CN113589273A - 毫米波/红外主被动成像探测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种毫米波/红外主被动成像探测装置和方法，应用于气象目标的探测，其中，包括毫米波雷达探测模块和红外探测模块。毫米波雷达探测模块用于向所述气象目标发射毫米波电磁波探测信号，并接收所述毫米波电磁波探测信号遇到气象目标产生的散射回波信号；红外探测模块固定于所述毫米波雷达探测模块的发射天线上，用于对所述气象目标进行红外探测，获取所述气象目标的红外亮温数据；其中，所述毫米波电磁波探测信号为Ka波段和W波段高功率探测信号，所述红外探测模块的红外探测视场角与所述发射天线的雷达探测视场角保持轴心一致，实现雷达探测和红外探测的共轴扫描，从而保证探测目标的一致性。

Description

毫米波/红外主被动成像探测装置和方法

技术领域

本公开涉及遥感探测技术领域，尤其涉及一种毫米波/红外主被动成像探测装置和方法。

背景技术

毫米波频段(如Ka波段和W波段)由于其波长较短，对较小的云粒子具备较高的灵敏度，且毫米波可以穿透云进行探测，因此，毫米波雷达是云探测的重要手段之一。此外，红外传感器(9.6～11.5um)可以用于测量云体发射的红外辐射，红外辐射亮温反映出云体表面的粒子相态状况。其中，地基和星载基于红外频段探测云的设备是非常广泛的，例如红外天空成像仪、星载红外云图探测仪等。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决现有技术中毫米波/红外主被动成像探测仪所出现的上述技术问题至少之一，本公开提供了一种毫米波/红外主被动成像探测装置和方法，以应用于气象目标的探测，例如探测云和降水过程，获取云和降水的宏观结构和微物理特征。

(二)技术方案

本公开的一个方面提供了一种毫米波/红外主被动成像探测装置，应用于气象目标的探测，其中，包括毫米波雷达探测模块和红外探测模块。毫米波雷达探测模块用于向气象目标发射毫米波电磁波探测信号，并接收毫米波电磁波探测信号遇到气象目标产生的散射回波信号；红外探测模块固定于毫米波雷达探测模块的发射天线上，用于对气象目标进行红外探测，获取气象目标的红外亮温数据；其中，毫米波电磁波探测信号为Ka波段和W波段高功率探测信号，红外探测模块的红外探测视场角与发射天线的雷达探测视场角保持轴心一致，实现雷达探测和红外探测的共轴扫描。

根据本公开的实施例，毫米波雷达探测模块包括接收单元、发射单元和天馈线单元。接收单元用于对接收的正斜率线性调频信号进行上变频操作以生成射频激励信号；发射单元用于对接收的接收单元发送的射频激励信号进行放大以产生高功率的毫米波电磁波探测信号；天馈线单元用于接收发射单元发射的毫米波电磁波探测信号，并采用双极化连续波的发射形式发射毫米波电磁波探测信号；其中，天馈线单元还用于接收气象目标因毫米波电磁波探测信号产生的散射的回波信号，接收单元还用于接收天馈线单元接收的回波信号，以生成对应回波信号的中频信号。

根据本公开的实施例，接收单元包括双通道接收机前端和双通道接收通道。双通道接收机前端用于对天馈线单元传输的回波信号进行前端放大以生成放大回波信号；双通道接收通道用于对放大回波信号进行中频处理，以生成中频信号。

根据本公开的实施例，接收单元还包括频率源、激励单元和标定单元。频率源用于产生发送射频激励信号所需的源信号；激励单元用于对源信号进行上变频处理以获取射频激励信号；标定单元用于对源信号进行上变频处理以获取标定信号，并将标定信号在标定模式下传输至双通道接收机前端，以进行强度和双通道的一致性标定。

根据本公开的实施例，发射单元包括全固态发射机和发射监控器。全固态发射机用于对射频激励信号进行放大处理，以产生毫米波电磁波探测信号；发射监控器用于生成全固态发射机的发射功率数据并输出，以对全固态发射机的运行状态进行监控。

根据本公开的实施例，发射监控器包括功率计探头和监控板。功率计探头用于对测量的全固态发射机的输出功率信号进行波导耦合处理，以生成发射功率数据；监控板用于提供全固态发射机的工作状态信息。

根据本公开的实施例，天馈线单元包括接收天线、发射天线和馈线组件。接收天线用于接收回波信号；发射天线用于发射发射单元产生的毫米波电磁波探测信号；馈线组件用于将毫米波电磁波探测信号转发至发射天线，并将回波信号转发至接收单元的双通道接收通道前端。

