CN112599976A - 一种便携式Ka波段连续波云雾雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种便携式Ka波段连续波云雾雷达，包括支架、转台、俯仰调节箱、发射天线和接收天线；所述转台固定在支架上能够实现360°旋转，转台两侧各设置一根支撑臂，所述俯仰调节箱两侧铰接在两支撑臂之间，其铰接处设置有俯仰驱动电机和俯仰发送器，通过俯仰驱动电机和俯仰发送器实现俯仰调节箱的俯仰角度调节；所述俯仰调节箱上方设置有滑轨，滑轨上设置有两个滑座，所述发射天线和接收天线分别固定在一个滑座上，通过移动所述滑座调节所述发射天线和接收天线的间距，本方案通过滑轨可调节双天线间的间距，同时提高设备运输时的便携性和工作时双天线的隔离度，连续波雷达在水平方位和俯仰向扫描，提高对低空云雾的探测能力。
Description
技术领域
本发明涉及雷达领域，具体涉及一种便携式Ka波段连续波云雾雷达。
背景技术
现有垂直扫描的Ka波段连续波云（云雾或者气象）雷达实现方式大同小异，其中，雷达双天线的隔离度越高越好，现有专利一般固定间距，利用屏蔽筒来提高隔离度。例如公开号为号CN207488493U的中国专利公开了一种基于连续波体制的气象雷达系统，包括发射天线模块、接收天线模块、发射分机、接收分机、数字处理分机以及配电分机，所述发射天线模块的信号输入端连接发射分机的信号输出端，所述发射分机的两个信号输入端分别连接接收分机的信号输出端、数字处理分机的信号输出端，所述接收分机与数字处理分机之间双向通信连接，接收天线模块的信号输出端连接接收分机的信号输入端，所述发射天线模块包括发射天线、第一馈源、第一屏蔽筒和第一天线罩；所述接收天线模块包括接收天线、第二馈源、第二屏蔽筒和第二天线罩。
现有技术在实现天线隔离度的技术上主要缺陷在于双天线之间的间距为固定的，这就使得隔离度调节仅能通过屏蔽筒实现，同时传统的天线只能实现单方向扫描，无法实现俯仰和水平方位内的同时扫描。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种便携式Ka波段连续波云雾雷达，两个天线通过滑轨可调节双天线间的间距，同时提高设备运输时的便携性和工作时双天线的隔离度，连续波雷达在水平方位和俯仰向扫描，提高对低空云雾的探测能力。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种便携式Ka波段连续波云雾雷达，包括支架、转台、俯仰调节箱、发射天线和接收天线；
所述转台固定在支架上能够实现360°旋转，转台两侧各设置一根支撑臂，所述俯仰调节箱两侧铰接在两支撑臂之间，其铰接处设置有俯仰驱动电机和俯仰发送器，通过俯仰驱动电机和俯仰发送器实现俯仰调节箱的俯仰角度调节；
所述俯仰调节箱上方设置有滑轨，滑轨上设置有两个滑座，所述发射天线和接收天线分别固定在一个滑座上，通过移动所述滑座调节所述发射天线和接收天线的间距。
进一步的，所述发射天线和接收天线结构相同，包括一个圆口径抛物面反射体、撑杆和馈源，所述馈源在沿其中一根撑杆反向翻出圆口径抛物面反射体外。该设计可极大的降低馈源对反射面的信号干扰，提升了信号收发质量。
进一步的，所述圆口径抛物面反射体采用碳纤维加工成型的标准抛物反射面。
进一步的，所述圆口径抛物面反射体口径0.6m。
进一步的，所述馈源包括波导过渡段和波纹圆锥喇叭，所述波导过渡段和波纹圆锥喇叭之间通过第一法兰固定连接，波导过渡段的另一端固定有第二法兰，所述波纹圆锥喇叭前端采用聚四氟乙烯薄膜封装。
