安徽四創(chuàng)電子股份有限公司 孫華磊 蘇 濤 高 磊 楊邦宏

基于雙頻毫米波技術(shù)的測云儀

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本文介紹了一款基于雙頻毫米波技術(shù)的測云儀,該測云儀攻克雙頻毫米波測云、多參數(shù)信息融合處理等關(guān)鍵技術(shù).開發(fā)W波段大功率速調(diào)管、毫米波雙頻共面天線等部件.通過系統(tǒng)集成,研制具有一定功能Ka/W波段雙頻毫米波測云儀樣機(jī).該測云儀工作在Ka和W波段,采用雙極化脈沖多普勒體制,與一般測云設(shè)備不同的是,該測云儀除了能測量氣象目標(biāo)的強(qiáng)度、徑向速度、譜寬和線性退極化比外,還可以通過對(duì)兩種波長測得的反射率比和速度差等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行處理,更精確的反演云目標(biāo)的液態(tài)水含量和相態(tài)分布等特征.

雙毫米波;多通道微波輻射;多參數(shù)信息融合處理

1 背景與現(xiàn)狀

大氣水汽含量和云液態(tài)水含量是表征大氣特征的兩個(gè)重要物理量,是評(píng)估空中云水資源的重要指標(biāo),在云的生消演變、降水形成、大氣輻射、地球大氣的水循環(huán)過程等研究中扮演著十分重要的作用.大氣水汽含量和云液態(tài)水含量隨時(shí)間的變化特征可以較好地反映天氣的變化,它是所有千變?nèi)f化的天氣系統(tǒng)形成的最重要的因素之一.研制雙頻毫米波測云儀有助于進(jìn)一步了解天氣系統(tǒng)從晴空大氣→云→降水的精細(xì)化物理結(jié)構(gòu)和演變特征,提高對(duì)天氣系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的物理機(jī)制的認(rèn)識(shí),從而推動(dòng)氣象學(xué)的不斷發(fā)展.

2 基于雙頻毫米波技術(shù)的測云儀

雙頻毫米波測云儀(以下簡稱"測云儀")結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的電子技術(shù),借鑒W波段及Ka波段毫米波雷達(dá)的成熟技術(shù)進(jìn)行研制開發(fā),系統(tǒng)設(shè)計(jì)中包括了最新的雷達(dá)技術(shù)、結(jié)構(gòu)/工藝技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù),同時(shí)融合多年來產(chǎn)品開發(fā)的寶貴經(jīng)驗(yàn),整機(jī)性能技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)合理、工作穩(wěn)定可靠,系統(tǒng)操作簡單方便.

測云儀采用雙頻段共面天線設(shè)計(jì),饋源采用單口徑雙頻段饋源,可以滿足W波段及Ka波段同時(shí)探測.同時(shí),測云儀采用雙發(fā)射機(jī)、接收機(jī).W波段及Ka波段發(fā)射系統(tǒng)均采用速調(diào)管.接收分系統(tǒng)采用同一個(gè)頻綜器,兩個(gè)頻段回波經(jīng)混頻后的分別輸出60MHz和50MHz的中頻信號(hào)兩部發(fā)射機(jī)采用同時(shí)工作或單獨(dú)工作模式.數(shù)字處理分系統(tǒng)采用統(tǒng)一模塊小型化高集成化設(shè)計(jì),其中包含一個(gè)DSP運(yùn)算模塊和兩個(gè)中頻數(shù)字接收機(jī).雷達(dá)的伺服系統(tǒng)采用小型化設(shè)計(jì),放置在天線下方的方位轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi),可以滿足儀器儀表的便攜性及無機(jī)柜化設(shè)計(jì).

測云儀設(shè)計(jì)時(shí)利用測云系統(tǒng)成熟的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù).產(chǎn)品實(shí)施了單元機(jī)、模塊插件級(jí)電磁兼容設(shè)計(jì)、穩(wěn)定可靠的散熱仿真設(shè)計(jì),在電磁兼容性、微波輻射、工藝標(biāo)準(zhǔn)、模塊化、維修性、安全性、噪聲等方面均有充分的考慮;在生產(chǎn)過程中有嚴(yán)格的質(zhì)量控制體系,貫徹執(zhí)行一次成功的方針.完善的BIT設(shè)計(jì)也為產(chǎn)品的可靠運(yùn)行和快速維修提供了有力的保障.

測云儀設(shè)計(jì)時(shí),伺服系統(tǒng)控制靈活,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程全遙控操作,所有控制(包括開關(guān)發(fā)射機(jī)、天線掃描控制、開關(guān)電源等)均可通過終端軟件實(shí)現(xiàn);數(shù)據(jù)傳輸方式采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP方式,利于數(shù)據(jù)傳輸和共享,方便用戶判斷天氣發(fā)展趨勢,為短時(shí)預(yù)報(bào)提供可靠地?cái)?shù)據(jù)支持.

測云儀在設(shè)計(jì)中將充分搜集和消化國外相關(guān)技術(shù)資料,確定測云儀在不同應(yīng)用中的最佳工作模式,合理選擇探測器工作參數(shù).

