CN113933844A - 一种相控阵多波段一体化收发雷达及雷达探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及气象卫星探测技术领域，提供一种相控阵多波段一体化收发雷达及雷达探测方法，包括波控单元和与波控单元连接的相控阵天线；相控阵天线包括第一收发组件、第二收发组件以及第三接收组件，第一收发组件用于基于仰角方位信息向天空多个不同方向发射多束第一波束，并接收第一波束对应的第一信息，第二收发组件用于基于仰角方位信息向天空多个不同方向发射多束第二波束，接收第二波束对应的第二信息，第三接收组件用于接收第三波束对应的第三信息，波控单元用于确定仰角方位信息，还用于基于第一信息、第二信息以及第三信息确定探测信息。无需调节探测雷达的发射方向，能同时获取多个卫星的探测数据，探测一定范围内的云雨分布信息，降低操作的繁琐程度。
Description
技术领域
本发明涉及气象卫星探测技术领域，尤其涉及一种相控阵多波段一体化收发雷达及雷达探测方法。
背景技术
气象卫星(meteorological satellite)的主要观测内容包括：卫星云图的拍摄；云顶温度、云顶状况、云量和云内凝结物相位的观测；陆地表面状况的观测，如冰雪和风沙，以及海洋表面状况的观测，如海洋表面温度、海冰和洋流等；大气中水汽总量、湿度分布、降水区和降水量的分布；大气中臭氧的含量及其分布；太阳的入射辐射、地气体系对太阳辐射的总反射率以及地气体系向太空的红外辐射；空间环境状况的监测，如太阳发射的质子、α粒子和电子的通量密度。这些观测内容有助于工作人员监测天气系统的移动和演变；为研究气候变迁提供了大量的基础资料；为空间飞行提供了大量的环境监测结果。
气象雷达是通过目标对雷达波的反射来确定目标的位置和特性的。物体导电性好，对雷达波的反射能力越强，反射面积越大，反射能量越高，物体的几何尺寸与波长相差很大时反射的能量变得非常微弱，而当反射面的直径可与波长相比拟时，反射回来的能量会明显升高。常用的X天气雷达一般工作频率为8000～12000MHz，这主要取决于雷达的用途和性能，而且必须在国际电信联盟所指定的频段内，一般选用X波段的气象雷达。
但是，目前的卫星资料接收设备和风场探测设备在获取多个气象卫星的数据时，由于气象卫星分布在不同的方向，因此，需要实时调整天线指向，才能对准卫星广播，进行卫星信号的接收解调，这样，使得对卫星资料接收设备的操作较为复杂，且无法在高速条件下实现卫星资料实时接收。
发明内容
本发明提供了一种相控阵多波段一体化收发雷达及雷达探测方法，以解决现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明实施例提供一种相控阵多波段一体化收发雷达，包括：波控单元和与所述波控单元连接的相控阵天线；
所述相控阵天线包括第一收发组件、第二收发组件以及第三接收组件，所述第一收发组件用于基于仰角方位信息向天空多个不同方向发射多束第一波束，并接收第一波束对应的第一信息，所述第二收发组件用于基于仰角方位信息向天空多个不同方向发射多束第二波束，并接收第二波束对应的第二信息，所述第三接收组件用于接收第三波束对应的第三信息，所述第一波束、所述第二波束和所述第三波束为不同波段的波束；
所述波控单元用于确定所述仰角方位信息，还用于基于所述第一信息、所述第二信息以及所述第三信息确定探测信息。
可选地，所述第一波束的波段为1000MHz-1500MHz，所述第二波束的波段为8GHz-12GHz，所述第三波束的波段为1670-1690MHz。
可选地，所述第一收发组件、第二收发组件以及第三接收组件为共口径的组件。
可选地，所述第二收发组件中的天线的贴片呈方形分布，所述第一收发组件中的天线的贴片呈交叉形状分布，所述交叉形状位于所述方形内且所述交叉形状的交叉点与所述方形的中心点重合。
可选地，所述第一收发组件包括L1波段天线，所述第二收发组件包括X波段天线，所述第三接收组件包括L2波段天线，所述L1波段天线、所述X波段天线和所述L2波段天线均采用双层贴片，所述L1波段天线和所述L2波段天线的基板的制作材料为陶瓷材料。
