副镜用于接收微波回波信号和激光回波信号。
本发明所述的一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达，作为优选方式，微波激光共口径天线为卡塞格伦双镜结构；
主镜为旋转抛物面镜，副镜为凸双曲面镜。
本发明所述的一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达，作为优选方式，微波激光共口径天线子系统还包括用于辐射微波信号和接收微波回波信号的天线馈源，微波、激光信号分离元件和用于收发信号低损耗传输及调频连续波信号收发隔离的准光传输线，微波、激光信号分离元件通过分光镜进行微波回波信号和激光回波信号传输路径的分离。
本发明所述的一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达，作为优选方式，所述天线馈源为波束波导式；
天线馈源使用双模喇叭；
微波、激光信号分离元件为分束元件，分束元件通孔中心点位于激光微波激光共口径天线的光轴上，激光回波信号通过通孔后到达激光雷达子系统，微波回波信号经分束元件反射后发送至微波雷达子系统。
本发明所述的一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达，作为优选方式，系统管理及信号处理子系统包括管理系统和终端显控软件；
管理系统用于接收微波雷达子系统输出的微波中频信号和激光雷达子系统输出的激光探测电信号并进行放大、采集和存储，用于产生微波基带信号并生成中频微波基带信号，用于将中频微波基带信号输出至微波雷达子系统，用于控制微波雷达子系统和激光雷达子系统的运行，用于进行信号采集与处理并产生时序信号和控制开关信号；
终端显控软件用于进行微波中频信号和激光探测电信号的数据建模、数据反演和显示，终端显控软件用于获取以下一种或多种参数组合：云粒子直径、云滴谱、气溶胶粒子直径、消光系数、云水/云冰含量、云底高、云顶高、积分云量和混合层高度。
本发明所述的一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达，作为优选方式，微波激光复合探测雷达的动作方式为一维手动转动或二维自动扫描。
本发明所述的一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达，作为优选方式，微波信号为W频段微波信号，激光信号为355nm激光、532nm激光和1064nm激光。
本发明所述的一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达，作为优选方式，微波雷达子系统包括W频段上行信道、W频段下行信道和频率综合器；
W频段上行信道用于将控制与处理子系统输出的中频微波基带信号经过上变频变换成W频段94.05GHz±100MHz的毫米波信号并进行功率放大后输出给微波激光共口径天线子系统发射；W频段下行信道用于将微波激光共口径天线子系统接收的W频段94.05GHz±100MHz的毫米波雷达回波信号通过下变频、放大、滤波变换为中频信号并输出至控制与处理子系统进，频率综合器用于为W频段上行信道和W频段下行信道提供频率变换所需的本振信号。
本发明所述的一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达，作为优选方式，激光雷达子系统包括用于输出355nm激光、532nm激光、1064nm激光的激光发射子系统、用于接收激光回波信号并转化为激光探测电信号的光学接收处理子系统和系统控制及信号处理子系统；
激光发射子系统包括三波长固体激光器、电源和光轴对中组件，三波长固体激光器用于在控制信号的控制下输出355nm激光、532nm激光和1064nm激光，光轴对中组件用于将三波长固体激光器的激光发射光轴调节至与光学接收处理系统的光轴平行；
光学接收处理子系统包括用于接收激光回波信号的望远镜单元、用于接收激光回波信号并进行光处理形成光信号输出的光学处理单元、用于接收光信号并转化为激光探测电信号输出的探测器单元；
光学处理单元包括准直镜、分色镜和若干个光信号变换与接收通道，准直镜用于将激光回波光束准直为平行光，分色镜用于将平行光分离为不同波长的光信号并发送到对应的光信号变换与接收通道，光信号变换与接收通道用于探测接收光信号；
系统控制及信号处理子系统用于给激光雷达子系统供电，系统控制及信号处理子系统用于对激光发射子系统、光学接收处理子系统进行系统控制并对激光回波信号进行处理；