进一步的，所述波纹圆锥喇叭为V形，波纹圆锥喇叭在所述圆口径抛物面反射体边沿出形成转角翻出反射面。
进一步的，所述第一法兰和第二法兰为方形法兰盘。
进一步的，所述转台由电机驱动，包括转台本体和底座，以及固定在转台本体中心的光铰链和汇流环，以及位于光铰链两侧的方位发送器和电机减速器，转台本体通过方位轴承与底座连接。
进一步的，所述俯仰调节箱包括调节箱本体，所述调节箱本体两端各开设一个铰接头，所述支撑臂内侧设置有与所述铰接头配合的铰接轴，调节箱本体通过铰接头和铰接轴的配合铰接在两支撑臂之间。
进一步的，所述调节箱本体内设置有收发组件、监控终端、信号处理器、电源、光端机，所述调节箱本体内壁在铰接头所在处分别安装所述俯仰驱动电机和俯仰发送器。
本发明的有益效果是：和传统的天线结构相比，本方案利用可调节的模式安装发射天线和接收天线，使得两者之间的隔离度可以调节，当波长
一定时，双天线间距R每提高1倍，隔离度提高6dB。工作时将双天线间距增加到1.2m，运输时将双天线间距缩小到0.6m，天线波导口可通过软波导与接收组件和发射组件的波导口连接，这样即提高工作时双天线的隔离度，也提高了设备运输时的便携性，同时还提升了连续波雷达在水平方位和俯仰向扫描，提高对低空云雾的探测能力。
附图说明
图1是本发明主视图；
图2是本发明侧视图；
图3是本发明俯视图；
图4是俯仰箱内部结构主视图；
图5是俯仰箱内部结构后视图图；
图6是俯仰箱俯视图；
图7是转台结构示意图；
图8是转台俯视图；
图9是馈源结构示意图；
图10是雷达整机原理示意图；
图11是发射组件原理框图；
图12是接收组件原理框图；
图13是收发天线隔离度仿真图；
图14是天线方向仿真图；
图15是天线增益仿真图；
图16是频率源原理框图；
图17是信号处理器的原理框图；
图18是监控终端原理框图；
图19角码使能/时钟/数据波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
参考图1-3所示，一种便携式Ka波段连续波云雾雷达，包括支架1、转台2、俯仰调节箱3、发射天线4和接收天线5。转台2固定在支架1上能够实现360°旋转，转台2两侧各设置一根支撑臂6，俯仰调节箱3两侧铰接在两支撑臂6之间，其铰接处设置有俯仰驱动电机36和俯仰发送器35，通过俯仰驱动电机36和俯仰发送器35实现俯仰调节箱3的俯仰角度调节；其结构可参考图7所示，更为具体的转台2由电机驱动，包括转台本体61和底座66，电机固定在底座66内，以及固定在转台本体61中心的光铰链62和汇流环63，以及位于光铰链62两侧的方位发送器64和电机减速器65，转台本体61通过方位轴承与底座66连接。
参考图4-6所示，俯仰调节箱3上方设置有滑轨33，滑轨33上设置有两个滑座34，发射天线4和接收天线5分别固定在一个滑座34上，通过移动滑座34调节发射天线4和接收天线5的间距。
天线间的隔离度通常是通过测量S参数来获得，而直接计算天线间的隔离度是一件工作量很大，很复杂的工程，而且计算的结果并不一定准确，随着计算机的性能提升，利用电磁仿真软件可计算出天线间的互耦。依据天线系统仿真模型，首先分别建立两个同样的天线，距离暂定为某一值，初始仿真其S参数大小，然后调整两天线中心距离，找到最佳值。计算得到的两天线的隔离度如图13所示，根据仿真结果可知，双天线隔离度约为70dB左右。
可选的，一种便携式Ka波段连续波云雾雷达，俯仰调节箱3包括调节箱本体31，调节箱本体31两端各开设一个铰接头32，支撑臂6内侧设置有与铰接头32配合的铰接轴，调节箱本体31通过铰接头32和铰接轴的配合铰接在两支撑臂6之间。
