專利名稱：數字陣列式mst雷達及信號收發(fā)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種雷達技術，尤其是一種數字化氣象雷達及其信號的收發(fā)方法，具 體地說是一種數字陣列式MST雷達及信號收發(fā)方法。
背景技術：
MST (中層一同溫層一對流層)雷達是一種工作在VHF頻段(一般在50MHz左右)上 的高靈敏度相控陣雷達，主要用于測量中層(最高高度超過100km)、同溫層及對流層的大氣 風場。從上世紀80年代以來，探測中層大氣的雷達技術和分析方法不斷完善，發(fā)射機開始 采用全固態(tài)發(fā)射技術。目前國際上共有20多個MST雷達站在運轉，這些雷達分為兩種體制，一種是采用 高功率集中發(fā)射體制，另一種是采用分布式發(fā)射體制。這兩種體制的MST雷達在形成雷達 波束時都是采用饋線移相合成技術，因此現有的MST雷達存在模擬移相器移相精度難保 證、尺寸較大及可靠性差、維修不便，天線陣面加權復雜等問題，對此尚無好的解決方法。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對現有的MST雷達存在移相精度難保證、結構復雜、可靠性差、 維修不便等問題，發(fā)明一種利用數字技術為主設計的數字陣列式MST雷達，同時提供這種 雷達的信號收發(fā)方法。本發(fā)明的技術方案之一是
一種數字陣列式MST雷達，其特征是它包括天線單元1、末級收發(fā)組件模塊2、饋線網絡 矩陣3、數字收發(fā)組件模塊4、頻率源5、數字波束合成模塊6、信號處理機7和數據處理機8， 所述的頻率源5的輸出與數字收發(fā)組件模塊4的發(fā)射信號輸入端相連，數字收發(fā)組件模塊4 的發(fā)射信號輸出端與饋線網絡矩陣3的發(fā)射信號輸入端相連，饋線網絡矩陣3的發(fā)射信號 輸出端與末級收發(fā)組件模塊2的發(fā)射信號輸入端連接，末級收發(fā)組件模塊2的發(fā)射信號輸 出端與天線單元1的信號發(fā)射端相連接；天線單元1的信號接收端與末級收發(fā)組件模塊2 的信號接收輸入端相連，末級收發(fā)組件模塊2的信號接收輸出端通過饋線網絡矩陣3與數 字收發(fā)組件模塊4上的接收信號輸入端相連，數字收發(fā)組件模塊4上的接收信號輸出端與 數字接收機的輸入端相連，數字接收機的輸出端與數字波束合成模塊6的輸入端相連，數 字波束合成模塊6的輸出端與信號處理機7的輸入端相連，信號處理機7的輸出端與數據 處理機8的輸入端相連，數據處理機8的輸出端與遠程終端9和系統(tǒng)監(jiān)控裝置10的輸入端 相連。所述的天線單元1為八木天線，天線單元共有576 (24X24)個天線振子；所述的 末級收發(fā)組件模塊2數量為576 (MXM)個；所述的數字收發(fā)組件模塊4的數量為M個。本發(fā)明的技術方案之二是
一種數字陣列式MST雷達的信號發(fā)射方法，其特征是它包括以下步驟
(1)首先由頻率發(fā)生源產生源信號，所述的源信號輸入數字收入組件模塊的直接數字式頻率合成器(DDS)通道，經頻率組合產生所需的工作頻率信號；每個DDS通道的工作頻率 信號經DDS移相后激勵輸出；每路輸出的幅度相等，插入相位差由軟件修正，DDS的差相移 由指令控制；
(2)數字收發(fā)組件模塊激勵輸出的信號通過饋線電纜饋入數字收發(fā)組件模塊中的T/R 收發(fā)開關，T/R收發(fā)開關擲在發(fā)射態(tài)；每個T/R收發(fā)開關發(fā)射路經相等的功率增益后輸出一 定功率的信號到輸出端口。每個T/R收發(fā)開關有兩個輸出端口，分別為行輸出和列輸出端 口 ；由波控控制所有T/R收發(fā)開關的發(fā)射功率饋至其中的一個端口或另一個端口 ；