激光雷达子系统对外接口包括电源和以太网数据传输接口。
本发明的技术方案是：天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达由微波激光复合探测雷达共口径天线子系统、微波雷达子系统、激光雷达子系统、系统管理及信号处理子系统及系统结构组成，各系统之间紧密联系，相互配合，完成微波激光复合探测云-气溶胶微波、光学参数的测量任务。
天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达通过共用天线实现复合探测，天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达发射355nm、532nm、1064nm激光和94.05GHz微波，激光与微波被云及气溶胶后向散射的回波信号由微波激光复合探测雷达共口径天线接收，通过空间分离技术实现将微波和激光回波分离，分别通过微波探测通道和光学探测通道实现对微波和激光回波信号的探测处理。
微波雷达子系统主要完成W频段微波信号的生成与放大、W频段微波信道传输、W频段微波回波信号高灵敏度接收、微波雷达系统控制、微波回波信号处理以及数据产品生成功能；
激光雷达子系统主要完成三波长激光发射、多通道激光接收、激光雷达系统控制、激光雷达回波信号处理以及数据产品生成功能；
系统管理及信号处理子系统主要包括显控计算机及运行的微波雷达与激光雷达系统控制及数据反演软件，实现对微波激光复合雷达控制、状态监视、回波信号及数据产品显示功能。
所述微波激光共口径天线包括微波天线与激光激光微波激光共口径天线，微波天线和激光激光微波激光共口径天线均采用卡塞格伦双镜结构，微波天线和激光激光微波激光共口径天线共用副镜，主镜由中心圆形区域和周边圆环区域两部分组成，微波天线有效口径包含主镜中心圆形区域和周边圆环区域；激光激光微波激光共口径天线有效口径仅为中心圆形区域。
该雷达还包括激光与微波路径分离组件，用来将微波回波信号与激光回波信号分离。
微波、激光信号分离元件为设有通孔的分束元件，该分束元件通孔中心点位于卡塞格伦双镜的光轴上，激光回波信号通过通孔后到达光学中继子系统，微波回波信号经分束元件反射后发送至微波收发子系统。
微波、激光信号分离元件为设有通孔的分束元件物理分离方案，激光与微波路径分离组件为设有通孔的分束元件，在分束元件的中心根据激光尺寸大小留一通孔，作为激光光束的信道，分束元件表面镀微波反射膜，将微波45°反射后，由微波馈元接收。
光学中继子系统光学中继系统包括准直镜、分色镜和N个光信号变换与接收通道，准直镜将光束准直为平行光，分色镜将平行光分离为不同波长的光信号，发送到相应的光信号变换与接收通道，在光信号变换与接收通道实现探测接收。
本发明提供的一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达是一种新型的主动式遥感仪器，针对微波与激光雷达对天线反射率、导电率、面形精度、材料、刚度等的不同需求，采用激光光学主镜与微波天线共型设计、部分复用的方式，一体化设计微波激光共口径天线，实现微波与激光回波的高效接收。
天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达由微波激光复合探测雷达共口径天线子系统、微波雷达子系统、激光雷达子系统、系统管理及信号处理子系统及系统结构组成。
本发明天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达可完全实现微波激光高度时空匹配的联合遥感，同时大幅减少设备的体积及重量，适用于地基、空基、车载、舰载等多种安装方式，具技术先进性。
本发明具有以下优点：
(1)、本发明微波雷达与激光雷达一体化共口径设计，使得微波-激光雷达协同工作，实现全球云-气溶胶高度时空匹配的联合遥感，形成对云-气溶胶及其相互作用的综合观测能力。
(2)、本发明微波天线和激光激光微波激光共口径天线均采用卡塞格伦双镜结构，微波天线和激光激光微波激光共口径天线共用副镜，主镜采用一体加工、分别研磨的共口径方式，可以提高微波激光复合望远镜的面型精度，降低加工难度。
(3)、本发明采用中心开通孔的分束元件物理分离方案，实现多波长激光回波信号与高频微波信号的分离，相比现有技术，降低对发射机功率和收发隔离开关隔离度的要求。
(4)本发明的微波、激光联合数据反演技术，通过对获取的微波雷达和激光雷达基础数据的联合反演，获取云底高、云顶高、积分云量、混合层高度等云和气溶胶的宏观参数信息及云粒子直径、云滴谱、气溶胶粒子直径、消光系数、云水/云冰含量等云和气溶胶的微观参数信息。
