第七章新一代 天气雷达简介 ? 常规天气雷达 ： 强度信息 强度信息 ?反射率因子 反射率因子 ? 多普勒天气雷达 ： + 相位 相位 ? 平均速度和速度谱宽 平均速度和速度谱宽 ? 双极化多普勒天气雷达 ： + 极化 极化 ? 差分相移和差分反射率 差分相移和差分反射率 以及去极化率 以及去极化率 第七章新一代天气雷达简介 ? 多普勒天气雷达比常规雷达多出了相位 信息，因此可测速度，得到平均速度和 速度谱宽两个物理量。 ? 从现在起，我国新的天气雷达布点或升 级更新将使用 新一代多普勒天气雷达 新一代多普勒天气雷达 （ （ CINRAD） ） 。 国外天气雷达厂家 ? Lockheed Martin ：WSR-88D 、WSR-98D ? EEC(Enterprise Electronics Corporation) ： DWSR-8501S/K、 DWSR-2501C ? 德国 德国 Gematronik ：METEOR 500C/S、 METEOR 1500C/S ? 英国 英国 Plessey公司、美国 公司、美国 Raytheon ?天气雷达 ? 美国 美国 sigmet ?雷达信号处理及显示系统 国内天气雷达厂家 ? 敏视达公司 敏视达公司 (Beijing MetStar Radar Co.,Ltd) ： CINRAD SA/SB型 S波段多普勒天气雷达 CA/CB型C波段多普勒天气雷达 ? 国营锦江电机厂 国营锦江电机厂 (成都锦江电子系统工程有限 成都锦江电子系统工程有限 公司 公司 ) ： 714SD/CD型S 波段/C 波段多普勒天气雷达 ? 安徽四创电子股份有限公司： 安徽四创电子股份有限公司： 3830型C波段多普勒天气雷达 速调管放大器介绍 ? 速调管在雷达应用中十分重要。 ? 它具有高的平均和峰值功率、高增益、 高效率、高稳定、脉内低噪声等优良性 能。 ? 它能在复杂的脉冲压缩系统所要求的调 制波形下工作。 控制栅 调制腔间隙 （群聚腔间隙） 射频输入 电子的群聚 射频输出 捕获腔间隙 电子 集电极 灯丝 阴极 阳极 第一腔 （群聚腔） 漂移管 中间腔 最后腔 [捕获腔 ] 电子枪 射频段 集电极 三腔速调管的主要组成图 ? 电子枪 电子枪 由阴极、调制阳极或控制栅、和阳极组 成。 ? 左边部分是 阴极 阴极，它发射一束电子流，通过电子 枪聚集为窄的柱束。 ? 阴极的电子发射密度通常小于电子束的要求，所 以常采用一个大面积的阴极表面，其发射电子被 集中为高电子密度的窄波束。 ? 调制阳极或其他的电束控制极 调制阳极或其他的电束控制极 ，通常都被包括在 电子枪结构部分中，它的作用是对电子束实现脉 冲调制。相当于较低频率放大器的 LC谐振电路的 射频腔体，处在阴极电位上。 ? 电子并不是象其它管子那样让他们由阳极收集， 而是电子束把它的射频能量交给输出腔后，通过 集电极 集电极 收集将电子除去。 ? 调速管放大器可以通过接通及切断电子 束加速电压来进行脉冲调制，这类似于 三极管或磁控管的板极调制。 ? 在这种情况下调制器必须能够控制全负 荷电子束功率。当管子由射频输入信号 脉冲调制时，电子束电流必须交互接通 和切断，否则在射频脉冲之间的电子束 功率将白白消耗在收集极中，而管子的 效率降低。 脉冲调制 带宽 ? 速调管的频率由谐振腔确定。当所有的 腔体被调到同一频率上时，管子增益高 但带宽窄到约为百分之一。这种情况称 作同步调谐。 ? 通过参差调谐各个腔体，半功率带宽可 以增加到77MHz （大约2.8% 的带宽）， 但同时增益降到44dB。 调谐 ? 虽然普通速调管是窄频带的，但它们可以调谐在 一个宽频率范围内。 ? 一种简单的谐调机构是谐调腔内的弹性壁，其调 谐范围约为 2%~3%，谐调器的寿命比较有限。 ? 在腔内用一个可移动的电容元件（浆片）能够得 到10%~20% 的调谐范围，这种调谐器的寿命不是 问题，但谐调器增加了腔体的电容量，于是降低 了腔体的阻抗，因而在调谐范围的低频端带宽减 小。 CINRAD系统简介 ? MetStar： ： CINRAD SA CINRAD SB ? 