CN111505615A - 一种横向圆柱面双偏振相控阵模块及雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种横向圆柱面双偏振相控阵模块及雷达系统，属于雷达技术领域。本发明横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统包括：共形相控阵模块，包括N个一维双偏振线阵行馈和相应的行馈级功分网络，行馈在俯仰向以圆弧共形方式均匀排列；数字多通道收发模块；软件化信息处理模块；工作时阵面能够在方位向转动；彼此相邻的P个工作行馈所在的曲面构成共形相控阵模块的有效利用口径，通过选取彼此相邻的P个工作行馈来改变工作行馈所在曲面的物理位置，进而改变有效利用口径，实现俯仰波束电子扫描；在电子扫描过程中，主波束始终垂直于有效利用口径。本发明能实现方位向和俯仰向波束无损扫描。
Description
技术领域
本发明属于雷达管理技术领域，具体涉及一种横向圆柱面双偏振相控阵模块及雷达系统。
背景技术
雷暴、大风、强降水、冰雹、龙卷、下击暴流等危险性天气，对社会生活和国民经济发展影响极大。天气雷达是探测预警各类危险性天气的最有效手段，但现役业务使用的天气雷达普遍采用抛物面天线和机械扫描体制，难以实现对危险天气系统进行快速、精确探测，更无法分辨这些天气系统内部复杂的动力结构，带来预测失败等不足。
相控阵天气雷达扫描速度快、全空域监控探测能力强，可克服现行天气雷达的不足，有助于早发现、早预警、早决断，以减少灾害天气带来的损失，是下一代气象雷达探测技术发展主要方向。但目前在役和在制的相控阵天气雷达大都为平面相控阵体制，其波束宽度θBW随扫描角变化如公式(1)所示：
其中，k是波束宽度因子，例如，均匀口径照射下，阵列3dB波束宽度的波束宽度因子k＝0.886；λ是自由空间的波长，θ0是扫描角，L是天线的口径长度。
随着波束扫描角的增大，平面相控阵的波束宽度会变宽，天线增益下降，电磁波对天气目标的照射范围也不断增大，同时平面阵列辐射单元互耦、双偏振一致与稳定性都产生非线性变化，对天气目标定量探测与识别的准确度造成严重影响。
为解决平面相控阵的波束扫描引起的一系列损失，申请号为CN201780050865.0PCT申请公开了一种适合用于蜂窝和其它通信系统的多频带多波束透镜式天线，采用了垂直圆柱型相控阵，可实现方位波束无损电扫，但俯仰向仍然存在波束有损扫描。
发明内容
本发明目的是提供一种横向圆柱面双偏振相控阵模块及雷达系统，能实现方位向和俯仰向波束无损扫描。
具体地说，一方面，本发明提供了一种横向圆柱面双偏振共形相控阵模块，包括N个一维双偏振线阵行馈(11)和相应的行馈级功分网络，N个一维双偏振线阵行馈(11)在俯仰向以圆弧共形方式均匀排列在横向圆柱面双偏振相控阵阵面上。
进一步的，每行一维双偏振线阵行馈(11)包含水平等间距排列的J个行馈内双偏振子阵(111)，每行一维双偏振线阵行馈(11)内的行馈内双偏振子阵(111)通过行馈级功分网络连接。
进一步的，一维双偏振线阵行馈(11)通过三维堆叠集成而成，每个所述行馈内双偏振子阵(111)包含：
辐射单元层(1111)，采用双偏振共形天线发射电磁波和接收目标反射回波；
单元馈电层(1112)，设置有两组相互垂直放置的H型缝隙；
子阵级馈电网络层(1113)，包含两个子阵级功分网络，每个子阵级功分网络对应单元馈电层(1112)的一组H型缝隙；
子阵级T/R组件层(1114)，通过所述行馈级功分网络与行馈级数字T/R组件(21)连接，各一维双偏振线阵行馈(11)与各数字收发模块(20)通道一一对应，即行馈级功分网络的水平、垂直偏振馈电端口分别对应行馈级数字T/R组件的H、V通道，用于电磁波能量的末级发射和目标回波信号的接收、放大。
进一步的，所述双偏振共形天线为双偏振微带贴片，每个行馈内双偏振子阵(111)的辐射单元层包括若干个双偏振微带贴片。
进一步的，所述工作行馈的数量P由有效利用口径长度L及行馈尺寸计算得到，有效利用口径长度L由横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统需满足的波束宽度θBW按下式计算得到：
其中，k是波束宽度因子，λ是自由空间波长，θ0是电子扫描时的扫描角。
另一方面，本发明还提供了一种横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统，包括：
共形相控阵模块(10)，包括N个一维双偏振线阵行馈(11)和相应的行馈级功分网络，N个一维双偏振线阵行馈(11)在俯仰向以圆弧共形方式均匀排列在横向圆柱面双偏振相控阵阵面上；
数字多通道收发模块(20)，包括行馈级数字T/R组件(21)、数字传输网络(22)，行馈级数字T/R组件(21)与共形相控阵模块(10)通过行馈级功分网络集成；
软件化信息处理模块(30)，包括DBF(31)、信号处理/数据处理(32)，系统控制终端(34)子模块；DBF完成雷达多种探测模式下的波束形成功能；信号处理/数据处理(32)对雷达信号进行处理；