根据本公开的实施例，馈线组件包括第一正交模耦合器、第二正交模耦合器、发射回路波导、接收回路波导、波导开关、功分器和定向耦合器。

第一正交模耦合器与发射天线连接，用于接收发射单元的毫米波电磁波探测信号，并转发至发射天线；第二正交模耦合器与接收天线连接，用于接收接收天线的回波信号，并从发射单元的馈源输出端分离出两个正交极化的信号，且保证两个极化信号的隔离度再转发；发射回路波导与第一正交模耦合器连接，用于传输毫米波电磁波探测信号；接收回路波导与第二正交模耦合器连接，用于传输回波信号；波导开关与发射回路波导连接，用于控制发射回路波导和发射单元之间的信号传输开关，实现采用电控方式进行雷达工作模式切换；功分器与波导开关连接，用于将发射单元输出的毫米波电磁波探测信号进行功率等额分配处理，以分别输送至波导开关的两个接口。定向耦合器用于对发射回路波导传输的毫米波电磁波探测信号进行耦合，以实现对发射单元的发射功率的监测。

根据本公开的实施例，发射天线包括发射馈源喇叭，发射馈源喇叭，具有同轴波导嵌套结构，其中包括圆波导、同轴波导、介质棒、金属环和波纹喇叭。圆波导由发射馈源喇叭的内导体开空形成，用于传输W波段高功率探测信号；同轴波导用于传输Ka波段高功率探测信号；介质棒加载于圆波导中心，用于控制高频辐射特性；金属环用于加载改善低频段的毫米波电磁波探测信号的匹配特性；以及波纹喇叭用于控制低频辐射特性。

根据本公开的实施例，红外探测模块包括热红外感应头、红外反射面和固定支架。热红外感应头用于将气象目标的红外亮温数据传输至装置的数据处理单元；红外反射面用于将气象目标折射到热红外感应头的热红外传感器中；固定支架与热红外感应头和红外反射面固定连接，并与发射天线固定，以使得红外探测模块的红外探测视场角与发射天线的雷达探测视场角保持轴心一致。

根据本公开的实施例，毫米波雷达探测模块还包括信号处理单元和数据处理单元。信号处理单元用于对接收单元传输的中频信号进行处理，以生成信号处理数据；数据处理单元用于对信号处理单元传输的信号处理数据和红外亮温数据进行处理，以实现对气象产品的管理和对毫米波雷达探测模块的控制。

根据本公开的实施例，在对接收单元传输的中频信号进行处理，以生成信号处理数据中，包括：对中频信号进行数字采样、去调频、加窗、两维FFT、非相干谱积累、地杂波滤波、谱参数估计的处理。

根据本公开的实施例，装置还包括伺服模块。伺服模块用于接收控制操作指令以产生驱动信号，驱动信号被执行时控制天馈线单元进行扫描探测，以产生扫描探测数据；其中，信号处理单元还用于接收控制操作指令，以产生正斜率线性调频信号。

根据本公开的实施例，信号处理单元包括中频数字接收机和信号处理器。中频数字接收机用于对中频信号进行数字去调频以获取差频回波I/Q信号；信号处理器用于对差频回波I/Q信号进行估算处理，以输出气象目标信息。

本公开的另一方面提供了一种毫米波/红外主被动成像探测方法，应用于气象目标的探测，其中，上述方法基于上述的装置实现。

(三)有益效果

本公开提供了一种毫米波/红外主被动成像探测装置和方法，应用于气象目标的探测，其中，包括毫米波雷达探测模块和红外探测模块。毫米波雷达探测模块用于向气象目标发射毫米波电磁波探测信号，并接收毫米波电磁波探测信号遇到气象目标产生的散射回波信号；红外探测模块固定于毫米波雷达探测模块的发射天线上，用于对气象目标进行红外探测，获取气象目标的红外亮温数据；其中，毫米波电磁波探测信号为Ka波段和W波段高功率探测信号，红外探测模块的红外探测视场角与发射天线的雷达探测视场角保持轴心一致，实现雷达探测和红外探测的共轴扫描，从而保证探测目标的一致性。

附图说明

图1示意性示出了根据本公开实施例的毫米波/红外主被动成像探测装置的毫米波雷达探测模块和红外探测模块的结构立体图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的毫米波/红外主被动成像探测装置的具体组成架构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序或是制造方法上的顺序，这些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把他们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把他们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的代替特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

现有的毫米波云雷达和红外探测仪都是彼此独立的设备，无法保证探测目标的一致性，在同时利用毫米波云雷达和红外成像对云特征进行分析的过程中，由于时间和空间上的不一致，极易造成反演的云参数误差。而且，现有技术中双波长(Ka波段和W波段)体制的雷达研发和应用案例较少，虽然利用双波长信号参量可以获得更多的粒子信息参量，但是雷达缺乏完善的标定功能，尤其是对信号精度影响较大的发射机功率、接收机噪声系数缺乏监控，导致发射机功率的变化一级接收机噪声系数的变化都会影响雷达反射率的测量精度；此外，毫米波雷达天线受雨水、积雪影响较为突出，如天线罩表面积水时，会大大增加信号传输损耗，其增加值与水膜厚度成正比，这就为后期定量应用反射率带来较大的误差。

为解决现有技术中毫米波/红外主被动成像探测仪所出现的上述技术问题至少之一，本公开提供了一种毫米波/红外主被动成像探测装置和方法，以应用于气象目标的探测，例如探测云和降水过程，获取云和降水的宏观结构和微物理特征。

