双极化一体化机载气象雷达

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双极化一体化机载气象雷达
申请号	CN202011461844.8	申请日	2020-12-08	公开(公告)号	CN112462370A	公开(公告)日	2021-03-09
申请人	陕西长岭电子科技有限责任公司;			发明人	李勇; 石晨方; 王晓迪; 王建朋; 王震; 李繁; 孟武亮; 郭虎刚; 王梓铸; 郑翕文; 崔轶超; 许发诺; 吉涛; 周伟佳;
摘要	本发明公开了一种双极化一体化机载气象雷达，主要解决现有雷达无法对气象目标进行双极化探测及获取双极化信息的问题。其包括双极化微带天线(1)、X波段集成收发组件(2)、俯仰传动机构(3)、方位传动机构(4)和雷达基座(5)。X波段集成收发组件通过俯仰传动机构与方位传动机构相固定，方位传动机构安装在雷达基座上；双极化微带天线包括水平和垂直两个极化通道；X波段集成收发组件采用集成有接口控制、频率综合、功率放大、环形器、接收前端、中频放大、射频通道切换开关、两个射频收发通道的整体结构，并通过双同轴盲插接口与双极化微带天线直接电连接。本发明能获取气象目标的双极化信息，可用于对气象目标进行双极化探测和定位。
权利要求	1.一种双极化一体化机载气象雷达，包括双极化微带天线(1)、X波段集成收发组件(2)、俯仰传动机构(3)、方位传动机构(4)和雷达基座(5)，X波段集成收发组件(2)与双极化微带天线(1)连接，并通过俯仰传动机构(3)与方位传动机构(4)相连，方位传动机构(4)安装在雷达基座(5)上，双极化微带天线(1)包括水平极化通道(11)和垂直极化通道(12)，其特征在于：所述X波段集成收发组件(2)采用将接口控制模块(21)、频率综合模块(22)、功率放大模块(23)、环形器(24)、接收前端模块(25)、中频放大模块(26)、射频通道切换开关(27)、第一射频收发通道(28)、第二射频收发通道(29)集成在一起的整体结构，以减少组件的体积和重量，增加组件的可靠性，同时通过射频通道切换开关(27)实现对两个射频收发通道的分时切换；所述水平极化通道(11)与X波段集成收发组件(2)的第一射频收发通道(28)通过双同轴盲插接口直接连接，用于接收第一射频收发通道(28)传输来的射频发射信号HT，并产生水平极化射频发射信号向空间辐射出去，同时接收目标反射回来的水平极化射频回波信号产生射频回波信号HR，再传输给第一射频收发通道(28)；所述垂直极化通道(12)与X波段集成收发组件(2)的第二射频收发通道(29)通过双同轴盲插接口直接连接，用于接收第二射频收发通道(29)传输来的射频发射信号VT，并产生垂直极化射频发射信号向空间辐射出去，同时接收目标反射回来的垂直极化射频回波信号产生射频回波信号VR，再传输给第二射频收发通道(29)。 2.根据权利1要求所述的机载气象雷达，其特征在于，俯仰传动机构(3)包括俯仰电机(31)、俯仰传动齿轮(32)、俯仰角传感器(33)和俯仰支架(34)：该俯仰电机(31)、俯仰传动齿轮(32)和俯仰角传感器(33)安装在俯仰支架(34)上；俯仰电机(31)通过俯仰传动齿轮(32)带动俯仰支架(34)在俯仰方向转动；该俯仰角传感器(33)为导塑电位器，其旋转轴与俯仰传动齿轮(32)的旋转轴相连，用于实时获取俯仰传动齿轮(32)的俯仰旋转角度,并将该俯仰旋转角度作为俯仰反馈传输给雷达基座(5)。 3.根据权利1要求所述的机载气象雷达，其特征在于，方位传动机构(4)，包括方位电机(41)、方位传动齿轮(42)、方位角传感器(43)、方位支架(44)和支架垫块(45)，该支架垫块(45)为选装件，安装在方位支架(44)和雷达基座(5)之间，用于调节方位传动机构(4)与雷达基座(5)之间的高度，以匹配不同尺寸双极化微带天线(1)的安装空间。 