一種雙極化雷達(dá)任意極化波的在線標(biāo)定方法
【專利摘要】本發(fā)明設(shè)及一種雙極化雷達(dá)的任意極化波在線標(biāo)定方法，極化標(biāo)定通道由數(shù)字標(biāo)定單元、數(shù)字模擬變換器、變頻器、標(biāo)定喇叭，主饋源喇叭和接收通道組成。數(shù)字標(biāo)定單元本質(zhì)上是一個(gè)任意波形發(fā)生器，可以產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)波正弦信號(hào)、噪聲信號(hào)、任意數(shù)字波形和發(fā)射信號(hào)副本的延遲。極化雷達(dá)工作在標(biāo)定模式時(shí)，從發(fā)射機(jī)的輸出端耦合出少量信號(hào)作為對(duì)發(fā)射信號(hào)的副本。該信號(hào)經(jīng)下變頻、濾波和ADC變換等操作后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，作為數(shù)字化發(fā)射取樣信號(hào)輸入到數(shù)字標(biāo)定單元中。在數(shù)字域?qū)υ撔盘?hào)進(jìn)行幅度、相位、頻譜、延時(shí)等變換處理后，再轉(zhuǎn)換到模擬信號(hào)，通過(guò)上變頻到射頻信號(hào)通過(guò)標(biāo)定喇叭向主饋源喇叭輻射。
【專利說(shuō)明】
一種雙極化雷達(dá)任意極化波的在線標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明應(yīng)用于雙極化天氣雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，使用該方法能夠?qū)崟r(shí)標(biāo)定任意極化波的 狀態(tài)與特性，進(jìn)而提高極化雷達(dá)測(cè)量的精度。
【背景技術(shù)】
[0002] 極化雷達(dá)的主要應(yīng)用是目標(biāo)識(shí)別，其技術(shù)基礎(chǔ)是雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的極化特性測(cè)量，包 括對(duì)目標(biāo)極化散射矩陣、電磁波極化參數(shù)的分析和測(cè)量。隨著雙極化雷達(dá)在氣象探測(cè)和氣 象粒子識(shí)別方面的成功應(yīng)用，雙極化雷達(dá)在氣象粒子(冰雹、霾等)檢測(cè)和人工影響天氣領(lǐng) 域獲得了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用前景。
[0003] 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究和生產(chǎn)機(jī)構(gòu)相繼開展了極化雷達(dá)技術(shù)的深入研究，特別是極 化波產(chǎn)生、測(cè)量和標(biāo)定等技術(shù)。最早報(bào)道極化散射矩陣測(cè)量的雷達(dá)是德國(guó)生產(chǎn)的DCR雷達(dá) (1985年）。該雷達(dá)通過(guò)四個(gè)可變移相器和兩個(gè)3dB電橋?qū)崿F(xiàn)任意極化產(chǎn)生和任意正交極化 同時(shí)發(fā)射的功能。通過(guò)靈活的極化控制，可實(shí)現(xiàn)極化散射矩陣的全部參數(shù)測(cè)量，以及可用于 分析Stockes矢量和Muller矩陣元素的測(cè)量，是迄今為止功能最為完善、最復(fù)雜的極化雷 達(dá)，但該雷達(dá)不包含極化標(biāo)定單元。
[0004] 美國(guó)WSR88D多普勒天氣雷達(dá)網(wǎng)建成于1988年，已于2011年全面升級(jí)為雙極化雷 達(dá)。該雷達(dá)由Baron公司實(shí)施升級(jí)改造，采用單發(fā)雙收、或雙發(fā)雙收體制，極化產(chǎn)生方式靈 活，并且雷達(dá)的標(biāo)定功能可由用戶自行設(shè)定。在WSR88D雷達(dá)的升級(jí)改造方案中含兩個(gè)極化 網(wǎng)絡(luò)，即，極化信號(hào)的產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)和極化信號(hào)的標(biāo)定網(wǎng)絡(luò)。雷達(dá)發(fā)射時(shí)，通過(guò)大功率可變移相 器和3dB電橋?qū)崿F(xiàn)任意線極化波的產(chǎn)生，然后通過(guò)兩根波導(dǎo)將微波信號(hào)傳輸?shù)秸荒ｑ詈?器，實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)的極化產(chǎn)生。極化信號(hào)標(biāo)定網(wǎng)絡(luò)用于對(duì)雷達(dá)極化性能的測(cè)試和標(biāo)定。