工作时横向圆柱面双偏振相控阵阵面能够在方位向转动；处于工作状态的一维双偏振线阵行馈(11)作为工作行馈，彼此相邻的P个工作行馈所在的曲面构成共形相控阵模块(10)的有效利用口径，通过系统控制终端(34)子模块从N个一维双偏振线阵行馈(11)中选取彼此相邻的P个工作行馈，来改变工作行馈所在曲面的物理位置，进而改变有效利用口径，实现俯仰波束电子扫描；在电子扫描过程中，主波束始终垂直于有效利用口径。
进一步的，每行一维双偏振线阵行馈(11)包含水平等间距排列的J个行馈内双偏振子阵(111)，每行一维双偏振线阵行馈(11)内的行馈内双偏振子阵(111)通过行馈级功分网络连接。
进一步的，一维双偏振线阵行馈(11)通过三维堆叠集成而成，每个所述行馈内双偏振子阵(111)包含：
辐射单元层(1111)，采用双偏振共形天线发射电磁波和接收目标反射回波；
单元馈电层(1112)，设置有两组相互垂直放置的H型缝隙；
子阵级馈电网络层(1113)，包含两个子阵级功分网络，每个子阵级功分网络对应单元馈电层的一组H型缝隙；
子阵级T/R组件层(1114)，通过所述行馈级功分网络与行馈级数字T/R组件(21)连接，各一维双偏振线阵行馈(11)与各数字收发模块(20)通道一一对应，即行馈级功分网络的水平、垂直偏振馈电端口分别对应行馈级数字T/R组件的H、V通道，用于电磁波能量的末级发射和目标回波信号的接收、放大。
进一步的，所述双偏振共形天线为双偏振微带贴片，每个行馈内双偏振子阵(111)的辐射单元层包括若干个双偏振微带贴片。
进一步的，所述数字多通道收发模块(20)：
发射时，由DDS实现发射激励信号的产生、上变频、放大，并由行馈级功分网络送至子阵级T/R组件(1114)，推动子阵级T/R组件内发射通道产生大功率发射信号；
接收时，双偏振天线接收信号经子阵级T/R组件放大和行馈级功分网络合成后，送至数字多通道收发模块(20)，进行放大、滤波、下变频和A/D采样，转化为数字接收信号。
进一步的，系统控制终端(34)子模块控制数字多通道收发组件(20)中行馈级数字T/R组件(21)的H和/或V通道，决定辐射单元层(1111)的偏振方式，最终决定共形相控阵模块(10)的偏振工作模式。
进一步的，所述工作行馈的数量P由有效利用口径长度L及行馈尺寸计算得到，有效利用口径长度L由横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统需满足的波束宽度θBW按下式计算得到：
其中，k是波束宽度因子，λ是自由空间波长，θ0是电子扫描时的扫描角。
进一步的，所述工作行馈的选取通过系统控制终端(34)控制第M～L(M＝1,2,…,Q+1)路数字多通道收发模块(20)的通断来实现；
其中Q为共形相控阵模块(10)电子扫描时最大俯仰扫描角度对应的行馈数，L＝M+P-1。
进一步的，所述软件化信息处理模块(30)根据每个工作行馈的方位向位置对工作行馈的方位向幅度进行幅度加权。
进一步的，所述幅度加权采用切比雪夫加权或泰勒加权。
进一步的，所述横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统在发射微波时，不进行幅度加权和相位补偿；接收微波时，软件化信息处理模块(30)根据每个工作行馈的俯仰向位置对工作行馈的俯仰向进行幅度加权和相位补偿。
进一步的，所述幅度加权采用切比雪夫加权、泰勒加权或改进的泰勒加权。
进一步的，所述改进的泰勒加权进行幅度加权的具体方式为：
在工作行馈所在横向圆柱面截面直径上设置X个等间距排列的采样点，根据泰勒加权求出采样点的幅度加权系数{Amn}(n＝1,2,…,X)；
将P个工作行馈的位置投影到行馈所在横向圆柱面截面直径上，以投影的中心为参考，根据每个工作行馈与投影中心间的相对位置、采样点间距，得到每个工作行馈的俯仰向幅度加权系数Ai(Ai∈{Amn})，作为改进的泰勒加权的幅度加权系数。
进一步的，所述根据每个工作行馈的俯仰向位置对工作行馈的俯仰向进行相位补偿时，第i个工作行馈的俯仰向补偿相位ci为：
其中，λ是自由空间波长，R是横向圆柱面截面直径，θ0是电子扫描时的扫描角，θi是P个工作行馈中每个工作行馈位置到横向圆柱面双偏振相控阵阵面方位向的转动中心的向量与主波束指向之间的夹角。
进一步的，所述软件化信息处理模块(30)还包括：
气象处理二次产品(33)，根据信号处理和数据处理子模块输出的雷达基数据，利用气象产品算法反演得到气象产品数据。
进一步的，还包括伺服传动(40)及配电(50)：
伺服传动系统(40)控制天线阵面方位向的转动，并为信号处理/数据处理(32)实时提供角码信息；