(3)由所述的T/R收發(fā)開關輸出的功率信號通過饋線饋至行掃描或列掃描網絡矩陣， 這些饋線網絡的幅度相位相同；
(4)饋線網絡矩陣再將信號輸出到末級收發(fā)組件模塊中；
(5)在末級收發(fā)組件模塊(576個T/R組件)中，每個組件都將輸入的發(fā)射信號放大到 要求的發(fā)射功率，通過大功率開關饋到每個天線振子上；
(6)最后由天線振子將信號發(fā)射到空中，進行空間合成，照射目標。本發(fā)明的技術方案之三是
一種數字陣列式MST雷達的信號發(fā)射方法，其特征是它包括以下步驟 (1由天線單元中的天線振子接收由空間散射回來的回波信號，通過饋線饋給末級收發(fā) 組件模塊；
(2)每個末級收發(fā)組件模塊的接收通道都含有一個固定增益的低噪聲放大器，目的是 改善系統(tǒng)噪聲系數；
(3)將末級收發(fā)組件模塊中經過預放大的回波信號通過饋線系統(tǒng)饋至M路行掃描或 M路列掃描饋線網絡矩陣模塊中，在饋線網絡矩陣模塊中完成回波信號的功率合成；
(4)將合成后的回波信號再經過饋線饋至數字收發(fā)組件模塊中的T/R收發(fā)開關中，此 時的T/R收發(fā)開關擲在接收態(tài)；
(5)將T/R收發(fā)開關接收回來的信號經過饋線饋入數字接收機，進入接收機后，第一步 進行功率放大，然后進行數字直接采樣、正交；
(6)將數字正交處理后的結果通過接口送給數字波束形成模塊中，進行配相和幅度加 權，形成指定指向的接收波束回波數字信號；再將該數字信號送信號處理機；
(7)信號處理機對數字波束形成模塊送來的時域數字序列進行FFT運算，得到譜域結 果，再將得到的譜域結果通過接口送至數據處理機；
(8)由數據處理機計算分析信號處理機提供的FFT功率譜，得到各個距離門的噪聲功 率、信號功率、信噪比、譜寬和置信度的基礎數據，再經過處理得到所需的風廓線、風羽圖、 矢量圖等各種產品。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明的MST雷達由于采用數字陣列技術，因此具有設計簡化、設備體積小、性能穩(wěn)定 的優(yōu)點，有利于提高探測性能、提高系統(tǒng)一致性、提高雷達可靠性。本發(fā)明利用軟件實現了在DDS和DBF中的數字移相，具有精度高、控制靈活和自檢 方便等優(yōu)點；
本發(fā)明通過在數字域實現幅度加權，具有方便、靈活并且精度高的優(yōu)點； 本發(fā)明實現了與有源設備的同類型部件的互換，有利于改善雷達整機的可維修性，提
5高可靠性。本發(fā)明有利于減小雷達設備的體積。本發(fā)明實現低功率小信號傳輸，有利于降低系統(tǒng)損耗，降低雷達成本，提高MST雷 達探測能力。本發(fā)明可以實現系統(tǒng)的自校正，方便了調試和維護。
圖1是本發(fā)明的數字陣列MST雷達結構框圖。圖2是本發(fā)明MST雷達的發(fā)射鏈工作框圖。圖3是本發(fā)明的MST雷達的信號處理流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。如圖1-3所示。