CN1800876A - 双通道同时收发式多普勒偏振天气雷达 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波遥感遥测技术领域，是用于云和降水粒子探测类的电子仪器。它是由发射机发出的大功率微波信号，经工分器分成两路，一路经移相器，一路经大功率衰减器，由方位双绞链和俯仰双绞链送到天线，再经双工器和喇叭发射出去。然后，由天线收到的目标后向散射形成的水平和垂直偏振回波信号分别进入水平和垂直接收通道，通过前置放大器放大和混频器混频后变成中频信号，再送入数字中频接受机变成数字信号，最后送到信号处理器进行处理，信号处理器与高速局域网联网，通过局域网将信息传输给用户。本发明利用一台发射机实现多普勒偏振雷达的水平和垂直正交两路偏振信号的同时发射和接收，同时利用移相器和衰减器调节两路发射波的幅度平衡和相位差在0度和90度之间的转换，实现一部多普勒偏振雷达双线偏振和圆偏振都能发射的功能。它不仅填补了我国在该领域的空白，同时也为我国雷达气象事业的发展以及防灾减灾提供了新的探测仪器。

Description

双通道同时收发式多普勒偏振天气雷达

技术领域

本发明属于微波遥感遥测技术领域，是用于云和降水粒子探测类的电子仪器。

背景技术

天气雷达是以云和降水为观测对象的，它向目标发射电磁波，接收其后向散射回波，然后根据其回波变化来研究目标的特性。根据散射理论，目标的后向散射回波与发射波比，既有幅度大小的变化，也有相位信息的变化，这些变化反映了目标的差异。而且对不同状态的偏振波，这种变化是不一样的。常规天气雷达和多普勒天气雷达一般只发射一种状态的偏振波。常规天气雷达只能获取云和降水的强度信息(Zh)，利用它仅能得到云的高度、强度、范围大小以及空间位置方面的特征。而多普勒雷达除获取强度信息(Zh)外，还能获取其风场(平均径向速度V，谱宽W)变化特征。偏振雷达一般发射两种偏振状态的电磁波，它不仅能得到目标对两种不同偏振状态电磁波的后向散射信号强度和相位变化信息，还能得到目标相对两种不同偏振状态电磁波的后向散射回波的差异信息(差反射率Z_dr，差传输相移φ_dp和相关系数ρ_hV)，这些差异反映了云和降水粒子大小和相态的不同。

目前，多普勒天气雷达技术已趋于成熟。我国现在已有多家生产多普勒天气雷达(主要有南京14所、合肥38所和成都784厂等)。而偏振雷达的研制在我国才刚刚起步。在偏振雷达发展过程中，从技术上讲大的可分成两类：一种是利用大功率微波开关实现两路偏振波的脉间变换交替发射，技术实现相对简单；另一种是两路同时发射，它有两台发射机，两路完全独立，技术实现难度相对较大。用大功率微波开关交替实现双偏振转换的模式有很多缺点：1、采样速度慢，采同等量数据比同时发射费时多一倍；2、数据精度差，这主要是所用微波开关为铁氧体材料，其性能受温度影响较大；3、受微波开关隔离度低的影响。双通道隔离度较低，这也是影响数据精度的原因；4、φ_dp、K_dp、ρ_hV受多普勒效应的影响，其精度会变差。

目前，我国多数研究工作还停留在利用大功率微波开关实现双偏振转换的模式上，具有双通道同时发射和接收的集多普勒和偏振性能于一身的多参数雷达在我国还是空白。

发明内容

天气雷达作为人类认识云及其所带来的各种降水、雷电和由此引起的各种天气灾害的最有用的遥感遥测仪器这一点，已为广大从事气象业务工作的专家所认可。它在云和降水的遥感遥测、天气预报、天气灾害防治和人工影响天气等许多方面有着巨大的应用潜力。鉴于上述原因，我们在上世纪八十年代末曾把我国生产的713雷达改成脉间变换交替发射水平和垂直偏振波的偏振雷达，在使用中发现它有很多缺点。因此，如何研制集多普勒和偏振性能于一体的多参数雷达，如何实现这种雷达的双通道微波信号的同时发射和接收技术以及如何对所采集的大量数据综合处理，一直是我们科研攻关的重大课题。经过多年的应用研究，我们对影响这种雷达性能指标的关键部件，如方位双绞链、大功率可变移相器、大功率衰减器、双工器、天线反射面(上述器件由成都锦江电子有限公司提供)进行了精心的设计和排列，研制出一种3cm波长双通道同时发射和接收水平和垂直偏振波(还可发射圆偏振波)的多普勒偏振天气雷达。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种双通道同时收发式多普勒偏振天气雷达，是由发射机发出的大功率微波信号，经工分器分成两路，一路经移相器送到水平(H路)发射通道，另一路经大功率衰减器送入垂直(V路)通道，然后经过方位双绞链和俯仰双绞链送到天线，经双工器和喇叭发射出去；由天线收到的目标后向散射回波信号的水平和垂直偏振信号分量分别进入水平和垂直通道，经过T/R收发转换开关进入水平(H路)和垂直(V路)接收通道，再分别通过两路通道前置放大器放大和混频器混频后变成中频信号，然后送入数字中频接受机变成数字信号，最后送到信号处理器进行处理，信号处理器与高速局域网与用户终端相连，将信息传输给用户。

