專利名稱：配接于多功能雷達的氣象終端的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雷達探測領(lǐng)域，具體而言涉及一種配置在岸基或艦載高性能雷達之上，使之具備天氣雷達功能的氣象終端。
背景技術(shù)：
海洋、大氣環(huán)境保障對未來高技術(shù)條件下信息化局部戰(zhàn)爭特別重要，海洋、大氣環(huán)境的復(fù)雜性(如海洋地理環(huán)境的差異性和海洋大氣環(huán)境的時空易變性等)對國家安全和裝備性能的發(fā)揮具有重大影響。多功能雷達的氣象終端作為一個獨立單元配接在岸基或艦載高性能雷達上，可以在不影響雷達常規(guī)操作的前提下，能從配接雷達回波信號中提取詳細的環(huán)境數(shù)據(jù)，包括天氣回波反射率、速度和速度譜寬度等。其精度和靈敏度之高與美國下一代多普勒天氣雷達(NEXRAD)相比也毫不遜色。多功能雷達 的氣象終端可對強降水、晴空湍流、風(fēng)場等各種大氣環(huán)境信息進行探測。生成含有地理位置信息的復(fù)合反射率圖，風(fēng)廓線圖等多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品，岸基或艦載高性能雷達的最大優(yōu)點在于它能靈活、精確地進行波束掃描，能較好地解決系統(tǒng)設(shè)計對數(shù)據(jù)率的要求和氣象目標回波信號兩次采樣要“退相關(guān)”的矛盾。當(dāng)大型艦隊出海作戰(zhàn)必需氣象保障而又不能配置專門的艦載天氣雷達時，采用在現(xiàn)有艦載高性能雷達加裝氣象終端的方式?？蓾M足艦隊氣象保障的需要，也拓展了配接雷達的使用范圍。然而，常規(guī)觀測手段難以連續(xù)獲取大范圍的氣象要素，與實際應(yīng)用需求差距較大；利用歷史資料統(tǒng)計的方法，不能真實地反應(yīng)當(dāng)前的氣象狀況。在實際應(yīng)用中，都存在著不可避免的局限性。因此，如何提供多功能雷達的氣象終端已經(jīng)成為亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)問題的缺陷，提出一種多功能雷達的氣象終端。其特點在于與配接雷達設(shè)備同步工作，充分利用配接雷達現(xiàn)有的功能，不影響配接雷達的正常使用的前提下生成多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品，使其具備天氣雷達的能力，可滿足艦隊氣象保障的需要。改裝成本低，加裝方便，可靠性高。本發(fā)明適用于X波段、C波段、S波段的雷達。本發(fā)明提供一種多功能雷達的氣象終端，包括:基于CPCI總線的高檔工作站(或服務(wù)器)、接口模塊、中頻采樣數(shù)字接收機和高速數(shù)字信號處理器，并與相關(guān)軟件模塊的集成(包括天氣雷達產(chǎn)品生成、顯示、傳輸?shù)溶浖K)。本發(fā)明的另一目的在于提供一種得到配接雷達周圍環(huán)境參數(shù)和多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品的方法，包括:由配接的雷達按預(yù)定的天線掃描模式進行掃描，從接收到的回波信號中分出一路來，通過接口模塊，送至多功能雷達的氣象終端內(nèi)；所述接口模塊接收來自配接雷達的中頻信號、同步脈沖、時鐘信號、波束角數(shù)據(jù)、和工作模式編碼等信號，經(jīng)隔離、放大并轉(zhuǎn)送至中頻采樣數(shù)字接收機內(nèi)；中頻采樣數(shù)字接收機對接收到的中頻信號進行采樣和變換，得到I/Q信號，并將其送至高速數(shù)字信號處理器；高速數(shù)字信號處理器對I/Q信號進行處理，濾除地物雜波、點目標雜波及其他干擾信號，并進行距離訂正、艦速及橫縱搖補償?shù)忍幚砗蟮玫教鞖饫走_回波基波數(shù)據(jù)；將所述天氣雷達回波基波數(shù)據(jù)傳送給天氣雷達產(chǎn)品生成模塊，生成多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品，并顯示在控制臺的顯示器上，必要時還可將這些產(chǎn)品傳輸?shù)街笓]中心，發(fā)送到其他應(yīng)用部門。根據(jù)本發(fā)明，提供一種多功能雷達的氣象終端，配接于岸基或艦載雷達上，其特征在于包括=CPCI總線，連接基于CPCI總線的工作站或服務(wù)器，接口模塊，中頻采樣數(shù)字接收機，高速數(shù)字信號處理器，以及天氣雷達產(chǎn)品生成模塊；所述接口模塊接收來自所述岸基或艦載雷達的原始信號，經(jīng)隔離、放大后轉(zhuǎn)送至中頻采樣數(shù)字接收機；所述中頻采樣數(shù)字接收機對從所述接口模塊接收到的信號進行采樣，并進行A/D變換，再經(jīng)下變頻處理轉(zhuǎn)換為I/Q信號，并將其送至高速數(shù)字信號處理器；所述高速數(shù)字信號處理器對采樣得到的I/Q信號進行處理，濾除干擾信號，并進行距離訂正、艦速及橫縱搖補償處理，獲得天氣雷達回波基波數(shù)據(jù)，然后將其送至天氣雷達產(chǎn)品生成模塊；所述天氣雷達產(chǎn)品生成模塊將高速數(shù)字信號處理器送來的天氣雷達回波基波數(shù)據(jù)，利用天氣雷達產(chǎn)品生成算法，生成多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，還包括天氣雷達產(chǎn)品顯示模塊，用于將所述天氣雷達產(chǎn)品生成模塊生成的多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品顯示在控制臺的顯示器上。