可选地，所述第一收发组件包括隔离器，所述隔离器用于隔离所述第一信息、所述第二信息和所述第三信息中的至少两种信息。
可选地，所述相控阵天线的天线高度小于或者等于0.4m。
第二方面，本发明实施例提供一种雷达探测方法，应用于上述第一方面所述的相控阵多波段一体化收发雷达，所述方法包括：
波控单元确定相控阵天线的仰角方位信息；
第一收发组件基于所述仰角方位信息向天空多个不同方向发射多束第一波束，并接收第一波束对应的第一信息；
第二收发组件基于所述仰角方位信息向天空多个不同方向发射多束第二波束，并接收第二波束对应的第二信息；
第三接收组件接收第三波束对应的第三信息，所述第一波束、所述第二波束和所述第三波束为不同波段的波束；
波控单元基于所述第一信息、所述第二信息以及所述第三信息确定探测信息。
可选地，所述方法还包括：
获取所述相控阵天线的姿态信号；
基于所述姿态信号进行反向补偿处理。
可选地，所述第一信息包括卫星气象数据，所述第二信息包括大气中云雨分布数据，所述第三信息包括风场探测数据。
有益效果：
本发明提供了一种相控阵多波段一体化收发雷达及风场探测方法，该雷达包括：波控单元和与波控单元连接的相控阵天线；相控阵天线包括第一收发组件、第二收发组件以及第三接收组件；
第一收发组件用于基于仰角方位信息向天空多个不同方向发射多束第一波束，并接收第一波束对应的第一信息；
第二收发组件用于基于仰角方位信息向天空多个不同方向发射多束第二波束，并接收第二波束对应的第二信息；
第三接收组件用于接收第三波束对应的第三信息，第一波束、第二波束和第三波束为不同波段的波束；波控单元用于确定仰角方位信息，还用于基于第一信息、第二信息以及第三信息确定探测信息。这样，通过第一收发组件向天空多个不同方向发射多束第一波束，相比于现有的在探测多个卫星时需要调节探测设备的发射方向，无需调节探测雷达的发射方向，能同时获取多个卫星的探测数据，降低了操作的繁琐程度。且，同时集成了第一收发组件、第二收发组件以及第三接收组件，可以通过获取第一信息、第二信息以及第三信息，实现同时获取卫星和风场的多种数据，并探测一定范围内的云雨分布信息，提升了探测雷达的功能集成度。
附图说明
图1为本发明优选实施例的一种相控阵多波段一体化收发雷达的结构示意图；
图2为本发明优选实施例的一种相控阵多波段一体化收发雷达进行探测的示意图；
图3为本发明优选实施例的第一收发组件的结构示意图；
图4为本发明优选实施例的第三接收组件的结构示意图；
图5为本发明优选实施例的第二收发组件的结构示意图；
图6为本发明优选实施例的一种相控阵多波段一体化收发雷达的天线阵面示意图之一；
图7为本发明优选实施例的一种相控阵多波段一体化收发雷达的天线阵面示意图之二；
图8为本发明优选实施例的第一收发组件和第二收发组件的连接关系示意图；
图9为本发明优选实施例的波控单元的波控母板的原理图；
图10为本发明优选实施例的波控单元的波控子板的原理图。
具体实施方式
下面对本发明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作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。
除非另作定义，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
请参见图1-图2，本申请实施例提供一种相控阵多波段一体化收发雷达，包括：波控单元和与波控单元连接的相控阵天线；
相控阵天线包括第一收发组件、第二收发组件以及第三接收组件，第一收发组件用于基于仰角方位信息向天空多个不同方向发射多束第一波束，并接收第一波束对应的第一信息，第二收发组件用于基于仰角方位信息向天空多个不同方向发射多束第二波束，并接收第二波束对应的第二信息，第三接收组件用于接收第三波束对应的第三信息，第一波束、第二波束和第三波束为不同波段的波束；
波控单元用于确定仰角方位信息，还用于基于第一信息、第二信息以及第三信息确定探测信息。