移相器和衰减器调节两路发射波的幅度平衡和相位在0度和90度之间变换，以实现发射双线偏振波和圆偏振波的转换。

我们所研制的双通道同时发射和接收的多参数天气雷达的应用主要定位于研究强雷暴天气及其所形成的雷电、冰雹和局地暴洪灾害的形成机理和防治技术，其主要探测对象是云和降水的粒子。因此，在本发明的雷达总体技术方案中，雷达波长选用3.2cm，采用双通道同时发射和接收的多普勒偏振雷达体制，发射机采用速调管放大的全相参发射技术，接收机采用美国SIGMET公司生产的性能更稳定可靠的数字中频接收机，信号处理器用多普勒和偏振信号都能处理的RVP8处理器。为了观测方便，该雷达为车载可移动式。

本发明雷达具有发射两种偏振波，而且能分别接收目标对不同偏振波的后向散射信号幅度和相位变化能力，所以它不仅能得到常规和多普勒天气雷达所能获取目标的全部信息，同时还能获取云和降水粒子的大小、排列和相态变化信息，能区分出云和降水粒子是雨滴、冰晶还是雪花等。它是目前最先进的、性能优越且有着广泛用途的天气雷达，在云雾物理的研究和天气灾害的防治工作中有着广泛的用途，正是由于这种雷达的先进性和广泛的用途，所以研制多普勒偏振天气雷达就具有非常重要的意义。

本发明的优点和产生的有益效果是：

1、利用一台发射机实现正交两路偏振信号的同时发射和接收的多普勒偏振雷达技术及由移相器和衰减器调节两路发射波的幅度平衡和相位在0度和90度之间的变换，实现一部多普勒偏振雷达双线偏振和圆偏振都能发射的功能，是本发明的优点。系统中装有大功率衰减器，通过调整它保证两路发射波的幅度大小基本一样，且不受天线转动的影响；通道中装有移相器，改变移相的大小，可使两路发射波的相位差在0度到90度之间变化，从而使合成发射波为45度线偏振波(相当于同时发射幅度相等，相位相差为0度的水平和垂直线偏振波)和圆偏振波。前者就是常用的正交双线偏振波同时发射和接收工作模式，是主要的工作模式。后者是发射圆偏振而接收其正交分量，这对于探测云和降水粒子的变形大小很有用，所以也是一种很有用的偏振雷达工作模式。两种模式通过电动开关改变移相器0度或90度来转换。

通过我们对双通道内内微波器件和连接波导路径的精心设计排列，使整机双通道固有衰减差小于0.5dB，此误差可通过调整大功率衰减器达到两通道的平衡。性能指标达到设计要求，满足了双通道对隔离度、发射波辐射特性的一致性和能耐受大功率等的特殊要求。研制成的雷达主要性能指标为：：发射机功率80Kw，发射脉冲宽度1和2微秒可选，天线采用直径2.4米的旋转抛物面天线，波瓣宽度0.98度，旁瓣电平小于-27dB，整机两通道隔离度优于求-32dB，接收机灵敏度优于-109dBmw，动态范围为90dB，可同时获取云和降水的强度(Zh)、速度(平均速度V和谱宽W)和偏振信息(差反射率Z_dr，差传输相移φ_dp和相关系数ρ_hV)。天线控制精度为±0.1度，雷达由GBS定位和给出数据采集时间，定位和时间精度高，整机有故障自动诊断和自动标定功能，保证了所采数据精度和雷达工作的可靠性，整机能连续长时间的工作，可满足对一次天气过程的连续工作要求；

2、双通道同时发射和接收多普勒偏振雷达所采集的数据量大，对信号处理器的处理速度要求快，为此本发明选用了最先进的RVP8处理器，它和数据终端通过高速网络连在一起，实现了数据共享，既满足了数据处理的要求，也为扩展应用提供方便；

3、双通道同时收发式多普勒偏振天气雷达是一部真正意义上的多参数天气雷达，它不仅填补了我国在该领域的空白，同时也为我国雷达气象事业的发展以及防灾减灾提供了新的探测仪器。