784厂：714SD ? 四创 四创 : 3830 CINRAD SA 三大组成部分P245 ? 雷达数据采集 雷达数据采集 RDA [Radar Data Acquisition (RDA) Unit ]： ： 雷达头 雷达头 +数字中频 数字中频 +信号处理器 信号处理器 ? 产品生成 产品生成 RPG [ Radar Product Generator (RPG) ] ： ： 算法实现（计算机） 算法实现（计算机） ? 产品显示 产品显示 PUP [ Advanced Principal User Processor (PUP) Workstation ] ： ： 雷达的气 雷达的气 象产品 象产品 雷达数据采集RDA ? 由天线、馈线系统、发射机、接收机、信号处理机 和雷达监控主机组成? 完成微波的产生、功率放 大、发射、空域扫描、回波接收、放大、 正交解 调、模数变换、数据采集、杂波滤除、信息提取、 平滑滤波等功能 ?数据最终到达监控主机。 ? 雷达工作前的系统标定，雷达工作过程中的参数检 测，以及工作方式、工作状态的设定等，也在这里 完成。 ? 这部分可理解为感知。 产品生成RPG ? 通过宽带网络将雷达数据采集 RDA得到 的原始数据收集过来，进行二次处理， 将原始数据加工成可资气象使用的各种 气象应用产品。这部分由计算机及通信 系统完成。 ? 这部分可理解为思考与成像。 产品显示PUP ? 通过各种通信手段，将生成的各种气象 应用产品传送分发至不同需要的用户 端，并直观地显示出来。用户也可以主 动地交互参与资料的索取与分析。这部 分同样由计算机系统及通信系统完成。 ? 这部分可理解为推广与应用。 RDA ? 天线、馈线及伺服系统，发射机，接收 机，频率源，干扰检测（可选件），射频 测试源选择，信号处理器，故障检测[BIT 信息]，雷达监控系统[RDA工作状态] 天线 ? 窄主波束宽度： 3dB波束宽度0.99 ° ? 低付瓣电平： 第一付瓣－27dB ? 水平极化方式 天线座状态信息 电机过热 CPU数据奇偶错 天线座停止、无法停止 天线座自测、天线座初始化错 正常限位（ 1.2°～＋ 90.2°）、死限位（－ 2°～ ＋94°）、机械限位（－ 3°～＋ 95°） 天线座互锁 大齿轮油位低、齿轮箱油位低 天线座＋ 150电压（过压，欠压）。 馈线 ? 气密： 为使馈线系统能承受高功率传输，采 取密封并充以干燥空气。 ? 馈线系统组件： 直、弯、扭、软、过渡波导，环行 器，波导开关，定向耦合器，方位、俯 仰旋转关节，大、中、小功率负载等。 馈线状态信息 ? 馈线湿度、气压 ? 天线功率监视 ? 波导开关位置 ? 波导开关失效。 伺服系统 ? 方位范围：＋ 360° ? 俯仰范围：－1.2 °～＋90.2 ° ? 旋转角速度：0~36 °/s ? 故障状态信息：禁止、短路、过热、电 源过压、电源欠压、电源断等。 发射机P247 一、高频放大链 1、射频激励 接收机频综 ?发射信号源（射频脉冲） 峰值功率： 10mW ?放大 ?48W 脉冲宽度： 10uS 2、脉冲形成 对高频信号进行脉冲调制（波形包络整形） 高频脉冲前后沿> 0.12uS，波形接近正弦平方 3、可变衰减器 调节速调管输入端功率至最佳7.5W 4、速调管放大器 末级功率放大 增益约50dB 输出功率> 650kW 线性区工作，尽量减少非线性失真 5、电弧/反射保护组件 速调管? 高频电弧? 光敏管? 电信号? 报警 馈线系统? 高频反射? 检波?>95W ?报警? 切断高压 二、调制器、聚焦线圈 1、调制器： 即脉冲形成电路，其作用是用以形成长、 短调制高压脉冲： 人工线 ?充电至一定电压 ?触发脉冲 ?放电 ? 脉冲变压器 ?60～65kV调制脉冲 ?速调管 两个不同的人工线分别产生宽脉冲和窄脉冲。 2、聚焦线圈 速调管阴极 ?电子束 ?聚焦 ?细小电子束 ?以 便进行速度调制 聚焦线圈的电流由磁场电源产生。 