配电系统(50)为阵面网络及机柜内设备和模块提供电力输入。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明的横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统，相控阵为圆柱曲面共形阵列。在电扫过程中，有效利用口径是圆柱面弧线对应的弦面，通过改变有效利用口径的位置实现电扫。雷达波束指向始终垂直于有效利用口径，因此波束扫描时波束宽度、天线增益、电磁波照射范围均保持稳定不变，解决了相控阵天气雷达波束扫描损耗问题，实现波束无损扫描。波束无损扫描时，消除了波束有损扫描引入的非线性误差，保证波束扫描角度时雷达照射体积保持稳定不变。提升了相控阵波束扫描和多波束探测一致性，使得快速构建的三维物理场更加准确，大大提升了连续实时探测资料的稳定性、可比性、探测的精确度和时间分辨率。
(2)本发明的横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统，在水平向上，一维双偏振线阵行馈中双偏振共形天线与T/R组件、馈电网络三维集成构建，所有一维双偏振线阵行馈在俯仰向按设定好的圆弧方式排列，构建成圆柱共形相控阵；波束无损扫描时，所有双偏振共形天线及收发通道间互耦关系稳定不变，提升了相控阵波束扫描时水平、垂直两个偏振(偏振)通道一致性和稳定度，从而提升了相控阵雷达系统偏振探测精度。
(3)本发明的横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统，采用横向圆柱面相控阵技术，俯仰向采用0～60°电扫描来实现俯仰波束指向的调整；方位向运用一体化的伺服系统，驱动天线阵面作360°全方位旋转。通过这种俯仰电扫描与方位机械扫描相结合的方式，雷达可灵活实现体积扫描(VOL)模式、平面位置显示(PPI)扫描模式、距离高度显示(RHI)扫描模式和扇区扫描(SEC)模式等扫描方式；在这些扫描方式中，方位、俯仰角和方位扫描速度均可灵活设置。本发明相较于垂直圆柱型相控阵天气雷达，突破了俯仰面扫描的局限性，真正实现了波束无损扫描，有效提升了相控阵雷达系统目标探测和识别的准确度。
(4)本发明的横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统，水平向的行馈由辐射单元、馈电网络、T/R组件三维集成，减少重量和体积，提高可靠性，提高相控阵雷达系统三维集成能力。相校于大型球冠相控阵雷达，大大降低了制造难度及硬件成本，便于批量化生产及推广，从而促进雷达组网的实现。
附图说明
图1是本发明实施例的系统组成示意图。
图2是本发明实施例的横向圆柱面共形相控阵左视图。
图3是本发明实施例的横向圆柱面共形相控阵立体图。
图4是本发明实施例的双偏振水平行馈俯视图。
图5是本发明实施例的双偏振水平行馈立体图。
图6是本发明实施例的双偏振子阵俯视图。
图7是本发明实施例的双偏振子阵分层示意图。
图8是本发明实施例的双偏振水平行馈方位波瓣示意图。
图9是本发明实施例的俯仰向发射窄波束示意图。
图10是本发明实施例的俯仰向接收窄波束示意图。
具体实施方式
下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
本发明的一个实施例，为一种横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统，实现波束无损扫描，即相控阵波束扫描时波束宽度、天线增益、电磁波照射范围、收发有源通道互耦关系及性能稳定不变，有效提升天气探测和目标识别的准确度。
为了保证气象雷达探测能力和精度，雷达系统的相控阵需要实现窄波束、低副瓣。按照行业标准和实际需求，设计相控阵的波束宽度和副瓣电平。本实施例以按波束宽度1°、最大副瓣电平小于-30dB的设计目标为例进行介绍。
如图1所示，本实施例的横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统主要包含：
1)共形相控阵模块(10)：包括172个一维双偏振线阵行馈(11)和相应的行馈级功分网络，一维双偏振线阵行馈(11)在俯仰向按圆弧共形方式均匀排列在横向圆柱面双偏振相控阵阵面上，如图2和图3所示。一维双偏振线阵行馈(11)通过三维堆叠集成而成，集成度高，体积小、重量轻，便于生产加工。为了减小损耗、便于控制，行馈采用子阵级结构，每行一维双偏振线阵行馈(11)包含水平等间距排列的12个行馈内双偏振子阵(111)，如图4和图5所示。每行一维双偏振线阵行馈(11)内的行馈内双偏振子阵(111)通过行馈级功分网络连接。
2)数字多通道收发模块(20)：包括行馈级数字T/R组件(21)、数字传输网络(22)，行馈级数字T/R组件(21)与共形相控阵模块(10)通过行馈级功分网络集成。其中，多个具有收发功能的行馈内双偏振子阵(111)分布式设置，使横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统实现收发分离。数字传输网络是以光缆为载体，用于传输雷达上/下行链路数据、BITE(BuildIn Test Equipment，机内自检测设备)信息及雷达报文(控制指令)的集成网络。
3)软件化信息处理模块(30)：包括DBF(Digital Beam Forming，数字波束形成)(31)、信号处理/数据处理(32)及气象处理二次产品(33)、系统控制终端(34)等子模块，于室内或舱内放置。