附图说明
图1为一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达实施例1组成图；
图2为一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达实施例1初步结构图；
图3为一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达实施例2-4组成图；
图4为一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达实施例2-4初步结构图；
图5为一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达主镜示意图；
图6为一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达实施例2-4初步安装结构图；
图7为一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达实施例4激光雷达子系统框图；
图8为一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达实施例4微波雷达子系统框图。
附图标记：
1、微波激光共口径天线子系统；11、微波激光共口径天线；12、天线馈源；13、微波、激光信号分离元件；2、微波雷达子系统；21、W频段上行信道；22、W频段下行信道；23、频率综合器；3、激光雷达子系统；31、激光发射子系统；32、光学接收处理子系统；33、系统控制及信号处理子系统；4、系统管理及信号处理子系统；41、管理系统；42、终端显控软件；5、供电系统。
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。
实施例1
如图1-2所示，一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达，包括微波激光共口径天线子系统1，与微波激光共口径天线子系统1连接的微波雷达子系统2、激光雷达子系统3，和与微波雷达子系统2、激光雷达子系统3均电连接的系统管理及信号处理子系统4、供电系统5；
微波激光共口径天线子系统1用于发射激光信号和接收激光回波信号，用于发射微波信号和接收微波回波信号，用于将激光回波信号和微波回波信号进行分离和准直；
微波雷达子系统2用于接收系统管理及信号处理子系统4输出的中频微波基带信号并放大成微波信号输出至微波激光共口径天线子系统1，用于接收微波激光共口径天线子系统1输出的微波回波信号并处理生成微波中频信号输出至系统管理及信号处理子系统4；
激光雷达子系统3用于生成激光信号并输出至微波激光共口径天线子系统1，用于接收微波激光共口径天线子系统1输出的激光回波信号并处理生成激光探测电信号输出至系统管理及信号处理子系统4；
系统管理及信号处理子系统4用于接收微波雷达子系统2输出的微波中频信号和激光雷达子系统3输出的激光探测电信号并进行放大、采集和存储，用于产生微波基带信号并生成中频微波基带信号，用于将中频微波基带信号输出至微波雷达子系统2，用于控制微波雷达子系统2和激光雷达子系统3的运行，用于进行信号采集与处理并产生时序信号和控制开关信号，用于进行微波中频信号和激光探测电信号的数据反演和显示；
微波激光共口径天线子系统1包括微波激光共口径天线11，微波激光共口径天线11用于接收所述微波回波信号和所述激光回波信号。
实施例2
如图3-4所示，一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达，包括微波激光共口径天线子系统1，与微波激光共口径天线子系统1连接的微波雷达子系统2、激光雷达子系统3，和与微波雷达子系统2、激光雷达子系统3均电连接的系统管理及信号处理子系统4、供电系统5；
微波激光共口径天线子系统1用于接收激光回波信号，用于发射微波信号和接收微波回波信号，用于将激光回波信号和微波回波信号进行分离和准直；
微波激光共口径天线子系统1包括微波激光共口径天线11，微波激光共口径天线11用于接收微波回波信号激光回波信号；
微波激光共口径天线11包括主镜和副镜，如图5所示，主镜为包括包括中心圆形区域和周边圆环区域的共口径主镜，中心圆形区域用于接收微波回波信号和激光回波信号，周边圆环区域用于接收微波回波信号；所述副镜用于接收所述微波回波信号和所述激光回波信号；