在该实施方式中，仰角方位信息可以是指相控阵天线发射角度，例如，可以通过相控阵多波段一体化收发雷达的安装位置，以及某一个气象卫星的高度和位置信息，计算相控阵天线的仰角方位角。第一波束、第二波束和第三波束均可以是电磁波束。具体地，为了同时获得不同种类的探测信息，第一波束、第二波束以及第三波束可以是不同波段的波束。由于环境中的大气结构不均匀，因此，通过这些电磁波束因大气垂直结构不均匀而返回的信息可以体现卫星的探测信息，还可以进行高空风场探测。
上述的微信探测雷达，通过第一收发组件向天空多个不同方向发射多束第一波束，相比于现有的在探测多个卫星时需要调节探测设备的发射方向，无需调节探测雷达的发射方向，能同时获取多个卫星的探测数据，降低了操作的繁琐程度。且，同时集成了第一收发组件、第二收发组件以及第三接收组件，可以通过获取第一信息、第二信息以及第三信息，实现同时获取卫星和风场的多种数据，提升了探测雷达的功能集成度。
需要说明的是，相控阵多波段一体化收发雷达的类型可以是风廓线雷达，可以利用多普勒效应能够探测其上空风向、风速等气象要素随高度的变化情况，具有探测时空分辨率高、自动化程度高等优点。
可变换地，在一些可行的实施方式中，在风廓线雷达上增加声发射装置构成无线电的声探测系统，可以遥感探测大气中温度的垂直廓线。大气中折射率的不均匀能够引起对电磁波的散射，其中大气中的湍流活动导致折射率涨落而引起的散射(即湍流散射)，散射层的运动和湍流块的运动都可造成返回电磁波信号的多普勒频移，采用多普勒技术可以获得其相对于雷达的径向速度，通过进行多射向的速度测量，在一定的假定条件下可估测出回波信号所在高度上的风向、风速和垂直运动，从而获取大气风廓线资料。
值得说明的是，上述的相控阵多波段一体化收发雷达可以用于探测气象卫星，高空风场和卫星广播。此处仅做实例，不做限定，可变换地，在其他可行的实施方式中，还可以应用于其他类型的卫星的探测。
在该实施方式中，第一信息包括卫星气象数据，所述第二信息包括风场探测数据，所述第三信息包括卫星观测数据。通过这些数据可以实现对卫星的探测，例如，可以探测大气层中卫星对象的高度信息、高空风场大小信息等。
可选地，第一波束的波段为1000MHz-1500MHz，第二波束的波段为8GHz-12GHz，第三波束的波段为1670-1690MHz。
在本可选的实施方式中，第一波束可以是L1波段的波束，第一波束具体可以包括5波束L1波段的波束，第二波束可以是X波段的波束，第三波束可以是L2波段的波束，其中，第一波束的波段为1000MHz-1500MHz，例如，可以是1290MHz，第二波束的波段为8GHz-12GHz，第三波束的波段为1670-1690MHz。其中，L2波段的波束是相控阵天线合成的一个指向气象卫星的L2波段波束，通过被动接收L2波束，可以接收该气象卫星的广播射频信号。这样，通过发射多束第一波束、第二波束，并接收第三波束，可以增加卫星资料接收的功能，相较于传统抛物面天线同时只能接收一颗气象卫星信号的局限，还可以同时接收多颗气象卫星资料，且可实现毫秒级跟踪，资料接收能力大幅度提高。可以但不限于应用于船载、车载等空间较小，有较大的机动要求的使用场景中。
如图3所示，在一些可行的实施方式中，所述第一收发组件可以包括垂直极化组件和/或水平极化组件；
所述水平极化组件包括水平极化天线、第一双工器、第一通道和第二通道，所述第一双工器的一端与所述水平极化天线连接，所述第一双工器的另一端分别于所述第一通道和所述第二通道连接，其中，所述第一通道包括第一限幅器、第一放大器、第一滤波器、第二放大器、第一功分器、第一移项器以及第一射频接头；所述第一限幅器的一端与所述第一双工器连接，所述第一限幅器的另一端与所述第一放大器的一端连接，所述第一放大器的另一端与所述第一滤波器的一端连接，所述第一滤波器的另一端与所述第二放大器的一端连接，所述第二放大器的另一端与所述第一功分器的一端连接，所述第一功分器的另一端与所述第一射频接头连接；
