CN114720952B - 一种多频段的天气雷达全链路远程标定系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多频段的天气雷达全链路远程标定系统，属于气象雷达技术领域，它包括标定系统天线、环形器、接收模块、发射模块、频综模块和信号处理模块；标定系统天线用于接收雷达发射信号并经过环形器进入接收模块，接收模块的输出端连接信号处理模块，信号处理模块实现雷达发射标定、目标特性模拟标定、雷达接收标定以及雷达天线标定的数据采集、计算与波形产生等功能；频综模块为接收模块、发射模块和信号处理模块提供相参信号。本发明实现雷达包含发射机、接收机、馈线系统、天线系统以及天线罩在内的发射全链路标定，解决了发射链路、接收链路等各分系统单独测试性能与级联之后的系统性能不一致的问题，提升雷达输出产品的准确性。

Description

一种多频段的天气雷达全链路远程标定系统

技术领域

本发明涉及气象雷达技术领域，尤其涉及一种多频段的天气雷达全链路远程标定系统。

背景技术

近年来国内气象探测行业大力推进雷达组网和协同的工作，提升雷达数据的可用性；雷达标定工作的不完备严重制约着各雷达站的雷达标定效果及数据的一致性。目前国内气象雷达标定系统因为分系统或者模块级连匹配导致系统性能测试和分机测试存在一定的差异，且目前的雷达标定系统因线缆连接以及仪表设置等人为因素也会导致测试误差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种多频段的天气雷达全链路远程标定系统，解决了现有雷达标定系统存在的问题。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种多频段的天气雷达全链路远程标定系统，它包括标定系统天线、环形器、接收模块、发射模块、频综模块和信号处理模块；所述标定系统天线用于接收雷达发射信号并经过环形器进入接收模块，接收模块对信号信息下变频和滤波处理后输出中频信号到信号处理模块，信号处理模块同时对两个通道的中频数据进行数字量化，计算出雷达发射机的性能指标完成雷达发射标定，同时根据指定目标特性完成目标特性模拟标定；信号处理模块产生进行大动态范围功率控制的标定中频信号波形到发射模块进行混频、放大、滤波处理后通过环形器输入到标定系统天线发射输出到雷达接收系统，完成对雷达接收系统的参数进行标定以及雷达天线标定；所述频综模块为接收模块、发射模块和信号处理模块提供时钟信号和相参信号。

所述接收模块包括双接收通道，每个接收通道依次连接的限幅器、多频段接收选择单元、第一混频器、第四滤波器、第二混频器和中频滤波器；标定系统天线将雷达发射信号通过环形器输入到限幅器的输入端，中频滤波器的输出端输出中频信号到信号处理模块；所述频综模块输出混频本振信号1到第一混频器，输出混频本振信号2到第二混频器。

所述多频段接收选择单元包括第一开关、第二开关和三个频段不同的滤波器；所述限幅器的输出端与第一开关的输入端连接，第一滤波器、第二滤波器和第三滤波器连接在第一开关和第二开关之间，第二开关的输出端连接所述第一混频器的输入端，通过第一开关和第二开关选择接收不同频段雷达发射信号。

所述信号处理模块包括FPGA、两个模数转换器AD、两个数模转换器DA、两个数控衰减器和存储单元；接收模块的两个接收通道的输出端分别通过连接一个模数转换器AD将中频信号输入FPGA；FPGA的输出端分别连接两个数模转换器DA的输入端，每个数模转换器DA的输出端通过连一个数控衰减器将进行大动态范围功率控制的标定中频信号波形输出到发射模块，FPGA还与存储单元相互连接；所述频综模块输出工作时钟信号到FPGA。