如图1和图2所示，本公开的一个方面提供了一种毫米波/红外主被动成像探测装置，应用于气象目标的探测，其中，包括毫米波雷达探测模块100和红外探测模块200。毫米波雷达探测模块110用于向气象目标发射毫米波电磁波探测信号，并接收毫米波电磁波探测信号遇到气象目标产生的散射回波信号；红外探测模块200固定于毫米波雷达探测模块110的发射天线132上，用于对气象目标进行红外探测，获取气象目标的红外亮温数据；其中，毫米波电磁波探测信号为Ka波段和W波段高功率探测信号，红外探测模200的红外探测视场角与发射天线132的雷达探测视场角保持轴心一致，实现雷达探测和红外探测的共轴扫描。

通过上述毫米波雷达探测模块100和红外探测模块200，可以构成一毫米波/红外主被动成像探测仪系统。其中，毫米波雷达探测模块100可以为双频毫米波(Ka和W频段)雷达，红外探测模块200可以为红外成像探测仪。

如图1所示，毫米波雷达探测模块100的发射天线132和接收天线131与红外探测模块200相互固定设置。具体地，发射天线132和接收天线131之间具有用于相互连接的连接固定结构，该固定结构的下方可以连接红外探测模块200的固定支架220，通过固定支架220将红外探测模块200与毫米波雷达探测模块100的发射天线132连接起来，以实现当发射天线132进行雷达探测的过程中，红外探测模块200的红外探测视场角与发射天线132的雷达探测视场角保持轴心一致，从而实现共轴扫描，保证了探测目标的一致性。

因此，利用双频段毫米波雷达和红外成像系统相互配合、共同探测以非降水云和弱降水云等为主要气象目标的强对流过程和高空扰动过程，以及高云的宏观结构特征、微物理参数、云粒子特征、冰晶粒子特征、垂直气流与流场结构。

进一步地，在利用三个不同频段相互配合观测降水等气象目标的过程中，由于Ka波段雷达衰减较小、波长相对较长，对降水云中的粒子更加敏感，探测灵敏度高(W波段雷达波长较短，降水云对其衰减较为严重)，因此，当降水发生时，Ka波段雷达更适合用于观测对流过程，W波段雷达相对Ka波段雷达波长较短，当降水过程移动出观测区域垂直上空后，W波段雷达对云毡，高卷云的观测灵敏度更高。也即，基于上述共轴扫描装置，可以实现Ka波段雷达和W波段雷达联合观测，从而起到二者相辅相成的作用，实现整个降水过程的垂直气流及粒子的相态演变过程的探测；进一步地，当降水云主体移出雷达垂直上空区域后，红外波段可以从侧面观测云底到云顶的红外亮温数据，其中红外亮温数据用于反映云中冰晶粒子的积分量，给出一个宏观的定量结果，通过红外亮温数据可以反演高云中的冰水含量。

综上，在降水天气探测的过程中，实现了Ka波段、W波段和红外波段同时观测，在降水过程不同的发展阶段，三个波段优势互补可共同完成对整个强对流过程的连续观测。

如图1和图2所示，根据本公开的实施例，毫米波雷达探测模块100包括接收单元110、发射单元120和天馈线单元130。接收单元110用于对接收的正斜率线性调频信号进行上变频操作以生成射频激励信号；发射单元120用于对接收的接收单元110发送的射频激励信号进行放大以产生高功率的毫米波电磁波探测信号；天馈线单元130用于接收发射单元120发射的毫米波电磁波探测信号，并采用双极化连续波的发射形式发射毫米波电磁波探测信号；其中，天馈线单元130还用于接收气象目标因毫米波电磁波探测信号产生的散射的回波信号，接收单元110还用于接收天馈线单元130接收的回波信号，以生成对应回波信号的中频信号。

如图2所示，接收单元110对信号处理单元140所发送的正斜率线性调频信号进行上变频操作，以生成发射单元120可以处理的射频激励信号，通过发射单元120对该射频激励信号的处理，可以产生高功率的毫米波电磁波探测信号。天馈线单元130则接控制朝向气象目标发射该毫米波电磁波探测信号，接收因该探测信号所产生的回波信号。接收单元110接收并处理回波信号，生成中频信号，将其传输至信号处理单元140进行处理。

如图1和图2所示，根据本公开的实施例，接收单元110包括双通道接收机前端和双通道接收通道。双通道接收机前端用于对天馈线单元130传输的回波信号进行前端放大以生成放大回波信号；双通道接收通道用于对放大回波信号进行中频处理，以生成中频信号。

其中，接收单元110由超外差式双通道接收通道、数字中频处理、恒温接收的Ka波段接收机和W波段接收机组成。其中，恒温接收的Ka波段接收机和W波段接收机可以用于构成接收单元110的接收机，接收机中包括上述的双通道接收机前端。