所述第二通道包括第一开关、第二限幅器、第三放大器、第二滤波器、第四放大器、第二开关、第一数模转换器、第一衰减器、第二数模转换器、第三滤波器、第五放大器、隔离器、第二移项器、以及第二射频接头；所述第一开关的第一端与所述第一双工器连接，所述第一开关的第二端与所述第二限幅器的一端连接，所述第二限幅器的另一端与所述第三放大器的一端连接，所述第三放大器的另一端与所述第二滤波器的一端连接，所述第二滤波器的另一端与所述第四放大器的一端连接，所述第四放大器的另一端与所述第二开关的第一端连接，所述第二开关的第二端与所述第二移项器的一端连接，所述二移项器的另一端与所述第二射频接头连接，所述第二开关的第三端与所述第一数模转换器的一端连接，所述第一数模转换器的另一端与所述第一衰减器的一端连接，所述第一衰减器的另一端与所述第二模数转换器的一端连接，所述第二模数转换器的另一端与所述第三滤波器的一端连接，所述第三滤波器的另一端与第五放大器的一端连接，所述第五放大器的另一端与所述隔离器的一端连接所述隔离器的另一端与所述第一开关的第三端连接；
所述垂直极化组件包括垂直极化天线、第四滤波器、第三限幅器、第六放大器、第五滤波器、第二功分器、第三移项器、以及第三射频接头，所述第四滤波器的一端与所述垂直极化天线连接，所述第四滤波器的另一端与所述第三限幅器的一端连接，所述第三限幅器的另一端与所述第六放大器的一端连接，所述第六放大器的另一端与所述第五滤波器的一端连接，所述第五滤波器的另一端与所述第二功分器的一端连接，所述第二功分器的另一端与所述第三移项器的一端连接，所述第三移项器的另一端与所述第三射频接头连接。
如图4所示，所述第三接收组件可以包括水平极化天线、第二双工器、第三开关、第四限幅器、第七放大器、第六滤波器、第八放大器、第四开关、第三模数转换器、第二衰减器、第四模数转换器、第七滤波器、第九放大器、第二隔离器、第四移项器和第四射频接头，其中，所述第二双工器的一端与所述水平极化天线连接，所述第二双工器的另一端与所述第三开关的第一端连接，所述第三开关的第二端与所述第四限幅器的一端连接，所述第四限幅器的另一端与所述第七放大器的一端连接，所述第七放大器的另一端与所述第六滤波器的一端连接，所述第六滤波器的另一端与所述第八放大器的一端连接，所述第八放大器的另一端与所述第四开关的第一端连接，所述第四开关的第二端与所述第三模数转换器的一端连接，所述第三模数转换器的另一端与所述第二衰减器的一端连接，所述第二衰减器的另一端与所述第四模数转换器的一端连接，所述第四模数转换器的另一端与所述第七滤波器的一端连接，所述第七滤波器的另一端与所述第九放大器的一端连接，所述第九放大器的另一端与所述第二隔离器的一端连接，所述第二隔离器的另一端与所述第三开关的第三端连接，所述第四开关的第三端与所述第四移项器的一端连接，所述第四移项器的另一端与所述第四射频接头连接。
在实际工作中，天线水平极化接收信号经过双工器进行选频后分为L1和L2两个频段；L1频段信号经过第一级低噪声放大器进行信号放大，经过带通滤波器进行滤波，保证大信号带外干扰信号下，第二级饱和；后进入第二级低噪声放大器进行信号放大，确保链路增益满足指标要求。接收信号经过功分器后分为两路等幅同相的两路信号，每路信号具备数字移相功能，通道具备独立控制工作状态管理功能。L2频段接收信号经过开关切换至接收通道，信号经过低噪声放大器进行信号放大后进入带通滤波器进行滤波，再经过开关切换，输入到公共端的数字移相器完成移相后输出；L2发射信号由射频端口输入，经数字移相器和开关，经开关切换至发射通道，先滤波，再进行信号放大，最后经隔离器和开关、双工器后由天线输出。
天线垂直极化信号L1经过滤波器滤波后进入第一级低噪声放大器进行信号放大后，经过带通滤波器再次进行滤波，后进入第二级低噪声放大器进行信号放大，确保链路增益满足指标要求。接收信号经过功分器后分为两路同幅等相的两路信号，每路信号具备移相功能。通道具备独立控制工作状态管理功能。
L1频段接收通道有两部分组成：一路由天线水平极化接收端接收信号，经过双工器分频后输入限幅器和第一级低噪放进行信号放大，然后经带通滤波器和第二级低噪放再次进行信号放大，经功分器分为两路等幅同相信号，最后经数字移相器后从射频接口输出。另外一路直接由天线垂直极化接收端接收信号，先经过带通滤波器滤波，再经过两级低噪声放大器进行信号放大，经功分器分为两路等幅同相信号，最后经数字移相器后从射频接口输出。