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，還包括天氣雷達產(chǎn)品傳輸模塊，用于將所述天氣雷達產(chǎn)品生成模塊生成的多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品傳輸?shù)街笓]中心，以發(fā)送到其他應(yīng)用部門。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中所述來自所述岸基或艦載雷達的原始信號包括:所述岸基或艦載雷達采集得到的中頻回波信號，以及所述岸基或艦載雷達本身的同步脈沖和時鐘信號。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中所述高速數(shù)字信號處理器還對從接口模塊接收到的天線波束角數(shù)據(jù)和工作模式編碼信`號進行處理。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中所述中頻回波信號是由所述配接的岸基或艦載雷達按指定掃描策略掃描得到的回波信號再經(jīng)變頻所得。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中所述濾除的干擾信號包括海雜波、地物雜波、點目標雜波中的至少其中之一。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，還提供一種使用配接于多功能雷達的氣象終端的工作方法，包括以下步驟:由配接的雷達按預(yù)定的天線掃描模式進行掃描，從接收到的回波信號中分出一路來，通過接口模塊，送至多功能雷達的氣象終端內(nèi)；所述接口模塊接收來自配接雷達的中頻回波信號、同步脈沖、時鐘信號經(jīng)隔離、放大并轉(zhuǎn)送至中頻采樣數(shù)字接收機內(nèi)；而波束角數(shù)據(jù)和工作模式編碼信號則經(jīng)隔離后直接送到高速數(shù)字信號處理器進行處理；中頻采樣數(shù)字接收機對接收到的中頻信號進行采樣和變換，得到I/Q信號，并將其送至高速數(shù)字信號處理器；高速數(shù)字信號處理器對I/Q信號進行處理，濾除地物雜波、點目標雜波及其他干擾信號，并進行距離訂正、艦速及橫縱搖補償處理，得到天氣雷達回波基波數(shù)據(jù)；將所述天氣雷達回波基波數(shù)據(jù)傳送給天氣雷達產(chǎn)品生成模塊，生成多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，還包括以下步驟:將天氣雷達產(chǎn)品生成模塊生成的多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品，送至終端的產(chǎn)品顯示模塊顯示在控制臺的顯示器上，或?qū)⒍喾N天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品傳輸?shù)街笓]中心，以發(fā)送到其他應(yīng)用部門。根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，提供一種多功能雷達的氣象終端，配接于岸基或艦載雷達上，其特征在于包括=CPCI總線，連接基于CPCI總線的工作站或服務(wù)器，接口模塊，中頻采樣數(shù)字接收機，高速數(shù)字信號處理器，以及天氣雷達產(chǎn)品生成模塊；該終端利用岸基或艦載雷達采集得到的中頻信號、同步脈沖、時鐘信號、天線波束角數(shù)據(jù)、和工作模式編碼，通過接口模塊，把這些信號通過中頻采樣數(shù)字接收機、高速數(shù)字信號處理器，獲得天氣雷達回波基波數(shù)據(jù)，然后通過天氣雷達產(chǎn)品生成模塊生成多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品。根據(jù)本發(fā)明，配接于岸基或艦載雷達上的氣象終端，利用岸基或艦載雷達裝備獲取的回波信息實時、連續(xù)生成多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品，為大型艦艇編隊出海作戰(zhàn)的提供氣象保障。臺風(fēng)、暴雨、龍卷風(fēng)等嚴重災(zāi)害性天氣對艦隊的航行安全危害極大，需要提前做出準確的天氣預(yù)報，以便及時采取應(yīng)對措施規(guī)避風(fēng)險；超低空風(fēng)切變，微下?lián)舯┝鞅旧沓叨群苄?，生命周期很短，普通的探測儀器很難及時發(fā)現(xiàn)。它對艦載飛機的起、降安全以及導(dǎo)彈的順利發(fā)射都會產(chǎn)生嚴重危害，及時、準確地發(fā)現(xiàn)并發(fā)布報警信息對艦載裝備的安全無疑是十分重要的。戰(zhàn)區(qū)上空的風(fēng)速、風(fēng)向直接影響到精確制導(dǎo)導(dǎo)彈的命中精度，因此，及時、準確的提供當(dāng)下的風(fēng)場信息，作為修正導(dǎo)彈飛行軌跡的依據(jù)，可對導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)并發(fā)揮其作用提供有效的支持。