[0005] 近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)幾家雷達(dá)研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)單位相繼開展了雙極化天氣雷達(dá)的研究 和試生產(chǎn)。但目前國(guó)內(nèi)研制的雙極化天氣雷達(dá)普遍存在極化測(cè)量精度差的問(wèn)題，導(dǎo)致了氣 象粒子形態(tài)的誤判，影響了雙極化天氣雷達(dá)在國(guó)內(nèi)的推廣和應(yīng)用。造成極化測(cè)量的誤差主 要有兩個(gè)原因，一是發(fā)射的極化波的極化純度不夠。國(guó)內(nèi)普遍采用鐵氧體器件調(diào)解射頻極 化波的相位和幅度，該技術(shù)難以確保極化波的極化特征，且易受溫度、環(huán)境等因素影響。二 是雷達(dá)系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性不夠，兩通道的一致性不足。雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率、接收機(jī)的增益和噪 聲電平會(huì)隨時(shí)間隨機(jī)變化和緩慢起伏。
[0006] 為了降低雷達(dá)的測(cè)量誤差，雙極化天氣雷達(dá)在正常工作前需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定， 因此，雷達(dá)標(biāo)定技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。普通雷達(dá)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在線標(biāo)定方法已日趨成熟，但雙 極化雷達(dá)的在線標(biāo)定技術(shù)目前仍處于理論探索和工程實(shí)驗(yàn)階段。
[0007]雷達(dá)設(shè)計(jì)中，在雷達(dá)發(fā)射和接收前端專門設(shè)計(jì)了一個(gè)雷達(dá)標(biāo)定單元。雷達(dá)標(biāo)定單 元是雷達(dá)的機(jī)內(nèi)測(cè)試系統(tǒng)，它的作用是產(chǎn)生雷達(dá)標(biāo)定信號(hào)。在不借助外部?jī)x表的情況下，對(duì) 雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行在線檢驗(yàn)和測(cè)試。雷達(dá)需要標(biāo)定的主要參數(shù)包括:接收機(jī)的噪聲系 數(shù)、接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍和線性度、改善因子、發(fā)射機(jī)的功率等。測(cè)量改善因子時(shí)，需要將發(fā)射機(jī) 的脈沖副本(從發(fā)射機(jī)耦合出少量信號(hào)）注入到接收機(jī)前端，對(duì)雷達(dá)整機(jī)改善因子進(jìn)行測(cè) 試。雷達(dá)通過(guò)標(biāo)定，對(duì)多普勒測(cè)量精度和速度譜寬進(jìn)行評(píng)估和測(cè)量。另外，對(duì)雙極化的雙接 收機(jī)體制的雷達(dá)中，需要對(duì)兩接收通道的幅相一致性進(jìn)行標(biāo)定。
[0008]要實(shí)現(xiàn)上述標(biāo)定測(cè)試，需要在雷達(dá)中設(shè)計(jì)輔助標(biāo)定電路和相應(yīng)的信號(hào)處理算法， 這些輔助標(biāo)定電路和算法構(gòu)成了雷達(dá)標(biāo)定單元。傳統(tǒng)的標(biāo)定單元由模擬器件組成，包括噪 聲源、連續(xù)波產(chǎn)生器、射頻延遲線和衰減器等，其中，延遲線可用超聲延遲線或光纖延遲線 組成。由模擬器件組成的這些單元只能實(shí)現(xiàn)上述部分參數(shù)的測(cè)試，例如，美國(guó)WSR88D雷達(dá)中 的標(biāo)定單元只能在線測(cè)試接收機(jī)噪聲系數(shù)、動(dòng)態(tài)范圍、線性度、極限改善因子、多普勒測(cè)量 等。WSR88D雷達(dá)標(biāo)定單元在雷達(dá)中的用法如圖1所示。
[0009] WSR88D雷達(dá)標(biāo)定單元的標(biāo)定信號(hào)通過(guò)定向親合器經(jīng)TR開關(guān)親合進(jìn)接收機(jī)前端，實(shí) 現(xiàn)對(duì)標(biāo)定信號(hào)的注入。通過(guò)對(duì)噪聲源的開啟與閉合，對(duì)接收機(jī)的噪聲系數(shù)進(jìn)行測(cè)試。連續(xù)波 源產(chǎn)生連續(xù)波正弦信號(hào)，通過(guò)衰減器控制對(duì)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍和線性度進(jìn)行在線測(cè)試。射 頻延遲線用來(lái)對(duì)發(fā)射機(jī)耦合出來(lái)的副本信號(hào)進(jìn)行延遲，然后被注入到接收機(jī)中，通過(guò)開啟 或關(guān)閉信號(hào)處理器的多普勒濾波器來(lái)對(duì)雷達(dá)極限改善因子進(jìn)行在線測(cè)試和評(píng)估。