4)伺服传动(40)及配电(50)：伺服传动系统(40)控制横向圆柱面双偏振相控阵阵面方位向的转动，并为信号处理/数据处理(32)实时提供角码信息；配电系统(50)为阵面网络及机柜内设备和模块提供电力输入。
本实施例中，俯仰向采用0～60°电扫描来实现俯仰波束指向的调整；方位向运用一体化的伺服系统，驱动天线阵面作360°全方位旋转，同时完成轴角变换并实时输出相应的方位增量、正北信号，供共形相控阵模块(10)、数字多通道收发模块(20)、软件化信息处理模块(30)使用。
每个行馈内双偏振子阵(111)的具体结构如图6和图7所示，主要包含：
第1层(顶层)为辐射单元层(1111)。一般采用双偏振共形天线发射电磁波和接收目标反射回波。目前广泛应用的共形天线主要包括缝隙天线和微带贴片。缝隙天线容量小，功率较大的时候容易击穿，而微带贴片具有体积小、重量轻、电性能多样化、易集成等优势。因此优选地，本实施例的双偏振共形天线采用双偏振微带贴片，其剖面低，易于与载体共形。每个行馈内双偏振子阵(111)的辐射单元层包括8个双偏振微带贴片。
第2层为单元馈电层(1112)。单元馈电层设置有两组相互垂直放置的H型缝隙，不仅提供了较高的端口间隔离度，而且双偏振耦合馈电实现了水平、垂直两个偏振发射或接收。
第3层为子阵级馈电网络层(1113)。子阵级馈电网络层(1113)包含两个一分八等功分馈电网络(下文简称为子阵级功分网络)，每个子阵级功分网络对应单元馈电层(1112)的一组H型缝隙。通过H型缝隙将能量耦合到辐射单元层，激励双偏振微带贴片进行辐射。
第4层为子阵级T/R组件层(1114)，通过行馈功分馈电网络(下文称为行馈级功分网络)与行馈级数字T/R组件(21)连接，保证各一维双偏振线阵行馈(11)与各数字收发模块(20)通道一一对应，即行馈级功分网络的水平、垂直偏振馈电端口分别对应行馈级数字T/R组件的H、V通道，用于电磁波能量的末级发射和目标回波信号的接收、放大。
通过增加横向圆柱面双偏振相控阵阵面尺寸和双偏振微带贴片数量可实现窄波束，本实施例的横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统在每个一维双偏振线阵行馈(11)内共设有96个双偏振微带贴片。为了减小损耗、便于控制，一维双偏振线阵行馈(11)采用子阵级结构，每个一维双偏振线阵行馈(11)的96个双偏振微带贴片分别属于12个行馈内双偏振子阵(111)，每个行馈内双偏振子阵(111)包括8个双偏振微带贴片。
软件化信息处理模块(30)根据每个工作行馈的方位向位置对工作行馈的方位向幅度进行幅度加权。例如，通过切比雪夫加权和泰勒加权可实现低副瓣。相对于切比雪夫加权，泰勒加权可以提供电平几乎相等的前若干个副瓣和衰减的远副瓣，是相控阵中使用比较广泛的一种加权方式。通过控制双偏振子阵级T/R组件层(1114)的衰减器，实现一维双偏振线阵行馈(11)的幅度按照泰勒加权进行量化。当天线方向图的主瓣窄、副瓣电平低时，采用直角坐标系的归一化天线方向图能够清晰地表示出主瓣宽度和低副瓣。因此，本发明中的方向图均采用直角坐标系下的归一化方向图。水平行馈的方位波瓣如图8所示，横坐标为自由空间角度θ(单位为°)，纵坐标为行馈方向图归一化后的增益，可以看出，副瓣低于-30dB，在发射、接收时均能实现方位面的低副瓣性能。
数字多通道收发模块(20)实现以下功能：
●发射时，由DDS(Direct Digital Synthesis，直接数字频率合成)实现发射激励信号的产生、上变频、放大，并由行馈级功分网络送至子阵级T/R组件(1114)，推动子阵级T/R组件内发射通道产生大功率发射信号。
●接收时，双偏振天线接收信号经子阵级T/R组件放大和行馈馈电网络合成后，送至数字多通道收发模块(20)，进行放大、滤波、下变频和A/D采样，转化为数字接收信号，通过光纤送至软件化信息处理模块(30)进行处理。
●俯仰向波束无损扫描，具体原理如下：
传统平面相控阵电扫的有效利用口径是平面阵面，在电扫过程中，主波束与有效利用口径的夹角不断发生变化，根据公式(1)，波束宽度会随着扫描角的增加而展宽。本实施例的横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统中，处于工作状态的一维双偏振线阵行馈(11)作为工作行馈，本实施例的有效利用口径是彼此相邻的工作行馈所在的曲面，通过从各一维双偏振线阵行馈(11)中选取工作行馈，进而改变工作行馈所在曲面的物理位置实现电扫，在电扫过程中，主波束始终垂直于有效利用口径；由于各行馈在俯仰向共形均匀排列，因此工作行馈的数量一定时，电扫的有效利用口径相同，波束宽度和增益等不会发生改变。
工作行馈的数量P由有效利用口径长度L及行馈尺寸计算得到。当扫描角θ0＝0°(对应主波束垂直于有效利用口径)时，根据公式(1)计算可得天线的口径长度L，进而计算满足所需波束宽度的行馈数。具体到本实施例中，当俯仰向有112个行馈工作时，满足波束宽度为1°的设计要求。因此本实施例的横向圆柱面双偏振相控阵的有效利用口径由112个相邻行馈组成。为了实现俯仰0～60°扫描，阵面一共由172个行馈组成。