具体地，接收机主要由时钟及频率源、发射激励单元构成。接收单元110的双通道接收机前端主要用于将微弱回波信号通过高灵敏度的放大和变频生成放大的回波信号，双通道接收通道则用于对该回波信号进行中频处理，得到中频信号，再经过相干解调提取回波信号的IQ信息，通过光纤将其传输至信号处理单元140进行数据处理；同时，接收单元110的发射激励单元用于产生发射激励信号、时钟及频率源用于产生全机的同步时钟信号。

如图1和图2所示，根据本公开的实施例，接收单元110还包括频率源、激励单元和标定单元。频率源用于产生发送射频激励信号所需的源信号；激励单元用于对源信号进行上变频处理以获取射频激励信号；标定单元用于对源信号进行上变频处理以获取标定信号，并将标定信号在标定模式下传输至双通道接收机前端，以进行强度和双通道的一致性标定。

频率源可以为上述的时钟及频率源，上述的同步时钟信号可以作为发送射频激励信号所需的源信号。激励单元对该源信号进行上变频处理之后，可以获取相应的射频激励信号，从而使得标定单元可以在标定模式下，接收单元110产生中频标定信号(中频信号)经上变频后从标定开关馈入双通道接收机前端，该标定信号对系统双通道一致性、距离、速度等进行标定，从而利用机内固态噪声源，通过控制该噪声源的电源通断来实现噪声系数的测试，以及利用高精度功率探头实时监控发射机功率强度，并把标定的结果送给数据处理单元150。

此外，为减小温度漂移对接收单元110的影响，设计了恒温控制箱。恒温系统采用两级恒温措施，第一级通过一个AA型(Air-to-Air Systems)热电制冷模组控制盒体内部温度在40±10℃范围内，第二级把几个需要恒温的模块固定在均温板上，通过一个DA型(Direct-to-Air Systems)热电制冷模组控制均温板的温度在30±1℃。

如图1和图2所示，根据本公开的实施例，发射单元120包括全固态发射机121和发射监控器。全固态发射机121用于对射频激励信号进行放大处理，以产生毫米波电磁波探测信号；发射监控器用于生成全固态发射机121的发射功率数据并输出，以对全固态发射机121的运行状态进行监控。

发射单元120主要由Ka波段调频连续波全固态发射机、W波段调频连续波全固态发射机和发射监控器等组成。其中Ka波段调频连续波全固态发射机、W波段调频连续波全固态发射机用于构成上述的全固态发射机121，全固态发射机121由功放元件、供电元件、风机冷却元件三个部分构成。在接收单元110产生不小于10dBm的线性调频射频激励信号发送给全固态发射机121的功放元件，经功放元件放大后送给天馈线单元130。电源元件为功放元件及风机冷却元件供电。

如图1和图2所示，根据本公开的实施例，发射监控器包括功率计探头和监控板。功率计探头用于对测量的全固态发射机121的输出功率信号进行波导耦合处理，以生成发射功率数据；监控板用于提供全固态发射机121的工作状态信息。

发射监控器则由罗德施瓦茨功率计和监控板等构成，该罗德施瓦茨功率计用于作为上述功率计探头。监控板用于与监控模块400连接，并对全固态发射机121及整个发射单元120的工作状态信息发送并反馈至监控模块400，从而实现对发射单元120的状态监控。

如图1和图2所示，根据本公开的实施例，天馈线单元130包括接收天线131、发射天线132和馈线组件。接收天线131用于接收回波信号；发射天线132用于发射发射单元120产生的毫米波电磁波探测信号；馈线组件用于将毫米波电磁波探测信号转发至发射天线132，并将回波信号转发至接收单元110的双通道接收通道前端。

天馈线单元130主要由接收天线131、发射天线132及其馈线组件组成。接收天线131、发射天线132均为卡塞格伦结构，包括主反射面、副反射面、馈源喇叭，结构形式如图1所示。馈线组件包括则正交模耦合器、定向耦合器、波导开关、功分器、波导等组件。天馈线单元130的主要功能是：在毫米波雷达探测信号发射时，可以以尽可能小的信号损耗将发射单元120的全固态发射机121产生的高频发射脉冲能量传送到发射天线132，由发射天线132将高频能量定向辐射到空间；在进行高频雷达回波信号接收时，由接收天线131接收，经馈线组件可以有效地传送至接收单元110的接收机。接收天线131、发射天线132具备良好的阻抗匹配和聚焦性能，且馈线组件的传输损耗小，具有保护接收机的前端设备不被高功率射频能量烧毁的特性。

如图1和图2所示，根据本公开的实施例，馈线组件包括第一正交模耦合器331、第二正交模耦合器332、发射回路波导、接收回路波导、波导开关333、功分器和定向耦合器。第一正交模耦合器331与发射天线132连接，用于接收发射单元120的毫米波电磁波探测信号，并转发至发射天线132；第二正交模耦合器332与接收天线131连接，用于接收接收天线131的回波信号，并从发射单元120的馈源输出端分离出两个正交极化的信号，且保证两个极化信号的隔离度再转发；发射回路波导与第一正交模耦合器331连接，用于传输毫米波电磁波探测信号；接收回路波导与第二正交模耦合器332连接，用于传输回波信号；波导开关333与发射回路波导连接，用于控制发射回路波导和发射单元120之间的信号传输开关，实现采用电控方式进行雷达工作模式切换；功分器与波导开关333连接，用于将发射单元120输出的毫米波电磁波探测信号进行功率等额分配处理，以分别输送至波导开关333的两个接口。定向耦合器用于对发射回路波导传输的毫米波电磁波探测信号进行耦合，以实现对发射单元120的发射功率的监测。