所述发射模块包括双发射通道，每个数控衰减器的输出端连接一个发射通道的输入端；每个发射通道包括依次连接的第五滤波器、第三混频器、第六滤波器、第一放大器、第四混频器、第二放大器、多频段发射选择单元、第三放大器和功放放大器；功放放大器的输出端通过环形器将信号输入到标定系统天线发射输出到雷达接收系统；所述频综模块输出混频本振信号1到第四混频器，输出混频本振信号2到第三混频器。

所述多频段发射选择单元包括第三开关、第四开关和三个频段不同的滤波器；所述第二放大器的输出端连接第三开关的输入端，第四开关的输出端连接第三放大器的输入端；第七滤波器、第八滤波器和第九滤波器连接在第三开关和第四开关之间，通过第三开关和第四开关选择发射不同频段的信号。

所述频综模块包括混频本振信号1产生电路和混频本振信号2产生电路；所述混频本振信号1产生电路包括第一本振产生电路、第五开关、第六开关、第十滤波器、第十一滤波器、第四放大器、第一功分器、第一上混频器和第一下混频器；所述第一本振产生电路的输出端连接第五开关，第十滤波器和第十一滤波器连接在第五开关和第六开关之间；第六开关、第四放大器和第一功分器依次连接，第一功分器的输出端分别连接第一上混频器和第一下混频器的输入端；

所述混频本振信号2产生电路包括依次连接的第二本振产生电路、第十二滤波器、第五放大器、第二功分器，以及第二上混频器和第二下混频器；所述第二功分器的输出端分别连接第二上混频器和第二下混频器的输入端。

本发明具有以下优点：一种多频段的天气雷达全链路远程标定系统，实现雷达包含发射机、接收机、馈线系统、天线系统以及天线罩在内的发射全链路标定，并可检验雷达生成气象产品的准确性与对相关危险天气预警能力，解决了发射链路、接收链路等各分系统单独测试性能与级联之后的系统性能不一致的问题，全链路标定能更真实反映雷达系统性能，提升雷达输出产品的准确性。

附图说明

图1 为本发明的结构原理示意图；

图2 为接收模块的结构示意图；

图3 为发射模块的结构示意图；

图4 为信号处理模块的结构示意图；

图5 为混频本振信号1产生电路的原理示意图；

图6 为混频本振信号2产生电路的原理示意图。

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，一种多频段的天气雷达全链路远程标定系统，它包括标定系统天线、环形器、接收模块、发射模块、频综模块和信号处理模块；所述标定系统天线用于接收雷达发射信号并经过环形器进入接收模块，接收模块对信号信息下变频和滤波处理后输出中频信号到信号处理模块，信号处理模块同时对两个通道的中频数据进行数字量化，计算出雷达发射机的性能指标完成雷达发射标定，同时根据指定目标特性完成目标特性模拟标定；信号处理模块产生进行大动态范围功率控制的标定中频信号波形到发射模块进行混频、放大、滤波处理后通过环形器输入到标定系统天线发射输出到雷达接收系统，完成对雷达接收系统的参数进行标定以及雷达天线标定；所述频综模块为接收模块、发射模块和信号处理模块提供时钟信号和混频本振等相参信号。

进一步地，还包括通信模块和电源模块，通信模块用于系统与标定终端系统的通信，电源模块用于给系统进行供电；标定系统天线采用双极化振子阵列天线进行电磁波收发，接收与发射模块采用高平衡性双通道设计，信号处理模块设计独立双通道波形输出与双通道中频采样，整机系统同时具备单偏振雷达或者双偏振雷达标定功能。

本发明采用远场标定方式对雷达进行标定，标定系统与雷达的最小标定距离满足雷达的波束形成条件，即2D²/λ（D为雷达天线口径、λ为雷达工作波长）；根据雷达基本方程可知标定系统对雷达进行标定时，接收电磁波能量满足公式：Pr_c=10×LOG10（P₀G₀G_cλ²/(4πR)²）-R×Lat，其中，P₀为发射功率、G₀为雷达天线增益、G_c为标定系统天线增益、λ为电磁波波长、R为相对距离、Lat为大气衰减系数，实现对雷达远程标定的计算。