工作行馈的选取通过系统控制终端(34)来实现。系统控制终端(34)通过发送雷达控制报文指令，控制第M～L(M＝1,2,…,Q+1)路数字多通道收发模块(20)的通断来实现，其中Q为共形相控阵模块(10)电子扫描时最大俯仰扫描角度对应的行馈数，L＝M+P-1。具体到本实施例，控制第M～M<+111(M＝1,2,…,61)路数字多通道收发模块(20)的通断。当M＝1时，相控阵的有效利用口径垂直于地面，此时主波束指向0°；当M＝61时，主波束指向60°。通过不断改变有效利用口径的位置来实现俯仰波束电子扫描。
由于本实施例的横向圆柱面双偏振相控阵是曲面共形阵，不同于平面相控阵，因此在工作状态下，需要根据每个一维双偏振线阵行馈(11)的俯仰向位置对工作行馈的俯仰向进行幅度加权或相位补偿，以控制主波束指向(始终垂直于有效利用口径)、实现低副瓣等。
具体原理如下，根据俯仰-方位可分离的方向图乘积原理，俯仰向的方向图函数F(r)为：
其中，N＝112，
表示第i个行馈的俯仰方向图，
是阵面有效利用口径的法线向量，
为空间单位矢量，EF是行馈方向图因子，j是虚数单位，Ai是幅度加权系数，取值范围为[0,1]，k是自由空间波程数，
是第i个一维双偏振线阵行馈(11)的俯仰向位置矢量，ci是第i个一维双偏振线阵行馈(11)的补偿相位，与一维双偏振线阵行馈(11)的相对位置、波长和一维双偏振线阵行馈所在圆的直径有关。
具体来说，根据每个一维双偏振线阵行馈(11)的俯仰向位置对工作行馈的俯仰向进行幅度加权或相位补偿的方式如下：
发射时，为了保证最大辐射电磁波及雷达的探测效率，幅度不加权、相位不补偿，此时Ai＝1,ci＝0,俯仰面的归一化发射方向图如图9所示。
接收时，为了抑制旁瓣干扰，提高探测精度，需要通过幅度加权和相位补偿降低副瓣。
幅度加权：可以采用切比雪夫加权、泰勒加权或改进的泰勒加权。改进的泰勒加权进行幅度加权的具体方式为，
在工作行馈所在横向圆柱面截面直径上设置X个等间距排列的采样点(采样点数量越大越准确)，根据传统的泰勒加权求出采样点的幅度加权系数{Amn}(n＝1,2,…,X)；
将P个(本实施例中为112个)工作行馈的位置投影到行馈所在横向圆柱面截面直径上，以投影的中心为参考，根据每个工作行馈与投影中心间的相对位置、采样点间距，得到每个工作行馈的俯仰向幅度加权系数Ai(Ai∈{Amn})，作为改进的泰勒加权的幅度加权系数。
相位补偿：可以采用切比雪夫加权、泰勒加权或改进的泰勒加权。改进的泰勒加权进行相位补偿的具体方式为：
为了使俯仰方向图主波束指向为扫描角θ0，计算出第i个工作行馈位置到横向圆柱面双偏振相控阵阵面方位向的转动中心的向量与主波束指向之间的夹角θi，行馈级数字T/R组件为第i个工作行馈所提供的补偿相位ci必须为：
其中，R是横向圆柱面截面直径，λ是自由空间波长，θ0是电子扫描时的扫描角，本实施例中θ0＝0°。
通过控制每个工作行馈的补偿相位ci，可以实现俯仰面主波束指向始终沿着横向圆柱面双偏振相控阵阵面有效利用口径的法向方向。
本实施例的横向圆柱面共形相控阵的DBF模块对波束的处理基于共形相控阵俯仰向的方向图函数。假设选取俯仰面任意一段相邻112个工作行馈的通道信号，此时俯仰面主波束指向应与此段行馈所在圆弧的弦垂直。由于本实施例的横向圆柱面双偏振相控阵的行馈在俯仰面均匀共形排布，将112个工作行馈中各行馈的位置坐标xi、yi(yi＝0)、zi，以及该位置到天线阵面方位向的转动中心的向量与主波束指向之间的夹角θi，代入公式(2)，工作行馈的方向图
化作cos(θ-θi)EF/2，其中θ为回波信号指向各行馈的方向角。经过幅度加权和相位补偿后，俯仰面的归一化接收方向图如图10所示。
●通过选择数字多通道收发组件(20)的H和/或V通道，切换共形相控阵模块(10)的偏振工作模式。
偏振工作模式可分为单发多收模式、多发多收模式和脉间变偏振工作模式三种。单发双收模式利用发射机发射H脉冲或V脉冲，而接收机通过两路通道同时接收同偏振和正交偏振分量而实现双偏振探测；双发双收模式采用同时发射H偏振脉冲和V偏振脉冲，利用双通道接收机同时接收H回波(垂直向发射和垂直向接收的回波数据SHH)和V回波(垂直向发射和垂直向接收的回波数据SVV)；脉间变偏振工作模式利用发射机交替发射H和V脉冲，而接收机通过两路通道同时接收同偏振和正交偏振分量而实现双偏振探测。
系统控制终端(34)子模块控制数字多通道收发组件(20)中行馈级数字T/R组件(21)的H和/或V通道，进而通过行馈级功分网络，决定辐射单元层(1111)的偏振方式，最终决定共形相控阵模块(10)的偏振工作模式。
软件化信息处理模块中DBF(Digital Beam Forming，数字波束形成)主要完成雷达多种探测模式下的波束形成功能，此外，DBF还负责全阵面所有组件BIT(Build in Test，机内自检测)信息、通道校准数据的汇集与处理，并具备独立的自检能力以及阵面异常通道处理、屏蔽能力。