微波激光共口径天线11为卡塞格伦双镜结构；
主镜为旋转抛物面镜，副镜为凸双曲面镜。
微波激光共口径天线子系统1还包括用于辐射微波信号和接收微波回波信号的天线馈源12，微波、激光信号分离元件13和用于收发信号低损耗传输及调频连续波信号收发隔离的准光传输线和，微波、激光信号分离元件13通过分光镜进行微波回波信号和激光回波信号传输路径的分离；
天线馈源12为波束波导式；天线馈源12使用双模喇叭；
微波、激光信号分离元件为分束元件，分束元件通孔中心点位于激光微波激光共口径天线11的光轴上，激光回波信号通过通孔后到达激光雷达子系统3，微波回波信号经分束元件反射后发送至微波雷达子系统2；
微波雷达子系统2用于接收系统管理及信号处理子系统4输出的中频微波基带信号并放大成微波信号输出至微波激光共口径天线子系统1，用于接收微波激光共口径天线子系统1输出的微波回波信号并处理生成微波中频信号输出至系统管理及信号处理子系统4；
激光雷达子系统3用于生成激光信号并输出至微波激光共口径天线子系统1，用于接收微波激光共口径天线子系统1输出的激光回波信号并处理生成激光探测电信号输出至系统管理及信号处理子系统4；
系统管理及信号处理子系统4用于接收微波雷达子系统2输出的微波中频信号和激光雷达子系统3输出的激光探测电信号并进行放大、采集和存储，用于产生微波基带信号并生成中频微波基带信号，用于将中频微波基带信号输出至微波雷达子系统2，用于控制微波雷达子系统2和激光雷达子系统3的运行，用于进行信号采集与处理并产生时序信号和控制开关信号，用于进行微波中频信号和激光探测电信号的数据反演和显示；
系统管理及信号处理子系统4包括管理系统41和终端显控软件42；
管理系统41用于接收微波雷达子系统2输出的微波中频信号和激光雷达子系统3输出的激光探测电信号并进行放大、采集和存储，用于产生微波基带信号并生成中频微波基带信号，用于将中频微波基带信号输出至微波雷达子系统2，用于控制微波雷达子系统2和激光雷达子系统3的运行，用于进行信号采集与处理并产生时序信号和控制开关信号；
终端显控软件42用于进行微波中频信号和激光探测电信号的数据建模、数据反演和显示，终端显控软件42用于获取以下一种或多种参数组合：云粒子直径、云滴谱、气溶胶粒子直径、消光系数、云水/云冰含量、云底高、云顶高、积分云量和混合层高度。
实施例3
如图3-4所示，一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达，包括微波激光共口径天线子系统1，与微波激光共口径天线子系统1连接的微波雷达子系统2、激光雷达子系统3，和与微波雷达子系统2、激光雷达子系统3均电连接的系统管理及信号处理子系统4、供电系统5；
微波激光共口径天线子系统1用于接收激光回波信号，用于发射微波信号和接收微波回波信号，用于将激光回波信号和微波回波信号进行分离和准直；
微波激光共口径天线子系统1包括微波激光共口径天线11，微波激光共口径天线11用于接收微波回波信号激光回波信号；
微波激光共口径天线11包括主镜和副镜，如图5所示，主镜为包括包括中心圆形区域和周边圆环区域的共口径主镜，中心圆形区域用于接收微波回波信号和激光回波信号，周边圆环区域用于接收微波回波信号；所述副镜用于接收所述微波回波信号和所述激光回波信号；
微波激光共口径天线11为卡塞格伦双镜结构；
主镜为旋转抛物面镜，副镜为凸双曲面镜。
微波激光共口径天线子系统1还包括用于辐射微波信号和接收微波回波信号的天线馈源12，微波、激光信号分离元件13和用于收发信号低损耗传输及调频连续波信号收发隔离的准光传输线，微波、激光信号分离元件13通过分光镜进行微波回波信号和激光回波信号传输路径的分离；
天线馈源12为波束波导式；天线馈源12使用双模喇叭；
微波、激光信号分离元件为分束元件，分束元件通孔中心点位于激光微波激光共口径天线11的光轴上，激光回波信号通过通孔后到达激光雷达子系统3，微波回波信号经分束元件反射后发送至微波雷达子系统2；
微波信号为W频段微波信号；
微波雷达子系统2用于接收系统管理及信号处理子系统4输出的中频微波基带信号并放大成微波信号输出至微波激光共口径天线子系统1，用于接收微波激光共口径天线子系统1输出的微波回波信号并处理生成微波中频信号输出至系统管理及信号处理子系统4；
微波雷达子系统2包括W频段上行信道21、W频段下行信道22和频率综合器23；