如图2所示，接收模块包括双接收通道，每个接收通道依次连接的限幅器、多频段接收选择单元、第一混频器、第四滤波器、第二混频器和中频滤波器；标定系统天线将雷达发射信号通过环形器输入到限幅器的输入端，中频滤波器的输出端输出中频信号到信号处理模块；所述频综模块输出混频本振信号1（LO1）到第一混频器，输出混频本振信号2（LO2）到第二混频器。

进一步地，多频段接收选择单元包括第一开关、第二开关和三个频段不同的滤波器；所述限幅器的输出端与第一开关的输入端连接，第一滤波器、第二滤波器和第三滤波器连接在第一开关和第二开关之间，第二开关的输出端连接所述第一混频器的输入端，通过第一开关和第二开关选择接收不同频段雷达发射信号。

其中，第一滤波器的频段为2.7GHz-3.1GHz，第二滤波器的频段为5.3GHz-5.7GHz，第三滤波器的频段为9.3GHz-9.5GHz，分别实现对接收到的S波段、C波段和X波段的雷达发射信号进行滤波。

如图3所示，发射模块包括双发射通道，每个数控衰减器的输出端连接一个发射通道的输入端；每个发射通道包括依次连接的第五滤波器、第三混频器、第六滤波器、第一放大器、第四混频器、第二放大器、多频段发射选择单元、第三放大器和功放放大器；功放放大器的输出端通过环形器将信号输入到标定系统天线发射输出到雷达接收系统；所述频综模块输出混频本振信号1到第四混频器，输出混频本振信号2到第三混频器。

进一步地，多频段发射选择单元包括第三开关、第四开关和三个频段不同的滤波器；所述第二放大器的输出端连接第三开关的输入端，第四开关的输出端连接第三放大器的输入端；第七滤波器、第八滤波器和第九滤波器连接在第三开关和第四开关之间，通过第三开关和第四开关选择发射不同频段的信号。

通过控制混频本振信号1的频率实现标定系统三个频段的标定信号生成，并通过三组滤波器配合射频开关分别实现S波段、C波段和X波段的信号滤波，最终标定信号经功放放大器后输出至标定系统天线发射。发射信号功率与频率、相位调整由信号处理器的在中频信号中完成，信号参数控制精度高、输出稳定，可对雷达进行高精度的标定。

如图4所示，信号处理模块包括FPGA、两个模数转换器AD、两个数模转换器DA、两个数控衰减器和存储单元；接收模块的两个接收通道的输出端分别通过连接一个模数转换器AD将中频信号输入FPGA；FPGA的输出端分别连接两个数模转换器DA的输入端，每个数模转换器DA的输出端通过连一个数控衰减器将进行大动态范围功率控制的标定中频信号波形输出到发射模块，FPGA还与存储单元相互连接；所述频综模块输出工作时钟信号到FPGA。

进一步地，通过两路ADC器件作为波形产生电路，集成两路数控衰减器配合ADC器件实现输出功率精准控制，集成两路ADC用于采集标定系统接收模块输出的中频信号，信号处理模块设计存储单元用于存储标定原始数据以及典型天气过程回放所需的IQ数据。通过数控衰减器搭配DAC器件进行发射信号功率的精准控制，采用DAC与FPGA控制实现发射信号频率与相位的精准控制。

如图5和图6所示，频综模块包括混频本振信号1产生电路和混频本振信号2产生电路；所述混频本振信号1产生电路包括第一本振产生电路、第五开关、第六开关、第十滤波器、第十一滤波器、第四放大器、第一功分器、第一上混频器和第一下混频器；所述第一本振产生电路的输出端连接第五开关，第十滤波器和第十一滤波器连接在第五开关和第六开关之间；第六开关、第四放大器和第一功分器依次连接，第一功分器的输出端分别连接第一上混频器和第一下混频器的输入端；混频本振信号2产生电路包括依次连接的第二本振产生电路、第十二滤波器、第五放大器、第二功分器，以及第二上混频器和第二下混频器；所述第二功分器的输出端分别连接第二上混频器和第二下混频器的输入端。