[00?0] WSR88D雷達(dá)標(biāo)定單元為模擬標(biāo)定單元，而模擬標(biāo)定單元普遍存在一些缺點(diǎn)。第一， 模擬系統(tǒng)易受環(huán)境溫度變化的影響，其衰減量不能精確控制，特別是衰減步長(zhǎng)小于ldB時(shí)， 誤差更大。第二，射頻延遲線只能對(duì)信號(hào)進(jìn)行固定延遲，不能對(duì)信號(hào)進(jìn)行任意時(shí)間的延遲， 因而無(wú)法檢驗(yàn)信號(hào)處理器對(duì)多次回波的去模糊功能進(jìn)行檢驗(yàn)。第三，傳統(tǒng)的模擬標(biāo)定單元 不能對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，如增加多普勒頻移，按距離對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行衰減。第四，傳統(tǒng)的 模擬標(biāo)定單元不能對(duì)信號(hào)噪聲比進(jìn)行控制。第五，傳統(tǒng)的標(biāo)定信號(hào)通過(guò)定向耦合器注入到 接收機(jī)中，只能對(duì)接收機(jī)的變化進(jìn)行測(cè)量，不能測(cè)試包括饋源、饋線在內(nèi)的通道誤差。
[0011]雷達(dá)在工作前需要對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。雷達(dá)標(biāo)定通常使用不同的標(biāo) 定信號(hào)對(duì)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)等各種參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。而雙極化天氣雷達(dá)標(biāo)定比普通雷達(dá)標(biāo)定更 為復(fù)雜，除了使用常規(guī)的標(biāo)定信號(hào)外，雙極化天氣雷達(dá)往往發(fā)射不同極化標(biāo)定信號(hào)，以檢測(cè) 雷達(dá)系統(tǒng)的極化性能。這些標(biāo)定信號(hào)不僅用于檢測(cè)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的時(shí)間、頻譜、功率、極化 性能等參數(shù)，而且用來(lái)檢測(cè)和標(biāo)定接收機(jī)性能，如動(dòng)態(tài)范圍、雜波抑制、改善因子、噪聲特 征、兩通道的一致性等。
[0012]目前，國(guó)內(nèi)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在線標(biāo)定方法已日趨成熟，但極化雷達(dá)的極化波標(biāo)定 目前仍處于探索和工程實(shí)驗(yàn)階段。為此，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種對(duì)任意極化波標(biāo)定的方法，可實(shí) 現(xiàn)發(fā)射、接收系統(tǒng)的自標(biāo)定功能。該發(fā)明用于雙極化天氣雷達(dá)中，能夠提高雷達(dá)的探測(cè)能 力，準(zhǔn)確地識(shí)別各類氣象粒子和探測(cè)預(yù)報(bào)天氣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0014]本發(fā)明的目的是為了改善和檢測(cè)雙極化雷達(dá)系統(tǒng)的性能，設(shè)計(jì)了一種在線標(biāo)定雙 極化雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)和極化性能的一種方法。通過(guò)數(shù)字標(biāo)定單元輸出各種標(biāo)定信號(hào)對(duì)雷達(dá)系 統(tǒng)進(jìn)行在線標(biāo)定，檢測(cè)雷達(dá)的系統(tǒng)參數(shù)和工作狀態(tài)，并預(yù)設(shè)雷達(dá)正常探測(cè)前的工作參數(shù)。 [00 15]技術(shù)方案
[0016] -種雙極化雷達(dá)的任意極化波在線標(biāo)定方法，其特征在于步驟如下：