三、电源 1、 调制器电源： 380V AC ?510V DC 2、低压电源 3、磁场电源 4、钛泵电源： 3kV 钛泵用于抽取速调管内的微量气体 5、灯丝电源 四、其它部件 同步、通风/冷却、控制/保护 、故障 重复循环 接收机P249 发 射 机 频率 产生 器 RF测试源 选择 接收机 前端 天线/天线座 故障定位 接 收 机 接 口 接收机通道信号处 理器 测 试 面 板 图 7.1.3 接收机组成框图 接收机 保护器 低噪声 放大器 预选 滤波器 混频 器 匹配 滤波器 同轴 延迟线 IF 衰减器 IF 放大器 I/Q相位 检波器 A/D 变换器 信号 处理器 RF测试信号 来自频率 产生器 RF输入采样 去FL STALO采样 去FL 衰减器 输入采样 去FL 来自频率 产生器 COHO COHO采样 去FL 信号 处理 器 干 扰 检 测 去FL 对 数 放 大 检 波 LOG输入采样 去FL AGC 控制 器 AGC测试命令 AGC时钟 AGC测试选择 衰减器位置数据 I Q LOG 去 测 试 面 板 图7.1.4 接收机通道框图 接收机通道 1、接收机保护器 发射功率 ?收发开关泄漏、驻波反射 ?损毁接收机 ?要求接收机前面加上保护器 保护器： 高功率二极管开关 + 无源二极管限幅器 在发射脉冲前(信号处理器发出)驱动? 二极管开 关处于高隔离状态 接收机通道 2、低噪声放大器 3、预选滤波器 4、混频/前置中放 5、匹配滤波 6、主对放检波器 7、同轴延迟线 8、AGC控制器 9、IF数控衰减器 10、IF放大/限幅器 11、I/Q 相位检波器 12、A/D 变换器 频率源 高稳定晶振 57.6MHz 分频器 6:1 合成器 移相器 合成器 缓冲器 电源 控制接口 主时钟 9.6MHz 射频激励信号fc 2.7-3.0GHz，10uS，10dBm 射频检测信号 2.7-3.0GHz 本振信号fl fl=fc+fi，fi=57.6MHz COHO信号 57.6MHz 频综产生的信号 干扰检测 来自 混频器 G+中放 G+滤波器 G-滤波器 对放滤波 对放滤波 干 扰 检 测 至 信 号 处 理 器 图 7.1.5 干扰检测框图 中频57.6MHz ，干扰 +/-6.5MHz 高端：64.05MHz 低端：51.05MHz 射频测试源选择 四位 开关 数控衰 减器 衰减控制 二位 开关 选择控制 至 预 选 滤 波 器 至 接 收 机 保 护 器 a. 频综RF测试 b. 速调管激励 c. 速调管输出采样(经微波延迟线) d. 射频噪声源(噪声二极管产生) 图7.1.6 测试信号选择 ab c d 故障检测 a j IF 10位 开关 对数放 大检波 器 …… RF 10位 开关 射频 检波 对放 RF/IF 监视 器 接收机对数视频 G(+)对数视频 G(-)对数视频 DC偏置补偿 至维护面板 至接收机接口 A/D测试数据时钟 接口输出选择 接收机测试选择 射频选择 A H …… BIT信息 a.混频器中频 A.频综本振 b.AGC衰幅器输入 B.频综射频 c.限幅器输入 C.混频器射频 d.限幅器输出 D.速调管驱动射频 e.COHO E.速调管输出射频 f.对数放大输入 F.四位开关输出射频 g.G（＋）中频 G.二位开关输入射频 h.G（－）中频 H.频综测度射频 i.G（＋）对放输入 j.G（－）对放输入 信号处理器 1、硬件（硬线）信号处理器 Hardwired Signal Processor 由两块电路板 HSPA、 HSPB组成，主要器件是 可编程逻辑器件（ PLD），任务如下： 1）与接收机接口交换数据 2）对 I/Q及LOG 数据进行预标定 3）产生全机定时及同步信号 4） HSP接收并处理来自A/D 变换器的数据，然 后送往可编程信号处理（ PSP）。 2、 可编程信号处理器（ PSP） 处理接收机输出信息，处理结果送 RDASC 计算机。处理功能有：地物杂波抑制，计算基 数据， RDA标定，性能监测，故障定位。 