软件化信息处理模块包括DBF、信号处理、数据处理、气象产品等二级子模块，全部基于高性能FPGA、嵌入式工控机和商用服务器完成，可在线扩展、升级。其中，信号处理主要实现以下功能：
a)完成数字脉压功能；
b)完成回波信号强度、速度、谱宽等参数测量；
c)具有消速度模糊能力；
d)具有消地杂波能力；
e)具有BIT功能；
f)全阵面所有T/R组件和相关模块BIT信息、通道校准数据汇集处理，并具备独立的自检能力以及阵面异常通道处理、屏蔽能力。
数据处理主要完成以下工作：
a)主控计算机将雷达数据，按照指定的格式存储成基数据文件；
b)对基数据进行压缩存档；
c)通过网络传输分发至各产品终端。
气象处理二次产品软件根据信号处理和数据处理子模块输出的数据，利用相应的气象产品算法(缺测数据填补、孤立回波抑制、速度退模糊、距离退模糊和区域中值滤波等处理)，反演得到各种气象产品，该软件主要包括以下5个功能模块：
数据质量控制及预处理模块：数据质量控制及预处理是针对不同的气象产品数据，采取相应的算法，对产品数据的质量进行控制。雷达数据质量控制及预处理模块主要用于对雷达基数据进行一定的质量控制，包括缺测数据填补、孤立回波抑制、速度退模糊、距离退模糊和区域中值滤波等处理。
基本产品生成模块：该模块利用雷达基数据生成雷达基本产品并输出。其中，雷达基本产品包括强度、速度、谱宽和未抑制强度的平面位置显示(体扫)和高度位置显示(RHI)，以及各要素任意垂直剖面(VCS)等。
三维格点产品生成模块：该模块利用数据融合与数据同化技术，综合多种来源观测资料及多模式模拟数据，获得高精度、高质量、时空连续的多源数据融合三维气象格点产品。
综合显示模块：综合显示模块负责雷达软件系统中雷达观测数据的实时显示，即原始数据的显示。同时，该模块利用雷达探测时形成的径向数据流，按照扫描方式，逐帧显示回波数据。
产品数据管理模块：雷达数据主要分为原始基数据文件和气象产品文件。产品数据管理模块综合考虑多雷达应用场合的兼容性，对雷达基数据和气象产品文件进行管理。
提供的二次产品可分为基本产品、物理量产品、降水产品、风场产品和识别产品五大类。气象处理二次产品软件能够自动筛选识别危险天气，并将危险天气发生时刻的二次产品信息通过图形叠加绘制于综合图之上，而后发送给监控终端显示。
本发明的横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统，相控阵为圆柱曲面共形阵列。在电扫过程中，有效利用口径是圆柱面弧线对应的弦面，通过改变有效利用口径的位置实现电扫。雷达波束指向始终垂直于有效利用口径，因此波束扫描时波束宽度、天线增益、电磁波照射范围、互耦状态均保持稳定不变，解决了相控阵天气雷达波束扫描损耗问题，实现波束无损扫描，保证不同扫描角度探测的一致性，提高目标三维体构建的精度；提高相控阵雷达系统波束扫描性能。
本发明的横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统，在水平向上，每行双偏振共形天线与T/R组件、馈电网络三维集成构建水平行馈，所有行馈在俯仰向按设定好的圆弧方式排列，构建成圆柱共形相控阵。因波束无损扫描，圆柱共形相控阵中各双偏振共形天线及收发通道间的互耦关系稳定不变，可有效提高水平、垂直两个偏振通道的一致性与稳定度，提升探测时空分辨率，提高相控阵雷达系统大角度电扫能力；本发明用作天气探测时，双线偏振雷达技术有效提升降水粒子相态和冰雹区识别能力以及对快速变化的小尺度对流系统的观测能力，对提高灾害天气监测和预警能力、人工影响天气等方面有重要意义。波束无损扫描时，消除了波束有损扫描引入的非线性误差，保证波束扫描时雷达照射体积保持稳定不变，提升了相控阵波束扫描和多波束探测一致性，使得快速构建的大气三维物理场，大大提升了连续实时探测资料的稳定性、可比性、探测的精确度和时间分辨率，用于天气探测时，能够有效解决多种灾害性强对流天气精细化监测识别与预报预警问题，对极端气象灾害防治减灾工作的开展有着重要意义。波束不再随扫描角度变化后，可保证大角度扫描后的雷达系统性能稳定不变，提高了相控阵雷达系统空域监测探测能力；综合性能明显优于传统平面相控阵雷达。
本发明的横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统，采用横向圆柱面相控阵技术，俯仰向采用0～60°电扫描来实现俯仰波束指向的调整；方位向运用一体化的伺服系统，驱动天线阵面作360°全方位旋转，同时完成轴角变换并实时输出相应的方位增量、正北信号，供其它分系统使用。通过这种俯仰电扫描与方位机械扫描相结合的方式，雷达可灵活实现体积扫描(VOL)模式、平面位置显示(PPI)扫描模式、距离高度显示(RHI)扫描模式和扇区扫描(SEC)模式等扫描方式；在这些扫描方式中，方位、俯仰角和方位扫描速度均可灵活设置。本发明相较于垂直圆柱型相控阵天气雷达，突破了俯仰面扫描的局限性，真正实现了波束无损扫描，有效提升了相控阵雷达系统目标探测和识别的准确度。