[0017]步驟1:雷達(dá)在標(biāo)定模式下工作，通過(guò)耦合器在發(fā)射機(jī)輸出端耦合出與發(fā)射信號(hào)頻 譜和相位特征相同的副本信號(hào)；
[0018] 步驟2:將副本信號(hào)與本振信號(hào)混頻后得到中頻信號(hào)，中頻信號(hào)經(jīng)ADC進(jìn)行數(shù)字采 樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；
[0019] 步驟3:數(shù)字信號(hào)經(jīng)DDC數(shù)字下變頻后為基帶信號(hào)，基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)復(fù)數(shù)解調(diào)處理后， 形成發(fā)射信號(hào)副本I/Q信號(hào)；
[0020] 步驟4:將發(fā)射信號(hào)副本I/Q信號(hào)輸入到數(shù)字標(biāo)定信號(hào)處理器中，對(duì)發(fā)射信號(hào)副本 I/Q信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和延遲;將延遲信號(hào)與數(shù)字標(biāo)定信號(hào)處理器本身產(chǎn)生的多種標(biāo)定信號(hào)根 據(jù)待檢測(cè)性能參數(shù)進(jìn)行選擇輸出；其中所述的多種標(biāo)定信號(hào)，包括標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)、白噪聲 信號(hào)、頻譜信號(hào)和任意數(shù)字波形信號(hào)；
[0021] 步驟5:數(shù)字標(biāo)定信號(hào)處理器的輸出信號(hào)，經(jīng)正交變換、加法器和DAC變?yōu)槟M信 號(hào)，再經(jīng)過(guò)上變頻后進(jìn)入魔T分成兩路信號(hào)，分別輸入微波極化控制器調(diào)整信號(hào)的幅度和相 位，產(chǎn)生所需的兩路H、V極化標(biāo)定信號(hào);所述的微波極化控制器包括移相器、電橋和電子開 關(guān)；
[0022]步驟6: H、V極化標(biāo)定信號(hào)經(jīng)過(guò)0ΜΤ合成一路任意極化特征的標(biāo)定極化波，進(jìn)入安裝 在天線頂部的標(biāo)定喇叭，向主饋源喇叭輻射；
[0023] 步驟7:主饋源喇叭接收的標(biāo)定信號(hào)再經(jīng)0ΜΤ、波導(dǎo)和環(huán)行器進(jìn)入兩路雷達(dá)接收機(jī)， 最后被輸入到雷達(dá)信號(hào)處理器，并在終端器上顯示，以檢測(cè)雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的性能參 數(shù)，完成整個(gè)極化信號(hào)在線標(biāo)定過(guò)程。
[0024] 步驟4中采用的延遲方法:采用改變存儲(chǔ)長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)任意長(zhǎng)度的數(shù)字延時(shí)控制，延 時(shí)的時(shí)長(zhǎng)取決于存儲(chǔ)器容量。
[0025]有益效果
[0026] 本發(fā)明提出的一種雙極化雷達(dá)的任意極化波在線標(biāo)定方法，與現(xiàn)有的機(jī)內(nèi)標(biāo)定方 法的主要區(qū)別在于：用數(shù)字標(biāo)定單元取代模擬標(biāo)定單元產(chǎn)生標(biāo)定信號(hào)，并設(shè)計(jì)了輔助標(biāo)定 喇叭，通過(guò)輔助標(biāo)定喇叭將標(biāo)定信號(hào)向天線的主饋源輻射。同時(shí)，利用雷達(dá)系統(tǒng)自身的接收 功能和極化處理功能對(duì)兩路雷達(dá)極化通道的一致性進(jìn)行在線測(cè)量和標(biāo)定。
[0027] 本發(fā)明是雷達(dá)機(jī)內(nèi)標(biāo)定的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，可以取代已有的模擬標(biāo)定單元。除了可以 實(shí)現(xiàn)模擬標(biāo)定單元的全部功能外，還可以實(shí)現(xiàn)模擬標(biāo)定單元不能實(shí)現(xiàn)的功能，這些功能包 括:產(chǎn)生任意波形信號(hào)、高斯頻譜信號(hào)、任意極化信號(hào)，調(diào)制發(fā)射信號(hào)副本。本發(fā)明可以直接 應(yīng)用到雙極化天氣雷達(dá)中，改善雷達(dá)極化波的控制、極化信號(hào)的處理和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)，進(jìn)而 提高雷達(dá)的探測(cè)能力，準(zhǔn)確地識(shí)別各類氣象粒子和探測(cè)預(yù)報(bào)天氣。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 圖1 WSR88D雷達(dá)的標(biāo)定單元原理圖
