CN103323850A - 一种双线偏振多普勒天气雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双线偏振多普勒天气雷达系统，包括室外和室内两个部分，所述的室外部分包括天线伺服分系统、发射分系统、接收分系统、监控标校分系统、配电分系统；所述的室内部分包括信号处理终端、用户分系统。本发明采用独创的信号链路设计，减小了设备量，提高了系统的可靠性；采用多通道信号处理的方式，实现双线多普勒天气雷达所有参量的同时测量，提高了探测数据的时效性；采用基于GPU信号处理技术，提高了双线信号处理能力；采用独特的双通道全路径收发标校技术，减小了雷达系统的双通道收发系统误差，为提高探测数据质量提供了有效保证。

Description

一种双线偏振多普勒天气雷达系统

技术领域

本发明属于天气雷达的技术领域。具体地说，本发明涉及一种双线偏振多普勒天气雷达系统。

背景技术

1、X波段固态双线偏振多普勒天气雷达，是天气雷达未来发展的一个方向中。目前，该雷达体制在信号链路设计、双通道标定和参量探测的实时性均存在不足之处，因而所获取的探测资料难以得到充分有效的利用。其缺点如下：

(1)、信号系统链路设计复杂；

(2)、接收、发射双通道和极化馈线网络标校不完善；

(3)、双偏振参量(LDR)探测时效性差。

2、现有信号处理中采用的专用DSP信号处理技术，给系统升级维护带来不便。

3、在现有技术的结构设计中，天线反射面裸露在外，没有保护罩，易受污染，迎面抗风性能比较低。

4、没有现场视频图像采集功能。

发明内容

本发明提供一种双线偏振多普勒天气雷达系统，其目的是简化设备、提高系统信号处理能力和探测性能、增强系统探测的时效性以及提高系统的可靠性。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明提供的双线偏振多普勒天气雷达系统包括室外和室内两个部分，其特征在于：所述的室外部分包括天线伺服分系统、发射分系统、接收分系统、监控标校分系统、配电分系统；所述的室内部分包括信号处理终端、用户分系统。

所述的雷达系统信号链路采用双载频信号设计。

所述的信号处理终端采用基于GPU信号处理技术的处理单元。

所述的监控标校分系统为双通道全路径收发标校技术的分系统。

所述的天线伺服分系统采用旋转抛物面天线，并设有抛物面保护罩。

本发明采用上述技术方案，具有以下效果：

1、采用独创的信号链路设计，简化了现有技术中的双偏振多普勒天气雷达系统复杂的馈电和开关网络，减小了设备量，提高了系统的可靠性。

2、采用多通道信号处理的方式，实现双线多普勒天气雷达所有参量的快速同步测量，提高了探测数据的时效性。

3、首次基于GPU信号处理技术，极大地提高了双线偏振雷达的信号处理能力，更好地满足双线偏振雷达的所有参量的实时测量和多画面同步显示，并为气象目标的3D复原显示提供了可能性。

4、独特的双通道全路径收发标校技术，极大地减小了雷达系统的双通道收发系统误差，为提高探测数据质量提供了有效保证。

5、在结构方面，采用抛物面保护罩设计，不仅提高了雷达的抗风能力，还减少了反射面的污染，对馈线网络起到了保护作用。

6、首次在气象雷达中，采用视频图像采集装置，可实时录取现场天气景象和场景特征，为天气预报和研究提供具有真实场景参考的历史依据。

附图说明

图1为本发明的结构示意图

图2为图1所示结构的侧面示意图；

图3为本发明的远程多用户终端组成示意图；

图4为本发明中的信号处理分系统(终端)组成示意图；

图5本发明的系统框图；

图6为典型的双发双收雷达系统框图；

图7为GPU中的更多晶体管用于数据处理的示意图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

一、概述：

如图1、图2所示的本发明的结构，是一种双线偏振多普勒天气雷达系统，由室外和室内两个部分组成。本发明在多载频信号链路设计、四通道信号处理技术、基于GPU信号处理技术、双通道全路径收发标校技术、现场视频图像采集技术等多项技术中取得突出进步。

为了解决现有技术存在的问题并克服其缺陷，实现简化设备、提高系统的可靠性、提高探测数据的时效性以及提高信号的处理能力的发明目的，本发明采取的技术方案为：

如图3和图4所示，在该双线偏振多普勒天气雷达系统中，其室外部分由天线伺服分系统、发射分系统、接收分系统、监控标校分系统、配电分系统等组成；其室内部分由信号处理终端、用户分系统等组成。

