一种双频风雨云测量方法、系统及雷达与流程

1.本发明涉及测量测试技术领域，具体来说，涉及一种双频风雨云测量方法、系统及雷达。


背景技术：

2.我国是世界上受自然灾害最为严重的国家之一，气象灾害种类多、分布地域广、发生频率高、严重影响人民生命财产安全。主要灾害性天气包括台风、暴雨、干旱及突发性天气等。
3.机载气象雷达可满足近距离云雨等目标的精细探测需求，为揭示云雨的微物理特性提供了强有力的新手段，定量反演云雨结构、云雨相态、大气风廓线、海面风等物理参量，提高对灾害性天气形成与发展过程的认识能力，实现中小尺度天气快速变化过程的监测及预警，弥补探测快速变化的天气过程时，因资料时空密度不够、不能满足精细结构和精细预报要求的不足。探索全新体制的雷达探测技术及其在气象灾害中监测和预警中的应用，为进一步提高我国灾害性天气监测和预警能力提供重要的技术储备。
4.当前，国内外都相继投入大量的人力物力发展机载气象探测设备和体系。美国是全球范围内系统性开展飞机大气探测活动最早且最活跃的国家。全美有nasa（国家航空和航天局）、noaa（国家海洋大气局）、onf（海军研究院）、ncar（国家大气研究中心）、uwyo（university of wyoming），umass（university of massachusetts）、prosensing等多家机构开展机载大气探测活动，提供资助的有nsf（国家科学基金会）、doe（美国能源部）等。
5.早期探测飞机受飞机性能和探测技术的限制大多数只配有毫米波云雷达、云微物理探测系统、辐射测量仪器以及气体取样设备，没有充分发挥机载探测能。由于技术的发展，探测飞机正在不断地增加新的探测设备，特别是增加机载云雷达、雨雷达形成一个从云生成、发展到降水全过程的探测，向预报提供关键数据。在我国气象探测领域，在空基上进行主动遥感气象探测手段基本上为空白。
6.针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

7.针对相关技术中的问题，本发明提出一种双频风雨云测量方法、系统及雷达，以解决现有相关技术所存在的上述技术问题。
8.本发明的技术方案是这样实现的：根据本发明的一方面，提供了一种双频风雨云测量方法。
9.该双频风雨云测量方法包括：预先配置天馈天线，所述天馈天线包括单偏置抛物面和两个ku/ka双频段馈源；所述单偏置抛物面与两个ku/ka双频段馈源相对设置；通过所述ku/ka双频段馈源对待测区域的云和雨进行辐射微波扫描，得到云雨数据信息；并通过两个ku/ka双频段馈源与所述单偏置抛物面对待测区域的云和海进行大入
射角圆锥辐射微波扫描，得到云中风数据信息和海面风数据信息；根据所述云雨数据信息、所述云中风数据信息和所述海面风数据信息，采用预先配置的反演模型，进行三维降水反演以及海面风矢量反演和云中风矢量反演。
10.其中，所述单偏置抛物面的反射面为部分抛物面发射天线，且所述单偏置抛物面的馈源相位中心为原正置型抛物面的焦点，馈源的最大接收指向偏置发射面中心。
11.其中，所述ku/ka双频段馈源为ku/ka双频同轴共用馈源天线。
12.其中，低频段的ku/ka双频段馈源照射单偏置抛物面的反射面所形成的照射波束角为30
°
；高频段的ku/ka双频段馈源照射单偏置抛物面的反射面所形成的照射波束角为40
°
。
13.根据本发明的另一方面，提供了一种双频风雨云测量系统。
14.该双频风雨云测量系统，包括：天馈天线，所述天馈天线包括单偏置抛物面和两个ku/ka双频段馈源；所述单偏置抛物面与两个ku/ka双频段馈源相对设置；用于发射辐射微波，并在伺服转动机构的转动下对待测区域形成内外圈扫描波束，且用于接收目标后向散射的辐射微波；微波收发信道模块，用于将接收的射频信号下变频至中频信号交给后端信号处理机，将中频信号上变频至射频信号交给射频前端驱动放大器，同时，用于提供时钟；射频前端驱动放大器，用于对射频信号进行放大处理和隔离处理，所述放大处理包括多级功效放大处理、信号限幅放大处理、信号低噪声放大处理；伺服转动机构，用于在伺服控制器控制下带动天馈天线对待测区域进行旋转扫描；信号处理机，用于采集所述天馈天线所接收的目标后向散射的辐射微波，得到所述ku/ka双频段馈源对待测区域的云和雨进行辐射微波扫描的云雨数据信息以及两个ku/ka双频段馈源与所述单偏置抛物面的对待测区域的云和海进行大入射角圆锥辐射微波扫描的云中风数据信息和海面风数据信息；数据处理分系统，用于根据所述云雨数据信息、所述云中风数据信息和所述海面风数据信息，采用预先配置的反演模型，进行三维降水反演以及海面风矢量反演和云中风矢量反演。