如图5所示，所述第二收发组件包括水平极化组件和垂直极化组件，其中，水平极化组件包括第八滤波器、第五限幅器、第十放大器、第九滤波器、第十一放大器、第三功分器、第五移项器和第五射频接头，其中，第八滤波器的一端与所述水平极化组件连接，所述第八滤波器的另一端与所述第五限幅器的一端连接，所述第五限幅器的另一端与所述第十放大器的一端连接，所述第十放大器的另一端与所述第九滤波器的一端连接，所述第九滤波器的另一端与所述第十一放大器的一端连接，所述第十一放大器的另一端与所述第三功分器的一端连接，所述第三功分器的另一端与所述第五移项器的一端连接，所述第五移项器的另一端与所述第五射频接头连接。
此外，垂直极化组件的组成与上述的水平极化组件的组成相同，此处，不做赘述。
在实际工作中，对X频段内的两个极化信号进行频率滤波、输入功率限制，低噪声放大、增益温度补偿、并具有独立控制工作状态功能，每个接收通道经过等功分器后分成两路信号，每一路信号具备数字移相功能。根据需求对X频段接收组按照功能划分为：X频段接收通道(垂直极化)、X频段接收通道(水平极化)、X频段接收滤波器，限幅器、两级低噪声放大器、一分二功分器、6位数字移相器等。
可选地，第一收发组件、第二收发组件以及第三接收组件为共口径的组件。
在本可选的实施方式中，上述的相控阵多波段一体化收发雷达集成了风廓线雷达发射、气象卫星接收等多种功能，进行共口径设计，因此多个频率的兼容性是设计关键，需要对收、发链路的隔离度进行分析，确保多个频率之间在同时工作的时候互不干扰。对于全双工天线，主要针对发射信号对接收的影响以及发射噪声对接收的影响两个方面进行分析。避免发射对接收的影响，颗粒避免一是发射的大功率信号使得接收链路的前段进入饱和状态，接收链路由于非线性影响无法正常工作；二是发射链路的带外噪声落在接收通道内，造成接收通达的信噪比恶化。
相控阵卫星气象数据动中通与风场探测系统将卫星和风廓线雷达一体化设计，将显著节约安装空间，并极大提高卫星气象数据的接收能力以及其它战技术性能，可以大大提高各军兵种机动气象保障信息接收和信息探测能力。
与传统抛物面体制的卫星接收系统相比，相控阵卫星动中通系统具有极高的“动中通”能力，具体地，二维相控阵天线取消了方位、俯仰2个方向的伺服机构，实现了全面电子扫描，克服了天线的尺寸和重量问题，因此具备了“动中通”能力，可以在车辆行驶过程中始终保持卫星数据的接收，遇到遮挡可以自动恢复。通信过程中不需要停车、展开、对星、折叠等繁琐的天线操作。
如图8所示，可选地，第二收发组件中的天线的贴片呈方形分布，第一收发组件中的天线的贴片呈交叉形状分布，交叉形状位于方形内且交叉形状的交叉点与方形的中心点重合。
在一些可行的实施方式中，相控阵多波段一体化收发雷达的相控阵天线可以主要包括天线子阵、馈电网络、电源板、波控网络、惯性导航单元、变频通道等部分组成，相控阵天线包括308个子阵。
天线子阵主要由天线阵列和TR组成，每个天线子阵共有4X4个天线单元，其中包含12个X波段天线单元和四个L波段天线单元，整机共有308个天线子阵。天线阵列主要由微带天线单元组成，按照平面阵列进行分布；组件完成卫星信号的接收和放大，噪声系数是R组件设计重点，完成信号放大的同时，进行滤波；
馈电网络完成接收信号的功率合成，为了保证TR组件的幅相一致性，需要进行等相位设计；
电源板把外部输入电源通过电源转换网络转换成天线各分机所需的供电电压，为天线提供工作所需的工作电源。
波控网络完成天线阵列的移相控制及监控；
惯导完成车辆姿态的解调，并把角度、位置信息反馈给波控网络。
变频通道将处理后是信号进行变频，输出给调制解调器。
天线各部件作用如下表1所示：
表1天线各部件作用
动中通设备直径3200mm，高度400mm。动中通天线罩材料为玻璃钢，喷涂成绿色，并刻有产品标识。动中通底座采用镁铝合金材质，保证设备散热要求和结构强度的同时有效降低了底座的重量。天线阵面以子阵的形式，固定在安装骨架上。
