CN114720986A - 一种测风速风向的毫米波多普勒雷达阵列 - Google Patents

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Abstract

一种测风速风向的毫米波多普勒雷达阵列，包括收发机单元TRX、数字信号处理单元DSP、存储器SRAM和模数/数模转换电路AD/DA；所述数字信号处理单元DSP、存储器SRAM和模数/数模转换电路AD/DA依次串联形成控制总线；若干所述收发机单元TRX并联后接入所述控制总线，以通过操控所述控制总线在任意时刻开启或关闭任一所述收发机单元TRX。相比传统的超声波雷达，探测距离更远，探测精度更高。相比于激光多普勒雷达，成本低体积小，受天气状况影响小，具有显著的成本优势，技术优势和可行性。

Description

一种测风速风向的毫米波多普勒雷达阵列
技术领域
本发明涉及风速风向测量设备，尤其是一种测风速风向的毫米波多普勒雷达阵列。
背景技术
风速风向仪在风力发电、渔业、航海、气象等领域广泛应用。尤其是风力发电的发展，对风速风向仪提出了更高的要求。为了提高低风速下风机出力功率，同时防止风速过大超过额定受力范围而损坏风机；新式风力发电机组均采用调桨控制技术，即通过实时改变桨叶的角度来改变风机功率因数，作为调桨控制的环境输入变量，对风速和风向的采样速度和精度决定了风力发电机组的调桨速度，从而影响风力发电机组的发电效率。因为每次轴箱通过变桨驱动调节叶片角度有一段运行时间，这需要风速风向仪先一步精准预报下一时刻的风速风向并将变桨信号提前反馈给风机控制系统进行变桨操作。这对远场风速风向的探测能力提出了更高要求。
传统上,风速风向仪工作在超声波频率，该设备发射端和接收端面对面布置距离<10厘米。由于多普勒效应，发射的固定频率的超声波信号在空气中传播时和空气中的微小颗粒发生散射，在接收端收到的超声波频率会因风向风速的改变而改变。由于超声波在空气中传输距离在米级，所以安装在风机上的超声波风速风向仪只能采集风机近场的风向风速，无法实现远场的风情数据采集。
为了实现远场风速风向采集，基于多普勒效应的激光雷达最近开始应用在风力发电机组上。该设备接收端和发射端均面朝来风方向并间隔一定距离以防互相干扰。发射端发射的固定频率激光被远处空气中的微小颗粒反射回接收端后被激光接收机接收。由于多普勒效应，接收到的激光频率会因来风处风向风速的改变而改变。激光多普勒雷达传输距离在千米级。因此可以对远场风情进行实时采集。
超声波风速风向仪成本低、低体积小但无法探测远场风情。激光多普勒雷达造价高，体积大，对工艺要求高，而且易受天气状况及阳光辐射影响。
发明内容
本专利提出了一种工作在毫米波频段的多普勒雷达阵列用来探测远场风向风速。具有尺寸小、成本低、抗干扰能力强等优点。
为实现上述目的，本发明提出了一种测风速风向的毫米波多普勒雷达阵列，包括收发机单元TRX、数字信号处理单元DSP、存储器SRAM和模数/数模转换电路AD/DA；
所述数字信号处理单元DSP、存储器SRAM和模数/数模转换电路AD/DA依次串联形成控制总线；
若干所述收发机单元TRX并联后接入所述控制总线，以通过操控所述控制总线在任意时刻开启或关闭任一所述收发机单元TRX。
优选地，所述收发机单元TRX包括一发射机和一接收机。
优选地，所述发射机的前端电路包括依次连接的四倍频器、驱动级BUF、混频器MIX、功率放大器和天线ANT。
优选地，所述接收机的前端电路包括依次连接的天线ANT、低噪声放大器LNA、混频器MIX、低通滤波器LPF和积分器Int，所述积分器Int的输出信号接入所述控制总线，以被模数转化电路AD读取。
本专利首次提出了工作在毫米波频段的测风速风向的多普勒雷达，信号发射-接收-处理链路为电信号，与后端风机控制系统兼容，而且容易扩展为MIMO阵列从而进一步提高探测雷达性能；接收机发射机电路所有器件均由集成电路工艺实现，不包含精密光学器件。相比传统的超声波雷达，探测距离更远，探测精度更高。相比于激光多普勒雷达，成本低体积小，受天气状况影响小，具有显著的成本优势，技术优势和可行性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明毫米波多普勒雷达阵列结构的一实施例的电路结构示意图；
图2为本发明中发射机的前端电路的一实施例的示意图；
图3为本发明中接收机的前端电路的一实施例的示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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的一部分实施例，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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