一種數字陣列式MST雷達，它包括天線單元1、末級收發(fā)組件模塊2、饋線網絡矩陣 3、數字收發(fā)組件模塊4、頻率源5、數字波束合成模塊6、信號處理機7和數據處理機8，所述 的頻率源5的輸出與數字收發(fā)組件模塊4的發(fā)射信號輸入端相連，數字收發(fā)組件模塊4的 發(fā)射信號輸出端與饋線網絡矩陣3的發(fā)射信號輸入端相連，饋線網絡矩陣3的發(fā)射信號輸 出端與末級收發(fā)組件模塊2的發(fā)射信號輸入端連接，末級收發(fā)組件模塊2的發(fā)射信號輸出 端與天線單元1的信號發(fā)射端相連接；天線單元1的信號接收端與末級收發(fā)組件模塊2的 信號接收輸入端相連，末級收發(fā)組件模塊2的信號接收輸出端通過饋線網絡矩陣3與數字 收發(fā)組件模塊4上的接收信號輸入端相連，數字收發(fā)組件模塊4上的接收信號輸出端與數 字接收機的輸入端相連，數字接收機的輸出端與數字波束合成模塊6的輸入端相連，數字 波束合成模塊6的輸出端與信號處理機7的輸入端相連，信號處理機7的輸出端與數據處 理機8的輸入端相連，數據處理機8的輸出端與遠程終端9和系統(tǒng)監(jiān)控裝置10的輸入端相 連。MST雷達的天線共有M行XM列。天線單元采用八木天線，含有MXM = 576 個天線振子，T/R組件同樣有576個。饋線網絡中含有M + M = 48個功分/合成器，24 路TR開關，以及天線陣面的連接電纜。數字T/R組件共有M個，通過1個DBF波束形成單 元和1套信號處理系統(tǒng)將數據傳輸到1臺數據處理機中處理。從圖1中可以看出，MST雷達從邏輯上分為兩大部分一部分是模擬部分，這部分 含有天線單元(576個)、末級收發(fā)組件模塊(576個)、饋線網絡。這部分所有的同類型整件 的電性能(幅相性能)都是一致的，可以相互替換。第二部分為數字部分，包括數字T/R模塊
個)、DBF波束形成單元、信號處理機、數據處理機和系統(tǒng)監(jiān)測模塊。這部分是實現數字 陣列的關鍵部分，是整個雷達的智能部分。該部分中的數字T/R模塊也具有互換性。MST雷達系統(tǒng)采用數字陣列技術設計。雷達發(fā)射垂直向上的入射電波，可得到相對 較大的回波功率。雷達為5波束探測，分別發(fā)射天頂、偏東α角、偏西α角、偏南α角、偏 北α角(α為0^20。之間的任意角度)的多個波束，探測到大氣運動在這5個方向上的 徑向回波分量，合成出大氣運動的按高度分層的速度矢量和垂直氣流分布。再根據回波信噪比以及譜寬等參數計算出大氣折射率指數結構參數Cn2等重要大氣參數的垂直分布。雷達采用脈沖多普勒探測體制。天線陣面大小是IOOmX 100m,由一個M行XM 列組成的方陣。發(fā)射峰值功率> 170kW，占空比彡20%。相參的M路數字接收機激勵經發(fā) 射前級預放大，至一定的功率量級饋給M路功分器，每個功分器再將功率等分給M路天線 陣子。天線陣子采用MXM等分布排列形式，每個天線陣子下面均帶有一個收發(fā)組件，576 個組件的收發(fā)幅度和相位均一致，單個輻射功率為300W，發(fā)射功率空間合成。天線陣面576個末級收發(fā)組件模塊化為144個戶外單元，陣面48個行列饋組件、 24個電源組件模塊化為8個戶外單元，其它功能組件均模塊化為獨立機箱結構，產品外觀 整體性強，系統(tǒng)走線最短。子模塊獨立設計，盡量減少各模塊之間的功能交叉；同時模塊的 組合應盡可能采取樹狀結構，便于產品的拆卸和維修。發(fā)射鏈工作流程
(1)頻率發(fā)生源產生的源信號輸入數字T/R模塊的DDS通道，經頻率組合產生所需的工 作頻率信號。每個通道的工作頻率信號經DDS移相后激勵輸出。每路輸出的幅度相等，插 入相位差由軟件修正，DDS的差相移由指令控制；
(2)數字T/R模塊的輸出信號通過饋線電纜饋入T/R收發(fā)開關，收發(fā)開關擲在發(fā)射態(tài)。 每個T/R收發(fā)開關發(fā)射路有相等的功率增益，輸出一定功率(小功率)的信號到輸出端口。 每個T/R收發(fā)開關有兩個輸出端口，分別為行輸出和列輸出端口。由波控控制所有T/R收 發(fā)開關的發(fā)射功率饋至其中的一個端口或另一個端口；