除此之外，天氣雷達所探測到的大氣環(huán)境數(shù)據(jù)，還可以作為對艦載雷達、通信設(shè)施等電子設(shè)備所受到的大氣環(huán)境干擾和影響作出評估以便為采取有效的補償措施提供依據(jù)。雖然在下文中將結(jié)合一些示例性實施及使用方法來描述本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，并不旨在將本發(fā)明限制于這些實施例。反之，旨在覆蓋包含在所附的權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明的精神與范圍內(nèi)的所有替代品、修正及等效物。本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書，權(quán)利要求書，以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。


為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述，其中:圖1為本發(fā)明的配接于多功能雷達的氣象終端組成示意圖；圖2配接于多功能雷達的氣象終端信號流圖；圖3為本發(fā)明的數(shù)字中頻接收機組成框圖；圖4數(shù)字下變頻在FPGA中的實現(xiàn)框圖；圖5示出了本發(fā)明的信號處理器功能框圖；圖6信號處理系統(tǒng)硬件框
圖7為本發(fā)明的終端計算機信號流程；圖8為本發(fā)明的接口模塊框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的詳細描述。需要注意的是，根據(jù)本發(fā)明的大氣波導(dǎo)實時探測和診斷終端的實施方式僅僅作為例子，但本發(fā)明不限于該具體實施方式
。本發(fā)明的目的是提供一種配接岸基或艦載雷達的氣象終端，完成配接雷達周圍大氣環(huán)境探測任務(wù)。它包括:基于CPCI總線的工作站或服務(wù)器、接口模塊、中頻采樣數(shù)字接收機、高速數(shù)字信號處理器、天氣雷達產(chǎn)品生成、顯示、傳輸?shù)饶K。所有的硬、軟件均收納于一個海軍第二代標準顯控臺內(nèi)。在配接雷達開啟正常運行后，打開該氣象終端。利用終端軟件模塊，通過顯示器來控制、開啟該終端。當(dāng)正常進入終端軟件模塊工作界面后，表示已工作正常。操作人員可以使用終端軟件模塊來修改該終端的參數(shù)和進行必要的設(shè)置。本發(fā)明的特點在于與配接雷達設(shè)備同步工作，充分利用配接雷達現(xiàn)有的功能，不影響配接雷達的正常使用的前提下生成多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品，使其具備天氣雷達的能力，可滿足艦隊氣象保障的需要。改裝成本低，加裝方便，可靠性高。本發(fā)明適用于X波段、C波段、S波段的雷達。本發(fā)明提供一種多功能雷達的氣象終端，包括:基于CPCI總線的高檔工作站(或服務(wù)器)、接口模塊、中頻采樣數(shù)字接收機和高速數(shù)字信號處理器，并與相關(guān)軟件模塊的集成(包括天氣雷達產(chǎn)品生成、顯示、傳輸?shù)溶浖K)。本發(fā)明還提供一種得到配接雷達周圍環(huán)境參數(shù)和多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品的方法，包括:由配接的雷達按預(yù)定的天線掃描模式進行掃描，從接收到的回波信號中分出一路來，通過接口模塊，送至多功能雷達的氣象終端內(nèi)；所述接口模塊接收來自配接雷達的中頻信號、同步脈沖、時鐘信號、波束角數(shù)據(jù)、和工作模式編碼等信號，經(jīng)隔離、放大并轉(zhuǎn)送至中頻采樣數(shù)字接收機內(nèi)；中頻采樣數(shù)字接收機對接收到的中頻信號進行采樣和變換，得到I/Q信號，并將其送至高速數(shù)字信號處理器；高速數(shù)字信號處理器對I/Q信號進行處理，濾除地物雜波、點目標雜波及其他干擾信號，并進行距離訂正、艦速及橫縱搖補償?shù)忍幚砗蟮玫教鞖饫走_回波基波數(shù)據(jù)；將所述天氣雷達回波基波數(shù)據(jù)傳送給天氣雷達產(chǎn)品生成模塊，生成多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品，并顯示在控制臺的顯示器上，必要時還可將這些產(chǎn)品傳輸?shù)街笓]中心，發(fā)送到其他應(yīng)用部門。根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，多功能雷達的氣象終端配接于岸基或艦載雷達上，包括:CPCI總線，連接基于CPCI總線的工作站或服務(wù)器，接口模塊，中頻采樣數(shù)字接收機，高速數(shù)字信號處理器，以及天氣雷達產(chǎn)品生成模塊；所述接口模塊接收來自所述岸基或艦載雷達的原始信號，經(jīng)隔離、放大后轉(zhuǎn)送至中頻采樣數(shù)字接收機；所述中頻采樣數(shù)字接收機對從所述接口模塊接收到的信號進行采樣，并進行A/D變換，再經(jīng)下變頻處理轉(zhuǎn)換為I/Q信號，并將其送至高速數(shù)字信號處理器；所述高速數(shù)字信號處理器對采樣得到的I/Q信號進行處理，濾除干擾信號，并進行距離訂正、艦速及橫縱搖補償處理，獲得天氣雷達回波基波數(shù)據(jù)，然后將其送至天氣雷達產(chǎn)品生成模塊；所述天氣雷達產(chǎn)品生成模塊將高速數(shù)字信號處理器送來的天氣雷達回波基波數(shù)據(jù)，利用天氣雷達產(chǎn)品生成算法，生成多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品。