如图1所示，正交模耦合器与接收天线131、发射天线132的双频馈源喇叭一体化设计，正交模耦合器其主要功能是从馈源输出端分离出两个正交极化的信号，即水平极化和垂直极化的射频回波，且保证两个极化射频回波信号之间具有很好的隔离度，同时要求能承受相应的功率，具有良好的驻波与损耗。

正交模耦合器主要具有两个，即第一正交模耦合器331和第二正交模耦合器332，分别对应安装在发射天线132和接收天线131下方，从而保证用于发射/接收能够从馈源输出端分离出两个正交极化的信号，且保证两个极化信号之间具有很好的隔离度再行转发。其中，两个正交极化信号分别为Ka和W波段，即分别采用水平、垂直双极化连续波发射，并接收回波信号的水平和垂直极化分量。定向耦合器在发射支路中的功能是将发射信号耦合出一小部分以提供给功率检测装置，以实现对发射功率的监测。

如图1和图2所示，根据本公开的实施例，发射天线132包括发射馈源喇叭，发射馈源喇叭具有同轴波导嵌套结构，其中包括圆波导、同轴波导、介质棒、金属环和波纹喇叭。圆波导由发射馈源喇叭的内导体开空形成，用于传输W波段高功率探测信号；同轴波导用于传输Ka波段高功率探测信号；介质棒加载于圆波导中心，用于控制高频辐射特性；金属环用于加载改善低频段的毫米波电磁波探测信号的匹配特性；以及波纹喇叭用于控制低频辐射特性。

双频馈源喇叭选用同轴波导嵌套结构形式，内导体开空形成圆波导传输W波段信号，而同轴波导则传输Ka波段信号，并且采用了中心圆波导加载介质棒的形式，利用金属环加载改善低频段的匹配特性，最后通过波纹喇叭和介质棒分别控制低频和高频的辐射特性。

如图1和图2所示，根据本公开的实施例，红外探测模块200包括热红外感应头210、红外反射面和固定支架220。热红外感应头210用于将气象目标的红外亮温数据传输至装置的数据处理单元150；红外反射面用于将气象目标折射到热红外感应头210的热红外传感器中；固定支架220与热红外感应头210和红外反射面固定连接，并与发射天线132固定，以使得红外探测模块200的红外探测视场角与发射天线132的雷达探测视场角保持轴心一致。

红外探测模块200主要由红外成像仪的热红外感应头210构成，该热红外感应头具体可以为KT19.85，此外还可以具有固定支架220以及镀金反射面组成。红外感应探头KT19.85的红外传感器的工作频段为9.6～11.5um，该红外频段在大气中传输受到大气中二氧化碳和水汽的衰减很小，适合探测天空中的云。红外感应探头210固定在雷达的发射天线132上，并实时跟随雷达发射天线132进行自动扫描.其中，红外感应探头210采用倾斜角度安装，利用镀金的反射膜(如Edmund Optics 45-617)来探测天空中的目标云，从而使得红外探测的视场角与毫米波雷达探测的探测角度方向完全一致，因而可以保证Ka和W波段毫米波雷达、红外波段的红外成像仪探测的目标一致，为后期的数据反演减少了时间和空间中不一致所带来的误差，提高了数据准确度。

如图1和图2所示，根据本公开的实施例，毫米波雷达探测模块100还包括信号处理单元140和数据处理单元150。信号处理单元140用于对接收单元110传输的中频信号进行处理，以生成信号处理数据；数据处理单元150用于对信号处理单元140传输的信号处理数据和红外亮温数据进行处理，以实现对气象产品的管理和对毫米波雷达探测模块100的控制。

数据处理单元150主要由计算机、显示器等硬件和相关的软件组成。数据处理单元150负责雷达系统的控制、管理和气象产品的生成、显示和管理，可以作为该装置直接面向用户的窗口。

如图1和图2所示，根据本公开的实施例，信号处理单元110包括中频数字接收机141和信号处理器142。中频数字接收机141用于对中频信号进行数字去调频以获取差频回波I/Q信号；信号处理器142用于对差频回波I/Q信号进行估算处理，以输出气象目标信息。

信号处理单元140的信号处理器142采用通用高性能服务器，通过软件化方式，对中频数字接收机141的中频数字综合处理送出的I/Q信号进行实时处理，实现滤波、视频积分、FFT和气象要素的估算，输出强度、径向速度、谱宽、双偏振参数等气象目标信息。软件化信号处理打破了原有DSP芯片的硬件限制，可以融合更多、更复杂的信号处理功能和算法，实现气象要素精细化、智能化处理的需求，此外软件化信号处理具有良好的拓展性，，有利于雷达后端处理架构的统一性设计。