图6为典型的双发双收双偏振雷达系统组成框图，该系统中水平和垂直极化是同一种信号，通过使用大功率组合开关双极化测量和退极化测量，具体过程为：在终端控制下，在实现双极化探测时，由执行电机控制使得大功率组合开关具备功分器功能，实现Zdr、Kdp等探测。在探测LDR时，由执行电机控制使得大功率组合开关具备单向开关功能，即只发射水平极化信号，接收水平和垂直极化回波，从而得到LDR。

上述可见，由于系统包含了执行机构电机的存在，无论在体积和可靠性等方面都受到限制。

而本发明采取的技术方案是：

1、采用双线偏振雷达信号链路设计：

本雷达采用双信号链路设计，即波形激励为两个信号源，发射机为两个(H/V)相互独立通道，这样系统可以通过选频方式直接处理水平通道和垂直通道的回波信号，两个通道误差采用本方案的标校方式进行校准，系统组成结构如图5所示。

本发明采用独创的信号链路设计，简化了现有技术中的双偏振多普勒天气雷达系统复杂的馈电和开关网络，减小了设备量，提高了系统的可靠性；采用多通道信号处理，实现了双线多普勒天气雷达所有参量的同时测量，提高了探测数据的时效性。首次基于GPU信号处理技术，极大地提高了双线偏振雷达的信号处理能力，很好地满足了双线偏振雷达的所有参量的实时测量，并为气象目标的3D及复原显示提供了可能性。

2、采用多通道信号处理技术：

从本发明框图5中可见，在接收机H中，除了有自身通道回波外，还有V通道的退极化回波，同样的在接收机V中，除了有自身通道回波外，还有H通道的退极化回波。由于本发明采用双频体制，因此采用多(四)通道数字中频接收机可直接提取四路回波信号，从而实现Zdr、Kdp、LDR等双偏振所有参数实时探测，而现有的双偏振雷达则不能。

二、所述的信号处理终端采用基于GPU信号处理技术。

由于本发明系统采用开放式信号处理技术，即由数字中频接收机进行预处理，通过光纤把四通道数据信号传送到室内电脑终端，由终端电脑直接进行双偏振信号的处理，因此对终端电脑提出了更高的要求。基于目前主流处理器芯片为多核CPU和多核GPU，同时双偏振多普勒天气雷达迫切需要实时、高清晰度的3D图形，可编程的GPU已成为一种高度并行化、多线程、多核的处理器的首选，其具有杰出的计算功率和极高的存储器带宽，原因就在于GPU专为计算密集型、高度并行化的计算而设计，因而，GPU的设计能使更多晶体管用于数据处理，而非数据缓存和流控制。

如图7所示：

更具体地说，GPU专用于解决可表示为数据并行计算的问题——在许多数据元素上并行执行的程序，具有极高的计算密度(数学运算与存储器运算的比率)。由于所有数据元素都执行相同的程序，因此对精密流控制的要求不高；由于在许多数据元素上运行，且具有较高的计算密度，因而可通过计算隐藏存储器访问延迟，而不必使用较大的数据缓存。

数据并行处理会将数据元素映射到并行处理线程。许多处理大型数据集的应用程序都可使用数据并行编程模型来加速计算。在3D渲染中，大量的像素和顶点集将映射到并行线程。类似地，图像和媒体护理应用程序(如渲染图像的后期处理、视频编码和解码、图像缩放、立体视觉和模式识别等)可将图像块和像素映射到并行处理线程。实际上，在图像渲染和处理领域之外的许多算法也都是通过数据并行处理加速的——从普通信号处理或物理仿真一直到数理金融或数理生物学。

在程序设计方面，CUDA编程模型非常适合公开GPU的并行功能。最新一代的NVIDIA GPU基于Tesla架构(在附录A中可以查看所有支持CUDA的GPU列表)，支持CUDA编程模型，可显著加速CUDA应用程序。