在優(yōu)選實施例中， 本發(fā)明還包括天氣雷達產(chǎn)品顯示模塊，用于將所述天氣雷達產(chǎn)品生成模塊生成的多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品顯示在控制臺的顯示器上。此外，還可以包括天氣雷達產(chǎn)品傳輸模塊，用于將所述天氣雷達產(chǎn)品生成模塊生成的多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品傳輸?shù)街笓]中心，以發(fā)送到其他應(yīng)用部門。其中，來自所述岸基或艦載雷達的原始信號包括所述岸基或艦載雷達采集得到的中頻回波信號，以及所述岸基或艦載雷達本身的同步脈沖和時鐘信號。高速數(shù)字信號處理器還對從接口模塊接收到的天線波束角數(shù)據(jù)和工作模式編碼信號進行處理。中頻回波信號是由所述配接的岸基或艦載雷達按指定掃描策略掃描得到的回波信號再經(jīng)變頻所得。濾除的干擾信號包括海雜波、地物雜波、點目標雜波中的至少其中之一。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，還提供一種使用配接于多功能雷達的氣象終端的工作方法，包括以下步驟:由配接的雷達按預(yù)定的天線掃描模式進行掃描，從接收到的回波信號中分出一路來，通過接口模塊，送至多功能雷達的氣象終端內(nèi)；所述接口模塊接收來自配接雷達的中頻回波信號、同步脈沖、時鐘信號經(jīng)隔離、放大并轉(zhuǎn)送至中頻采樣數(shù)字接收機內(nèi)；而波束角數(shù)據(jù)和工作模式編碼信號則經(jīng)隔離后直接送到高速數(shù)字信號處理器進行處理；中頻采樣數(shù)字接收機對接收到的中頻信號進行采樣和變換，得到I/Q信號，并將其送至高速數(shù)字信號處理器；高速數(shù)字信號處理器對I/Q信號進行處理，濾除地物雜波、點目標雜波及其他干擾信號，并進行距離訂正、艦速及橫縱搖補償處理，得到天氣雷達回波基波數(shù)據(jù)；將所述天氣雷達回波基波數(shù)據(jù)傳送給天氣雷達產(chǎn)品生成模塊，生成多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品。在優(yōu)選實施例中，還包括以下步驟:將天氣雷達產(chǎn)品生成模塊生成的多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品，送至終端的產(chǎn)品顯示模塊顯示在控制臺的顯示器上，或?qū)⒍喾N天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品傳輸?shù)街笓]中心，以發(fā)送到其他應(yīng)用部門。根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，提供一種多功能雷達的氣象終端，配接于岸基或艦載雷達上，其特征在于包括=CPCI總線，連接基于CPCI總線的工作站或服務(wù)器，接口模塊，中頻采樣數(shù)字接收機，高速數(shù)字信號處理器，以及天氣雷達產(chǎn)品生成模塊；該終端利用岸基或艦載雷達采集得到的中頻信號、同步脈沖、時鐘信號、天線波束角數(shù)據(jù)、和工作模式編碼，通過接口模塊，把這些信號通過中頻采樣數(shù)字接收機、高速數(shù)字信號處理器，獲得天氣雷達回波基波數(shù)據(jù)，然后通過天氣雷達產(chǎn)品生成模塊生成多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品。根據(jù)本發(fā) 明，配接于岸基或艦載雷達上的氣象終端，利用岸基或艦載雷達裝備獲取的回波信息實時、連續(xù)生成多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品，為大型艦艇編隊出海作戰(zhàn)的提供氣象保障。臺風(fēng)、暴雨、龍卷風(fēng)等嚴重災(zāi)害性天氣對艦隊的航行安全危害極大，需要提前做出準確的天氣預(yù)報，以便及時采取應(yīng)對措施規(guī)避風(fēng)險；超低空風(fēng)切變，微下?lián)舯┝鞅旧沓叨群苄?，生命周期很短，普通的探測儀器很難及時發(fā)現(xiàn)。它對艦載飛機的起、降安全以及導(dǎo)彈的順利發(fā)射都會產(chǎn)生嚴重危害，及時、準確地發(fā)現(xiàn)并發(fā)布報警信息對艦載裝備的安全無疑是十分重要的。戰(zhàn)區(qū)上空的風(fēng)速、風(fēng)向直接影響到精確制導(dǎo)導(dǎo)彈的命中精度，因此，及時、準確的提供當(dāng)下的風(fēng)場信息，作為修正導(dǎo)彈飛行軌跡的依據(jù)，可對導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)并發(fā)揮其作用提供有效的支持。除此之外，天氣雷達所探測到的大氣環(huán)境數(shù)據(jù)，還可以作為對艦載雷達、通信設(shè)施等電子設(shè)備所受到的大氣環(huán)境干擾和影響作出評估以便為采取有效的補償措施提供依據(jù)。接下來，將參照附圖來詳細說明本發(fā)明的具體實施方式