可选的，一种便携式Ka波段连续波云雾雷达，调节箱本体31内设置有收发组件38、监控终端301、信号处理器302、电源37、光端机39，调节箱本体31内壁在铰接头32所在处分别安装俯仰驱动电机36和俯仰发送器35。
可选的，一种便携式Ka波段连续波云雾雷达，收发组件38包括了接收组件和发射组件，收发组件分系统分为接收组件和发射组件。发射组件将信号处理器产生线性调频发射信号作上变频处理，产生调频脉冲微波信号作为雷达发射激励信号，经固态功放放大，再经过馈线送至天线向空间辐射。接收组件将天线收集到的回波信息经接收前端处理，得到模拟中频回波信号，完成接收前端模拟信号处理工作。发射组件提供一路测试信号，通过射频电缆进入接收组件的回波通道，作为发射功率检测信号，用于完成系统在线标校检测功能。
发射组件的示意图如图11所示，输入调频信号，输出功率为10W的ka波段调频信号，并产生试信号、功率检测信号、发射采样信号。接收组件的示意图如图15所示，输入目标反射的回波信号，通过与发射采样信号混频降为零中频，再通过不同的增益输出。同时，接收组件具备增益检测、发射功率检测等功能。接收组件和发射组件通过RS232传输故障和控制指令。
根据收发组件的论证结果，拟采用的技术方案如图12所示。频率源电路产生一个本振与调频信号混频，再9倍频得到35.2～35.4GHz高稳信号；功放将35.2～35.4GHz高稳信号放大并发射出去；接收组件是将天线接收到的回波信号通过低噪放和预选滤波，然后下变到零中频。
可选的，一种便携式Ka波段连续波云雾雷达，频率源技术方案如图16所示，将DDS输出的窄带细步进高纯度中频信号（200~270MHz），变频道S波段，在经过9次倍频得到35.2~35.4GHz高纯度频率。首先PDRO产生一个3.7GHz的高纯度信号，然后跟DDS产生的窄带细步进高纯度中频信号混频，得到3.9~3.94GHz频率，经过计算这个频率小于或等于5阶的混频分量落在带外，及该频率段内没有太大的杂散分量，然后经过滤波放大后输入3倍频器HMC916LP3E，得到11.7~11.82GHz频率，然后在送入3倍频器，最后得到35.2~35.4GHz高纯度频率。
可选的，一种便携式Ka波段连续波云雾雷达，信号处理器由FPGA芯片和DSP芯片组成，完成信号分析、数据传输控制等工作。其原理如图17所示，信号处理器与上位机之间通过千兆网进行通信。外部时钟输入为50MHz和100MHz。其中50MHz用于DDS时钟输入，100MHz用于AD采样。采样通道包括2个回波接收通道和一个检波输入通道。由于连续波雷达的动态范围为-165dBm～-40dBm，为此接收机采用了双通道方法，其增益分别为48dB、110dB。两个通道同时输入到信号处理器，分别进行采样和分析，当低增益通道的功率大于-55dBm时，选择低增益通道的数据，否则选取高增益通道的数据；检波通道通过采集发射信号的包络进行处理和分析。通过采用DDS技术，可灵活地控制宽带调频信号的输出参数。电源模块采用220V交流转12V直流的电源转换模块，满足整个信号处理器的供电需求。
可选的，一种便携式Ka波段连续波云雾雷达，监控终端由电源模块、ARM控制模块、CPLD数据交换模块、旋转变压器解算器、电平检测模块、串口通讯模块、网络通讯模块、温度监测模块等部分组成，其原理参考图18所示。
监控终端的控制核心为一片STM32F765VIT6单片机，工作主频为216MHz，单片机通过与CPLD和其他外围器件相连，实现对整个雷达的控制。