三、所述的监控标校分系统为双通道全路径收发标校技术的分系统。

本发明采用独创的标校方式，即通过天线馈源作为标定点，使得发射信号通路和接收通道全面检测和标校，而现有的雷达没有对馈源和发射通道进行标校。

独特的双通道全路径收发标校技术，极大地减小了雷达系统的双通道收发系统误差，为提高探测数据质量提供了有效保证。

四、所述的监控标校分系统用于：

1)、接收APC01分系统监控数据；

2)、接收TX02分系统监控数据；

3)、接收RX03分系统监控数据；

4)、显示SPTE04分系统监控数据；

5)、产生标校所需的各种时序信号；

6)、对发射双通道进行幅度、相位标校以及初相校准；

7)、对接收双通道进行幅度、相位标校以及进行噪声标定；

8)、环境要求：-40℃～+55℃。

五、所述的天线伺服分系统采用旋转抛物面天线，并设有旋转抛物面保护罩。

采用抛物面保护罩设计，不仅提高了雷达的抗风能力，还减少了反射面的污染，对馈线网络起到了保护作用。

见图1和图2。

六、所述的天线伺服分系的参数为：

天线形式：旋转抛物面；

1)、频率：X波段；

2)、极化方式：水平、垂直双线性极化；

3)、直径：1.8m；

4)、增益：≥40dB；

5)、副瓣电平：≤-27dB；

6)、电轴指向波束主轴方向差：≤0.1°；

7)、天线扫描方式：PPI、RHI、体扫、扇扫、定点；

8)、天线扫描范围：方位0～360°；俯仰0～90°；

9)、天线扫描速度：方位1～4rpm；俯仰1～2rpm；

10)、抗风能力(阵风)：6级风能工作，8级风不受损失；

七、所述的发射分系统的参数为：

1)、工作频率：X波段；

2)、输出功率：≥150W；(独立双发射机)

3)、最大脉宽：100uS，占空比＞20％；

4)、重复频率：400Hz～4kHz；

5)、幅度一致性：±1dB；

6)、相位一致性：±10°。

7)、连续工作时间：不低于24h；

8)、环境要求：-40℃～+55℃。

八、所述的接收分系统的参数为：

1)、工作频率：X波段(双通道)；

2)、接收机增益：40dB±3dB；

3)、噪声系数：≤3.0dB；

4)、中频频率：IF1，IF2；

5)、中频带宽3dB：IF1±2.5MHz，IF2±2.5MHz；

6)、中频输出最大幅度：10dBm；

7)、幅度一致性：±0.5dB；

8)、相位一致性：±10°；

9)、环境要求：-40℃～+55℃。

九、所述的天气雷达系统设有视频图像采集装置。

首次在气象雷达中，采用视频图像采集装置，可实时录取现场天气景象和场景特征，为天气预报和研究提供具有真实场景参考的历史依据，如图1所示。

十、所述的天气雷达系统设有频综分系统，所述的频综分系统参数为：

1)、本振信号：X波段；

2)、双通道上变频：X波段；

3)、波形信号：IF1，IF2；

4)、输出标校信号：强度、速度；

5)、参考信号：100MHz

i.相位噪声：＜-160dBc/Hz，1kHz；

ii.频率稳定度：＜3×10^-11/ms。

6)、环境要求：-40℃～+55℃。

十一、所述的信号处理终端的软件及气象产品包括：

1)、主要处理功能：PPP、FFT、自适应杂波抑制、基于随机相位编码的二次回波消除及恢复。

2)、基本物理量：

Z强度、V速度、W谱宽、ZDR差分反射率、KDP差分相移传播常数、LDR退极化比以及16位的I/Q、特定距离单元的多普勒功率谱；

3)、基本数据产品：

平面位置显示PPI、距离高度显示RHI、等高面位置显示CAPPI、组合反射率因子CR。

4)、物理量产品：

回波顶高平面位置显示ETPPI、回波底高平面位置显示EBPPI、一小时累积降水量OHP、三小时累积降水量THP、风暴总累积降水量STP、垂直积分液态水VIL、方位涡度显示ARD、径向散度显示RVD、合成切变CS、分层组合湍流CTA。

5)、风场产品：

速度方位显示VAD、VAD风廓线VWP。

6)、强天气识别产品：

风暴结构SS、冰雹指数HI、风暴追踪信息STI、中尺度气旋M、龙卷涡旋特征TVS、下击暴流DB。

7)、图形处理：

多层图形显示：同时显示多个CAPPI(等高面位置显示)；

多画面显示：在同一屏幕上可显示多于4幅及以上画面；

动画：动画速度可变，可手动动画，动画幅数由产品规范确定；

图形放大、漫游；

图形存储和背景图加载；

直方图显示；

等值线显示；

漫游引导：通过游标录取并显示游标所在点的方位、距离、高度、回波强度、速度等信息。

8)、雷达控制及管理软件：雷达控制软件、雷达整机监控、故障报警软件、雷达标定校准软件、雷达数据管理软件、网络通信软件。

十二、所述的配电分系统的参数为：

1)、输入电压：220Vac，频率：50Hz；

2)、功率：≤2kVA。

十三、多用户分系统：

本系统采用开放式数据处理模式，用户通过被授权或共享方式获取产品原始资料，并应用自己的算法开发出更多所需的气象产品。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，各个技术方案的不同组合方式的应用，可以获得更佳的技术效果。显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双线偏振多普勒天气雷达系统，包括室外和室内两个部分，其特征在于：所述的室外部分包括天线伺服分系统、发射分系统、接收分系统、监控标校分系统、配电分系统；所述的室内部分包括信号处理终端、用户分系统。