[0029]圖2本發(fā)明的極化控制器原理圖
[0030]圖3雷達(dá)數(shù)字標(biāo)定的應(yīng)用框圖
[0031]圖4本發(fā)明極化雷達(dá)發(fā)射和接收系統(tǒng)的自標(biāo)定原理圖
【具體實(shí)施方式】
[0032]現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
[0033] 1.極化控制
[0034] 雙極化雷達(dá)的在線標(biāo)定技術(shù)要求能產(chǎn)生出各種所需的極化標(biāo)定信號(hào)，即對(duì)正交的 兩路極化信號(hào)進(jìn)行幅度和相位連續(xù)可調(diào)，合成出任意極化波。為此，先介紹本發(fā)明采用的極 化波控制方法。
[0035]如圖2所示，由雷達(dá)發(fā)射機(jī)或信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的發(fā)射信號(hào)經(jīng)魔T(MT)分成兩路，魔T 的上臂串接一個(gè)移相控制器Θ，兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)3dB電橋合成。另一個(gè)3dB電橋的一個(gè)臂上串接 另一個(gè)移相控制器Φ，當(dāng)移相器的相位Θ和Φ連續(xù)可調(diào)時(shí)，在輸出端Η和V可形成水平和垂直 極化的信號(hào)，經(jīng)正交耦合器0ΜΤ后形成橢圓極化波，其中Η表示為水平方向極化，V表示為垂 直方向極化。調(diào)整移相器Θ和Φ的大小可控制橢圓的傾角和長(zhǎng)短軸的比例，形成任意極化狀 態(tài)的極化波。
[0036]為了輸出多種模式的極化波，在魔Τ的上臂再串接由一個(gè)波導(dǎo)開關(guān)控制的90°移相 器。當(dāng)波導(dǎo)開關(guān)選擇〇°移相時(shí)，可產(chǎn)生等幅同相的水平通道Η極化信號(hào)和垂直通道V極化信 號(hào)，兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)正交模耦合器0ΜΤ形成同時(shí)水平或同時(shí)垂直極化的發(fā)射信號(hào)。當(dāng)波導(dǎo)開關(guān) 選擇90°移相時(shí)，可使發(fā)射信號(hào)的功率進(jìn)入Η通道，從而形成水平極化的發(fā)射信號(hào)。這樣通過(guò) 調(diào)整極化網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)移相器和控制串接電子開關(guān)的90°移相器即可完成多種模式的極化波 控制。
[0037] 2.雷達(dá)的數(shù)字標(biāo)定方法
[0038] 數(shù)字標(biāo)定單元本質(zhì)上是雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)任意波形的信號(hào)發(fā)生器，可以根據(jù)檢 測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)的需要產(chǎn)生各種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)、任意波形和頻譜的信號(hào)，如連續(xù)波正弦信號(hào)、噪 聲信號(hào)、任意數(shù)字波形信號(hào)等，也可以產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)的延遲和調(diào)制信號(hào)。本發(fā)明的數(shù)字標(biāo)定 單元產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)、噪聲信號(hào)等，與調(diào)制后的數(shù)字發(fā)射信號(hào)構(gòu)成了標(biāo)定信號(hào)組，通過(guò) 選擇開關(guān)進(jìn)行輸出選擇。
[0039] 數(shù)字標(biāo)定單元是模擬標(biāo)定單元的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，不僅可實(shí)現(xiàn)模擬標(biāo)定單元的全部功 能，還可以實(shí)現(xiàn)模擬標(biāo)定單元不能實(shí)現(xiàn)的功能，其全部功能是用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)的，如產(chǎn)生任 意波形信號(hào)、高斯頻譜信號(hào)和任意極化信號(hào)等。如前文所述，模擬標(biāo)定單元存在一些不足， 本發(fā)明采用數(shù)字標(biāo)定單元。相比于模擬標(biāo)定單元，數(shù)字標(biāo)定單元具有下列特點(diǎn)：