如图6-图7所示，阵面最大尺寸为直径3200mm的圆，天线排布在直径为3000mm的圆内。其中，X波段天线单元用白色方格表示；L波段天线单元用带“红色×”的方格表示。X波段天线单元间距为dx＝dy＝36mm，L波段天线单元间距为dx＝dy＝72mm。每4×4个X波段单元间距组成一个子阵，里面包含12个X波段天线单元和4个L波段天线单元，共计308个子阵(3696个X波段天线单元、1232个L波段天线单元)。其中，dx、dy分别为不同的两个方向的单元间距。
可选地，第一收发组件包括L1波段天线，第二收发组件包括X波段天线，第三接收组件包括L2波段天线，L1波段天线、X波段天线和L2波段天线均采用双层贴片，L1波段天线和L2波段天线的基板的制作材料为陶瓷材料。
在本可选的实施方式中，X波段天线的天线单元采用微带天线形式。通过计算分析，采用两层辐射贴片增加天线带宽，并通过微带线在正交方向给单元馈电，实现双极化辐射。L波段的天线单元(L1波段天线和L2波段天线)采用微带天线形式。采用陶瓷材料作为天线基板以缩小贴片尺寸，采用两层辐射贴片实现双频工作，低频辐射贴片位于下层为单极化，采用同轴馈电；高频辐射贴片位于上层为双极化，采用正交放置同轴馈电。
上述的相控阵多波段一体化收发雷达，在L波段微波相控阵的卫星资料接收和风场探测雷达天线上，增加X波段收发组件，在完成风廓线探测、多颗卫星资料同时接收的同时，探测雷达周边云雨分布。
可选地，第一收发组件包括隔离器，隔离器用于隔离第一信息、第二信息和第三信息中的至少两种信息。其中，通过隔离器，可以提升多个频段的波束之间的兼容性，可以确保多个频率之间在同时工作的时候互不干扰。
可选地，相控阵天线的天线高度小于或者等于0.4m。
在本可选的实施方式中，相控阵天线的高度不超过0.4m。由于取消了伺服，无论天线处于工作状态还是非工作状态，天线的高度和外形不会发生变化，节省了将天线展开、对象、折叠等繁琐的操作过程，可以在更短的时间内建立通信链路，提高了系统的保障性能；天线风阻小，有利于舰船的动中通性能；有利于舰船的隐蔽性，提高了舰船的战场生存能力。
值得说明的是，波控单元首先分别从惯导和北斗读取天线载体当前的姿态数据(方位角、俯仰角、横滚角)和北斗数据(经度、纬度、高度)，通过软件跟踪算法计算出卫星当前的波束指向，然后从跟踪接收机读取当前天线的锁定指示信号。在读取到北斗有效信息，经过帧格式转换后，将数据输入跟踪算法模块，进行波束指向角度的计算。在读取惯导和北斗有效数据下，进行跟踪算法的波形时序。采用流水线设计思想，进行多位数据格式的计算，角度精度误差设计在0.1°，整个跟踪算法所采用的时间设计在4us左右。根据跟踪算法所计算的波束指向角度来计算理论相位值，再通过和应补相的值相加得到收发组件所有通道应移相的值。相数据发送波形时序，采用SPI接口对收发组件同时控制，采用时钟频率10MHz，在所有通道移相计算完成后，把数据同时发送出去，进行波束切换。在一示例中，如图9和图10所示，波控解决方案为分布式系统，由1块波控母板和308个波控子板组成，波控母板负责卫星跟踪，波控子板负责天线波束电扫描控制。
本申请实施例还提供一种雷达探测方法，应用于上述的相控阵多波段一体化收发雷达，所述方法包括：
波控单元确定相控阵天线的仰角方位信息；
第一收发组件基于所述仰角方位信息向天空多个不同方向发射多束第一波束，并接收第一波束对应的第一信息；
第二收发组件基于所述仰角方位信息向天空多个不同方向发射多束第二波束，并接收第二波束对应的第二信息；
第三接收组件接收第三波束对应的第三信息，所述第一波束、所述第二波束和所述第三波束为不同波段的波束；
波控单元基于所述第一信息、所述第二信息以及所述第三信息确定探测信息。
上述的雷达探测方法可以实现上述的卫星探测系统的各个实施方式，且能达到相同的有益效果，此处，不做赘述。
上述的雷达探测方法，还包括：
获取所述相控阵天线的姿态信号；
基于所述姿态信号进行反向补偿处理。