2.按照权利要求1所述的双线偏振多普勒天气雷达系统，其特征在于：所述的雷达系统采用链路设计，所述的信号处理终端采用基于GPU信号处理技术。

3.按照权利要求1所述的双线偏振多普勒天气雷达系统，其特征在于：所述的监控标校分系统为双通道全路径收发标校技术的分系统；该系统用于：

1)、接收APC01分系统监控数据；

2)、接收TX02分系统监控数据；

3)、接收RX03分系统监控数据；

4)、显示SPTE04分系统监控数据；

5)、产生标校所需的各种时序信号；

6)、对发射双通道进行幅度、相位标校以及初相校准；

7)、对接收双通道进行幅度、相位标校以及进行噪声标定。

4.按照权利要求1所述的双线偏振多普勒天气雷达系统，其特征在于：所述的天线伺服分系统采用旋转抛物面天线，并设有旋转抛物面保护罩；该分系统的参数为：

1)、频率：X波段；

2)、极化方式：水平、垂直的双线性极化；

3)、直径：1.8m；

4)、增益：≥40dB；

5)、副瓣电平：≤-27dB；

6)、电轴指向波束主轴方向差：≤0.1°；

7)、天线扫描方式：PPI、RHI、体扫、扇扫、定点；

8)、天线扫描范围：方位0～360°；俯仰0～90°；

9)、天线扫描速度：方位1～4rpm；俯仰1～2rpm。

5.按照权利要求1所述的双线偏振多普勒天气雷达系统，其特征在于：所述的发射分系统的参数为：

1)、工作频率：X波段；

2)、输出功率：≥150W，独立双发射机；

3)、最大脉宽：100uS，占空比＞20％；

4)、重复频率：400Hz～4kHz；

5)、幅度一致性：±1dB；

6)、相位一致性：±10°。

6.按照权利要求1所述的双线偏振多普勒天气雷达系统，其特征在于：所述的接收分系统的参数为：

1)、工作频率：X波段，双通道；

2)、接收机增益：40dB±3dB；

3)、噪声系数：≤3.0dB；

4)、中频频率：IF1，IF2；

5)、中频带宽3dB：IF1±2.5MHz，IF2±2.5MHz；

6)、中频输出最大幅度：10dBm；

7)、幅度一致性：±0.5dB；

8)、相位一致性：±10°。

7.按照权利要求1所述的双线偏振多普勒天气雷达系统，其特征在于：所述的天气雷达系统设有视频图像采集装置。

8.按照权利要求1所述的双线偏振多普勒天气雷达系统，其特征在于：所述的天气雷达系统设有频综分系统，所述的频综分系统参数为：

1)、本振信号：X波段；

2)、双通道上变频：X波段；

3)、波形信号：IF1，IF2；

4)、输出标校信号：强度、速度；

5)、参考信号：100MHz

i.相位噪声：＜-160dBc/Hz，1kHz；

ii.频率稳定度：＜3×10^-11/ms。

9.按照权利要求1所述的双线偏振多普勒天气雷达系统，其特征在于：所述的信号处理终端的软件及气象产品包括：

1)、主要处理功能：PPP、FFT、自适应杂波抑制、基于随机相位编码的二次回波消除及恢复；

2)、基本物理量：

Z强度、V速度、W谱宽、ZDR差分发射率、KDP差分相移传播常数、LDR退极化比以及16位的I/Q、特定距离单元的多普勒功率谱；

3)、基本数据产品：

平面位置显示PPI、距离高度显示RHI、等高面位置显示CAPPI、组合反射率因子CR；

4)、物理量产品：

回波顶高平面位置显示ETPPI、回波底高平面位置显示EBPPI、一小时累积降水量OHP、三小时累积降水量THP、风暴总累积降水量STP、垂直积分液态水VIL、方位涡度显示ARD、径向散度显示RVD、合成切变CS、分层组合湍流CTA；

5)、风场产品：

速度方位显示VAD、VAD风廓线VWP；

6)、强天气识别产品：

风暴结构SS、冰雹指数HI、风暴追踪信息STI、中尺度气旋M、龙卷涡旋特征TVS、下击暴流DB；

7)、图形处理：

多层图形显示：同时显示多个CAPPI，即等高面位置显示；

多画面显示：在同一屏幕上可显示多于4幅及以上画面；

动画：动画速度可变，可手动动画，动画幅数由产品规范确定；

图形放大、漫游；

图形存储和背景图加载；

直方图显示；

等值线显示；

漫游引导：通过游标录取并显示游标所在点的方位、距离、高度、回波强度、速度等信息；

8)、雷达控制及管理软件：雷达控制软件、雷达整机监控、故障报警软件、雷达标定校准软件、雷达数据管理软件、网络通信软件。

10.按照权利要求1所述的双线偏振多普勒天气雷达系统，其特征在于：所述的配电分系统的参数为：

1)、输入电压：220Vac，频率：50Hz；

2)、功率：≤2kVA。

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