[0040] (1)用幅度控制和固定衰減器實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的精確衰減步長(zhǎng)控制，替代模擬衰減器；
[0041] (2)靈活的產(chǎn)生多種標(biāo)定信號(hào)。例如，可以產(chǎn)生正弦連續(xù)波標(biāo)定信號(hào)，并附加多普 勒頻移；可以產(chǎn)生脈沖標(biāo)定信號(hào)，對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行距離延遲控制、移相控制和實(shí)現(xiàn)相位編 碼;可以產(chǎn)生高斯頻譜的回波信號(hào)，對(duì)信號(hào)處理的譜寬估計(jì)算法進(jìn)行測(cè)試;可以產(chǎn)生任意延 遲的發(fā)射脈沖副本，模擬多次回波，并對(duì)距離去模糊功能進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)對(duì)發(fā)射脈沖的副本 在數(shù)字域進(jìn)行調(diào)制；
[0042 ] (3)對(duì)標(biāo)定信號(hào)的信噪比進(jìn)行控制。
[0043]雷達(dá)的數(shù)字標(biāo)定單元的組成以及在雷達(dá)中的用法如圖3所示。從發(fā)射機(jī)中耦合出 少量發(fā)射信號(hào)(該信號(hào)可以從環(huán)形器和天線之間的任意位置耦合），經(jīng)過(guò)下變頻、濾波、ADC、 復(fù)數(shù)調(diào)制等處理后形成I/Q基帶信號(hào)，輸入標(biāo)定信號(hào)處理器中作為發(fā)射參考信號(hào)。標(biāo)定信號(hào) 中高斯白噪聲、連續(xù)波信號(hào)、脈沖標(biāo)定信號(hào)、以及射頻延遲信號(hào)均由數(shù)字電路產(chǎn)生，各種標(biāo) 定信號(hào)經(jīng)過(guò)DAC轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后，通過(guò)上變頻器將標(biāo)定信號(hào)變頻到射頻階段，經(jīng)過(guò)TR開關(guān) 注入到接收機(jī)前端。這些標(biāo)定信號(hào)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。
[0044] 3.極化雷達(dá)在線標(biāo)定方法
[0045] 為了實(shí)現(xiàn)極化雷達(dá)系統(tǒng)的在線標(biāo)定，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種極化雷達(dá)在線標(biāo)定的方 法。它由數(shù)字標(biāo)定單元、數(shù)字模擬變換器(DAC)、變頻器、任意極化控制器、雙極化輻射標(biāo)定 喇叭、主饋源喇叭、兩個(gè)接收通道和信號(hào)處理器組成。本發(fā)明的特點(diǎn)是用數(shù)字標(biāo)定單元取代 模擬標(biāo)定單元，通過(guò)雙極化標(biāo)定喇叭輻射的方式注入標(biāo)定信號(hào)，替代了從接收機(jī)前端通過(guò) 定向耦合器注入標(biāo)定信號(hào)。
[0046] 該發(fā)明的具體實(shí)施例如下：在雙極化雷達(dá)增加標(biāo)定信號(hào)通道，標(biāo)定信號(hào)通道由雙 極化輻射標(biāo)定喇叭、波導(dǎo)、正交模耦合器0ΜΤ、極化控制器、魔T、變頻器、濾波器、數(shù)字標(biāo)定單 元等組成。以X波段的雙極化天氣雷達(dá)為例，天線系統(tǒng)使用圓波紋喇叭作為饋源，使用標(biāo)準(zhǔn) 圓拋物面作為反射面。在雷達(dá)反射面中心開孔，安裝波導(dǎo)和標(biāo)定喇叭，標(biāo)定喇叭后接0ΜΤ。標(biāo) 定喇叭與饋源喇叭共中心軸線，且標(biāo)定喇叭口徑略小于饋源喇叭，以免標(biāo)定喇叭的遮擋影 響天線反射面的增益。為了實(shí)現(xiàn)在線標(biāo)定，在雷達(dá)發(fā)射輸出端設(shè)計(jì)一個(gè)波導(dǎo)開關(guān)。雷達(dá)處于 正常工作模式時(shí)，波導(dǎo)開關(guān)聯(lián)通位置"2"。發(fā)射信號(hào)通過(guò)魔T進(jìn)入極化控制器，形成所需要的 水平Η和V極化波，再經(jīng)匯流環(huán)、波導(dǎo)和正交模耦合器0ΜΤ，經(jīng)饋源喇叭和天線反射面向空間 輻射出去。此時(shí)標(biāo)定喇叭處于關(guān)閉狀態(tài)。極化雷達(dá)在線標(biāo)定原理如圖4所示。