进一步度，频综模块采用高稳定度晶振作为基准信号，并产生10MHz参考时钟输出，可使外部设备与本发明相参。同时频综模块还可接收外部10MHz参考时钟输入，用于标定系统与外部设备相参工作。标定系统的频综模块作为标定系统的时钟与信号基准，输出信号工作时钟与混频本振信号1和混频本振信号2等相参信号。

两路混频本振信号中，混频本振信号2采用固定频率，混频本振信号1采用三个频段的可变频率设计，用以满足标定仪对S、C、X三个频段雷达的标定功能。由于S波段混频本振信号1频率与C波段、X波段本振1频率相差较大，本发明在对不同波段雷达进行标定时通过开关切换滤波器的方式选择不同的本振频率输出。

进一步地，雷达发射标定：标定系统天线接收雷达发射信号，经环形器后进入标定系统的接收模块，接收模块对雷达发射信号进行两次下变频及滤波处理后输出中频信号进入信号处理模块。信号处理模块通过高精度高速ADC器件可同时对两个通道的中频数据进行数字量化，FPGA并对量化后数字信号进行频谱、功率、包络、周期等计算，再根据电磁波的辐射特性以及标定系统的天线、馈线、接收、信处等参数计算出雷达发射机的相关性能指标。

雷达接收标定和天线标定：信号处理模块通过FPGA控制DAC产生标定中频波形，并对DAC输出功率控制以及DAC输出所连接的数控衰减器进行控制，实现大动态功率范围的波输出，信号经发射分系统混频、放大、滤波等处理后由天线发射输出。FPGA通过信号处理对波形移相、频率控制、功率控制可实现对雷达接收系统的灵敏度、动态范围、径向速度、反射率因子、双通道幅度一致性、双通道相位一致性标定以及配合雷达天线的扫描功能，可实现雷达天线波束宽度、天线波束指向误差、天线增益、天线副瓣电平以及天线方向图的标定功能。

目标特性模拟标定：标定系统天线接收雷达发射信号后，经接收模块、信号处理模块接收计算，FPGA根据指定目标特性需求分别对双通道ADC采样后的数字信号进行延时、移相、功率控制等处理，数模转换器DAC根据FPGA处理后的波形数据生成相应的模拟中频信号，后再经发射模块、标定系统天线将此具备指定目标特性的模拟信号发射输出至雷达，雷达对模拟信号进行接收处理，并生成相应的产品。标定系统对雷达生成的产品进行计算与对比，最终实现对雷达进行目标距离、回波强度、径向速度、速度谱宽、差分反射率因子、差分相位因子、退偏振比、相关系数等目标特性的模拟与检验。

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 (5)

1.一种多频段的天气雷达全链路远程标定系统，其特征在于：它包括标定系统天线、环形器、接收模块、发射模块、频综模块和信号处理模块；所述标定系统天线用于接收雷达发射信号并经过环形器进入接收模块，接收模块对信号信息下变频和滤波处理后输出中频信号到信号处理模块，信号处理模块同时对两个通道的中频数据进行数字量化，计算出雷达发射机的性能指标完成雷达发射标定，同时根据指定目标特性完成目标特性模拟标定；信号处理模块产生进行大动态范围功率控制的标定中频信号波形到发射模块进行混频、放大、滤波处理后通过环形器输入到标定系统天线发射输出到雷达接收系统，完成对雷达接收系统的参数进行标定以及雷达天线标定；所述频综模块为接收模块、发射模块和信号处理模块提供相参信号；