4.根据权利2要求所述的机载气象雷达，其特征在于，方位电机(41)、方位传动齿轮(42)和方位角传感器(43)安装在方位支架(44)上；方位电机(41)通过方位传动齿轮(42)带动俯仰支架(34)在方位方向转动；方位角传感器(43)为导塑电位器，其旋转轴与方位传动齿轮(42)的旋转轴相连，用于实时获取方位传动齿轮(42)的方位旋转角度,并将该方位旋转角度作为方位反馈传输给雷达基座(5)。 5.根据权利1要求所述的机载气象雷达，其特征在于，所述频率综合(22)由两片同型号的DDS芯片和一片FPGA芯片组成，用于产生低功率射频信号。 6.根据权利2要求所述的机载气象雷达，其特征在于，双极化微带天线(1)的尺寸根据方位支架(44)和雷达基座(5)之间是否安装支架垫块(45)进行选择：当方位支架(44)与雷达基座(5)之间不安装支架垫块(45)时，双极化微带天线(1)选择尺寸为φ254mm或φ305mm的天线；当位支架(44)与雷达基座(5)之间安装有支架垫块(45)时，双极化微带天线(1)选择尺寸为φ356mm或φ457mm的天线。 7.根据权利1要求所述的机载气象雷达，其特征在于，雷达基座(5)采用腔体结构，其内设有接口板(51)、信号处理板(52)和双轴伺服驱动器(53)；该接口板(51)以FPGA为处理核心，通过接收外部输入产生工作模式指令并传输给信号处理板(52)和双轴伺服驱动器(53)；该信号处理板(52)以Xilinx ZYNQ系列SOC为处理核心，用于接收接口板(51)传输的工作模式指令和X波段集成收发组件(2)传输的中频信号并依次进行采样量化、数字下变频、脉冲压缩、脉冲积累和目标检测处理，产生视频编码告警数据传输给接口板(51)；该双轴伺服驱动器(53)以DSP为处理核心，通过接收接口板(51)的工作模式指令，同时实现对方位电机(41)、俯仰电机(31)的伺服控制。
说明书全文	双极化一体化机载气象雷达技术领域 [0001] 本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种机载气象雷达，可用于对气象云团和湍流等影响载机飞行安全的危险目标的探测及定位，提高载机感知周围危险气象条件的能力。背景技术 [0002] 机载气象雷达是各种飞机上必不可少的飞行安全保障设备，它能在载机飞行过程中实时探测载机前方航路上一定空域范围内的气象云团、湍流等气象目标和其他非气象目标的分布状况，并将探测到的目标的轮廓、方位、距离和气象云团的降雨量这些信息显示在显示器上，为机组人员提供危险气象条件预警等功能，现已广泛应用于航空领域。 [0003] 目前机载气象雷达按照结构形式可以划分为分体式机载气象雷达和一体化机载气象雷达。 [0004] 分体式机载气象雷达,其主要特点是雷达由多个分机组成,通常包括天线及驱动器分机、收发分机、信号处理分机和控制盒。这种分体式机载气象雷达因为由多个分机组成，因而整机重量重，且分机之间需要较长的电缆或波导进行连接，雷达系统复杂，不便于维护安装。 [0005] 一体化机载气象雷达，其主要特点是雷达由单个天线收发处理机组成，整机重量轻，雷达各部分仅需较短的机内电缆进行互联，雷达系统简单，便于维护安装。但由于现有一体化机载气象雷达采用单射频通道的收发组件和单极化天线，如美国GARMIN公司的 GWX68一体化机载气象雷达和美国Honeywell公司的PRIMUS 440、660、880集成RTA气象雷达，这些雷达均无法对气象目标进行双极化探测并获取气象目标的双极化信息。发明内容 [0006] 本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种双极化一体化机载气象雷达，以实现对气象目标进行分时双极化探测，获取气象目标的双极化信息。 [0007] 为实现上述目的，本发明所述的双极化一体化机载气象雷达包括：双极化微带天线1、X波段集成收发组件2、俯仰传动机构3、方位传动机构4和雷达基座5，X波段集成收发组件2与双极化微带天线1连接，并通过俯仰传动机构3与方位传动机构4相连，方位传动机构4 安装在雷达基座5上，双极化微带天线1包括水平极化通道11和垂直极化通道12，其特征在于： [0008] 所述X波段集成收发组件2采用将接口控制模块21、频率综合模块22、功率放大模块23、环形器24、接收前端模块25、中频放大模块26、射频通道切换开关27、第一射频收发通道28、第二射频收发通道29集成在一起的整体结构，以减少组件的体积和重量，增加组件的可靠性，同时通过射频通道切换开关27实现对两个射频收发通道的分时切换； [0009] 所述水平极化通道11与X波段集成收发组件2的第一射频收发通道28通过双同轴盲插接口直接连接，用于接收第一射频收发通道28传输来的射频发射信号HT，并产生水平极化射频发射信号向空间辐射出去，同时接收目标反射回来的水平极化射频回波信号产生射频回波信号HR，再传输给第一射频收发通道28； [0010] 所述垂直极化通道12与X波段集成收发组件2的第二射频收发通道29通过双同轴盲插接口直接连接，用于接收第二射频收发通道29传输来的射频发射信号VT，并产生垂直极化射频发射信号向空间辐射出去，同时接收目标反射回来的垂直极化射频回波信号产生射频回波信号VR，再传输给第二射频收发通道29。 [0011] 进一步，所述俯仰传动机构3包括俯仰电机31、俯仰传动齿轮32、俯仰角传感器33和俯仰支架34：该俯仰电机31、俯仰传动齿轮32和俯仰角传感器33安装在俯仰支架34上；俯仰电机31通过俯仰传动齿轮32带动俯仰支架34在俯仰方向转动；该俯仰角传感器33为导塑电位器，其旋转轴与俯仰传动齿轮32的旋转轴相连，用于实时获取俯仰传动齿轮32的俯仰旋转角度,并将该俯仰旋转角度作为俯仰反馈传输给雷达基座5。 [0012] 进一步，所述方位传动机构4，包括方位电机41、方位传动齿轮42、方位角传感器43、方位支架44和支架垫块45，该支架垫块45为选装件，安装在方位支架44和雷达基座5之间，用于调节方位传动机构4与雷达基座5之间的高度，以匹配不同尺寸双极化微带天线1的安装空间；该方位电机41、方位传动齿轮42和方位角传感器43安装在方位支架44上，方位电机41通过方位传动齿轮42带动俯仰支架34在方位方向转动；方位角传感器43为导塑电位器，其旋转轴与方位传动齿轮42的旋转轴相连，用于实时获取方位传动齿轮42的方位旋转角度,并将该方位旋转角度作为方位反馈传输给雷达基座5。 [0013] 进一步，所述频率综合22由两片同型号的DDS芯片和一片FPGA芯片组成，用于产生低功率射频信号。 [0014] 进一步，所述双极化微带天线1的尺寸根据方位支架44和雷达基座5之间是否安装支架垫块45进行选择： [0015] 进一步，所述雷达基座5采用腔体结构，其内设有接口板51、信号处理板52和双轴伺服驱动器53； [0016] 该接口板51以FPGA为处理核心，通过接收外部输入产生工作模式指令并传输给信号处理板52和双轴伺服驱动器53； [0017] 该信号处理板52以Xilinx ZYNQ系列SOC为处理核心，用于接收接口板51传输的工作模式指令和X波段集成收发组件2传输的中频信号并依次进行采样量化、数字下变频、脉冲压缩、脉冲积累和目标检测处理，产生视频编码告警数据传输给接口板51； [0018] 该双轴伺服驱动器53以DSP为处理核心，通过接收接口板51的工作模式指令，同时实现对方位电机41、俯仰电机31的伺服控制。 [0019] 本发明与现有技术相比，具有如下优点： [0020] 1.