(3)由T/R收發(fā)開關輸出的功率信號通過饋線饋至行掃描或列掃描網絡，這些饋線網 絡的幅度相位相同；
(4)饋線網絡再將信號輸出到576個末級收發(fā)組件；
(5)在576個末級收發(fā)組件中，每個組件都將輸入的發(fā)射信號放大到要求的發(fā)射功率， 通過大功率開關饋到每個天線振子上；
(6)576個天線振子功率發(fā)射到空中，進行空間合成，照射目標。發(fā)射鏈工作流程如圖2所示。接收鏈工作流程
(1)576個天線單元接收由空間散射回來的回波信號，通過饋線饋給576個末級收發(fā)組
件；
(2)每個末級收發(fā)組件的接收通道都含有一個固定增益的低噪聲放大器，目的是改善 系統(tǒng)噪聲系數；
(3)末級收發(fā)組件中經過預放大的回波信號通過饋線系統(tǒng)饋至M路行掃描或M路列 掃描饋線網絡，在網絡中完成回波信號功率合成；
(4)合成后的回波信號再經過饋線饋至T/R收發(fā)開關。此時T/R收發(fā)開關擲在接收態(tài)；
(5)T/R收發(fā)開關接收回來的信號經過饋線饋入數字接收機。進入接收機后，第一步進 行功率放大，然后進行數字直接采樣、正交；
(6)數字正交處理后的結果通過接口送給DBF波束形成器，進行配相和幅度加權，形成 指定指向的接收波束回波數字信號。該數字信號送信號處理機；
(7)信號處理機對DBF送來的時域數字序列進行FFT運算，得到譜域結果。結果通過接 口送至數據處理機；(8)數據處理機計算分析信號處理機提供的FFT功率譜，得到各個距離門的噪聲功率、 信號功率、信噪比、譜寬、置信度等基礎數據。經過進一步處理，可以由這些基礎數據得到風 廓線、風羽圖、矢量圖等產品文件。MST雷達信號及數據處理分析流程見圖3。本發(fā)明未涉及部分均與現有技術相同或可采用現有技術加以實現。
權利要求
1.一種數字陣列式MST雷達，其特征是它包括天線單元(1)、末級收發(fā)組件模塊(2)、 饋線網絡矩陣(3)、數字收發(fā)組件模塊(4)、頻率源(5)、數字波束合成模塊(6)、信號處理機 (7)和數據處理機(8)，所述的頻率源(5)的輸出與數字收發(fā)組件模塊(4)的發(fā)射信號輸入 端相連，數字收發(fā)組件模塊(4)的發(fā)射信號輸出端與饋線網絡矩陣(3)的發(fā)射信號輸入端 相連，饋線網絡矩陣(3)的發(fā)射信號輸出端與末級收發(fā)組件模塊(2)的發(fā)射信號輸入端連 接，末級收發(fā)組件模塊(2)的發(fā)射信號輸出端與天線單元(1)的信號發(fā)射端相連接；天線單 元(1)的信號接收端與末級收發(fā)組件模塊(2)的信號接收輸入端相連，末級收發(fā)組件模塊 (2)的信號接收輸出端通過饋線網絡矩陣(3)與數字收發(fā)組件模塊(4)上的接收信號輸入 端相連，數字收發(fā)組件模塊(4)上的接收信號輸出端與數字接收機的輸入端相連，數字接收 機的輸出端與數字波束合成模塊(6)的輸入端相連，數字波束合成模塊(6)的輸出端與信 號處理機(7)的輸入端相連，信號處理機(7)的輸出端與數據處理機(8)的輸入端相連，數 據處理機(8)的輸出端與遠程終端(9)和系統(tǒng)監(jiān)控裝置(10)的輸入端相連。
2.根據權利要求1所述的數字陣列式MST雷達，其特征是所述的天線單元(1)為八木 天線，天線單元(1)共有576 (24X24)個天線振子；所述的末級收發(fā)組件模塊(2)數量為 576 (24X24)個；所述的數字收發(fā)組件模塊(4)的數量為M個。
