新疆WR-08XDD型X波段中频相参多普勒双偏振天气雷达研制.pdf

自动化技术与应用2 0 1 6 年第3 5 卷第5 期 行业应用与交流 n d u s t r i a lA D p l i c a t i o n sa n dC o m m u n i c a t i o n s 新疆W R 0 8 X D D 型X 波段中频相参多普勒 双偏振天气雷达研制 晏军黄刚 ( 新疆维吾尔自治区人工影响天气办公室，新疆乌鲁木齐8 3 0 0 0 2 ) 摘要：文章从雷达的硬件和软件两个部分，对雷达的构造原理、技术难点、实现方式及解决方案等方面进行了分析和阐述。发 现W R 一0 8 X D D 型双偏振多普勒天气雷达设计技术要求高，需要认真分析和解决多项关键技术点。有运行稳定、信号强、 可交替接收和发射、交替发射和接收，同时发射和同时接收等特点。我单位研制的W R 一0 8 X D D 型双偏振多普勒天气雷 达在同类产品中具有以下优点：1 在技术体制上采用中频相参技术，2 发射机采用体积小、功率大的同轴磁控管，3 接收 机采用数字中频技术，馈线部分采用双发双收技术，与“全固态”发射机方案一样置于天线后部，省去了方位与俯仰旋转 关节，4 馈线部分的连接波导也最短，更有利于双偏振雷达的实施，该方案的设计和改进在双偏振雷达领域尚属首创。 关键词：X 波段，多普勒，双偏振，天气雷达，研制简介 中图分类号：T N 9 5 4文献标识码：A文章编号：1 0 0 3 7 2 4 1 ( 2 0 1 6 ) 0 5 0 1 4 0 0 8 R e s e a r c ho fX i n j i a n gD e v e l o p e dT y p eW R - 0 8 X D DXB a n d In t e r m e di a t eF r e q u e n c yC o h e r e n tD o p p l e r D U a IP O l a r i z a t i O nW e a t h e rR a d a r ( X i n j i a n gW e a t h e rM o d i f i c a t i o nO f f i c e ，U r u m q i8 3 0 0 0 2C h i n a ) A b s t r a c t ：T h i sa r t i c l ea n a l y z e sa n de l a b o r a t e st h es t r u c t u r ep r i n c i p l e ，t e c h n i c a ld i f f i c u l t i e s ，r e a l i z a t i o nw a ya n ds o l u t i o ns c h e m eo n t h er a d a rf r o mt w op a r t s ：h a r d w a r ea n ds o f f w a r e I ti sn e c e s s a r yt oc a r e f u l l ya n a l y z ea n ds o l v ean u m b e ro fk e yt e c h n i c a l p o i n t sf o rt h eh i 曲r e q u i r e m e n to fd e s i g nt e c h n o l o g yo fW R - 0 8t y p ed u a lp o l a r i z a t i o nD o p p l e rw e a t h e rr a d a r ；I th a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fs t a b l eo p e r a t i o n ，s 仃o n gs i g n a l ，a l t e r n a t i v er e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n g ，r e c e v i n ga n dt r a n s m i t t i n ga ts a r l l e t i m e T h er e s e a r c h e dW R - 0 8X D D t y p ed u a lp o l a r i z a t i o nD o p p l e rw e a t h e rr a d a rh a sf o l l o w i n ga d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t h s a m et y p ep r o d u c t s ：( 1 ) a d o p t si n t e r m i d i a t ef r e q u e n c yc o h e r e n tt e c h n o l o g y ；( 2 ) a d o p t ss m a l ls i z e ，h i g hp o w e rc o a x i a l m a g e t r o nf o rt r a n s m i t t e r ；( 3 ) a d o p t sd i g i t a li n t e r m i d i a t ei n t e r m i d i a t ef r e q u e n c yt e c h n o l o g yf o rr e c e i v e r , a d o p t sd u a l t r a n s c e i v e rt e c h n o l o g yf o rf e e d e r , s a r l l ea st h e ”a l ls o l i ds t a t e ”t r a n s m i t t e rs c h e m e ，i ti sp l a c e do nt h