如图1和图2所示，根据本公开的实施例，在对接收单元110传输的中频信号进行处理，以生成信号处理数据中，包括：对中频信号进行数字采样、去调频、加窗、两维FFT、非相干谱积累、地杂波滤波、谱参数估计的处理。

根据本公开的实施例，装置还包括伺服模块300。伺服模块300用于接收控制操作指令以产生驱动信号，驱动信号被执行时控制天馈线单元130进行扫描探测，以产生扫描探测数据；其中，信号处理单元140还用于接收控制操作指令，以产生正斜率线性调频信号。

伺服模块300由伺服分机及配置在转台中的电机、减速机、旋转变压器及汇流环等组成。伺服模块300用于接收本地控制/显示面板上发出的操作指令或雷达终端设备送来的操作指令，经过相应软件的运算和处理，产生驱动信号去控制天馈线单元130的转台134的转动，从而使得发射天线132和接收天线131作多种方式的扫描运动，此外伺服模块300还可以用于接收发射天线132和接收天线131的天线位置(如方位角和仰角等)信息，通过旋转变压器把量化后的角度信息送往终端设备。

如图1所示，转台134包括水平转台341和俯仰转台342，其中水平转台341可以作为主体支撑座设置于毫米波雷达探测模块100和红外探测模块200下方，水平转台341用于在水平方向上调节毫米波雷达探测模块100和红外探测模块200的水平旋转，同时水平转台341与俯仰转台342连接，为俯仰转台342提供水平支撑，使得俯仰转台342可以相对调整毫米波雷达探测模块100和红外探测模块200的探测俯仰角，从而实现毫米波雷达探测模块100和红外探测模块200的探测角度一致性。

其中，俯仰转台342两侧分别用于连接发射单元120和接收单元110，在发射单元120的上方设置有加热组件610，以用于为发射天线132提供信号发射保障。

如图2所示，本公开实施例的上述装置还具有监控模块400，监控模块400与上述各组成模块的监控器连接，具有由参数回馈单元以及监控软件构成。监控模块400主要完成上述装置在工作状态时各模块或单元的参数的采集、传输和处理，以完成工作状态的监视和控制，同时具有进行雷达参数设置、故障告警和诊断、雷达参数自动标校等功能。

如图2所示，本公开实施例的上述装置还具有电源模块500主要包括UPS、方舱配电箱、稳压电源、遥控电源分机以及分布在各个模块或单元的整流电源。电源模块500需要具有电源纹波滤波、防浪涌、抗过压过流冲击和专业防雷功能；此外，电源模块500的直流低压电源都采用成熟的模块化电源，具有很强的短路、过流和过压保护功能，并在故障排除后可自动恢复正常供电，以实现对全装置的供电效果。

基于上述毫米波红外主被动成像探测装置的描述，可见，该装置共涉及以下四项核心关键技术，并具有相应的技术效果如下：

(1)首次实现将双频毫米波雷达和红外成像探测的共轴扫描，保证探测目标的一致性。

通过将红外成像模块200安装在双频毫米波云雷达模块100上，与雷达模块100实现共轴扫描，共同探测降水和非降水云等气象目标。因而，可以实现利用三个不同频段(W波段、Ka波段和红外波段)相互配合实现降水过程探测。其中，Ka波段雷达衰减较小、波长相对较长，对降水云中的粒子更加敏感，探测灵敏度更高；W波段雷达波长较短，降水云对其衰减较为严重，因此当降水发生时，Ka波段雷达更适合用于观测对流过程，W波段雷达相对Ka波段雷达波长较短，当降水过程移动出观测区域垂直上空后，W波段雷达对云毡、高卷云等气象目标的观测灵敏度更高。因此，通过Ka波段雷达和W波段雷达联合观测能起到相辅相成的作用，探测到整个降水过程的垂直气流及粒子的相态演变过程。当降水云主体移出雷达垂直上空区域后，红外波段可以用于从侧面观测云底到云顶的红外亮温数据，红外亮温数据主要用于反映云中冰晶粒子的积分量，给出一个宏观的定量结果，从而通过红外亮温数据反演高云中的冰水含量。综上，在降水天气过程中，需要Ka波段、W波段和红外波段同时观测，在降水过程不同的发展阶段，三个波段优势互补可共同完成对整个强对流过程的连续观测。

(2)多源多参数雷达数据的融合、质量互控以及二次产品开发技术。

本公开实施例的上述装置能够针对同一探测目标，实现各个波段雷达同时连续获取气象目标的功率谱数据以及反射率、径向速度、谱宽、线性退极化比等多种参数。通过探测数据的质量互控，进一步提升数据质量(提高数据精度)。同时可通过研究多源多参数数据融合处理技术，推动气象观测产品的开发。通过对Ka波段和W波段云粒子的回波信号分析，以及云底的红外亮温数据，达到识别和计算云相态和谱分布等云微物理参数的目的，并且利用其良好的空间和时间分辨率，可以实时提供观测站上空云层方位、高度、分布状态等宏观信息。此外，以云雷达探测的基本信息为基础，采用雷达遥感、人工智能、计算机图形图像等技术以及大气辐射与云物理等气象理论，实现云底高、云厚、云顶高、云量、滴谱分布、云水含量、云冰含量、零度层亮带识别、云中上升气流速度、云粒子相态识别、云层识别等二次产品开发、管理和显示。