本发明由于采用将接口控制模块、频率综合模块、功率放大模块、环形器、接收前端模块、中频放大模块、射频通道切换开关、第一射频收发通道、第二射频收发通道集成在一起的整体结构，减少了组件的体积和重量，增加了组件的可靠性，同时通过射频通道切换开关可实现对两个射频收发通道的分时切换。 [0021] 2.本发明由于采用将双极化微带天线的水平极化通道和垂直极化通道与X波段集成收发组件的两个射频收发通道通过双同轴盲插接口直接相连的方式，降低了射频馈电损耗，实现了对气象目标的分时双极化探测，并获取了气象目标的双极化信息。附图说明 [0022] 图1为本发明的整体结构框图； [0023] 图2为本发明中的双极化微带天线结构框图； [0024] 图3为本发明中的X波段集成收发组件框图； [0025] 图4为本发明中的俯仰传动机构结构框图； [0026] 图5为本发明中的方位传动机构结构框图； [0027] 图6为本发明中的雷达基座结构框图； [0028] 图7为本发明中的信号处理框图。具体实施方式 [0029] 以下参照附图对本发明的实施例做作进一步详细描述。 [0030] 参照图1，本发明的双极化一体化机载气象雷达，包括双极化微带天线1、X波段集成收发组件2、俯仰传动机构3、方位传动机构4和雷达基座5，其中： [0031] 所述双极化微带天线1与X波段集成收发组件2之间通过双同轴盲插接口直接连接，用于分时接收发射X波段集成收发组件2传输来的大功率射频发射信号HT或射频发射信号VT并产生极化射频发射信号向空间辐射出去，同时接收目标反射回来的极化射频回波信号产生射频回波信号HR或射频回波信号VR传输给X波段集成收发组件2。 [0032] 所述X波段集成收发组件2安装在俯仰传动机构3上，用于接收雷达基座5传输来的控制信号，以产生参考频率信号和自检结果传输给雷达基座5，并分时产生大功率射频发射信号HT或射频发射信号VT传输给双极化微带天线1，同时将双极化微带天线1传输来的射频回波信号HR或射频回波信号VR下变频为中频信号后再传输给雷达基座5。 [0033] 所述俯仰传动机构3与方位传动机构4相连，用于带动双极化微带天线1在俯仰方向上扫描； [0034] 所述方位传动机构4安装在雷达基座5上，用于带动双极化微带天线1和俯仰传动机构3在方位方向上扫描。 [0035] 所述雷达基座5，用于产生控制信号传输给X波段集成收发组件2，接收X波段集成收发组件2传输来的参考频率信号、自检结果和中频信号，对中频信号依次进行采样量化、数字下变频、脉冲压缩、脉冲积累和目标检测的处理分析，并根据外部输入的控制指令输出相应的处理结果。 [0036] 参照图2，所述X波段集成收发组件2，为集成一体结构，可减少组件的体积和重量，增加组件的可靠性，可实现对两个射频收发通道的分时切换，包括接口控制模块21、频率综合模块22、功率放大模块23、环形器24、接收前端模块25、中频放大模块26、射频通道切换开关27、第一射频收发通道28和第二射频收发通道29，其中： [0037] 接口控制模块21，用于接收雷达基座5传输来的控制信号，以产生参考时钟、组件内部控制信号和射频通道切换指令，并将该参考时钟回传给雷达基座5，将该组件内部控制信号分别传输给频率综合模块22、功率放大模块23、接收前端模块25和中频放大模块26，将该射频通道切换指令传输给射频通道切换开关27；该接口控制模块21同时接收频率综合模块22传输来的工作状态数据，以产生自检结果再传输给雷达基座5； [0038] 频率综合模块22，由两片同型号的DDS芯片和一片FPGA芯片组成，用于接收接口控制模块21传输来的组件内部控制信号，以产生低功率射频信号、本振信号和工作状态数据，并将该低功率射频信号传输给功率放大模块23，将该本振信号传输给接收前端模块25，将该工作状态数据传输给接口控制模块21； [0039] 