基于雙頻毫米波技術的測云儀

安徽四創電子股份有限公司 孫華磊 蘇 濤 高 磊 楊邦宏

基于雙頻毫米波技術的測云儀

安徽四創電子股份有限公司 孫華磊 蘇 濤 高 磊 楊邦宏

本文介紹了一款基于雙頻毫米波技術的測云儀,該測云儀攻克雙頻毫米波測云、多參數信息融合處理等關鍵技術.開發W波段大功率速調管、毫米波雙頻共面天線等部件.通過系統集成,研制具有一定功能Ka/W波段雙頻毫米波測云儀樣機.該測云儀工作在Ka和W波段,采用雙極化脈沖多普勒體制,與一般測云設備不同的是,該測云儀除了能測量氣象目標的強度、徑向速度、譜寬和線性退極化比外,還可以通過對兩種波長測得的反射率比和速度差等相關參數進行處理,更精確的反演云目標的液態水含量和相態分布等特征.

雙毫米波;多通道微波輻射;多參數信息融合處理

1 背景與現狀

大氣水汽含量和云液態水含量是表征大氣特征的兩個重要物理量,是評估空中云水資源的重要指標,在云的生消演變、降水形成、大氣輻射、地球大氣的水循環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水含量隨時間的變化特征可以較好地反映天氣的變化,它是所有千變萬化的天氣系統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一步了解天氣系統從晴空大氣→云→降水的精細化物理結構和演變特征,提高對天氣系統發生發展的物理機制的認識,從而推動氣象學的不斷發展.

2 基于雙頻毫米波技術的測云儀

雙頻毫米波測云儀(以下簡稱"測云儀")結合當前先進的電子技術,借鑒W波段及Ka波段毫米波雷達的成熟技術進行研制開發,系統設計中包括了最新的雷達技術、結構/工藝技術、計算機軟件技術,同時融合多年來產品開發的寶貴經驗,整機性能技術指標先進、結構合理、工作穩定可靠,系統操作簡單方便.

測云儀采用雙頻段共面天線設計,饋源采用單口徑雙頻段饋源,可以滿足W波段及Ka波段同時探測.同時,測云儀采用雙發射機、接收機.W波段及Ka波段發射系統均采用速調管.接收分系統采用同一個頻綜器,兩個頻段回波經混頻后的分別輸出60MHz和50MHz的中頻信號兩部發射機采用同時工作或單獨工作模式.數字處理分系統采用統一模塊小型化高集成化設計,其中包含一個DSP運算模塊和兩個中頻數字接收機.雷達的伺服系統采用小型化設計,放置在天線下方的方位轉臺內,可以滿足儀器儀表的便攜性及無機柜化設計.

測云儀設計時利用測云系統成熟的經驗和技術.產品實施了單元機、模塊插件級電磁兼容設計、穩定可靠的散熱仿真設計,在電磁兼容性、微波輻射、工藝標準、模塊化、維修性、安全性、噪聲等方面均有充分的考慮;在生產過程中有嚴格的質量控制體系,貫徹執行一次成功的方針.完善的BIT設計也為產品的可靠運行和快速維修提供了有力的保障.

測云儀設計時,伺服系統控制靈活,可實現遠程全遙控操作,所有控制(包括開關發射機、天線掃描控制、開關電源等)均可通過終端軟件實現;數據傳輸方式采用標準TCP/IP方式,利于數據傳輸和共享,方便用戶判斷天氣發展趨勢,為短時預報提供可靠地數據支持.

測云儀在設計中將充分搜集和消化國外相關技術資料,確定測云儀在不同應用中的最佳工作模式,合理選擇探測器工作參數.

3 基于雙頻毫米波技術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不同的是,測云儀可以分別發射W波段和Ka波段的電磁波,能測量氣象目標的強度、徑向速度和譜寬外,還可以通過對回波的極化信息的處理,以進一步了解氣象粒子的相態和空間取向等特征.此外,可以根據不同波長的電磁對同一目標進行觀測,得到強度差及速度差等參數.

測云儀系統工作原理框圖如圖1所示.按主要功能可劃分為天饋線分系統、發射分系統、接收分系統、數字處理分系統、伺服分系統和終端處理分系統等.

圖1 測云儀系統框圖

測云儀系統的工作過程簡單描述如下:Ka波段、W波段發射機速調管輸出大功率射頻脈沖經耦合器(同時耦合輸出發射樣本,以方便發射信號檢測)、環行器、正交模耦合器到達饋源,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、雨等氣象目標時,便會產生后向散射,這也就是氣象目標的回波信號.假設天線輻射出去的是水平極化波,遇到云目標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環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.四路回波信號各自通過低噪聲放大和混頻后,形成中頻信號,經數字式中頻接收機處理后,得到反映信號強度和相位信息的數字式正交視頻信號I、Q,再送往DSP運算模塊.對DSP運算模塊I、Q信號進行雜波抑制、視頻積分處理(DVIP)、脈沖對(PPP)或快速傅立葉變換(FFT)等處理后,最終輸出氣象目標的回波強度、線性退極化比、徑向速度和譜寬等重要數據,并由終端處理分系統作數據換算、距離訂正等處理后完成實時或非實時產品顯示、存儲等功能,并可根據兩個波段的數據計算出強度差和速度差.

數字處理分系統負責全機的狀態控制及重要工作參數和故障信息監測.DSP運算模塊、伺服分系統均在內部均設立監控功能,收發監控板用于實現發射分系統、接收分系統的監控功能.各分系統工作狀態、重要工作參數及故障情況有各自監控模塊收集處理后送往數據終端處理和顯示.另一方面,監控分系統接收來自終端處理分系統的控制指令,向各分系統輸出相應的控制信號,實現雷達工作模式的控制和工作參數設置.

伺服分系統接收來自終端處理分系統的控制指令,經計算處理后產生相應的驅動信號,實施對天線方位和俯仰的掃描控制,同時將天線對應的方位、仰角數據傳送至信號處理器.

終端處理分系統對信號處理器輸出的回波數據進行綜合處理后,完成反射率因子Z、徑向速度V、譜寬W、線性退極化比LDR、雙頻段強度差和速度差等基本氣象產品的的生成、顯示和存儲.

4 結束語

雙頻毫米波測云儀是多波段主被動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,與一般測云設備不同的是,該測云儀除了能測量氣象目標的強度、徑向速度、譜寬和線性退極化比外,還可以通過對兩種波長測得的反射率比和速度差等相關參數進行處理,更精確的反演云目標的液態水含量和相態分布等特征.

雙頻毫米波測云儀不僅可以對云的狀態分布和形成發展提供長期有效的觀測,還能對其內部結構和相態分布提供有效數據,是云、霧探測的有效工具.