15.其中，所述单偏置抛物面的反射面为部分抛物面发射天线，且所述单偏置抛物面的馈源相位中心为原正置型抛物面的焦点，馈源的最大接收指向偏置发射面中心。
16.其中，所述ku/ka双频段馈源为ku/ka双频同轴共用馈源天线。
17.其中，低频段的ku/ka双频段馈源照射单偏置抛物面的反射面所形成的照射波束角为30
°
；高频段的ku/ka双频段馈源照射单偏置抛物面的反射面所形成的照射波束角为40
°
。
18.根据本发明的又一方面，提供了一种双频风雨云测量雷达。
19.该双频风雨云测量雷达，包括伺服控制器、信号处理机和伺服转动机构，所述伺服控制器设置于飞机舱内，所述伺服转动机构贯穿设置于飞机舱，且位于所述飞机舱外的伺服转动机构上设置有天馈天线以及与所述天馈天线相配合的微波收发信道模块和射频前去放大器；所述信号处理机包括信号采集器和信号处理单元，所述信号采集器设置于位于所述飞机舱外的伺服转动机构上；所述信号处理单元设置于所述飞机舱内；所述伺服控制
器与所述伺服转动机构控制连接，所述天馈天线与所述射频前去放大器、所述微波收发信道模块和所述信号采集器通信连接，所述信号处理单元与所述天馈天线以及外部数据处理分系统通信连接。
20.其中，所述天馈天线包括单偏置抛物面和两个ku/ka双频段馈源；所述单偏置抛物面与两个ku/ka双频段馈源相对设置。
有益效果
21.本发明将云中风、海面风、云、雨等常规需三四个载荷实现的功能集约到一个载荷：通过ku和ka双频段复合实现了具备云、雨同时探测能力；通过大入射角圆锥扫描实现了云中风和海面风探测；而采用双频段同轴馈源解决了一套天线复用两个频段的问题，极大地减少了系统载荷的体积和重量，降低了接口设计的复杂度，特别适用于高空飞行平台。
附图说明
22.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获得其他的附图。
23.图1是根据本发明实施例的一种双频风雨云测量方法的流程示意图；图2是根据本发明实施例的一种双频风雨云测量系统的结构框图；图3是根据本发明实施例的双频同轴馈源示意图；图4是根据本发明实施例的微波收发信道结构框图；图5是根据本发明实施例的射频前端驱动放大器结构框图；图6是根据本发明实施例的伺服机构组成和连接关系示意图；图7是根据本发明实施例的一种双频风雨云测量雷达的结构示意图。
24.图中：1、伺服控制器；2、伺服转动机构；3、天馈天线；4、微波收发信道模块；5、射频前去放大器；6、信号采集器；7、信号处理单元。
实施方式
25.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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.根据本发明的实施例，提供了一种双频风雨云测量方法、系统及雷达。
27.如图1所示，根据本发明实施例的双频风雨云测量方法，包括：步骤s101，预先配置天馈天线，所述天馈天线包括单偏置抛物面和两个ku/ka双频段馈源；所述单偏置抛物面与两个ku/ka双频段馈源相对设置；步骤s103，通过所述ku/ka双频段馈源对待测区域的云和雨进行辐射微波扫描，得到云雨数据信息；并通过两个ku/ka双频段馈源与所述单偏置抛物面对待测区域的云和海
进行大入射角圆锥辐射微波扫描，得到云中风数据信息和海面风数据信息；步骤s105，根据所述云雨数据信息、所述云中风数据信息和所述海面风数据信息，采用预先配置的反演模型，进行三维降水反演以及海面风矢量反演和云中风矢量反演。
28.其中，所述单偏置抛物面的反射面为部分抛物面发射天线，且所述单偏置抛物面的馈源相位中心为原正置型抛物面的焦点，馈源的最大接收指向偏置发射面中心。