er e a ro fa n t e r i n at o e l i m i n a t et h ea z i m u t ha n de l a v a t i o nr o t a r yj o i n t s ；( 4 ) c o n n e c t i n gw a v e g n i d ef e e d e rp a r ti ss h o r t e s t ，i ti sm o r ef a v o u rt ot h e i m p l e m e n t i o no fd u a lp o l a r i z a t i o nr a d a r T h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h es c h e m ei nt h ef i e l do fd u a lp o l a r i z a t i o n r a d a ri st h ef i r s ti n t r o d u c t i o n K e yw o r d s ：Xb a n d ；D o p p l e r ；d u a lp o l a r i z a t i o n ；w e a t h e rr a d a r ；r e s e a r c hp r o f i l e 1引言 天气雷达观测系统是人工增雨、防雹的重要监测手 基金项目：新疆人影科研基金资助( 编号2 0 1 4 0 0 1 ) 收稿日期：2 0 1 5 0 4 23 段。目前，新疆人工影响天气用于天气监测和作业指挥 主要有多普勒雷达和X 波段常规雷达两大部分，而其中 大部分X 波段常规雷达使用年限长、配件少、都已基本 停产，属于老旧型雷达。 万方数据 行业应用与交流 n d u s t r i a lA D p l i c a t J o n sa n dC o m m u n i c a t i o n s 自动化技术与应用 2 0 1 6 年第3 5 卷第5 期 随着新疆经济的快速发展，对于当前人影业务和技 术手段来说就提出了更高的技术要求。为了能够近一步 提高和加强人影业务指挥能力和现代化建设，除提升业 务人员自身素质外还需加大和改进各种探测作业设备的 更新换代和研发能力。针对这一实际要求，新疆人工影 响天气办公室与无锡立洋电子科技有限公司联合研制了 WR 一0 8 XDD 型双偏振多普勒天气雷达，这种雷达具有 双偏振和多普勒的两种功能。 2 构造原理 多普勒双偏振雷达主要由天馈线分系统、发射分系 统、接收分系统、天线控制分系统、监控分系统、配电 分系统、信号处理分系统和终端分系统( 前台处理软件、 后台处理软件) 等部分组成。 2 1 硬件结构 硬件主要由天线馈线分系统、发射分系统、接收分 系统、天线控制分系统、监控分系统、配电分系统等组成。 如图l 所示。 图1W R 一0 8 X D D 双偏振多普天气雷达硬件结构框图 基于双发双收技术体制，该雷达馈线分系统有两个 支路构成，确保垂直和水平微波通道性能的一致性。 接收机采用双路接收方案，分别接收垂直和水平回 波信号，确保两路接收信号的时序与性能的一致性。 发射机的磁控管产生的大功率脉冲微波经3 d b z 功 分器分成功率相等的两路，分别经过两路环形器发送到 正交模，正交模对输入的两路微波信号合成后产生水平 和垂直极化的合成微波经卡塞格伦反射面天线发射到空 中。发射出去的微波在水平和垂直极化方向上的功率及 相位有可能是不相等的，但反射回的微波信号由于目标 特性不同，其水平和垂直极化方向上的功率及相位有可 能不相等。回拨信号经卡塞格伦反射面天线接收后由正 交模还原呈水平和垂直极化的两路信号，两路信号分别 经环形器传输到T R 管、高放、混频器。混频器除了输 入水平和垂直极化的两路信号外，还输入一路由4 , ：L 耦 合到的发射脉冲的样本信号，作为数字中频接收机的相 位参考信号。该信号在时序上与两路回波信号不同，因 此可通过选通开关进行选择，数字中频接收机只需两路 输入。两路信号经数字中频接收机同时采样、分析，经 过光纤传输到信号处理系统，最后回波的特性由终端系 统输出显示。 2 1 1 天线馈线分系统 天线馈线分系统包括天线和馈线两部分，天线部分 由卡塞格伦天线组成如图2 所示。 馈线部分由小孔耦合器、功分器、环形器( 2 只) 、 放电管( 2 只) 、正交模耦合器以及若干段弯波导和直波 导组成。天线馈线分系统的基本功能在于将发射分系统 产生的高频电磁能传送到天线，向空间定向辐射；然后 接收从目标发射回来的电磁能传到接收分系统。本分系 统在工作时既要把发射分系统产生的大功率脉冲能量 传送到天线而不让进入接收分系统，又要把天线接收下 来的微弱回波信号送到接收分系统而不让进入发射分系 统，既要便于天线转动，又能保证电气连接性能良好。 由于是双偏振雷达，并且是共用一个发射分系统， 因此本雷达的天线馈线分系统还要将发射分系统产生的 高频电磁能分配成功率与相位相同的两路，并将两路高 频电磁能分配到水平垂直发射通道，最终通过正交模耦 合器合成后将含有水平与垂直偏振信息的回波信号分配 到水平与垂直接收通道，并且由接收分系统进行放大、 采集处理。 2 1 2 天线部分 雷达的天线采用卡塞格伦天线，它将辐射器所辐 射的电磁波能量经副反射面反射到抛物面反射体，再由 抛物面反射体聚集成束反射出去向空间定向辐射。考虑 到双偏振雷达探测的特殊性，本系统采取的技术方案是 万方数据 自动化技术与应用2 0 1 6 年第3 5 卷第5 期 圊 盈 行业应用与交流 n d u s t r i a lA p p l i c a t i o n sa n dC o m m u n i c a t i o n s 平面波时 ( “) ( b ) 图2 卡塞伦天线抛物面的反射特性图 天线采用卡塞格伦天线( 以下简称：卡式天线) 。卡式 天线与常规前馈式反射面天线相比具有连接波导短、天 线性能一致性好、交叉极化电平小( 一3