W频段上行信道21用于将控制与处理子系统4输出的中频微波基带信号经过上变频变换成W频段94.05GHz±100MHz的毫米波信号并进行功率放大后输出给微波激光共口径天线子系统1发射；W频段下行信道22用于将微波激光共口径天线子系统1接收的W频段94.05GHz±100MHz的毫米波雷达回波信号通过下变频、放大、滤波变换为中频信号并输出至控制与处理子系统进4，频率综合器23用于为W频段上行信道21和W频段下行信道22提供频率变换所需的本振信号；
激光信号为355nm激光、532nm激光和1064nm激光；
激光雷达子系统3用于生成激光信号并输出至微波激光共口径天线子系统1，用于接收微波激光共口径天线子系统1输出的激光回波信号并处理生成激光探测电信号输出至系统管理及信号处理子系统4；
激光雷达子系统3包括用于输出355nm激光、532nm激光、1064nm激光的激光发射子系统31、用于接收激光回波信号并转化为激光探测电信号的光学接收处理子系统32和系统控制及信号处理子系统33；
激光发射子系统31包括三波长固体激光器、电源和光轴对中组件，三波长固体激光器用于在控制信号的控制下输出355nm激光、532nm激光和1064nm激光，光轴对中组件用于将三波长固体激光器的激光发射光轴调节至与光学接收处理系统32的光轴平行；
光学接收处理子系统32包括用于接收激光回波信号的望远镜单元、用于接收激光回波信号并进行光处理形成光信号输出的光学处理单元、用于接收光信号并转化为激光探测电信号输出的探测器单元；
光学处理单元包括准直镜、分色镜和若干个光信号变换与接收通道，准直镜用于将激光回波光束准直为平行光，分色镜用于将平行光分离为不同波长的光信号并发送到对应的光信号变换与接收通道，光信号变换与接收通道用于探测接收光信号；
系统控制及信号处理子系统33用于给激光雷达子系统3供电，系统控制及信号处理子系统33用于对激光发射子系统31、光学接收处理子系统32进行系统控制并对激光回波信号进行处理；
激光雷达子系统3对外接口包括电源和以太网数据传输接口；
系统管理及信号处理子系统4用于接收微波雷达子系统2输出的微波中频信号和激光雷达子系统3输出的激光探测电信号并进行放大、采集和存储，用于产生微波基带信号并生成中频微波基带信号，用于将中频微波基带信号输出至微波雷达子系统2，用于控制微波雷达子系统2和激光雷达子系统3的运行，用于进行信号采集与处理并产生时序信号和控制开关信号，用于进行微波中频信号和激光探测电信号的数据反演和显示；
系统管理及信号处理子系统4包括管理系统41和终端显控软件42；
管理系统41用于接收微波雷达子系统2输出的微波中频信号和激光雷达子系统3输出的激光探测电信号并进行放大、采集和存储，用于产生微波基带信号并生成中频微波基带信号，用于将中频微波基带信号输出至微波雷达子系统2，用于控制微波雷达子系统2和激光雷达子系统3的运行，用于进行信号采集与处理并产生时序信号和控制开关信号；
终端显控软件42用于进行微波中频信号和激光探测电信号的数据建模、数据反演和显示，终端显控软件42用于获取以下一种或多种参数组合：云粒子直径、云滴谱、气溶胶粒子直径、消光系数、云水/云冰含量、云底高、云顶高、积分云量和混合层高度；
微波激光复合探测雷达的动作方式为一维手动转动或二维自动扫描；微波信号为W频段微波信号，激光信号为355nm激光、532nm激光和1064nm激光。
如图6所示，微波激光复合探测雷达的动作方式为一维手动转动或二维自动扫描。
实施例4
如图3-4所示，天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达由微波激光共口径天线子系统1、微波雷达子系统2、激光雷达子系统3、系统管理及信号处理子系统4及系统结构组成。
微波激光共口径天线子系统1，采用微波激光共口径天线，实现微波信号的扩束发送、微波回波信号与多波长激光回波信号的同时接收；将微波回波信号与多波长激光回波信号分离，微波回波信号发送给微波收发子系统，多波长激光回波信号发送给光学中继子系统。
所述微波激光共口径天线前端包括微波天线与激光接收望远镜，即微波激光共口径天线。微波雷达天线与激光雷达的光学接收系统设计都是基于几何光学理论，可通过选择相同的卡塞格伦双镜反射结构形式，实现光路与微波路径的统一。激光雷达的光学接收系统对于镜面的型面精度要求更高，完全可以满足微波雷达天线的性能需求。微波雷达天线馈源部分可采用波束波导形式，能够实现光学与微波的路径分离设计。微波天线和激光接收望远镜均采用卡塞格伦双镜结构，卡塞格伦双镜反射器的主镜为旋转抛物面镜，副镜为凸双曲面镜。微波天线和激光接收望远镜共用副镜，如图5所示，主镜由中心圆形区域和周边圆环区域两部分组成，微波天线有效口径包含主镜中心圆形区域和周边圆环区域；激光接收望远镜有效口径仅为中心圆形区域。