29.如图2所示，根据本发明实施例的双频风雨云测量系统，包括：天馈天线，所述天馈天线包括单偏置抛物面和两个ku/ka双频段馈源；所述单偏置抛物面与两个ku/ka双频段馈源相对设置；用于发射辐射微波，并在伺服转动机构的转动下对待测区域形成内外圈扫描波束，且用于接收目标后向散射的辐射微波；微波收发信道模块，用于将接收的射频信号下变频至中频信号交给后端信号处理机，将中频信号上变频至射频信号交给射频前端驱动放大器，同时，用于提供时钟；射频前端驱动放大器，用于对射频信号进行放大处理和隔离处理，所述放大处理包括多级功效放大处理、信号限幅放大处理、信号低噪声放大处理；伺服转动机构，用于在伺服控制器控制下带动天馈天线对待测区域进行旋转扫描；信号处理机，用于采集所述天馈天线所接收的目标后向散射的辐射微波，得到所述ku/ka双频段馈源对待测区域的云和雨进行辐射微波扫描的云雨数据信息以及两个ku/ka双频段馈源与所述单偏置抛物面的对待测区域的云和海进行大入射角圆锥辐射微波扫描的云中风数据信息和海面风数据信息；数据处理分系统，用于根据所述云雨数据信息、所述云中风数据信息和所述海面风数据信息，采用预先配置的反演模型，进行三维降水反演以及海面风矢量反演和云中风矢量反演。
30.具体应用时，天馈天线用于辐射微波能量和接收目标后向散射的微波功率，在伺服作用下形成内外圈扫描波束；微波收发信道用于将接收的射频信号下变频至中频信号交给后端信号处理机，将中频信号上变频至射频信号交给射频前端驱动放大器，同时为系统控制及数据处理分系统等部分提供时钟；射频前端驱动放大器用于射频信号的多级功放并发射，接收信号的限幅、低噪声放大，以及收发信号隔离；信号处理机用于发射波形产生、数据采集、雷达信号处理、系统控制和对外接口等；伺服机构在软件控制下完成多种扫描旋转运动，并将实时角度信心回传；整机结构提供各单机安装支撑、机械限位等；数据处理分系统用于数据质量控制与预处理、海面风场反演、云中风反演、三维云降水反演。
31.天馈分系统由单偏置抛物面和两个ku/ka双频段馈源组成；单偏置反射面是在抛物面反射天线上截取一块作为天线的反射面，而馈源的相位中心仍处于原正置型抛物面的焦点上，但馈源的最大接收指向必须指向偏置反射面中心，使馈源平面向上有个仰角，这样可使馈源移出抛物面天线开口面，从而避免了馈源及支撑物遮挡，提高了天线接收效率；ku/ka双频段馈源，工作在ku和ka两个频段上，通过采用双频同轴共用馈源技术，解决了一套天线复用两个频段的问题，在结构、设计调试以及电性能等方面均有优势，同时尽量做到小型化，更适合机载使用；双频同轴共用馈源由若干个不同直径、不同长度的圆波导共轴嵌套起来，就得到了同轴嵌套馈源，如图3所示，a区为中心圆波导，工作在高频段即ka频段，b区为同轴波导，是低频段即ku频段的工作区，c区，用来改善b区的方向图性能和驻波性能；
天馈分系统实际使用时是两个馈源同时照射偏置抛物面，并置于载荷上随着伺服转动，随着飞机向前运动，低频段的馈源照射抛物面后形成30
°
的照射波束，也就是内圈波束，高频段的馈源照射抛物面后形成40
°
的照射波束，也就是外圈波束。
32.微波收发信道主要用于上/下变频及放大雷达发射/接收信号，在发射模式时将中频信号上变频至ku/ka频段，供给天线网络，在接收模式时将由功分网络将ku/ka频段，回波信号下变频至中频，再由信号处理机的ad转换器转换为数字信号进行处理；微波收发信道主要包括微波ku收发信道（通道1）、ku收发信道（通道2）、ku收发驱动（通道1）、ku收发驱动（通道2）、ka收发信道（通道1）、ka收发信道（通道2）、ka收发驱动（通道1）、ka收发驱动（通道2）、参考源九部分组成，微波收发信道结构框图见图4。
33.射频前端驱动放大器由ku频段射频前端驱动放大器和ka频段射频前端驱动放大器组成，组成框图见图5；发射信号进入功放后，通过2级驱动放大和4路末级功率模块，合成后输出ku频段发射信号，经环形器后发射；接收将回波信号经限幅后低噪声放大输出，限幅器用于保护后级电路，确保误操作状态下产品不损坏。
34.信号处理机主要包括信号采集单元、信号处理单元、接口卡等；所述信号采集单元用于雷达信号发生、信号采集、雷达时序产生等，实现4路中频采样，2路da信号发生，将采集的回波数据通过高速接口发送到信号处理单元进行信号处理，内部通过高速连接器实现高速与低速数据传输，完成板间通信；信号处理单元用于雷达流程控制、回波信号处理、遥感数据发送、波束控制等功能，接收信号采集单元发送的预处理后的数据和信号处理单元的参数、指令等信息，进行数据处理，处理后向接口卡输出处理结果和状态；接口卡主要实现对外遥感、遥测串行数据的输出，通过总线接口实现系统内部的指令控制与状态回报。