。
圖1是本發(fā)明的配接于多功能雷達的氣象終端組成示意圖。該氣象終端包括接口模塊、數(shù)字中頻接收機、高速數(shù)字信號處理器、主機和外設(shè)。由配接的雷達按預(yù)定的天線掃描模式進行掃描，從掃描得到的回波信號中分出一路來，通過接口模塊，送至多功能雷達的氣象終端內(nèi)；所述接口模塊接收來自配接雷達的中頻回波信號、同步脈沖、時鐘信號經(jīng)隔離、放大并轉(zhuǎn)送至中頻采樣數(shù)字接收機內(nèi)；而波束角數(shù)據(jù)和工作模式編碼信號則經(jīng)隔離后直接送到高速數(shù)字信號處理器進行處理；中頻采樣數(shù)字接收機對接收到的中頻信號進行采樣和變換，得到I/Q信號，并將其送至高速數(shù)字信號處理器；高速數(shù)字信號處理器對I/Q信號進行處理，濾除地物雜波、點目標雜波及其他干擾信號，并進行距離訂正、艦速及橫縱搖補償處理，得到天氣雷達回波基數(shù)據(jù)；將所述天氣雷達回波基數(shù)據(jù)傳送給天氣雷達產(chǎn)品生成模塊，生成多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品。這些應(yīng)用產(chǎn)品，被送至終端的產(chǎn)品顯示模塊顯示在控制臺的顯示器上，還被傳輸?shù)街笓]中心，以發(fā)送到其他應(yīng)用部門。

CPCI總線作為各個模塊間數(shù)據(jù)和命令交換的公共通道，將整個終端聯(lián)成一個有機的整體。圖2是本發(fā)明的配接于多功能雷達的氣象終端信號流程圖。由于從配接雷達分路出來的中頻回波信號和相參時鐘、同步脈沖信號都很微弱，故需要經(jīng)接口模塊隔離、放大后再送到數(shù)字中頻接收機。同時,接口模塊還將天線的角數(shù)據(jù)和雷達的工作模式代碼經(jīng)隔離后直接送到高速數(shù)字信號處理器。模擬中頻回波信號在數(shù)字中頻接收機中經(jīng)A/D變換成為數(shù)字中頻信號，再經(jīng)相干檢波成為I/Q信號。連同經(jīng)接口模塊隔離后送來的天線的角數(shù)據(jù)和雷達的工作模式代碼一起在高速數(shù)字信號處理器中濾波、處理。主要完成數(shù)字中頻的I/Q信號的接收、距離訂正、艦速及橫縱搖補償；地物回波、點雜波等濾除；天氣雷達產(chǎn)品生成模塊，生成多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品，并顯示在控制臺的顯示器上，必要時還可將這些產(chǎn)品傳輸?shù)街笓]中心，發(fā)送到其他應(yīng)用部門。圖3所示的數(shù)字中頻是基于高速高精度ADC和大規(guī)?，F(xiàn)場可編程邏輯器件(FPGA)的高性能處理器，其由ADC、時鐘變頻器PLL、MCU和FPGA構(gòu)成。時鐘變頻器將通過接口模塊轉(zhuǎn)送來的、配接雷達的參考時鐘信號進行鎖相分頻，生成系統(tǒng)所需的采樣時鐘送入ADC，后者對中頻回波信號實時高精度采樣，轉(zhuǎn)換為14位數(shù)字中頻信號，再送至由FPGA構(gòu)成的數(shù)字下變頻器。圖4示出了數(shù)字下變頻實現(xiàn)的框圖。在FPGA中首先與互成90度的正弦和余弦數(shù)字相參基準信號進行數(shù)字下變頻，得到I/Q兩個支路的變頻信號，然后經(jīng)過3級濾波、2級抽取等處理，再進行飽和補償處理、并串轉(zhuǎn)換后得到24位IQ數(shù)據(jù)送入信號處理器。圖5示出了信號處理器的功能框圖。數(shù)字中頻輸出的串行I/Q數(shù)據(jù)經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后得到并行有符號整數(shù)，數(shù)據(jù)位寬24位。為了擴展存儲深度，以滿足對探測范圍的要求，需對該數(shù)據(jù)進行浮點轉(zhuǎn)換，得到16位浮點表示的整數(shù)。天線伺服通過標準串口輸出的天線角度數(shù)據(jù)經(jīng)過異步接收模塊后，得到并行天線方位和俯仰角度幀數(shù)據(jù)，在同步觸發(fā)脈沖的控制下實現(xiàn)I/Q數(shù)據(jù)與天線數(shù)據(jù)的打包，并存入芯片內(nèi)部的RAM中；PCI時序控制器用于連接PCI總線和局部總線，在一幀數(shù)據(jù)存儲滿后啟動中斷時序，通知終端計算機發(fā)起DMA數(shù)據(jù)請求；在進行DMA數(shù)據(jù)傳輸時，芯片內(nèi)部的RAM處于乒乓操作狀態(tài)，實時數(shù)據(jù)存儲于另一片存儲區(qū)域中，以保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和正確性。