所述微波激光共口径天线子系统1还包括激光与微波路径分离组件，用来将微波回波信号与激光回波信号分离。激光与微波路径分离组件采用设有通孔的分束元件，该分束元件通孔中心点位于卡塞格伦双镜的光轴上，激光回波信号通过通孔后到达光学中继子系统，微波回波信号经分束元件反射后发送至微波收发子系统。
如图7所示，综合考虑微波雷达和激光雷达两方面在发射功率、重量、体积以及实现难度等几方面的因素，采用口径0.6m的主镜。其中，微波有效口径为0.6m，激光有效口径为0.25m。即采用中心0.25m圆口径为光学反射镜，外围0.6m口径为微波天线反射面的设计。光学方面能够满足激光雷达关于接收视场1mrad的精度要求。微波方面，当增益Gain＝52dB时，口径0.6m,由天线的增益计算公式Gain＝20lg(πD/λ)+10lgk，得到W频段微波天线整体效率为k＝0.459，符合该种天线经验效率范围。主镜焦距F_main＝0.4m，光学焦径比为1.6，微波焦径比为0.67；副镜口径为108mm。考虑到副镜的加工余量和固定安装位置，副镜口径需要适当增大，全口径为118mm，这时相对主镜的遮拦比为0.23。
激光与微波路径分离组件采用设有通孔的分束元件，在分束元件的中心根据激光尺寸大小留一通孔，作为激光光束的信道，激光回波信号通过通孔后到达光学中继子系统；分束元件表面镀微波反射膜，将回波信号45°反射后，发送至微波收发子系统。
如图8所示，微波雷达子系统2工作于W频段，采用调频连续波信号形式，收发同时工作。主要完成W频段微波信号的生成与放大、W频段微波信道传输、W频段微波回波信号高灵敏度接收、微波雷达系统控制、微波回波信号处理以及数据产品生成功能。主要由W频段波束波导馈源及分光元件、W频段收发子系统、雷达频率基准源、控制与处理子系统、系统电源、结构子系统等单机或子系统构成。
W频段波束波导馈源及分光元件：包括W频段天线馈源、准光传输线、及微波、激光信号分离元件，W频段馈源采用双模喇叭，主要用于辐射/接收雷达信号；微波与激光信号通过一片分光镜来实现传输路径的分离；准光传输线保证收发信号的低损耗传输及调频连续波信号收发隔离。
W频段收发信道子系统：包括W频段上行信道21、W频段下行信道22、频率综合器23三部分，W频段上行信道21将控制与处理子系统产生的中频雷达信号经过上变频变换成W频段94.05GHz±100MHz的毫米波信号，进行功率放大后，输出给W频段馈源发射；W频段下行信道22将雷达接收到W频段94.05GHz±100MHz的毫米波雷达回波信号通过下变频、放大、滤波变换为中频信号，给控制与处理子系统进行采集、处理；频率综合器23为W频段上行信道21、下行信道22提供频率变换所需的本振信号。
雷达频率基准源：由100MHz恒温晶振及分路、放大电路组成，为W频段收发信道子系统、控制及处理子系统提供系统同步所需的频率基准信号。
控制与处理子系统：完成地基毫米波测云雷达的控制、探测信号产生、雷达回波信号采集及处理、雷达各子系统遥测量采集、对外数据接口管理等工作。
系统电源：为W频段收发信道子系统、雷达频率基准源、控制与处理子系统等子系统提供工作所需的电源。
激光发射子系统313根据系统管理及信号处理子系统发送的时序信号和控制开关信号，向空间发射多波长激光。
激光雷达子系统主要由激光发射子系统31、光学接收处理子系统32(包括望远镜单元、光学处理单元、探测器单元)、系统控制及信号处理子系统组成33。其中，激光发射子系统31输出355nm、532nm、1064nm三波长激光；光学接收处理子系统32中望远镜单元接收目标散射的光信号，光学处理单元将望远镜接收的光信号进行光处理，探测器单元将经光学处理的光信号转化为电信号；系统控制及信号处理子系统是拉曼激光雷达的电气部分，对拉曼激光雷达进行系统控制，并对回波信号进行处理；拉曼激光雷达对外接口只需电源和以太网数据传输接口。
激光发射子系统31由三波长固体激光器及其电源，光轴对中组件组成，主要功能为在控制信号的控制下，输出355nm、532nm、1064nm的三波长激光，并通过光轴对中组件调节激光发射光轴，使其与光学接收处理单元的光轴平行。