3.—種權利要求1所述的天線雷達的信號發(fā)射方法，其特征是它包括以下步驟(1)首先由頻率源產生源信號，所述的源信號輸入數字收入組件模塊的直接數字式頻 率合成器(DDS)通道，經頻率組合產生所需的工作頻率信號；每個DDS通道的工作頻率信號 經DDS移相后激勵輸出；每路輸出的幅度相等，插入相位差由軟件修正，DDS的差相移由指 令控制；(2)數字收發(fā)組件模塊激勵輸出的信號通過饋線電纜饋入數字收發(fā)組件模塊中的T/R 收發(fā)開關，T/R收發(fā)開關擲在發(fā)射態(tài)；每個T/R收發(fā)開關發(fā)射路經相等的功率增益后輸出到 輸出端口。
4.每個T/R收發(fā)開關有兩個輸出端口，分別為行輸出和列輸出端口；由波控控制所有 T/R收發(fā)開關的發(fā)射功率饋至其中的一個端口或另一個端口 ；(3)由所述的T/R收發(fā)開關輸出的功率信號通過饋線饋至行掃描或列掃描網絡矩陣， 這些饋線網絡的幅度相位相同；(4)饋線網絡矩陣再將信號輸出到末級收發(fā)組件模塊中；(5)在末級收發(fā)組件模塊(576個T/R組件)中，每個組件都將輸入的發(fā)射信號放大到 要求的發(fā)射功率，通過大功率開關饋到每個天線振子上；(6)最后由天線振子將信號發(fā)射到空中，進行空間合成，照射目標。
5.一種權利要求1所述的天線雷達的信號接收方法，其特征是它包括以下步驟(1由天線單元中的天線振子接收由空間散射回來的回波信號，通過饋線饋給末級收發(fā) 組件模塊；(2)每個末級收發(fā)組件模塊的接收通道都含有一個固定增益的低噪聲放大器，目的是 改善系統(tǒng)噪聲系數；(3)將末級收發(fā)組件模塊中經過預放大的回波信號通過饋線系統(tǒng)饋至M路行掃描或 M路列掃描饋線網絡矩陣模塊中，在饋線網絡矩陣模塊中完成回波信號的功率合成；(4)將合成后的回波信號再經過饋線饋至數字收發(fā)組件模塊中的T/R收發(fā)開關中，此時的T/R收發(fā)開關擲在接收態(tài)；(5)將T/R收發(fā)開關接收回來的信號經過饋線饋入數字接收機，進入接收機后，第一步 進行功率放大，然后進行數字直接采樣、正交；(6)將數字正交處理后的結果通過接口送給數字波束形成模塊中，進行配相和幅度加 權，形成指定指向的接收波束回波數字信號；再將該數字信號送信號處理機；(7)信號處理機對數字波束形成模塊送來的時域數字序列進行FFT運算，得到譜域結 果，再將得到的譜域結果通過接口送至數據處理機；(8)由數據處理機計算分析信號處理機提供的FFT功率譜，得到各個距離門的噪聲功 率、信號功率、信噪比、譜寬和置信度的基礎數據，再經過處理得到所需的風廓線、風羽圖和 矢量圖產品。
全文摘要
一種數字陣列式MST雷達，其特征是它包括天線單元(1)和數據處理機(8)等，所述的頻率源(5)與數字收發(fā)組件模塊(4)相連，數字收發(fā)組件模塊(4)與饋線網絡矩陣(3)相連，饋線網絡矩陣(3)與末級收發(fā)組件模塊(2)連接，末級收發(fā)組件模塊(2)與天線單元(1)連接；天線單元(1)與末級收發(fā)組件模塊(2)相連，末級收發(fā)組件模塊(2)通過饋線網絡矩陣(3)與數字收發(fā)組件模塊(4)相連，數字收發(fā)組件模塊(4)與數字接收機相連，數字接收機與數字波束合成模塊(6)相連，數字波束合成模塊(6)與信號處理機(7)相連，信號處理機(7)與數據處理機(8)相連，數據處理機(8)與遠程終端(9)和系統(tǒng)監(jiān)控裝置(10)相連。本發(fā)明穩(wěn)定性好，體積小，可靠性好，安裝調試方便。
文檔編號G01S7/02GK102141619SQ20101061799
公開日2011年8月3日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權日2010年12月31日
發(fā)明者劉一峰, 姚琪, 李忱 申請人:南京恩瑞特實業(yè)有限公司