[0047] 當(dāng)雙極化雷達(dá)工作在標(biāo)定模式時(shí)，波導(dǎo)開關(guān)指向位置"1"，發(fā)射信號(hào)將在標(biāo)定通道 完成信號(hào)的控制、修正和標(biāo)定等處理。
[0048] 雙極化雷達(dá)處于標(biāo)定工作模式時(shí)，工作步驟如下：
[0049] 1)在發(fā)射機(jī)輸出端，通過(guò)耦合器耦合出與發(fā)射信號(hào)頻譜和相位特征相同的少量副 本信號(hào)；
[0050] 2)將副本信號(hào)與本振信號(hào)混頻后得到中頻信號(hào)，中頻信號(hào)經(jīng)ADC進(jìn)行數(shù)字采樣轉(zhuǎn) 化為數(shù)字信號(hào)；
[0051] 3)數(shù)字信號(hào)經(jīng)DDC數(shù)字下變頻后為基帶信號(hào)，基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)復(fù)數(shù)解調(diào)處理后，形成 發(fā)射信號(hào)副本I/Q信號(hào)，在I/Q信號(hào)上實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)的頻譜分析、相位分析和功率分析； [0052] 4)在數(shù)字標(biāo)定信號(hào)處理過(guò)程中，用數(shù)字方式產(chǎn)生多種標(biāo)定信號(hào)，包括延遲信號(hào)、標(biāo) 準(zhǔn)正弦波信號(hào)、白噪聲信號(hào)、頻譜信號(hào)、任意數(shù)字波形信號(hào)。通過(guò)數(shù)字方式處理標(biāo)定信號(hào)，如 對(duì)發(fā)射副本信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和延遲，以產(chǎn)生不同距離上的回波信號(hào)。副本信號(hào)使用存儲(chǔ)器實(shí) 現(xiàn)任意長(zhǎng)度的數(shù)字延時(shí)控制，延時(shí)的時(shí)長(zhǎng)取決于存儲(chǔ)器容量;發(fā)射副本信號(hào)進(jìn)行幅度控制， 測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍、改善因子參數(shù);對(duì)發(fā)射信號(hào)副本進(jìn)行數(shù)字移相，以產(chǎn)生多普勒頻 移，仿真移動(dòng)目標(biāo)產(chǎn)生的多普勒頻移，以檢測(cè)雷達(dá)的測(cè)速性能；用偽隨機(jī)噪聲產(chǎn)生白噪聲， 其超噪比通過(guò)數(shù)字幅度控制進(jìn)行調(diào)整，按照信噪比的要求在發(fā)射信號(hào)副本上按比例疊加噪 聲，以測(cè)量接收機(jī)噪聲系數(shù)和增益;使用標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)測(cè)量接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍和線性程 度;在產(chǎn)生仿真的任意波形信號(hào)中，按照指定的頻率、信噪比和頻譜寬度產(chǎn)生高斯型頻譜信 號(hào)，對(duì)天氣雷達(dá)譜寬算法進(jìn)行檢測(cè)能力和標(biāo)定；
[0053] 5)處理后的標(biāo)定信號(hào)，經(jīng)正交變換、加法器和DAC等處理變?yōu)槟M信號(hào)。再經(jīng)過(guò)上 變頻、濾波后進(jìn)入魔Τ分成兩路信號(hào)，分別輸入移相器、電橋、電子開關(guān)等組成的微波極化控 制器，調(diào)整信號(hào)的幅度和相位，產(chǎn)生所需的兩路H、V極化標(biāo)定信號(hào)；
[0054] 6)H、V極化標(biāo)定信號(hào)經(jīng)過(guò)0ΜΤ合成一路任意極化特征的標(biāo)定極化波，進(jìn)入安裝在天 線頂部的標(biāo)定喇叭，向主饋源輻射；
[0055] 7)主饋源喇叭天線接收標(biāo)定信號(hào)，經(jīng)波導(dǎo)、0ΜΤ、環(huán)行器后，被輸入雷達(dá)Η和V接收通 道。兩路接收信號(hào)被輸入到雷達(dá)信號(hào)處理器，并在終端顯示，以檢測(cè)雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的 性能參數(shù)，完成整個(gè)極化信號(hào)在線標(biāo)定過(guò)程。