可选地，所述第一信息包括风场探测数据，所述第二信息包括卫星气象数据，所述第三信息包括卫星观测数据。
卫星数据接收处理功能的使命任务是接收在轨运行的静止和极轨气象卫星数据，生成遥感应用产品，实时接收气象卫星L波段数据，实时处理所接收到的各种气象卫星信息数据，包括预处理和综合应用处理，生成图像和应用产品。天线根据天线的姿态信号进行反向补偿，隔离天线运动对波束稳定性的影响，并控制波束顺序扫描东南西北和垂直向上五个方向。天线采用有源TR组件。回波信号经过下变频后，通过信号处理器采样和分析，得到不同高度的风场分布。
在一示例中，上述的雷达探测方法的步骤可以包括如下。
(1)通过L和X波段微波相控阵的卫星资料接收和风场探测雷达天线的安装位置，以及某一个气象卫星的高度和位置信息，计算L和X波段微波相控阵天线L1波段波束的仰角方位角；
(2)利用L和X波段微波相控阵天线波控装置，合成一个指向该气象卫星的L2波段波束，接收该气象卫星的广播射频信号；
(3)通过对该射频信号进行放大、变频和解调，得到该气象卫星观测资料；
(4)同样的办法，完成对气象卫星广播资料的接收和处理；
(5)利用L和X波段微波相控阵的卫星资料接收和风场探测雷达天线，分别向高空发射不同方向的L1波段电磁波束，接收并处理这些电磁波束因大气垂直结构不均匀而返回的信息，并利用上述信息计算高空风场；
(6)该雷达通过微波相控阵天线X波段(一般3.5GHz-3.7GHz)TR组件向大气发射电磁波束，同时X波段通信卫星转发的气象资料。
综上可知，本发明可在微波相控阵天线传统抛物面天线探测风场的基础上，增加卫星资料接收的功能，相较于传统抛物面天线同时只能接收一颗气象卫星信号的局限，可以同时接收多颗气象卫星资料，且可实现毫秒级跟踪，资料接收能力大幅度提高，在船载、车载等空间较小，有较大的机动要求的地方，具有极大的应用价值。
值得强调的是，相控阵天线具有强大的数字处理能力，可以形成数字多波束(DBF)，同时接收多颗卫星的气象数据，并且此时天线增益无损失(每个波束与单波束的增益一样高)。多波束避免了切换卫星造成的数据中断，提高了系统的保障能力、通信效率。
此外，相控阵天线波束扫描一次需要的时间为100us，而伺服天线每次波束扫描需要的时间根据扫描角度的大小在几秒～几分钟，因此相控阵天线可以在更短的时间内锁定卫星，实现动中通功能。
进一步地，相控阵天线在低纬度地区不存在“过顶”问题。例如，在低纬度地区，天线的仰角70～85°，接近了伺服天线的运动范围极限，因此如果车辆有起伏，天线会出现“过顶”，伺服天线只能先在方位面旋转180°后重新跟踪卫星，导致卫星数据丢失。相控阵天线不存在过顶问题，无论是在方位面，还是俯仰面，天线的波束扫描范围都是连续的。
相控阵天线是由数千个通道组成，根据相控阵理论，10％的器件损耗，天线的性能下降≤1dB，在使用上基本没有影响。伺服天线具有唯一的LNB，如果这个LNB损坏，则整个天线不能正常使用。
此外，还具有扩展性强、平台可移植性好的特点，其中相控阵天线的波束控制主要由FPGA编程实现，因此可以根据不同的安装平台进行软件优化，使得天线通用性更好，还可以满足车辆上船、上岛等各种作战需求。
目前卫星组网是卫星通信的发展趋势，通过卫星组网，地面终端可以在多颗卫星之间进行切换，有利于通信的保密性，同时整个系统的抗干扰能力也得到了增强。终端如果要支持卫星组网的功能，必须具备多颗卫星同时跟踪、快速卫星切换能力，传统的伺服天线受限于技术原因，不能实现多目标跟踪，因此只有采用相控阵技术的天线才能支撑卫星组网的技术。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种相控阵多波段一体化收发雷达，其特征在于，包括：波控单元和与所述波控单元连接的相控阵天线；
所述相控阵天线包括第一收发组件、第二收发组件以及第三接收组件，所述第一收发组件用于基于仰角方位信息向天空多个不同方向发射多束第一波束，并接收第一波束对应的第一信息，所述第二收发组件用于基于仰角方位信息向天空多个不同方向发射多束第二波束，并接收第二波束对应的第二信息，所述第三接收组件用于接收第三波束对应的第三信息，所述第一波束、所述第二波束和所述第三波束为不同波段的波束；