本发明的横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统，水平向的行馈由辐射单元、馈电网络、T/R组件三维集成，减少重量和体积，提高可靠性，提高相控阵雷达系统三维集成能力。相校于大型球冠相控阵雷达，大大降低了制造难度及硬件成本，便于批量化生产及推广，从而促进雷达组网的实现。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。
Claims (20)
1.一种横向圆柱面双偏振共形相控阵模块，其特征在于，包括：
包括N个一维双偏振线阵行馈(11)和相应的行馈级功分网络，N个一维双偏振线阵行馈(11)在俯仰向以圆弧共形方式均匀排列在横向圆柱面双偏振相控阵阵面上。
2.根据权利要求1所述的横向圆柱面双偏振共形相控阵模块，其特征在于，每行一维双偏振线阵行馈(11)包含水平等间距排列的J个行馈内双偏振子阵(111)，每行一维双偏振线阵行馈(11)内的行馈内双偏振子阵(111)通过行馈级功分网络连接。
3.根据权利要求2所述的横向圆柱面双偏振共形相控阵模块，其特征在于，一维双偏振线阵行馈(11)通过三维堆叠集成而成，每个所述行馈内双偏振子阵(111)包含：
辐射单元层(1111)，采用双偏振共形天线发射电磁波和接收目标反射回波；
单元馈电层(1112)，设置有两组相互垂直放置的H型缝隙；
子阵级馈电网络层(1113)，包含两个子阵级功分网络，每个子阵级功分网络对应单元馈电层(1112)的一组H型缝隙；
子阵级T/R组件层(1114)，通过所述行馈级功分网络与行馈级数字T/R组件(21)连接，各一维双偏振线阵行馈(11)与各数字收发模块(20)通道一一对应，即行馈级功分网络的水平、垂直偏振馈电端口分别对应行馈级数字T/R组件的H、V通道，用于电磁波能量的末级发射和目标回波信号的接收、放大。
4.根据权利要求3所述的横向圆柱面双偏振共形相控阵模块，其特征在于，所述双偏振共形天线为双偏振微带贴片，每个行馈内双偏振子阵(111)的辐射单元层包括若干个双偏振微带贴片。
5.根据权利要求1所述的横向圆柱面双偏振共形相控阵模块，其特征在于，所述工作行馈的数量P由有效利用口径长度L及行馈尺寸计算得到，有效利用口径长度L由横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统需满足的波束宽度θBW按下式计算得到：
其中，k是波束宽度因子，λ是自由空间波长，θ0是电子扫描时的扫描角。
6.一种横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统，其特征在于，包括：
共形相控阵模块(10)，包括N个一维双偏振线阵行馈(11)和相应的行馈级功分网络，N个一维双偏振线阵行馈(11)在俯仰向以圆弧共形方式均匀排列在横向圆柱面双偏振相控阵阵面上；
数字多通道收发模块(20)，包括行馈级数字T/R组件(21)、数字传输网络(22)，行馈级数字T/R组件(21)与共形相控阵模块(10)通过行馈级功分网络集成；
软件化信息处理模块(30)，包括DBF(31)、信号处理/数据处理(32)，系统控制终端(34)子模块；DBF完成雷达多种探测模式下的波束形成功能；信号处理/数据处理(32)对雷达信号进行处理；
工作时横向圆柱面双偏振相控阵阵面能够在方位向转动；处于工作状态的一维双偏振线阵行馈(11)作为工作行馈，彼此相邻的P个工作行馈所在的曲面构成共形相控阵模块(10)的有效利用口径，通过系统控制终端(34)子模块从N个一维双偏振线阵行馈(11)中选取彼此相邻的P个工作行馈，来改变工作行馈所在曲面的物理位置，进而改变有效利用口径，实现俯仰波束电子扫描；在电子扫描过程中，主波束始终垂直于有效利用口径。
7.根据权利要求6所述的横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统，其特征在于，每行一维双偏振线阵行馈(11)包含水平等间距排列的J个行馈内双偏振子阵(111)，每行一维双偏振线阵行馈(11)内的行馈内双偏振子阵(111)通过行馈级功分网络连接。
8.根据权利要求7所述的横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统，其特征在于，一维双偏振线阵行馈(11)通过三维堆叠集成而成，每个所述行馈内双偏振子阵(111)包含：
辐射单元层(1111)，采用双偏振共形天线发射电磁波和接收目标反射回波；
单元馈电层(1112)，设置有两组相互垂直放置的H型缝隙；
子阵级馈电网络层(1113)，包含两个子阵级功分网络，每个子阵级功分网络对应单元馈电层(1112)的一组H型缝隙；
子阵级T/R组件层(1114)，通过所述行馈级功分网络与行馈级数字T/R组件(21)连接，各一维双偏振线阵行馈(11)与各数字收发模块(20)通道一一对应，即行馈级功分网络的水平、垂直偏振馈电端口分别对应行馈级数字T/R组件的H、V通道，用于电磁波能量的末级发射和目标回波信号的接收、放大。
