一種x波段雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于天氣雷達(dá)的技術(shù)領(lǐng)域。具體地說，本發(fā)明涉及一種X波段雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]1、X波段固態(tài)雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)，是天氣雷達(dá)未來發(fā)展的一個(gè)方向中。目前，該雷達(dá)體制在信號(hào)鏈路機(jī)構(gòu)、雙通道標(biāo)定和參量探測(cè)的實(shí)時(shí)性均存在不足之處，因而所獲取的探測(cè)資料難以得到充分有效的利用。其缺點(diǎn)如下:
[0003](1)、信號(hào)系統(tǒng)鏈路機(jī)構(gòu)復(fù)雜；
[0004](2)、接收、發(fā)射雙通道和極化饋線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)校不完善；
[0005](3)、雙偏振參量(LDR)探測(cè)時(shí)效性差。
[0006]2、現(xiàn)有信號(hào)處理中采用的專用DSP信號(hào)處理技術(shù)，給系統(tǒng)升級(jí)維護(hù)帶來不便。
[0007]3、在現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，天線反射面裸露在外，沒有保護(hù)罩，易受污染，迎面抗風(fēng)性能比較低。
[0008]4、沒有現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像采集功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供一種X波段雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)，其目的是簡(jiǎn)化設(shè)備、提高系統(tǒng)信號(hào)處理能力和探測(cè)性能、增強(qiáng)系統(tǒng)探測(cè)的時(shí)效性以及提高系統(tǒng)的可靠性。
[0010]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0011]雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)包括外機(jī)和內(nèi)機(jī)兩個(gè)部分，所述的外機(jī)部分包括天線伺服分系統(tǒng)、發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、監(jiān)控標(biāo)校分系統(tǒng)、配電系統(tǒng)；所述的內(nèi)機(jī)部分包括信號(hào)處理器、用戶分系統(tǒng)。
[0012]所述的雷達(dá)系統(tǒng)信號(hào)鏈路采用雙載頻信號(hào)設(shè)計(jì)。
[0013]所述的信號(hào)處理器采用基于GPU信號(hào)處理技術(shù)的處理單元。
[0014]所述的監(jiān)控標(biāo)校分系統(tǒng)為雙通道全路徑收發(fā)標(biāo)校技術(shù)的分系統(tǒng)。
[0015]所述的天線伺服分系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)拋物面天線，并設(shè)有拋物面保護(hù)罩。
[0016]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下效果:
[0017]1、采用獨(dú)創(chuàng)的信號(hào)鏈路機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了現(xiàn)有技術(shù)中的雙偏振多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜的饋電和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，減小了設(shè)備量，提高了系統(tǒng)的可靠性。
[0018]2、采用多通道信號(hào)處理的方式，實(shí)現(xiàn)雙線多普勒天氣雷達(dá)所有參量的快速同步測(cè)量，提高了探測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性。
[0019]3、首次基于GPU信號(hào)處理技術(shù)，極大地提高了雙線偏振雷達(dá)的信號(hào)處理能力，更好地滿足雙線偏振雷達(dá)的所有參量的實(shí)時(shí)測(cè)量和多畫面同步顯示，并為氣象目標(biāo)的3D復(fù)原顯示提供了可能性。
[0020]4、獨(dú)特的雙通道全路徑收發(fā)標(biāo)校技術(shù)，極犬地減小了雷達(dá)系統(tǒng)的雙通道收發(fā)系統(tǒng)誤差，為提高探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量提供了有效保證。
[0021]5、在結(jié)構(gòu)方面，采用拋物面保護(hù)罩設(shè)計(jì)，不僅提高了雷達(dá)的抗風(fēng)能力，還減少了反射面的污染，對(duì)饋線網(wǎng)絡(luò)起到了保護(hù)作用。