所述波控单元用于确定所述仰角方位信息，还用于基于所述第一信息、所述第二信息以及所述第三信息确定探测信息。
2.根据权利要求1所述的相控阵多波段一体化收发雷达，其特征在于，所述第一波束的波段为1000MHz-1500MHz，所述第二波束的波段为8GHz-12GHz，所述第三波束的波段为1670-1690MHz。
3.根据权利要求1所述的相控阵多波段一体化收发雷达，其特征在于，所述第一收发组件、第二收发组件以及第三接收组件为共口径的组件。
4.根据权利要求1所述的相控阵多波段一体化收发雷达，其特征在于，所述第二收发组件中的天线的贴片呈方形分布，所述第一收发组件中的天线的贴片呈交叉形状分布，所述交叉形状位于所述方形内且所述交叉形状的交叉点与所述方形的中心点重合。
5.根据权利要求1所述的相控阵多波段一体化收发雷达，其特征在于，所述第一收发组件包括L1波段天线，所述第二收发组件包括X波段天线，所述第三接收组件包括L2波段天线，所述L1波段天线、所述X波段天线和所述L2波段天线均采用双层贴片，所述L1波段天线和所述L2波段天线的基板的制作材料为陶瓷材料。
6.根据权利要求1所述的相控阵多波段一体化收发雷达，其特征在于，所述第一收发组件包括隔离器，所述隔离器用于隔离所述第一信息、所述第二信息和所述第三信息中的至少两种信息。
7.根据权利要求1所述的相控阵多波段一体化收发雷达，其特征在于，所述相控阵天线的天线高度小于或者等于2.0m。
8.一种雷达探测方法，应用于上述权利要求1-7中任一项所述的相控阵多波段一体化收发雷达，其特征在于，所述方法包括：
波控单元确定相控阵天线的仰角方位信息；
第一收发组件基于所述仰角方位信息向天空多个不同方向发射多束第一波束，并接收第一波束对应的第一信息；
第二收发组件基于所述仰角方位信息向天空多个不同方向发射多束第二波束，并接收第二波束对应的第二信息；
第三接收组件接收第三波束对应的第三信息，所述第一波束、所述第二波束和所述第三波束为不同波段的波束；
波控单元基于所述第一信息、所述第二信息以及所述第三信息确定探测信息。
9.根据权利要求8所述的雷达探测方法，其特征在于，还包括：
获取所述相控阵天线的姿态信号；
基于所述姿态信号进行反向补偿处理。
10.根据权利要求8所述的雷达探测方法，其特征在于，所述第一信息包括卫星气象数据，所述第二信息包括大气云雨分布数据，所述第三信息包括风场探测数据。
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Effective date of registration: 20240531 Address after: 410000, Building C4, No. 769 Qingzhuhu Road, Tiansheng Community, Qingzhuhu Street, Kaifu District, Changsha City, Hunan Province Applicant after: Hunan Guotian Meteorological Technology Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: Room 1201, 12th Floor, Building 3, Xincheng Science and Technology Park, No. 588 Yuelu West Avenue, High tech Development Zone, Changsha City, Hunan Province, 410205 Applicant before: HUNAN GUOTIAN ELECTRONIC TECHNOLOGY CO.,LTD. Country or region before: China |
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