附图说明

图1是双通道同时收发式多普勒偏振天气雷达原理图

图2是多普勒偏振天气雷达所获云和降水的风场垂直扫描信息图

图3是多普勒偏振天气雷达所获云和降水的风场水平扫描信息图

图4是多普勒偏振天气雷达所获云和降水的风场垂直扫描信息图

图5是多普勒偏振天气雷达所获云和降水的偏振水平扫描信息图

具体实施方式

下面结合附图1，对本发明再作进一步的说明：

一种双通道同时收发式多普勒偏振天气雷达，由发射机1发出的9370MHZ(相当波长3.2cm)大功率微波信号，经工分器2分成两路，一路经移相器3送到水平(H路)发射通道，另一路经大功率衰减器4送入垂直(V路)通道，然后经过方位双绞链5和俯仰双绞链6送到天线7，经双工器8和喇叭9发射出去；由天线7收到的目标后向散射回波信号的水平和垂直偏振信号分量分别经喇叭9、双工器8、俯仰双绞链6和方位双铰链5，通过T/R收发转换开关，被分别送到水平(H路)和垂直(V路)接收通道接收机，通过前置放大器10、10′放大和混频器11、11′混频后变成30MHZ中频信号，再送入数字中频接受机12、12′变成数字信号，最后送到信号处理器13进行处理，信号处理器13与高速局域网14与用户终端相连，将信息传输给用户。

通过调节移相器(3)和衰减器(4)实现两路发射波的幅度平衡和相位在0度和90度之间变换。达到双线偏振和圆偏振波都能发射的功能。

本发明于2004年7月完成研制工作，并于2004年9月在西藏那曲和2005年6月在甘肃平凉市进行了实际观测试验，取得了预想的结果。试验表明，雷达工作稳定可靠，能适应于高海拔地区的工作，所获风场和偏振资料正确，其结果分别如图2、图3、图4、图5所示(此资料为在甘肃平凉市试验时所获取)。图2是雷达作RHI(垂直)扫描时所获云和降水的风场数据，图3是雷达作PPI(水平)扫描时所获云和降水的风场数据。图2和图3分别各有四幅图，其中左边两幅为强度信号，上面为经地物订正后的图，下面是未订正的原始数据；右上角为径向速度，右下角为谱宽。图4、图5为雷达作RHI(垂直)扫描和PPI(水平)扫描时所获云和降水的偏振数据。每幅图中也有四幅图，其中左上角是云和降水的强度数据Zh，左下角是反映云和降水粒子相对两种偏振波的传输相位差数据Kdp，右上角反映云和降水粒子相对两种偏振波强度信号差数据Zdr，右下角是相关系数ρ_hV。由图2-图5可见，云和降水的大小强弱、高度、范围大小和位置、风速大小和风向、零度层的高度、降雨的大小等特征都可以看得清清楚楚。证明利用一台发射机实现双通道同时发射和接收的多普勒偏振雷达方案是可行的。

本发明是一部车载3cm波长可移动式多普勒偏振天气雷达，但其所用的双通道同时发射和接收技术也可推广应用到5cm和10cm以及其它波长和固定的天气雷达。它和我国现有的多普勒天气雷达比，除了能获取多普勒雷达所能获取的全部信息(如图2和图3所示，所获信息有强度Zh，速度V和谱宽W)外，还能获取反映粒子大小和相态的偏振信息(如图4和图5所示，包括两通道强度反射差Zdr，差传输相移Kdp和相关系数ρ_hV)。

Claims (2)

1、一种双通道同时收发式多普勒偏振天气雷达，其特征是由发射机(1)发出的大功率微波信号，经工分器(2)分成两路，一路经移相器(3)送入水平发射通道，另一路经大功率衰减器(4)送入垂直通道，然后经过方位双绞链(5)和俯仰双绞链(6)送到天线(7)，经双工器(8)和喇叭(9)发射出去；由天线(7)收到的目标后向散射回波信号的水平和垂直偏振信号分量分别进入水平和垂直通道，经过T/R收发转换开关进入水平和垂直接收通道，再通过前置放大器(10、10′)放大和混频器(11、11′)混频后变成中频信号，然后送入数字中频接受机(12、12′)变成数字信号，最后送到信号处理器(13)进行处理，信号处理器(13)与高速局域网(14)与用户终端相连，将信息传输给用户。

2、根据权利要求1所述的一种双通道同时收发式多普勒偏振天气雷达，其特征是由移相器(3)和衰减器(4)调节两路发射波的幅度平衡和相位在0度和90度之间变换。

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