信號處理器主要用于I/Q數(shù)據(jù)的實時獲取，天線角度和狀態(tài)的實時采集及打包，系統(tǒng)定時、CPCI接口數(shù)據(jù)交互等。在優(yōu)選實施例中，信號處理器可采用Altera公司的EP3C55完成I/Q數(shù)據(jù)的緩存和回傳功能，該芯片具有55865個邏輯單元，2340Kbits存儲單元，244個乘法器，4個數(shù)字鎖相環(huán)，該芯片的硬件資源完全勝任該系統(tǒng)的信號處理工作。而濾除地物雜波、干擾信號以及天氣雷達產(chǎn)品生成、顯示、傳輸?shù)热蝿?wù)是在主計算機中由軟件模塊來完成，軟件模塊信號處理器信號流程如圖7所示。在圖7中，終端計算機通過CPCI總線接收浮點化的I/Q數(shù)據(jù)幀，并轉(zhuǎn)換為計算機標準的浮點數(shù)據(jù)，首先進行相干積累以提高信噪比，再進行噪聲門限判別，濾除噪聲，保留有效的回波信號，然后根據(jù)地物雜波圖采用時域橢圓濾波法去除地雜波、點目標雜波等，其中一路生成回波反射率，另一路通過FFT生成回波平均速度和譜寬。這三個數(shù)據(jù)稱為回波基數(shù)據(jù)。它們被輸送到天氣雷達產(chǎn)品生成模塊，生成多種天氣雷達二次應(yīng)用產(chǎn)品，并顯示在控制臺的顯示器上，必要時還可將這些產(chǎn)品傳輸?shù)街笓]中心，發(fā)送到其他應(yīng)用部門。圖8示出了接口模塊的框圖。由于氣象終端基于現(xiàn)役雷達，在不影響現(xiàn)役雷達正常工作的基礎(chǔ)上完成完成配接雷達周圍大氣環(huán)境探測任務(wù)，所以在該終端上實施了隔離措施。該終端是從現(xiàn)役雷達分路得到中頻IF信號、相參基準信號、同步觸發(fā)信號，考慮功分器的插入損耗，所以在該模塊中采用了隔離放大器以滿足該終端和現(xiàn)役雷達同時工作。以下，對該氣象終端生成的幾種應(yīng)用產(chǎn)品加以簡要說明:根據(jù)配接雷達性能參數(shù)、掃描策略和作戰(zhàn)任務(wù)不同，應(yīng)用產(chǎn)品也不同，最基本的產(chǎn)品應(yīng)該有:
序號產(chǎn)品名稱代號備注
1基本反射率R
2基本速度V
3基本譜寬W
4雨強RZ
5速度方位顯示 VAD
6風(fēng)廓線VWP
7強回波跟蹤與預(yù)測SETI
8湍流TUB1.基本反射率(R)①產(chǎn)品說明:基本反射率(R Reflectivity)描繪了一個完整的360°方位掃描的回波強度數(shù)據(jù)，對一個體積掃描中的每個仰角都可得到。產(chǎn)品是以極坐標形式顯示的，距離圈距離為投影距離，產(chǎn)品有16個反射率因子級別區(qū)間(單位:dBz，例如，5到lOdBz，10到15dBz)。數(shù)據(jù)級別的范圍從-5dBz到+75dBz。②產(chǎn)品用途:基本反射率因子被用來估計冰雹潛勢、決定風(fēng)暴結(jié)構(gòu)及確定邊界和降水核位置同時也可用于冷鋒、干線、風(fēng)暴外流邊界、輕微降水(如雪和毛毛雨)等的探測。產(chǎn)品輸出顯示時，對影響飛行和航行安全的氣象回波做出標識和預(yù)警提示。③局限性:由于受到垂直波束寬度的影響，其回波高度誤差較大，因此只能對回波的方位做出判斷(其它產(chǎn)品于此相同)。2.基本速度(V)①產(chǎn)品說明:基本速度(V:mean radial velocity)表示整個360°方位掃描的徑向速度數(shù)據(jù)，在采樣的每個仰角都可得到。產(chǎn)品以極坐標形式顯示，有18個數(shù)據(jù)級別區(qū)間(單位為m/s)。產(chǎn)品用顏色變化來描繪風(fēng)的徑向分量(朝向雷達速度值為負用冷色表示、遠離速度為正雷達用暖色表示)。②產(chǎn)品用途:產(chǎn)品用終端界面上的顏色變化(可調(diào)參數(shù))來描繪風(fēng)的徑向分量(朝向或遠離雷達)。預(yù)報員可用此產(chǎn)品估計風(fēng)速和風(fēng)向、確定邊界(密度不連續(xù)面)位置及決定有意義的切變區(qū)域(即輻合、輻散、中氣旋和龍卷渦旋特征)；產(chǎn)品輸出顯示時，對影響飛行安全的氣象回波做出標識和預(yù)警提示。③基本速度產(chǎn)品有二點局限性。一是垂直于雷達波束的風(fēng)的平均徑向速度被表不為O ;二是距離折疊和不正確的速度退模糊。距離折疊發(fā)生在系統(tǒng)不能區(qū)分返回能量是來源于最近發(fā)射的脈沖還是由更遠的天氣現(xiàn)象返回的以前脈沖(稱“第二程”，“第三程”等回波)。如果由于多 程返回而使二個回波重疊，速度數(shù)據(jù)就被指定在較強回波的距離上。3.基本譜寬(W)①產(chǎn)品說明:基本譜寬(W:spectrum width)表示360°方位掃描的譜寬數(shù)據(jù)，每個采樣仰角都可得到。產(chǎn)品以極坐標形式顯示，有10個數(shù)據(jù)級別(單位為m/s)。②產(chǎn)品用途:它可提供由于風(fēng)切變、湍流和速度樣本質(zhì)量引起的平均徑向速度變化的觀測，也可用來確定邊界(密度不連續(xù)面)位置、估計湍流大小及檢查徑向速度是否可靠。另外，由于較大的徑向速度切變通常與中氣旋及龍卷有關(guān)，因此譜寬產(chǎn)品也可用于確定中氣旋及龍卷的位置。注意接近噪聲閾值的弱信號返回將導(dǎo)致不規(guī)則的譜寬數(shù)據(jù)；產(chǎn)品輸出顯示時，對影響飛行安全的氣象回波做出標識和預(yù)警提示。4.雨強(RZ)①產(chǎn)品說明:天氣雷達能揭示降水區(qū)域雷達反射因子Z或有效反射因子Ze的時空分布，根據(jù)理論和實際觀測，Z(Ze)和降水強度存在著一定的關(guān)系，故可用雷達強度資料估計雨強分布。雨強(RZ:Rain Intensity)定義為單位時間內(nèi)落到單位面積(一般為lkm*lkm,2km*2km, 4km*4km三種)上的水的質(zhì)量。雨強產(chǎn)品顯示的是雨強大小，探測區(qū)域內(nèi)的雨強分布用16種顏色表示的16個資料等級。雨強的單位為mm/h。②產(chǎn)品用途:天氣雷達能揭示降水區(qū)域雷達反射因子Z或有效反射因子Ze的時空分布，根據(jù)理論和實際觀測，Z(Ze)和降水強度存在著一定的關(guān)系，故可用雷達強度資料估計雨強分布。