此外，借此可以实现毫米波雷达探测模块100和红外探测模块200在功能上的彼此支持，取得更加有益的技术效果。

(3)完善的标定系统。

对于气象雷达系统而言，自身的工作参数稳定，雷达输出的气象产品才是可信的。本公开实施例的装置中，毫米波雷达探测模块100可自动或在人工干预下进行标定或验证，其标定或验证内容有：发射功率标定、接收机双路接收特性一致性标定、速度测量验证，以及接收机噪声系数测量，将影响雷达方程中的变量误差减小到最小，可以将整套雷达系统的误差控制在1dB范围内。

在发射单元120中专门设置了Ka和W波段的耦合器，并配备了罗德施瓦茨功率计探头，用来对两部固态发射机输出功率进行耦合和处理以得到发射功率数据，之后由发射监控板以网络通信方式发送至终端设备。

为保证退极化比测量精度，要求两路接收机的增益、噪声系数等特性应基本一致。但对于实际设备差异总是存在的情况，其最终表现是：即使将相同功率的输入信号同时送至双通道接收通道，双通道接收机输出的信噪比也可能存在一定差异，这对退极化比的测量有直接影响，但如果能定期检测出差异情况，就可以根据检测结果对线性退极化比的测量值进行修正。因此，在本公开实施例的中，可以增加双路接收特性的一致性标定功能，具体是利用功率可控的测试信号，同时注入两路接收通道，根据两路通道的实际输出，自动检测两路接收机特性的差异情况，从而实现线性退极化的自动标校。

利用机内固态噪声源，通过控制该噪声源的电源通断来实现噪声系数的测试。在该噪声源加上电源和断开电源时，在终端软件上分别读取信号处理送出的功率比值，计算出雷达噪声系数，并更新到信号处理中。

本公开的另一方面提供了一种毫米波/红外主被动成像探测方法，应用于气象目标的探测，其中，上述方法基于上述的装置实现。

如图1和图2所示，结合上述毫米波/红外主被动成像探测装置的描述，现将该装置的具体的探测过程列出如下：

发射过程：信号处理单元140产生正斜率线性调频信号送接收单元110，经接收单元110的上变频处理可以得到线性调频的射频激励信号，并将其送给发射单元120，发射单元120把Ka波段和W波段的射频激励信号分别放大至50W和15W的大功率信号，该大功率信号通过天馈线单元130的双极化波导开关333、波导和第一正交模耦合器331到达馈源，之后由发射天线132辐射出去。

接收过程：发射天线132辐射出去的电磁波遇到气象目标，产生后向散射，形成气象目标的回波信号。天馈线单元130的接收天线131接收到回波信号，该回波信号通过第二正交模耦合器332后，送往接收单元110的同极化接收通道和正交极化接收通道。

处理过程：回波信号经接收单元110的两路低噪声放大器放大后送给下变频得到中频回波信号，并发送至信号处理单元140，经过信号处理单元140的A/D采样后进行数字去调频得到差频回波的I/Q信号，该I/Q信号经加窗和第一维FFT处理得到回波距离上强度相位分布，再进行第二维FFT处理得到各距离的线形功率谱密度分布，经过地杂波滤波，再对各距离库线性功率谱进行谱平均处理，最后进行参数估计得到回波的基数据，最终将基数据送给数据处理单元150。同时数据处理单元150直接对红外成探测模块200的红外探测信号反馈的红外亮温数据进行采集、处理、存储和配合Ka和W波段雷达生成相关产品。

其中，毫米波雷达探测模块100工作在单发双收模式下可以得到强度、速度、谱宽以及线性退极化比等参数。具体地，在双发双收模式下能够获取强度、速度、谱宽、差分反射率因子、双程差分传播相位变量、差分传播相位常数和相关系数等参数。伺服模块300接收数据处理单元150的控制指令，经计算处理后产生相应的驱动信号，实施对天线旋转方位和俯仰角度的扫描控制，同时将天线对应的方位、仰角数据、状态和故障信息传输给数据处理单元150。监控模块400完成整个装置系统的控制、故障采样及系统标定控制。

在标定模式下，接收单元110产生中频标定信号经上变频后从标定开关馈入接收机前端，该标定信号对系统的双通道一致性、距离、速度等进行标定。利用机内固态噪声源，通过控制该噪声源的电源通断来实现噪声系数的测试。利用高精度功率探头实时监控发射机功率强度，并把标定的结果送给数据处理单元150。