功率放大模块23，用于接收接口控制模块21传输来的组件内部控制信号，将频率综合模块22传输来的低功率射频信号放大后形成大功率射频发射信号，并通过环形器24传输给双极化微带天线1； [0040] 环形器24，用于隔离射频发射信号和射频回波信号； [0041] 接收前端模块25，用于接收接口控制模块21传输来的组件内部控制信号，将双极化微带天线1通过环形器24传输来的射频回波信号与频率综合模块22传输来的本振信号进行混频滤波的下变频操作后，变成中频回波信号传输给中频放大模块26； [0042] 中频放大模块26，用于接收接口控制模块21传输来的组件内部控制信号，并将接收前端模块25传输来的中频回波信号放大后传输给雷达基座5； [0043] 射频通道切换开关27，用于接收接口控制模块21传输来的射频通道切换指令，以分时切换环形器24与第一射频收发通道28或第二射频收发通道29的电气连接： [0044] 当环形器24与第一射频收发通道28存在电气连接时，该射频通道切换开关27接收环形器24传输来的射频发射信号，产生射频发射信号HT并转发给双极化微带天线1，同时接收双极化微带天线1传输来的射频回波信号HR； [0045] 当环形器24与第二射频收发通道29存在电气连接时，该射频通道切换开关27接收环形器24传输来的射频发射信号，产生射频发射信号VT并转发给双极化微带天线1，同时接收双极化微带天线1传输来的射频回波信号VR； [0046] 第一射频收发通道28，用于接收射频通道切换开关27传输来的射频发射信号，产生射频发射信号HT并转发给双极化微带天线1的水平极化通道11，同时接收该水平极化通道11传输来的射频回波信号HR并转发给射频通道切换开关27； [0047] 第二射频收发通道29，用于接收射频通道切换开关27传输来的射频发射信号，产生射频发射信号VT并转发给双极化微带天线1的垂直极化通道12，同时接收该垂直极化通道12传输来的射频回波信号VR并转发给射频通道切换开关27。 [0048] 参照图3，所述双极化微带天线1，包括水平极化通道11和垂直极化通道12，其中： [0049] 该水平极化通道11与X波段集成收发组件2的第一射频收发通道28通过双同轴盲插接口直接连接，用于接收第一射频收发通道28传输来的射频发射信号HT，并产生水平极化射频发射信号向空间辐射出去，同时接收目标反射回来的水平极化射频回波信号产生射频回波信号HR，再传输给第一射频收发通道28； [0050] 该垂直极化通道12与X波段集成收发组件2的第二射频收发通道29通过双同轴盲插接口直接连接，用于接收第二射频收发通道29传输来的射频发射信号VT，并产生垂直极化射频发射信号向空间辐射出去，同时接收目标反射回来的垂直极化射频回波信号产生射频回波信号VR，再传输给第二射频收发通道29。 [0051] 参照图4，所述俯仰传动机构3，包括俯仰电机31、俯仰传动齿轮32、俯仰角传感器33和俯仰支架34，其中： [0052] 俯仰电机31，用于接收雷达基座5传来的俯仰驱动，通过俯仰传动齿轮32的传动带动双极化微带天线1在俯仰方向上扫描； [0053] 俯仰角传感器33，为导塑电位器，其旋转轴与俯仰传动齿轮32的旋转轴相连，用于实时获取俯仰传动齿轮32的俯仰旋转角度,并将该俯仰旋转角度作为俯仰反馈传输给雷达基座5； [0054] 俯仰支架34，作为结构支撑，用于安装包括俯仰电机31、俯仰传动齿轮32和俯仰角传感器33。 [0055] 参照图5，所述方位传动机构4，包括方位电机41、方位传动齿轮42、方位角传感器43、方位支架44和支架垫块45，其中： [0056] 方位电机41，用于接收雷达基座5传来的方位驱动，通过方位传动齿轮42的传动带动双极化微带天线1和俯仰传动机构3在方位方向上扫描； [0057] 方位角传感器43，为导塑电位器，其旋转轴与方位传动齿轮42的旋转轴相连，用于实时获取方位传动齿轮42的方位旋转角度,并将该方位旋转角度作为方位反馈传输给雷达基座5； [0058] 方位支架44，作为结构支撑，用于安装包括方位电机41、方位传动齿轮42和方位角传感器43； [0059] 支架垫块45，安装在方位支架44和雷达基座5之间，用于调节方位传动机构4与雷达基座5之间的高度，以匹配不同尺寸双极化微带天线1的安装空间，即根据方位支架44与雷达基座5之间是否安装支架垫块45选择双极化微带天线的尺寸： [0060] 当方位支架44与雷达基座5之间不安装支架垫块45时，双极化微带天线1选择尺寸为φ254mm或φ305mm的天线，本实例取φ305mm的天线； [0061] 当位支架44与雷达基座5之间安装有支架垫块45时，双极化微带天线1选择尺寸为φ356mm或φ457mm的天线，本实例取φ356mm的天线。 [0062] 参照图6，所述雷达基座5，采用腔体结构，其内设有接口板51、信号处理板52和双轴伺服驱动器53，其中： [0063] 接口板51，以FPGA为处理核心，用于接收三方面的信息，并进行传输：一是接收X波段集成收发组件2传输来的参考时钟和自检结果，并以该参考时钟为基准产生控制信号传输给X波段集成收发组件2；二是接收外部输入，产生雷达的工作模式指令并传输给信号处理板52和双轴伺服驱动器53；三是接收信号处理板52传输来的视频编码告警数据和双轴伺服驱动器53传输来的俯仰反馈和方位反馈，将其打包为相应的处理结果并输出； [0064] 信号处理板52，以Xilinx ZYNQ系列SOC为处理核心，用于采集X波段集成收发组件2传输来的中频信号，根据接口板51传输来的工作模式指令依次进行采样量化、数字下变频、脉冲压缩、脉冲积累和目标检测处理，产生视频编码告警数据并传输给接口板51； [0065] 双轴伺服驱动器53，以DSP为处理核心，用于接收3种不同的信息进行传输驱动：第1种是接收俯仰传动机构3传输来的俯仰反馈并转发给接口板51；第2种是接收方位传动机构4传输来的方位反馈并转发给接口板51；第3种是接收接口板51传输来的工作模式指令，根据该工作模式指令产生俯仰驱动和方位驱动，并将该俯仰驱动传输给俯仰传动机构3，将该方位驱动传输给俯仰传动机构4。 [0066] 参照图7，所述信号处理板52，包括采样量化模块521、数字下变频模块522、脉冲压缩模块523、脉冲积累模块524和目标检测模块525，其中： [0067] 采样量化模块521，用于接收X波段集成收发组件2传输来的中频信号，并对该中频信号进行采样和量化处理，产生数字中频信号传输给数字下变频模块522； [0068] 数字下变频模块522，用于接收采样量化模块521传输来的数字中频信号，并对该数字中频信号进行数字下变频处理，产生数字基带信号传输给脉冲压缩模块523； [0069] 脉冲压缩模块523，用于接收数字下变频模块522传输来的数字基带信号，按照信号特征完成数字基带信号脉冲压缩处理，产生数字脉压信号传输给脉冲积累模块524； [0070] 脉冲积累模块524，用于接收脉冲压缩模块523传输来的数字脉压信号，并经过多周期实时存储、求和、求平均完成数字脉压信号的脉冲积累处理，产生数字脉压积累信号传输给目标检测模块525； [0071] 目标检测模块525，用于接收脉冲积累模块524传输来的数字脉压积累信号和接口板51传输来的工作模式指令，进行目标检测，产生视频编码告警数据传输给接口板51。 [0072] 以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些是基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。