3 基于雙頻毫米波技術(shù)的測云儀的工作原理

本測云儀采用雙偏振多普勒體制,與一般多普勒毫米波雷達(dá)不同的是,測云儀可以分別發(fā)射W波段和Ka波段的電磁波,能測量氣象目標(biāo)的強(qiáng)度、徑向速度和譜寬外,還可以通過對(duì)回波的極化信息的處理,以進(jìn)一步了解氣象粒子的相態(tài)和空間取向等特征.此外,可以根據(jù)不同波長的電磁對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行觀測,得到強(qiáng)度差及速度差等參數(shù).

測云儀系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示.按主要功能可劃分為天饋線分系統(tǒng)、發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)、數(shù)字處理分系統(tǒng)、伺服分系統(tǒng)和終端處理分系統(tǒng)等.

圖1 測云儀系統(tǒng)框圖

測云儀系統(tǒng)的工作過程簡單描述如下:Ka波段、W波段發(fā)射機(jī)速調(diào)管輸出大功率射頻脈沖經(jīng)耦合器(同時(shí)耦合輸出發(fā)射樣本,以方便發(fā)射信號(hào)檢測)、環(huán)行器、正交模耦合器到達(dá)饋源,最后由拋物面天線輻射出去.

天線輻射出去的電磁波遇到云、雨等氣象目標(biāo)時(shí),便會(huì)產(chǎn)生后向散射,這也就是氣象目標(biāo)的回波信號(hào).假設(shè)天線輻射出去的是水平極化波,遇到云目標(biāo)后散射回來的電磁波能量在水平方向和垂直方向上的極化分量分別稱之為同極化分量和正交極化分量,天線接收的回波信號(hào)通過Ka波段、W波段正交模耦合器后分為四路,即Ka波段和W波段回波的同極化分量經(jīng)環(huán)行器送往同極化接收通道;正交極化分量則送入正交極化接收通道.四路回波信號(hào)各自通過低噪聲放大和混頻后,形成中頻信號(hào),經(jīng)數(shù)字式中頻接收機(jī)處理后,得到反映信號(hào)強(qiáng)度和相位信息的數(shù)字式正交視頻信號(hào)I、Q,再送往DSP運(yùn)算模塊.對(duì)DSP運(yùn)算模塊I、Q信號(hào)進(jìn)行雜波抑制、視頻積分處理(DVIP)、脈沖對(duì)(PPP)或快速傅立葉變換(FFT)等處理后,最終輸出氣象目標(biāo)的回波強(qiáng)度、線性退極化比、徑向速度和譜寬等重要數(shù)據(jù),并由終端處理分系統(tǒng)作數(shù)據(jù)換算、距離訂正等處理后完成實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)產(chǎn)品顯示、存儲(chǔ)等功能,并可根據(jù)兩個(gè)波段的數(shù)據(jù)計(jì)算出強(qiáng)度差和速度差.

數(shù)字處理分系統(tǒng)負(fù)責(zé)全機(jī)的狀態(tài)控制及重要工作參數(shù)和故障信息監(jiān)測.DSP運(yùn)算模塊、伺服分系統(tǒng)均在內(nèi)部均設(shè)立監(jiān)控功能,收發(fā)監(jiān)控板用于實(shí)現(xiàn)發(fā)射分系統(tǒng)、接收分系統(tǒng)的監(jiān)控功能.各分系統(tǒng)工作狀態(tài)、重要工作參數(shù)及故障情況有各自監(jiān)控模塊收集處理后送往數(shù)據(jù)終端處理和顯示.另一方面,監(jiān)控分系統(tǒng)接收來自終端處理分系統(tǒng)的控制指令,向各分系統(tǒng)輸出相應(yīng)的控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)雷達(dá)工作模式的控制和工作參數(shù)設(shè)置.

伺服分系統(tǒng)接收來自終端處理分系統(tǒng)的控制指令,經(jīng)計(jì)算處理后產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào),實(shí)施對(duì)天線方位和俯仰的掃描控制,同時(shí)將天線對(duì)應(yīng)的方位、仰角數(shù)據(jù)傳送至信號(hào)處理器.

終端處理分系統(tǒng)對(duì)信號(hào)處理器輸出的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理后,完成反射率因子Z、徑向速度V、譜寬W、線性退極化比LDR、雙頻段強(qiáng)度差和速度差等基本氣象產(chǎn)品的的生成、顯示和存儲(chǔ).

4 結(jié)束語

雙頻毫米波測云儀是多波段主被動(dòng)云水探測儀的重要組成部分,該測云儀工作在Ka和W波段,采用雙極化脈沖多普勒體制,與一般測云設(shè)備不同的是,該測云儀除了能測量氣象目標(biāo)的強(qiáng)度、徑向速度、譜寬和線性退極化比外,還可以通過對(duì)兩種波長測得的反射率比和速度差等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行處理,更精確的反演云目標(biāo)的液態(tài)水含量和相態(tài)分布等特征.

雙頻毫米波測云儀不僅可以對(duì)云的狀態(tài)分布和形成發(fā)展提供長期有效的觀測,還能對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相態(tài)分布提供有效數(shù)據(jù),是云、霧探測的有效工具.