35.伺服机构主要由电源模块，控制模块，驱动模块，故障监测模块四部分组成。电源模块为伺服其他各模块提供专用电源。控制模块是一个具有速度环、电流环、位置环的三闭环系统：速度环用于稳定扫描速度，实现对扫描速度的精确控制；电流环用来保护伺服电机驱动器和执行电机；位置环测量出天线方位/俯仰的当前角度，转换成数字信号，经主控单元送给驱动模块完成位置闭环，实现位置的精确控制。
36.驱动模块接收控制模块输入的控制命令，包括天线转速转向指令、定位位置指令、控制方式选择指令等，接收电机附带的旋转编码器（码盘）送来的天线目前转速、转向等状态信息，经内部的运算处理最终产生驱动天线转动的驱动信号送往驱动天线扫描的方位电机和俯仰电机；故障监测模块包括了对系统中各种电源的监测、方位/俯仰执行电机的监测、方位/俯仰电机驱动器的监测。各故障监测信号均通过控制单元上报监控系统。伺服机构组成及连接关系见图6。
37.整机结构分为舱内和舱外两部分，舱外部分通过伺服扫描机构连接：伺服扫描机构一端安装在飞机机腹内，另一端伸出机腹外与整机支架连接；反射面和舱外单机信号采集单元、微波收发信道和射频前端驱动放大器均安装在整机支架上；舱内部分有伺服控制单元和信号处理单元两台单机，安装在舱内转接板上，与舱外部分采用转接插座板线缆互联；根据平台和数据处理需求不同，数据处理分系统可分为安装在舱内或地面。
38.数据处理分系统包括便携式数据处理终端、控制与反演软件；便携式数据处理终端为实时处理或事后处理专用终端，具备接收遥测数据功能。对于有人机平台，可安装在舱内，对于无人机平台，可安装在地面，接入更高层级的地面数据应用系统；控制与反演包括
显示控制软件和数据处理软件。显示控制软件的主要功能是进行雷达系统控制和信号实时显示。数据处理软件的主要功能对数据进行再处理、反演和分析，得到可应用的探测产品；数据处理软件采用的数据反演和分析技术包括：数据质量控制与预处理、海面风场反演、云中风反演、三维云降水反演。
39.数据质量控制与预处理采用多普勒信息提取、非气象杂波剔除、机载雷达径向速度退模糊、退模糊后径向速度提取、反射率因子偏差订正、云降水的衰减订正、快速坐标转换与网格化等技术。
40.海面风场反演对海面风矢量的测量是一种间接关系。风从大气向海面传递动量时，使海面变粗糙，风矢量的变化导致海面粗糙度的变化，而海面粗糙度的变化又会改变海面的雷达散射截面积（后向散射系数），进而改变后向散射能量强度。雷达向海面发射一定波长或频率的微波脉冲，测量其后向散射能量，并根据雷达方程将回波能量转换为只与海面性质有关的归一化后向散射系数σ0，然后利用一定的模型函数和相应算法实现海面风矢量的反演。
41.云中风反演包括vad分析技术、双多普勒雷达分析技术和三维风场反演技术；在沿着飞行路径下方的垂直平面上，雷达扫描形成的前视、后视波束有许多交叉点，这些点上观测到的多普勒速度通过vad分析技术，可以得到沿航线的垂直风廓线；双多普勒雷达分析技术可以扩展多普勒测速范围；双多普勒雷达分析技术可以扩展多普勒测速范围；三维风场反演技术可以根据多视向多普勒速度反演得到三维网格化的风速均值。
42.如图7所示，根据本发明实施例的双频风雨云测量雷达。包括伺服控制器1、信号处理机和伺服转动机构2，所述伺服控制器1设置于飞机舱内，所述伺服转动机构2贯穿设置于飞机舱，且位于所述飞机舱外的伺服转动机构2上设置有天馈天线3以及与所述天馈天线3相配合的微波收发信道模块4和射频前去放大器5；所述信号处理机包括信号采集器6和信号处理单元7，所述信号采集器6设置于位于所述飞机舱外的伺服转动机构2上；所述信号处理单元7设置于所述飞机舱内；所述伺服控制器1与所述伺服转动机构2控制连接，所述天馈天线3与所述射频前去放大器5、所述微波收发信道模块4和所述信号采集器6通信连接，所述信号处理单元7与所述天馈天线3以及外部数据处理分系统通信连接。
43.综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过利用云、降水粒子对电磁波的后向散射、多普勒效应和双偏振特性，监测天气目标，通过微波扫描反演技术，得到沿航线的垂直风廓线。进而实现对自然灾害重点区域、重要现象和过程进行连续、机动遥感观测。实现对云雨高精度探测，更好的认识降水的形成和演变过程；实现对人工影响天气原理、作业时机选择与效果检验；应急危险天气监测，可广泛应用于应急管理、交通运输、军事保障、气象保障、海洋管理等领域。
44.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。