5.速度方為顯示(VAD)①產(chǎn)品說明:速度方位顯示(VAD:Velocity Azimuth Display)是指在一定的基本假設(shè)條件下，從速度隨方位角的分布中反演出平均風(fēng)矢量和散度及形變的技術(shù)。應(yīng)用這種方法，單部雷達即可以得到降水區(qū)中平均風(fēng)向風(fēng)速和平均散度等信息。②產(chǎn)品用途:如果有足夠的數(shù)據(jù)點存在，則計算與數(shù)據(jù)相適應(yīng)的正弦波，再用此正弦波計算特定高度上的風(fēng)速和風(fēng)向。一旦正弦波與數(shù)據(jù)吻合，就計算統(tǒng)計誤差和對稱性(入流和出流的徑向速度的差)，如果超過了統(tǒng)計誤差或?qū)ΨQ性的閾值，算法就不再計算風(fēng)速和風(fēng)向。產(chǎn)品主要用于檢查有懷疑的或VAD風(fēng)廓線中遺漏的風(fēng)數(shù)據(jù)。在分析區(qū)域上的風(fēng)場變形(如鋒、槽)會影響分析結(jié)果。6.風(fēng)廓線(VWP)①產(chǎn)品說明:風(fēng)廓線產(chǎn)品(VWP:ffind Profile)表示某一水平區(qū)域中對應(yīng)高度上的平均風(fēng)向風(fēng)速隨時間的變化。它在VAD產(chǎn)品的基礎(chǔ)上得到平均風(fēng)向風(fēng)速，應(yīng)用相繼時間的雷達掃描資料，即可獲得平均風(fēng)向和平均風(fēng)速時間變化的剖面圖形。②產(chǎn)品用途:速度方位顯示垂直風(fēng)廓線(VWP:velocity azimuth displaywindprofile)在時間-高度圖上顯示平均水平風(fēng)(由VAD算法在每層計算而得)。從地面到21km可顯示30個常規(guī)風(fēng)羽，此產(chǎn)品除顯示最近時間的風(fēng)/高度廓線外，還顯示10個較近的風(fēng)/高度廓線。此產(chǎn)品對確定低空和高空急流、熱力平流類型、垂直風(fēng)切變、鋒面厚度及等熵面抬升形勢的發(fā)展都是有用的。不過當(dāng)缺少散射物質(zhì)或在VAD處理階段統(tǒng)計誤差和對稱性閾值被超過時，此產(chǎn)品的用處受到了限制。7.強回波跟蹤與預(yù)測(SETI)①產(chǎn)品說明:強回波跟蹤信息(STI)產(chǎn)品根據(jù)連續(xù)時間內(nèi)的多個體掃識別出的強回波的的輪廓特征，通過 輪廓特征實現(xiàn)強回波跟蹤，再做非線性外推預(yù)報其位置。②產(chǎn)品用途:SETI有利于分析監(jiān)測相互分離容易識別的風(fēng)暴體信息，監(jiān)測風(fēng)暴的移動和發(fā)展是很好的參考，通過風(fēng)暴體匹配實現(xiàn)風(fēng)暴跟蹤，再做非線性外推預(yù)報其位置。8.湍流(TUB)①產(chǎn)品說明:湍流(TUB =Turbulence)產(chǎn)品是應(yīng)用多普勒雷達獲取的速度譜寬資料，根據(jù)它與湍流強度的關(guān)系式，來估計大氣中尺度小于雷達采樣體積的氣流擾動強度分布的廣品。②產(chǎn)品用途:產(chǎn)品是應(yīng)用多普勒雷達獲取的反射率資料來估計反射射率的平均值。它可以結(jié)合基本反射率數(shù)據(jù)來判斷風(fēng)暴的運動趨勢，它可用于對飛機顛簸區(qū)域的監(jiān)測和預(yù)報，還有助于估計降水云體的發(fā)展情況。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種多功能雷達的氣象終端，配接于岸基或艦載雷達上，其特征在于包括: CPCI總線，連接基于CPCI總線的工作站或服務(wù)器，接口模塊，中頻采樣數(shù)字接收機，高速數(shù)字信號處理器，以及天氣雷達產(chǎn)品生成模塊； 所述接口模塊接收來自所述岸基或艦載雷達的原始信號，經(jīng)隔離、放大后轉(zhuǎn)送至中頻采樣數(shù)字接收機； 所述中頻采樣數(shù)字接收機對從所述接口模塊接收到的信號進行采樣，并進行A/D變換，再經(jīng)下變頻處理轉(zhuǎn)換為I/Q信號，并將其送至高速數(shù)字信號處理器； 所述高速數(shù)字信號處理器對采樣得到的I/Q信號進行處理，濾除干擾信號，并進行距離訂正、艦速及橫縱搖補償處理，獲得天氣雷達回波基波數(shù)據(jù)，然后將其送至天氣雷達產(chǎn)品生成模塊； 所述天氣雷達產(chǎn)品生成模塊將高速數(shù)字信號處理器送來的天氣雷達回波基波數(shù)據(jù)，利用天氣雷達產(chǎn)品生成算法，生成多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣象終端，還包括天氣雷達產(chǎn)品顯示模塊，用于將所述天氣雷達產(chǎn)品生成模塊生成的多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品顯示在控制臺的顯示器上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣象終端，還包括天氣雷達產(chǎn)品傳輸模塊，用于將所述天氣雷達產(chǎn)品生成模塊生成的多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品傳輸?shù)街笓]中心，以發(fā)送到其他應(yīng)用部門。