以下结合图1-图3及相关实施例对本发明方案做进一步阐述。
本专利提出的多普勒雷达工作在频率为20GHz-300GHz毫米波频段，毫米波信号传播距离与激光相当可达千米级，因此可用于远距离风速风向探测。此外毫米波频段受雨雪雾等天气影响相比激光信号更小。相比于激光光学器件，毫米波频段接收机和发射机均可以在半导体工艺上实现，具有低成本、尺寸小的优势。为了进一步增加探测距离和精度，专利提出的多普勒雷达可设计为多入多出(MIMO)阵列架构，即发射端包含多个发射机，接收端包含多个接收机。根据具体功能要求，MIMO内部每个单元的波束角度和增益可以根据需求灵活调整，方便测量来风处空气团的角度、速度、方向等数据。整个系统不存在光学元件，接收端接收的电信号直接由后端数字信号处理单元(DSP)做滤波，降噪，快速傅里叶分析等处理并传输给风机轴箱控制电路。
具体地，如图1所示，本发明提出了一种测风速风向的毫米波多普勒雷达阵列，包括收发机单元TRX、数字信号处理单元DSP、存储器SRAM和模数/数模转换电路AD/DA；
所述数字信号处理单元DSP、存储器SRAM和模数/数模转换电路AD/DA依次串联形成控制总线；
若干所述收发机单元TRX并联后接入所述控制总线，通过配置控制总线，使用者可以在任意时刻开启关闭每个TRX单元，满足雷达阵列不同MIMO模式下的探测需要。
优选地，所述收发机单元TRX包括一发射机和一接收机。
图2为本专利优选的所述发射机的前端电路，包括依次连接的四倍频器、驱动级BUF、混频器MIX、功率放大器和天线ANT。具体工作时，首先四倍频器将输入的连续波信号RFInput上变频到毫米波频段，RF Input信号由片上频率综合电路产生，由于RF Input频率相对毫米波发射信号RF Output频率较低，所以对电路设计要求不高。产生的毫米波信号经过驱动级BUF放大，进入混频器MIX与低频随机数信号PNS Pulse编码混频。最后混频后的毫米波信号经过功率放大器和天线后转化为RF Output被发射出去。
图3为本专利优选的所述接收机的前端电路，包括依次连接的天线ANT、低噪声放大器LNA、混频器MIX、低通滤波器LPF和积分器Int，所述积分器Int的输出信号接入所述控制总线，以被模数转化电路AD读取。具体工作时，首先从探测目标反射的毫米波信号被天线ANT接收。经过低噪声放大器LNA处理放大，输入混频器MIX，在混频器中与低频随机数信号PNS Pulse解码混频，该解码随机数信号PNS Pulse与发射时发射机混频编码采用的PNSPulse一致。利用PNS Pulse编解码设计可以增强TRX的抗干扰能力。解码后的毫米波信号经过低通滤波器LPF只保留基频信号，然后进入积分器Int做进一步降频降噪。输出信号直接进入控制总线被模数转化电路AD读取，再由DSP读取识别出风速风向角度等信息。
本专利首次提出了工作在毫米波频段的测风速风向的多普勒雷达。信号发射-接收-处理链路为电信号，与后端风机控制系统兼容，而且容易扩展为MIMO阵列从而进一步提高探测雷达性能。接收机发射机电路所有器件均由集成电路工艺实现，不包含精密光学器件。相比传统的超声波雷达，探测距离更远，探测精度更高。相比于激光多普勒雷达，成本低体积小，受天气状况影响小。具有显著的成本优势，技术优势和可行性。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种测风速风向的毫米波多普勒雷达阵列，其特征在于：包括收发机单元TRX、数字信号处理单元DSP、存储器SRAM和模数/数模转换电路AD/DA；
所述数字信号处理单元DSP、存储器SRAM和模数/数模转换电路AD/DA依次串联形成控制总线；
若干所述收发机单元TRX并联后接入所述控制总线，以通过操控所述控制总线在任意时刻开启或关闭任一所述收发机单元TRX。
2.根据权利要求1所述的毫米波多普勒雷达阵列，其特征在于：所述收发机单元TRX包括一发射机和一接收机。
3.根据权利要求2所述的毫米波多普勒雷达阵列，其特征在于：所述发射机的前端电路包括依次连接的四倍频器、驱动级BUF、混频器MIX、功率放大器和天线ANT。
4.根据权利要求3所述的毫米波多普勒雷达阵列，其特征在于：所述接收机的前端电路包括依次连接的天线ANT、低噪声放大器LNA、混频器MIX、低通滤波器LPF和积分器Int，所述积分器Int的输出信号接入所述控制总线，以被模数转化电路AD读取。
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