3、计算基数据 计算回波功率，地物杂波抑制，点杂波检 测及消除，谱矩计算（反射率、速度、谱 宽），距离解模糊，反射率标定（距离平方， 大气衰减，雷达增益）和数据格式化。 4、 RDA标定 测量偏置功率和噪声功率，收集基频 傅立叶系数和输入数据。它们用于系统 标定及状态报告中。 5、性能监测 /故障定位 在系统不生成基数据期间，监测在高 频端注入的RF 信号和在HSP 注入的数字 测试信号，存储器奇偶校验，进行故障 检测及定位。 雷达监控系统 ? 由RDA监控计算机运行 RDASC监 控程序来 完成雷达系统的实时监控任务 ? 雷达系统各分机及部件中的各个传感器 及控制执行机制是实现上述功能的硬件 基础。 ? RDASC处理器控制雷达的运行，监测各部 分的工作状态，控制天线扫描及定位以 及至RPG的宽带通信线路。 监控功能 1、监测和标定RDA硬件 收集来自RDA设备每一部件的状态性 能指标。这些数据可直接来自传感器或 其它程序。这一功能确定了标定、状态 及性能监测的顺序，尤其是那些于雷达 数据采集工作同时进行的测试。此外， 该功能还计算标定参数，发出状态和报 警信息。 2、形成RDA数据 接收来自信号处理的基数据（反射率、速度、 谱宽），加上标题信息如时间、方位、仰角和校准 参数，组成数据块，向RPG传送。 3、管理宽带数据 控制与RPG连接的宽带接口，监测宽带链路的状 态。传送给RPG的数据包基数据、RDA状态及报警等 数据。从RPG传给R DA的数据包进行方式控制命令、 RDA功能命令、体扫选择、RDA状态请求等。 4、控制RDA 控制RDA包括运行方式，配置和状态，定时信 息，启动，重启动和关机，掉电恢复体扫方式，信 号处理和波形参数等控制。 RDA工作状态 ?RDA功能区的工作状态分为运行、待 机、脱机和回放四种状态 数字中频接收机原理模型 ADC NCO cos sin IF I Q 图7.2.1 欠采样， 数字I/Q解调 采样变频 7 1 MHz 0 2 fs/2 36 fs 3fs/2 2fs 5fs/2 3fs 7fs/2 4fs 9fs/2 π 2π 3π 4π 5π 6π 7π 8π 9π 9.6 24 48 57.6 72 96 120 144 168 192 216 基波(55-60MHz) 2次谐波(110-120MHz) 3次谐波(165-180MHz) 样后频谱分布[First Nyquist Zone]欠采 图7.2.2 欠采样及变频图示 欠采样 又称谐波采样，依据Shannon 通带采样原 理：若采样频率 fs、中频中心频率 fo、信 号带宽2B三者满足： (2fo+B)/(K+1)≤ fs≤ (2fo-B)/K K为满足 (fo/B-1)≥K条件的任意正整数， 或当fs≥2B时、 K为任意正整数， 则原信号被不失真采样。 处理增益 如果采样频率 fs用得比两倍带宽2BW 更大 的频率，然后再对信号进行抽取，则信 噪比SNR 将有所改善： SNR = 6.02 N + 1.76 + 10log(fs/2BW) (dB) 采样频率的提高将导致SNR 的改善。这一 抽取过程获得了处理增益 10log(fs/2BW)。 饱和校正处理 设中频为A*sin(wt) ，则饱和采样后，通过 中频处理，高次谐波被抑制，1 次谐波 a1*sin(wt)就是输出。 通过a1 和A的关系可补偿欠饱和信号： ? ? ? ? ? ? ? ? ?+?= 2 1 1 1 arcsin 2 1 AA Aa π 输入调理电路 放大驱动 IF输入 带通滤波缓冲 噪声发生器放大滤波驱动 [∑ 缓冲 驱动 欠采样 ADC 磁隔离 COHO 数字下变频 GC4016 初始化单元 隔离驱动 限带噪声 时钟信号处理 DDS相参采样 时钟发生器 FIFO 3*CY7C465 18-24bit 2x1.2MSPS 光纤驱动 光纤接收接口控制 去 HSP 接 口 触发信号 DIF_ADC：ADC采集单元 DIF_PDC：DDC处理单元 图7.2.3 数字中频接收机原理图 饱和处理 DDS相参 时钟发生器 配置单元 PLD 图7.2.4 数 字中频接收机