所述接收模块包括无源双接收通道，每个接收通道依次连接的限幅器、多频段接收选择单元、第一混频器、第四滤波器、第二混频器和中频滤波器；标定系统天线将雷达发射信号通过环形器输入到限幅器的输入端，中频滤波器的输出端输出中频信号到信号处理模块；所述频综模块输出混频本振信号1到第一混频器，输出混频本振信号2到第二混频器；

所述信号处理模块包括FPGA、两个模数转换器AD、两个数模转换器DA、两个数控衰减器和存储单元；接收模块的两个接收通道的输出端分别通过连接一个模数转换器AD将中频信号输入FPGA；FPGA的输出端分别连接两个数模转换器DA的输入端，每个数模转换器DA的输出端通过连一个数控衰减器将进行大动态范围功率控制的标定中频信号波形输出到发射模块，FPGA还与存储单元相互连接；所述频综模块输出工作时钟信号到FPGA；

其中，目标特性模拟标定包括：标定系统天线接收雷达发射信号后，经接收模块、信号处理模块接收计算，FPGA根据指定目标特性需求分别对双通道ADC采样后的数字信号进行延时、移相、功率控制处理，数模转换器DA根据FPGA处理后的波形数据生成相应的模拟中频信号，后再经发射模块、标定系统天线将此具备指定目标特性的模拟信号发射输出至雷达，雷达对模拟信号进行接收处理，标定系统对雷达生成的产品进行计算与对比，最终实现对雷达进行目标距离、回波强度、径向速度、速度谱宽、差分反射率因子、差分相位因子、退偏振比、相关系数的目标特性的模拟与检验。

2.根据权利要求1所述的一种多频段的天气雷达全链路远程标定系统，其特征在于：所述多频段接收选择单元包括第一开关、第二开关和三个频段不同的滤波器；所述限幅器的输出端与第一开关的输入端连接，第一滤波器、第二滤波器和第三滤波器连接在第一开关和第二开关之间，第二开关的输出端连接所述第一混频器的输入端，通过第一开关和第二开关选择接收不同频段雷达发射信号。

3.根据权利要求1所述的一种多频段的天气雷达全链路远程标定系统，其特征在于：所述发射模块包括双发射通道，每个数控衰减器的输出端连接一个发射通道的输入端；每个发射通道包括依次连接的第五滤波器、第三混频器、第六滤波器、第一放大器、第四混频器、第二放大器、多频段发射选择单元、第三放大器和功放放大器；功放放大器的输出端通过环形器将信号输入到标定系统天线发射输出到雷达接收系统；所述频综模块输出混频本振信号1到第四混频器，输出混频本振信号2到第三混频器。

4.根据权利要求3所述的一种多频段的天气雷达全链路远程标定系统，其特征在于：所述多频段发射选择单元包括第三开关、第四开关和三个频段不同的滤波器；所述第二放大器的输出端连接第三开关的输入端，第四开关的输出端连接第三放大器的输入端；第七滤波器、第八滤波器和第九滤波器连接在第三开关和第四开关之间，通过第三开关和第四开关选择发射不同频段的信号。

5.根据权利要求3所述的一种多频段的天气雷达全链路远程标定系统，其特征在于：所述频综模块包括混频本振信号1产生电路和混频本振信号2产生电路；所述混频本振信号1产生电路包括第一本振产生电路、第五开关、第六开关、第十滤波器、第十一滤波器、第四放大器、第一功分器、第一上混频器和第一下混频器；所述第一本振产生电路的输出端连接第五开关，第十滤波器和第十一滤波器连接在第五开关和第六开关之间；第六开关、第四放大器和第一功分器依次连接，第一功分器的输出端分别连接第一上混频器和第一下混频器的输入端；

所述混频本振信号2产生电路包括依次连接的第二本振产生电路、第十二滤波器、第五放大器、第二功分器，以及第二上混频器和第二下混频器；所述第二功分器的输出端分别连接第二上混频器和第二下混频器的输入端。

Images