（2）角码获取
监控终端通过两片14XSZ2411-02/4型解算器分别从方位、俯仰旋转变压器获得当前方位角码和俯仰角码，加上角码标校值，得到真实的角码。角码一共16位，解算器得到的角码为高14位，由于定位精度为0.1°，故低两位的值不影响天线控制精度。
（3）角码输出
监控终端将标校后的真实角码通过3路+3.3V差分信号送至信号处理器，如图19所示，前16位为方位角码，后16位为俯仰角码，使能高有效，监控终端在时钟下降沿置数，信号处理器在上升沿取数，时钟频率为500KHz。
（4）终端通讯
监控终端通过一个10M/100M自适应网口与终端软件进行通讯，硬件方面使用了一片W5500网络芯片，该芯片集成了MAC和PHY，通过SPI接口与单片机通讯。
通讯采用TCP协议，监控系统作为TCP服务器，客户端对服务器进行访问，完成数据交互和控制。监控服务器默认IP地址和端口为 192.168.1.100:8001，默认MAC地址为07:08:04:12:CA:4D。单次通讯传输数据包为固定长度，长度为16个字节。
（5）伺服控制
监控终端分别通过2路RS232串口与方位驱动器和俯仰驱动器进行通讯。单片机在每一个控制循环中通过对当前角码和天线需要指向的角码比较，实时控制驱动器的转速和运转方向，实现对天线方位、俯仰的控制。
（6）收发控制
监控终端通过1路R232串口与收发组件进行通讯，实现对收发组件的控制。
（7）故障状态上报
监控终端通过串口收集收发组件的故障状态数据，通过4路光耦芯片收集方位驱动器故障、俯仰驱动器故障、俯仰-2°限位和俯仰182°限位状态，同时通过温度传感器SMT172-TO92实时采集俯仰箱温度，每隔0.5s左右通过网络向终端软件上报整机故障状态数据。
可选的，一种便携式Ka波段连续波云雾雷达，发射天线4和接收天线5结构相同，包括一个圆口径抛物面反射体41、撑杆42和馈源43，馈源43在沿其中一根撑杆42反向翻出圆口径抛物面反射体41外，以减少天线口面遮挡，其结构可参考图2所示。
从仿真方向图可以看出天线的波束宽度小于1°,副瓣电平为约为-30dB，天线增益的仿真结果为45.5dB左右，基本与理论估算值一致。其数据可参考图14和图15所示。
可选的，一种便携式Ka波段连续波云雾雷达，圆口径抛物面反射体41采用碳纤维加工成型的标准抛物反射面。圆口径抛物面反射体41口径0.6m，为了避免二次加工对反射面造成损伤，所以在反射面成型时需要通过预埋金属件来与相应的结构件进行连接。
可选的，一种便携式Ka波段连续波云雾雷达，馈源43包括波导过渡段11和波纹圆锥喇叭12，波导过渡段11和波纹圆锥喇叭12之间通过第一法兰13固定连接，波导过渡段11的另一端固定有第二法兰14，波纹圆锥喇叭12前端采用聚四氟乙烯薄膜15封装，其结构可参考图9所示。
可选的，一种便携式Ka波段连续波云雾雷达，波纹圆锥喇叭12为V形，波纹圆锥喇叭12在圆口径抛物面反射体41边沿出形成转角翻出反射面。第一法兰13和第二法兰14为方形法兰盘。
雷达工作原理如图10所示。发射组件将调频信号变频到Ka波段并放大，再通过馈线由天线形成水平偏振电磁波，同时向空中辐射；云或弱降水目标的水平或垂直后向散射偏振回波由天线收集后，分别进入馈线，再到接收组件，通过放大变频后送到数字中频信号处理器，处理计算回波的强度、速度、谱宽等参数，输出至数据处理与显示分系统，形成气象产品供预报保障人员使用。伺服分系统在监控与标校分系统的控制下，驱动天线进行不同方式的扫描探测。监控与标校分系统除接受命令对各分系统进行控制外，还对各分系统进行故障监测，以保护雷达安全运行。此外，该雷达还具有完善的故障自检、报警和标校等功能。