9.根据权利要求8所述的横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统，其特征在于，所述双偏振共形天线为双偏振微带贴片，每个行馈内双偏振子阵(111)的辐射单元层包括若干个双偏振微带贴片。
10.根据权利要求8所述的横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统，其特征在于，所述数字多通道收发模块(20)：
发射时，由DDS实现发射激励信号的产生、上变频、放大，并由行馈级功分网络送至子阵级T/R组件(1114)，推动子阵级T/R组件内发射通道产生大功率发射信号；
接收时，双偏振天线接收信号经子阵级T/R组件放大和行馈级功分网络合成后，送至数字多通道收发模块(20)，进行放大、滤波、下变频和A/D采样，转化为数字接收信号。
11.根据权利要求8所述的横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统，其特征在于，系统控制终端(34)子模块控制数字多通道收发组件(20)中行馈级数字T/R组件(21)的H和/或V通道，决定辐射单元层(1111)的偏振方式，最终决定共形相控阵模块(10)的偏振工作模式。
12.根据权利要求6所述的横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统，其特征在于，所述工作行馈的选取通过系统控制终端(34)控制第M～L(M＝1,2,…,Q+1)路数字多通道收发模块(20)的通断来实现；
其中Q为共形相控阵模块(10)电子扫描时最大俯仰扫描角度对应的行馈数，L＝M+P-1。
13.根据权利要求6所述的横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统，其特征在于，所述软件化信息处理模块(30)根据每个工作行馈的方位向位置对工作行馈的方位向幅度进行幅度加权。
14.根据权利要求13所述的横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统，其特征在于，所述幅度加权采用切比雪夫加权或泰勒加权。
15.根据权利要求6所述的横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统，其特征在于，所述横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统在发射微波时，不进行幅度加权和相位补偿；接收微波时，软件化信息处理模块(30)根据每个工作行馈的俯仰向位置对工作行馈的俯仰向进行幅度加权和相位补偿。
16.根据权利要求15所述的横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统，其特征在于，所述幅度加权采用切比雪夫加权、泰勒加权或改进的泰勒加权。
17.根据权利要求16所述的横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统，其特征在于，所述改进的泰勒加权进行幅度加权的具体方式为：
在工作行馈所在横向圆柱面截面直径上设置X个等间距排列的采样点，根据泰勒加权求出采样点的幅度加权系数{Amn}(n＝1,2,…,X)；
将P个工作行馈的位置投影到行馈所在横向圆柱面截面直径上，以投影的中心为参考，根据每个工作行馈与投影中心间的相对位置、采样点间距，得到每个工作行馈的俯仰向幅度加权系数Ai(Ai∈{Amn})，作为改进的泰勒加权的幅度加权系数。
18.根据权利要求15所述的横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统，其特征在于，所述根据每个工作行馈的俯仰向位置对工作行馈的俯仰向进行相位补偿时，第i个工作行馈的俯仰向补偿相位ci为：
其中，λ是自由空间波长，R是横向圆柱面截面直径，θ0是电子扫描时的扫描角，θi是P个工作行馈中每个工作行馈位置到横向圆柱面双偏振相控阵阵面方位向的转动中心的向量与主波束指向之间的夹角。
19.根据权利要求6所述的横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统，其特征在于，所述软件化信息处理模块(30)还包括：
气象处理二次产品(33)，根据信号处理和数据处理子模块输出的雷达基数据，利用气象产品算法反演得到气象产品数据。
20.根据权利要求6所述的横向圆柱面双偏振相控阵雷达系统，其特征在于，还包括伺服传动(40)及配电(50)：
伺服传动系统(40)控制横向圆柱面双偏振相控阵阵面方位向的转动，并为信号处理/数据处理(32)实时提供角码信息；
配电系统(50)为阵面网络及机柜内设备和模块提供电力输入。
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