其中，本公开实施例的毫米波/红外主被动成像探测装置的数据可以分为1级科学数据和2级科学数据两级。其中，1级科学数据为基数据，2级科学数据为云产品。基数据处理流程包括去直流干扰、滤波平滑、噪声电平计算、连续数据段搜索、云信号识别和谱参数提取等过程，最终获取雷达Ka和W波段雷达的反射率、径向速度、谱宽、双偏振参数和红外亮温数据。云产品包括云宏观结构产品、液态水量、冰水含量、云底相态、粒子大小等云的微物理参数。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。

以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种毫米波/红外主被动成像探测装置，应用于气象目标的探测，其中，包括：

毫米波雷达探测模块，用于向所述气象目标发射毫米波电磁波探测信号，并接收所述毫米波电磁波探测信号遇到气象目标产生的散射回波信号；

红外探测模块，固定于所述毫米波雷达探测模块的发射天线上，用于对所述气象目标进行红外探测，获取所述气象目标的红外亮温数据；

其中，所述毫米波电磁波探测信号为Ka波段和W波段高功率探测信号，所述红外探测模块的红外探测视场角与所述发射天线的雷达探测视场角保持轴心一致，实现雷达探测和红外探测的共轴扫描。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述毫米波雷达探测模块包括：

接收单元，用于对接收的正斜率线性调频信号进行上变频操作以生成射频激励信号；

发射单元，用于对接收的所述接收单元发送的所述射频激励信号进行放大以产生高功率的所述毫米波电磁波探测信号；

天馈线单元，用于接收所述发射单元发射的毫米波电磁波探测信号，并采用双极化连续波的发射形式发射所述毫米波电磁波探测信号；

其中，所述天馈线单元还用于接收所述气象目标因所述毫米波电磁波探测信号产生的散射的所述回波信号，所述接收单元还用于接收所述天馈线单元接收的所述回波信号，以生成对应所述回波信号的中频信号。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述接收单元包括：

双通道接收机前端，用于对所述天馈线单元传输的所述回波信号进行前端放大以生成放大回波信号；

双通道接收通道，用于对所述放大回波信号进行中频处理，以生成所述中频信号。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述接收单元还包括：

频率源，用于产生发送所述射频激励信号所需的源信号；

激励单元，用于对所述源信号进行上变频处理以获取所述射频激励信号；

标定单元，用于对所述源信号进行上变频处理以获取标定信号，并将所述标定信号在标定模式下传输至所述双通道接收机前端，以进行强度和双通道的一致性标定。

5.根据权利要求2所述的装置，其中，所述发射单元包括：

全固态发射机，用于对所述射频激励信号进行放大处理，以产生所述毫米波电磁波探测信号；

发射监控器，用于生成所述全固态发射机的发射功率数据并输出，以对所述全固态发射机的运行状态进行监控。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述发射监控器包括：

功率计探头，用于对测量的所述全固态发射机的输出功率信号进行波导耦合处理，以生成所述发射功率数据；

监控板，用于提供所述全固态发射机的工作状态信息。

7.根据权利要求2所述的装置，其中，所述天馈线单元包括：

接收天线，用于接收所述回波信号；

发射天线，用于发射所述发射单元产生的所述毫米波电磁波探测信号；

馈线组件，用于将所述毫米波电磁波探测信号转发至所述发射天线，并将所述回波信号转发至所述接收单元的双通道接收通道前端。

8.根据权利要求2所述的装置，其中，所述红外探测模块包括：

热红外感应头，用于将所述气象目标的所述红外亮温数据传输至所述装置的数据处理单元；

红外反射面，用于将所述气象目标折射到所述热红外感应头的热红外传感器中；

固定支架，与所述热红外感应头和红外反射面固定连接，并与所述发射天线固定，以使得所述红外探测模块的红外探测视场角与所述发射天线的雷达探测视场角保持轴心一致。

9.根据权利要求2所述的装置，其中，所述毫米波雷达探测模块还包括：

信号处理单元，用于对所述接收单元传输的所述中频信号进行处理，以生成信号处理数据；

数据处理单元，用于对所述信号处理单元传输的信号处理数据和所述红外亮温数据进行处理，以实现对气象产品的管理和对所述毫米波雷达探测模块的控制。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，在对所述接收单元传输的所述中频信号进行处理，以生成信号处理数据中，包括：

对所述中频信号进行数字采样、去调频、加窗、两维FFT、非相干谱积累、地杂波滤波、谱参数估计的处理。

11.根据权利要求9所述的装置，其中，还包括：

伺服模块，用于接收控制操作指令以产生驱动信号，所述驱动信号被执行时控制所述天馈线单元进行扫描探测，以产生扫描探测数据；

其中，信号处理单元还用于接收所述控制操作指令，以产生所述正斜率线性调频信号。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述信号处理单元包括：

中频数字接收机，用于对所述中频信号进行数字去调频以获取差频回波I/Q信号；

信号处理器，用于对所述差频回波I/Q信号进行估算处理，以输出所述气象目标信息。

13.一种毫米波/红外主被动成像探测方法，应用于气象目标的探测，其中，所述方法基于权利要求1-12中任一项所述的装置实现。

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