[0022]6、首次在氣象雷達(dá)中，采用視頻圖像采集裝置，可實(shí)時(shí)錄取現(xiàn)場(chǎng)天氣景象和場(chǎng)景特征，為天氣預(yù)報(bào)和研究提供具有真實(shí)場(chǎng)景參考的歷史依據(jù)。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖
[0024]圖2為圖1所示結(jié)構(gòu)的側(cè)面示意圖；
[0025]圖3為本發(fā)明的遠(yuǎn)程多用戶終端組成示意圖；
[0026]圖4本發(fā)明的系統(tǒng)框圖；
[0027]圖5為典型的雙發(fā)雙收雷達(dá)系統(tǒng)框圖；
[0028]圖6為GPU中的更多晶體管用于數(shù)據(jù)處理的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]一、概述:
[0030]如圖1、圖2所示的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，一種X波段雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)，由外機(jī)。本發(fā)明在多載頻信號(hào)鏈路機(jī)構(gòu)、四通道信號(hào)處理技術(shù)、基于GPU信號(hào)處理技術(shù)、雙通道全路徑收發(fā)標(biāo)校技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像采集技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)中取得突出進(jìn)步。
[0031]為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題并克服其缺陷，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化設(shè)備、提高系統(tǒng)的可靠性、提高探測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性以及提高信號(hào)的處理能力的發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0032]如圖3所示，在該雙線偏振多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)中，其外機(jī)部分由天線伺服分系統(tǒng)、發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、監(jiān)控標(biāo)校分系統(tǒng)、配電系統(tǒng)等組成；其內(nèi)機(jī)部分由信號(hào)處理器、用戶分系統(tǒng)等組成。
[0033]圖5為典型的雙發(fā)雙收雙偏振雷達(dá)系統(tǒng)組成框圖，該系統(tǒng)中水平和垂直極化是同一種信號(hào)，通過使用大功率組合開關(guān)雙極化測(cè)量和退極化測(cè)量，具體過程為:在終端控制下，在實(shí)現(xiàn)雙極化探測(cè)時(shí)，由執(zhí)行電機(jī)控制使得大功率組合開關(guān)具備功分器功能，實(shí)現(xiàn)Zdr、Kdp等探測(cè)。在探測(cè)LDR時(shí)，由執(zhí)行電機(jī)控制使得大功率組合開關(guān)具備單向開關(guān)功能，即只發(fā)射水平極化信號(hào)，接收水平和垂直極化回波，從而得到LDR。
[0034]上述可見，由于系統(tǒng)包含了執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)的存在，無論在體積和可靠性等方面都受到限制。
[0035]而本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
[0036]1、采用雙線偏振雷達(dá)信號(hào)鏈路機(jī)構(gòu):
[0037]本雷達(dá)采用雙信號(hào)鏈路設(shè)訃，即波形激勵(lì)為兩個(gè)信號(hào)源，發(fā)射機(jī)為兩個(gè)(Η/V)相互獨(dú)立通道，這樣系統(tǒng)可以通過選頻方式直接處理水平通道和垂直通道的回波信號(hào)，兩個(gè)通道誤差采用本方案的標(biāo)校方式進(jìn)行校準(zhǔn)，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。
[0038]本發(fā)明采用獨(dú)創(chuàng)的信號(hào)鏈路機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了現(xiàn)有技術(shù)中的雙偏振多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜的饋電和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，減小了設(shè)備量，提高了系統(tǒng)的可靠性；采用多通道信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)了雙線多普勒天氣雷達(dá)所有參量的同時(shí)測(cè)量，提高了探測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性。首次基于GPU信號(hào)處理技術(shù)，極大地提高了雙線偏振雷達(dá)的信號(hào)處理能力，很好地滿足了雙線偏振雷達(dá)的所有參量的實(shí)時(shí)測(cè)量，并為氣象目標(biāo)的3D及復(fù)原顯示提供了可能性。