光学接收处理子系统32由望远镜及准直镜、自由空间光路、探测器三部分组成。经气溶胶及大气分子散射的激光雷达回波信号由望远镜接收，经由望远镜焦点处的小孔光阑进行视场角的限制，由准直镜准直成平行光，再经过分光镜分光分为355nmS、355nmP、532nmS、532nmP、387nm、407nm、607nm七个通道，每个通道光路经过衰减片、滤光片后到达光电倍增管，将光信号转化为电信号后，输入给信号处理机。
系统管理及信号处理子系统4对接收的微波中频信号和激光探测电信号进行放大、采集和存储；产生微波基带信号，并将其变频至中频，发送给微波收发子系统；同时，承担着三波长激光雷达的系统控制和信号采集与处理，产生时序信号和控制开关信号包含激光雷达电源、激光器控制器、多通道光子计数与模拟采集处理机、自动对中控制器、GPS模块和工业串口以太网交换机等。
终端显控软件通过对获取的微波雷达和激光雷达基础数据的联合反演，获取云底高、云顶高、积分云量、混合层高度等云和气溶胶的宏观参数信息及云粒子直径、云滴谱、气溶胶粒子直径、消光系数、云水/云冰含量等云和气溶胶的微观参数信息。
实施例1-3的使用方法为：
激光发射子系统31发射355nm、532nm、1064nm激光和94.05GHz微波，激光与微波被云及气溶胶后向散射的回波信号由微波激光共口径天线子系统1接收，通过空间分离技术实现将微波和激光回波分离，分别通过微波探测通道和光学探测通道实现对微波和激光回波信号的探测处理。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达，其特征在于：包括微波激光共口径天线子系统(1)，与所述微波激光共口径天线子系统(1)连接的微波雷达子系统(2)、激光雷达子系统(3)，和与所述微波雷达子系统(2)、激光雷达子系统(3)均电连接的系统管理及信号处理子系统(4)、供电系统(5)；
所述微波激光共口径天线子系统(1)用于接收激光回波信号，用于发射微波信号和接收微波回波信号，用于将所述激光回波信号和所述微波回波信号进行分离和准直；
所述微波雷达子系统(2)用于接收所述系统管理及信号处理子系统(4)输出的中频微波基带信号并放大成所述微波信号输出至所述微波激光共口径天线子系统(1)，用于接收所述微波激光共口径天线子系统(1)输出的所述微波回波信号并处理生成微波中频信号输出至所述系统管理及信号处理子系统(4)；
所述激光雷达子系统(3)用于生成所述激光信号并输出至所述微波激光共口径天线子系统(1)，用于接收所述微波激光共口径天线子系统(1)输出的所述激光回波信号并处理生成激光探测电信号输出至所述系统管理及信号处理子系统(4)；
所述系统管理及信号处理子系统(4)用于接收所述微波雷达子系统(2)输出的所述微波中频信号和所述激光雷达子系统(3)输出的所述激光探测电信号并进行放大、采集和存储，用于产生微波基带信号并生成所述中频微波基带信号，用于将所述中频微波基带信号输出至所述微波雷达子系统(2)，用于控制所述微波雷达子系统(2)和所述激光雷达子系统(3)的运行，用于进行信号采集与处理并产生时序信号和控制开关信号，用于进行所述微波中频信号和所述激光探测电信号的数据反演和显示；
所述微波激光共口径天线子系统(1)包括微波激光共口径天线(11)，所述微波激光共口径天线(11)用于接收所述微波回波信号和所述激光回波信号。
2.根据权利要求1所述的一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达，其特征在于：
所述微波激光共口径天线(11)包括主镜和副镜，所述主镜为包括中心圆形区域和周边圆环区域的共口径主镜，所述中心圆形区域用于接收所述微波回波信号和所述激光回波信号，所述周边圆环区域用于接收所述微波回波信号；所述副镜用于接收所述微波回波信号和所述激光回波信号。
3.根据权利要求2所述的一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达，其特征在于：所述微波激光共口径天线为卡塞格伦双镜结构；
所述主镜为旋转抛物面镜，所述副镜为凸双曲面镜。
4.根据权利要求3所述的一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达，其特征在于：所述微波激光共口径天线子系统(1)还包括用于辐射所述微波信号和接收所述微波回波信号的天线馈源(12)，微波、激光信号分离元件(13)和用于收发信号低损耗传输及调频连续波信号收发隔离的准光传输线，所述微波、激光信号分离元件(13)通过分光镜进行所述微波回波信号和所述激光回波信号传输路径的分离。
5.根据权利要求4所述的一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达，其特征在于：