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 (10)
1.一种便携式Ka波段连续波云雾雷达，其特征在于，包括支架（1）、转台（2）、俯仰调节箱（3）、发射天线（4）和接收天线（5）；
所述转台（2）固定在支架（1）上能够实现360°旋转，转台（2）两侧各设置一根支撑臂（6），所述俯仰调节箱（3）两侧铰接在两支撑臂（6）之间，其铰接处设置有俯仰驱动电机（36）和俯仰发送器（35），通过俯仰驱动电机（36）和俯仰发送器（35）实现俯仰调节箱（3）的俯仰角度调节；
所述俯仰调节箱（3）上方设置有滑轨（33），滑轨（33）上设置有两个滑座（34），所述发射天线（4）和接收天线（5）分别固定在一个滑座（34）上，通过移动所述滑座（34）调节所述发射天线（4）和接收天线（5）的间距。
2.根据权利要求1所述的一种便携式Ka波段连续波云雾雷达，其特征在于，所述发射天线（4）和接收天线（5）结构相同，包括一个圆口径抛物面反射体（41）、撑杆（42）和馈源（43），所述馈源（43）在沿其中一根撑杆（42）反向翻出圆口径抛物面反射体（41）外。
3.根据权利要求2所述的一种便携式Ka波段连续波云雾雷达，其特征在于，所述圆口径抛物面反射体（41）采用碳纤维加工成型的标准抛物反射面。
4.根据权利要求3所述的一种便携式Ka波段连续波云雾雷达，其特征在于，所述圆口径抛物面反射体（41）口径0.6m。
5.根据权利要求4所述的一种便携式Ka波段连续波云雾雷达，其特征在于，所述馈源（43）包括波导过渡段（11）和波纹圆锥喇叭（12），所述波导过渡段（11）和波纹圆锥喇叭（12）之间通过第一法兰（13）固定连接，波导过渡段（11）的另一端固定有第二法兰（14），所述波纹圆锥喇叭（12）前端采用聚四氟乙烯薄膜（15）封装。
6.根据权利要求5所述的一种便携式Ka波段连续波云雾雷达，其特征在于，所述波纹圆锥喇叭（12）为V形，波纹圆锥喇叭（12）在所述圆口径抛物面反射体（41）边沿出形成转角翻出反射面。
7.根据权利要求6所述的一种便携式Ka波段连续波云雾雷达，其特征在于，所述第一法兰（13）和第二法兰（14）为方形法兰盘。
8.根据权利要求7所述的一种便携式Ka波段连续波云雾雷达，其特征在于，所述转台（2）由电机驱动，包括转台本体（61）和底座（66），以及固定在转台本体（61）中心的光铰链（62）和汇流环（63），以及位于光铰链（62）两侧的方位发送器（64）和电机减速器（65），转台本体（61）通过方位轴承与底座（66）连接。
9.根据权利要求8所述的一种便携式Ka波段连续波云雾雷达，其特征在于，所述俯仰调节箱（3）包括调节箱本体（31），所述调节箱本体（31）两端各开设一个铰接头（32），所述支撑臂（6）内侧设置有与所述铰接头（32）配合的铰接轴，调节箱本体（31）通过铰接头（32）和铰接轴的配合铰接在两支撑臂（6）之间。
10.根据权利要求9所述的一种便携式Ka波段连续波云雾雷达，其特征在于，所述调节箱本体（31）内设置有收发组件（38）、监控终端（301）、信号处理器（302）、电源（37）、光端机（39），所述调节箱本体（31）内壁在铰接头（32）所在处分别安装所述俯仰驱动电机（36）和俯仰发送器（35）。
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