[0056]在標(biāo)定的工作模式下，通過(guò)上述流程，極化信號(hào)從發(fā)射、標(biāo)定處理、極化波幅相調(diào) 整、標(biāo)定喇叭、接收機(jī)的閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)及性能進(jìn)行在線工程標(biāo)定。
[0057]本發(fā)明成果可以直接應(yīng)用到雙極化氣象雷達(dá)中，其相關(guān)成果也可用于極化產(chǎn)生、 饋線設(shè)計(jì)和信號(hào)處理、以及極化信號(hào)處理等領(lǐng)域中。如果將魔Τ更換成兩個(gè)相同設(shè)計(jì)的發(fā)射 機(jī)，該技術(shù)方案可以應(yīng)用到雙發(fā)射機(jī)體制的極化雷達(dá)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種雙極化雷達(dá)的任意極化波在線標(biāo)定方法，其特征在于步驟如下： 步驟1:雷達(dá)在標(biāo)定模式下工作，通過(guò)耦合器在發(fā)射機(jī)輸出端耦合出與發(fā)射信號(hào)頻譜和 相位特征相同的副本信號(hào)； 步驟2:將副本信號(hào)與本振信號(hào)混頻后得到中頻信號(hào)，中頻信號(hào)經(jīng)ADC進(jìn)行數(shù)字采樣轉(zhuǎn) 化為數(shù)字信號(hào)； 步驟3:數(shù)字信號(hào)經(jīng)DDC數(shù)字下變頻后為基帶信號(hào)，基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)復(fù)數(shù)解調(diào)處理后，形成 發(fā)射信號(hào)副本I/Q信號(hào)； 步驟4:將發(fā)射信號(hào)副本I/Q信號(hào)輸入到數(shù)字標(biāo)定信號(hào)處理器中，對(duì)發(fā)射信號(hào)副本I/Q信 號(hào)進(jìn)行調(diào)制和延遲;將延遲信號(hào)與數(shù)字標(biāo)定信號(hào)處理器本身產(chǎn)生的多種標(biāo)定信號(hào)根據(jù)待檢 測(cè)性能參數(shù)進(jìn)行選擇輸出；其中所述的多種標(biāo)定信號(hào)，包括標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)、白噪聲信號(hào)、 頻譜信號(hào)和任意數(shù)字波形信號(hào)； 步驟5:數(shù)字標(biāo)定信號(hào)處理器的輸出信號(hào)，經(jīng)正交變換、加法器和DAC變?yōu)槟M信號(hào)，再 經(jīng)過(guò)上變頻后進(jìn)入魔T分成兩路信號(hào)，分別輸入微波極化控制器調(diào)整信號(hào)的幅度和相位，產(chǎn) 生所需的兩路H、V極化標(biāo)定信號(hào);所述的微波極化控制器包括移相器、電橋和電子開關(guān)； 步驟6: H、V極化標(biāo)定信號(hào)經(jīng)過(guò)OMT合成一路任意極化特征的標(biāo)定極化波，進(jìn)入安裝在天 線頂部的標(biāo)定喇叭，向主饋源喇叭輻射； 步驟7:主饋源喇叭接收的標(biāo)定信號(hào)再經(jīng)OMT、波導(dǎo)和環(huán)行器進(jìn)入兩路雷達(dá)接收機(jī)，最后 被輸入到雷達(dá)信號(hào)處理器，并在終端器上顯示，以檢測(cè)雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的性能參數(shù)，完 成整個(gè)極化信號(hào)在線標(biāo)定過(guò)程。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙極化雷達(dá)的任意極化波在線標(biāo)定方法，其特征在于步 驟4中采用的延遲方法:采用改變存儲(chǔ)長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)任意長(zhǎng)度的數(shù)字延時(shí)控制，延時(shí)的時(shí)長(zhǎng)取 決于存儲(chǔ)器容量。
【文檔編號(hào)】G01S7/40GK106093893SQ201610383302
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月1日 公開號(hào)201610383302.0, CN 106093893 A, CN 106093893A, CN 201610383302, CN-A-106093893, CN106093893 A, CN106093893A, CN201610383302, CN201610383302.0
【發(fā)明人】魏志強(qiáng), 李春化, 閆興偉, 蘇小敏, 李重陽(yáng), 陳明, 周子超, 王樂(lè)
【申請(qǐng)人】西安電子工程研究所