所述天线馈源(12)为波束波导式；
所述天线馈源(12)使用双模喇叭；
所述微波、激光信号分离元件(13)为分束元件，所述分束元件通孔中心点位于所述激光微波激光共口径天线(11)的光轴上，所述激光回波信号通过所述通孔后到达所述激光雷达子系统(3)，所述微波回波信号经所述分束元件反射后发送至所述微波雷达子系统(2)。
6.根据权利要求1所述的一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达，其特征在于：所述系统管理及信号处理子系统(4)包括管理系统(41)和终端显控软件(42)；
所述管理系统(41)用于接收所述微波雷达子系统(2)输出的所述微波中频信号和所述激光雷达子系统(3)输出的所述激光探测电信号并进行放大、采集和存储，用于产生微波基带信号并生成所述中频微波基带信号，用于将所述中频微波基带信号输出至所述微波雷达子系统(2)，用于控制所述微波雷达子系统(2)和所述激光雷达子系统(3)的运行，用于进行信号采集与处理并产生时序信号和控制开关信号；
所述终端显控软件(42)用于进行所述微波中频信号和所述激光探测电信号的数据建模、数据反演和显示，所述终端显控软件(42)用于获取以下一种或多种参数组合：云粒子直径、云滴谱、气溶胶粒子直径、消光系数、云水/云冰含量、云底高、云顶高、积分云量和混合层高度。
7.根据权利要求1所述的一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达，其特征在于：微波激光复合探测雷达的动作方式为一维手动转动或二维自动扫描。
8.根据权利要求1-7所述的任意一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达，其特征在于：所述微波信号为W频段微波信号，所述激光信号为355nm激光、532nm激光和1064nm激光。
9.根据权利要求8所述的一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达，其特征在于：所述微波雷达子系统(2)包括W频段上行信道(21)、W频段下行信道(22)和频率综合器(23)；
所述W频段上行信道(21)用于将所述控制与处理子系统(4)输出的所述中频微波基带信号经过上变频变换成W频段94.05GHz±100MHz的毫米波信号并进行功率放大后输出给所述微波激光共口径天线子系统(1)发射；所述W频段下行信道(22)用于将所述微波激光共口径天线子系统(1)接收的W频段94.05GHz±100MHz的毫米波雷达回波信号通过下变频、放大、滤波变换为中频信号并输出至所述控制与处理子系统进(4)，所述频率综合器(23)用于为所述W频段上行信道(21)和所述W频段下行信道(22)提供频率变换所需的本振信号。
10.根据权利要求1所述的一种天线共口径的小型化微波激光复合探测雷达，其特征在于：
所述激光雷达子系统(3)包括用于输出355nm激光、532nm激光、1064nm激光的激光发射子系统(31)、用于接收所述激光回波信号并转化为所述激光探测电信号的光学接收处理子系统(32)和系统控制及信号处理子系统(33)；
所述激光发射子系统(31)包括三波长固体激光器、电源和光轴对中组件，所述三波长固体激光器用于在控制信号的控制下输出355nm激光、532nm激光和1064nm激光，所述光轴对中组件用于将所述三波长固体激光器的激光发射光轴调节至与所述光学接收处理系统(32)的光轴平行；
所述光学接收处理子系统(32)包括用于接收激光回波信号的望远镜单元、用于接收所述激光回波信号并进行光处理形成光信号输出的光学处理单元、用于接收所述光信号并转化为所述激光探测电信号输出的探测器单元；
所述光学处理单元包括准直镜、分色镜和若干个光信号变换与接收通道，所述准直镜用于将所述激光回波光束准直为平行光，所述分色镜用于将所述平行光分离为不同波长的光信号并发送到对应的所述光信号变换与接收通道，所述光信号变换与接收通道用于探测接收所述光信号；
所述系统控制及信号处理子系统(33)用于给所述激光雷达子系统(3)供电，所述系统控制及信号处理子系统(33)用于对所述激光发射子系统(31)、光学接收处理子系统(32)进行系统控制并对所述激光回波信号进行处理；
所述激光雷达子系统(3)对外接口包括电源和以太网数据传输接口。
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