[0039]2、采用多通道信號(hào)處理技術(shù):
[0040]從本發(fā)明框圖4中可見，在接收機(jī)Η中，除了有自身通道回波外，還有V通道的退極化回波，同樣的在接收機(jī)V中，除了有自身通道回波外，還有Η通道的退極化回波。由于本發(fā)明采用雙頻體制，因此采用多(四)通道數(shù)字中頻接收機(jī)可直接提取四路回波信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)Zdr、Kdp、LDR等雙偏振所有參數(shù)實(shí)時(shí)探測(cè)，而現(xiàn)有的雙偏振雷達(dá)則不能。
[0041]二、所述的信號(hào)處理器采用基于GPU信號(hào)處理技術(shù)。
[0042]由于本發(fā)明系統(tǒng)采用開放式信號(hào)處理技術(shù)，即由數(shù)字中頻接收機(jī)進(jìn)行預(yù)處理，通過光纖把四通道數(shù)據(jù)信號(hào)傳送到內(nèi)機(jī)電腦終端，由終端電腦直接進(jìn)行雙偏振信號(hào)的處理，因此對(duì)終端電腦提出了更高的要求。基于目前主流處理器芯片為多核CPU和多核GPU，同時(shí)雙偏振多普勒天氣雷達(dá)迫切需要實(shí)時(shí)、高清晰度的3D圖形，可編程的GPU已成為一種高度并行化、多線程、多核的處理器的首選，其具有杰出的計(jì)算功率和極高的存儲(chǔ)器帶寬，原因就在于GPU專為計(jì)算密集型、高度并行化的計(jì)算而設(shè)計(jì)，因而，GPU的設(shè)計(jì)能使更多晶體管用于數(shù)據(jù)處理，而非數(shù)據(jù)緩存和流控制。
[0043]如圖6所示:
[0044]更具體地說，GPU專用于解決可表示為數(shù)據(jù)并行計(jì)算的問題一一在許多數(shù)據(jù)元素上并行執(zhí)行的程序，具有極高的計(jì)算密度(數(shù)學(xué)運(yùn)算與存儲(chǔ)器運(yùn)算的比率)。由于所有數(shù)據(jù)元素都執(zhí)行相同的程序，因此對(duì)精密流控制的要求不高；由于在許多數(shù)據(jù)元素上運(yùn)行，且具有較高的計(jì)算密度，因而可通過計(jì)算隱藏存儲(chǔ)器訪問延遲，而不必使用較大的數(shù)據(jù)緩存。
[0045]數(shù)據(jù)并行處理會(huì)將數(shù)據(jù)元素映射到并行處理線程。許多處理大型數(shù)據(jù)集的應(yīng)用程序都可使用數(shù)據(jù)并行編程模型來加速計(jì)算。在3D渲染中，大量的像素和頂點(diǎn)集將映射到并行線程。類似地，圖像和媒體護(hù)理應(yīng)用程序(如渲染圖像的后期處理、視頻編碼和解碼、圖像縮放、立體視覺和模式識(shí)別等)可將圖像塊和像素映射到并行處理線程。實(shí)際上，在圖像渲染和處理領(lǐng)域之外的許多算法也都是通過數(shù)據(jù)并行處理加速的一一從普通信號(hào)處理或物理仿真一直到數(shù)理金融或數(shù)理生物學(xué)。
[0046]在程序設(shè)計(jì)方面，CUDA編程模型非常適合公開GPU的并行功能。最新一代的NVIDIAGPU基于Tesla架構(gòu)(在附錄A中可以查看所有支持CUDA的GPU列表)，支持CUDA編程模型，可顯著加速CUDA應(yīng)用程序。
[0047]三、所述的監(jiān)控標(biāo)校分系統(tǒng)為雙通道全路徑收發(fā)標(biāo)校技術(shù)的分系統(tǒng)。
[0048]本發(fā)明采用獨(dú)創(chuàng)的標(biāo)校方式，即通過天線饋源作為標(biāo)定點(diǎn)，使得發(fā)射信號(hào)通路和接收通道全面檢測(cè)和標(biāo)校，而現(xiàn)有的雷達(dá)沒有對(duì)饋源和發(fā)射通道進(jìn)行標(biāo)校。
[0049]獨(dú)特的雙通道全路徑收發(fā)標(biāo)校技術(shù)，極大地減小了雷達(dá)系統(tǒng)的雙通道收發(fā)系統(tǒng)誤差，為提高探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量提供了有效保證。
[0050]四、所述的監(jiān)控標(biāo)校分系統(tǒng)用于:
[0051]1)、接收APC0I分系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；
[0052]2)、接收TX02分系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；
[0053]3)、接收RX03分系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；
[0054]