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣象終端，其中所述來自所述岸基或艦載雷達的原始信號包括:所述岸基或艦載雷達采集得到的中頻回波信號，以及所述岸基或艦載雷達本身的同步脈沖和時鐘信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣象終端，其中所述高速數(shù)字信號處理器還對從接口模塊接收到的天線波束角數(shù)據(jù)和工作模式編碼信號進行處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣象終端，其中所述中頻回波信號是由所述配接的岸基或艦載雷達按指定掃描策略掃描得到的回波信號再經(jīng)變頻所得。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣象終端，其中所述濾除的干擾信號包括海雜波、地物雜波、點目標雜波中的至少其中之一。
8.一種使用如權(quán)利要求1所述配接于多功能雷達的氣象終端的工作方法，包括以下步驟: 由配接的雷達按預(yù)定的天線掃描模式進行掃描，從接收到的回波信號中分出一路來，通過接口模塊，送至多功能雷達的氣象終端內(nèi)； 所述接口模塊接收來自配接雷達的中頻回波信號、同步脈沖、時鐘信號經(jīng)隔離、放大并轉(zhuǎn)送至中頻采樣數(shù)字接收機內(nèi)；而波束角數(shù)據(jù)和工作模式編碼信號則經(jīng)隔離后直接送到高速數(shù)字信號處理器進行處理； 中頻采樣數(shù)字接收機對接收到的中頻信號進行采樣和變換，得到I/Q信號，并將其送至高速數(shù)字信號處理器； 高速數(shù)字信號處理器對I/Q信號進行處理，濾除地物雜波、點目標雜波及其他干擾信號，并進行距離訂正、艦速及橫縱搖補償處理，得到天氣雷達回波基波數(shù)據(jù)； 將所述天氣雷達回波基波數(shù)據(jù)傳送給天氣雷達產(chǎn)品生成模塊，生成多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的探測方法，還包括以下步驟: 將天氣雷達產(chǎn)品生成模塊生成的多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品，送至終端的產(chǎn)品顯示模塊顯示在控制臺的顯示器上，或?qū)⒍喾N天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品傳輸?shù)街笓]中心，以發(fā)送到其他應(yīng)用部門。
10.一種多功能雷達的氣象終端，配接于岸基或艦載雷達上，其特征在于包括: CPCI總線，連接基于CPCI總線的工作站或服務(wù)器，接口模塊，中頻采樣數(shù)字接收機，高速數(shù)字信號處理器，以及天氣雷達產(chǎn)品生成模塊； 該終端利用岸基或艦載雷達采集得到的中頻信號、同步脈沖、時鐘信號、天線波束角數(shù)據(jù)、和工作模式編碼，通過接口模塊，把這些信號通過中頻采樣數(shù)字接收機、高速數(shù)字信號處理器，獲得天氣雷達回波基波數(shù)據(jù)，然后通過天氣雷達產(chǎn)品生成模塊生成多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品?！?br> 全文摘要
本發(fā)明提供了一種配接于多功能雷達的氣象終端。該獨立終端配接于現(xiàn)役岸基或艦載雷達上，在其不影響所配接雷達工作和性能的前提下，使其具備天氣雷達的功能。所述終端包括基于CPCI總線的工作站或服務(wù)器、接口模塊、中頻采樣數(shù)字接收機和高速數(shù)字信號處理器，及天氣雷達產(chǎn)品生成、顯示、傳輸?shù)溶浖K的集成。該終端利用配接雷達采集得到的回波、數(shù)據(jù)，通過接口模塊隔離、放大后，將一路原始信號送到中頻采樣數(shù)字接收機、高速數(shù)字信號處理器處理、變換獲得天氣雷達回波基波數(shù)據(jù)，然后通過天氣雷達產(chǎn)品生成模塊生成多種天氣雷達應(yīng)用產(chǎn)品，并顯示在控制臺的顯示器上，必要時還可將這些產(chǎn)品傳輸?shù)街笓]中心，發(fā)送到其他應(yīng)用部門。本發(fā)明充分利用配接雷達現(xiàn)有的功能，不影響其正常使用，改裝成本低，加裝方便，可靠性高，適用于X波段、C波段、S波段的雷達。
文檔編號G01S13/95GK103245950SQ20121002817
公開日2013年8月14日 申請日期2012年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月9日
發(fā)明者肖弟權(quán) 申請人:北京雷音電子技術(shù)開發(fā)有限公司