CN114624703B - 一种多功能气象环境参数测量侧扫雷达及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种多功能气象环境参数测量侧扫雷达，属于雷达技术领域。包括安装支架、转向云台、发射天线、接收天线阵列、雷达主机箱以及电池，所述发射天线和接收天线阵列通过转向云台设置在安装支架的顶端，雷达主机箱固定在安装支架的中部，电池为多功能气象环境参数测量侧扫雷达提供电能。本发明的有益效果是，采用模块化、小型化设计、计算模块并行化设计的思想，通过天线硬件模块和软件模块的独立化设计，同时利用四种测量功能的共同需求，并最大化应用***的共有资源，有效节省成本，能极大的扩展计算范围和计算范围内的单元分辨率，更能详细的体现出计算区域内的详细特征。

Description

一种多功能气象环境参数测量侧扫雷达及其操作方法
技术领域
本发明涉及一种雷达设备，属于雷达技术领域，具体为一种多功能气象环境参数测量侧扫雷达。
背景技术
侧扫雷达是进行河流表面流速测量的水文雷达，已经被广泛应用于水文、水资源等测验中。电子探空仪是高空气象探测的重要手段，通过施放带有电子探空仪的气球，地面接收雷达可接收到温、压、湿、风等高空气象。低空风场测量雷达则是用于探测低空风场的雷达设备。冰期河流观测雷达采用P波段雷达电磁波照射冰河表面，通过回波信息分析冰河所处不同冰期的典型特征，并提取相关运动参数。这四种雷达都工作在P波段，可通过设计相关的功能模块，将四部雷达统一。目前，采用雷达电磁波进行河流表面流场测量已经开始应用于水文测试中，实现了河流表面全天候观测，克服了传统测量手段无法对复杂水域测量、测量难度大等缺点，对水文测量具有重要的意义；冰期河流观测是目前水文测量的一大难点，目前均采用人工驻站观测，施测难度较大，采用雷达进行冰河观测，对解决目前的冰河观测难题具有重要意义。测风雷达用于完成低空风场测量，采用P波段宽带脉冲信号对空辐射，采用多天线阵列接收回波信号，采用数字波束形成技术，实现高空风场的测量。电子探空仪地面站采用P波段通信编码调制信号，实现探空测量数据与地面站的通信传输。
上述四种雷达各有其优点，如何将这四种雷达组合在一起充分发挥所有优点对于应急抢险救灾具有重要的意义。
发明内容
鉴于背景技术中提出的技术问题，本发明提供一种多功能气象环境参数测量侧扫雷达，根据四种功能雷达的共同点，从硬件架构到软件模块进行了创新性设计，将共用模块与独立模块进行详细设计，实现四种功能雷达的组合，将所有功能组合在一个雷达中。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
一种多功能气象环境参数测量侧扫雷达，包括安装支架、转向云台、发射天线、接收天线阵列、雷达主机箱以及电池，所述发射天线和接收天线阵列通过转向云台设置在安装支架的顶端，雷达主机箱固定在安装支架的中部，雷达主机箱内置发射信号生成单元模块，并行信号处理与数据处理模块，以及发射微波通道，发射信号生成单元模块分别与并行信号处理与数据处理模块、以及发射微波通道电连接，并行信号处理与数据处理模块由电子探空仪信号处理单元、河流表面流场信号处理单元、低空风场测量信号处理单元以及冰期河流测量信号处理单元四个子***组成，电池为多功能气象环境参数测量侧扫雷达提供电能。
优选地，电子探空仪信号处理单元、河流表面流场信号处理单元、低空风场测量信号处理单元以及冰期河流测量信号处理单元四个子***之间通过数据总线进行子***之间的数据通信。
优选地，电子探空仪信号处理单元、河流表面流场信号处理单元、低空风场测量信号处理单元以及冰期河流测量信号处理单元四个子***均配有并行存储和并行计算单元。
优选地，电子探空仪信号处理单元、河流表面流场信号处理单元、低空风场测量信号处理单元以及冰期河流测量信号处理单元四个子***通过各子***的数据接口，将采集的信号和中间数据分散存储于其它子***信号处理单元，通过其它子***的并行计算单元完成部分中间数据的计算，并通过数据接口完成对应单元之间的数据传递，将计算结果传递到并行信号处理与数据处理模块。
优选地，电池的输出端设有控制器，用于远程接收控制信号。
本发明同时提供一种多功能气象环境参数测量侧扫雷达的操作方法，包括以下步骤：
步骤一，将试验控制计算机通过网线与雷达主机箱连接；
步骤二，通过试验控制计算机向雷达主机箱中的实时控制计算机发送试验控制指令，控制多功能气象环境参数测量侧扫雷达的试验模式，解析确定对应的试验功能；
步骤三，向雷达主机箱中的中频发射信号生成单元下发信号生成控制参数；
步骤四，采用共用的数据存储与计算平台，对试验功能的特征参数进行精确提取。
优选地，试验功能为电子探空，具体工作流程如下：
（7a）控制码元生成器生成GFSK信号的调制码元信息，由第二直接频率合成器按照频率控制码元成中频GFSK编码信号，并由DA变换模块，生成探空仪中频发射GFSK模拟信号；
（7b）中频发射GFSK模拟信号通过多路选择器，切入到射频通道；
（7c）射频通道的上变频将中频发射GFSK模拟信号上变频到P波段对应频点，通过带通滤波器滤波滤除带外分量，并由放大器放大至指定的功率电平，由发射天线向空间发射；
（7d）同时，控制电脑向转向云台发射控制信号，使发射天线、接收天线阵列倾斜向空中发射、接收信号；
（7e）接收天线阵列依次接收电子探空仪回波信号，并由独立的三个通道依次完成低噪声放大、带通滤波、下变频和数字采样相关流程，得到三个接收通道的数字回波信号；
（7f）将三个接收通道的数字回波信号接入到电子探空仪信号处理单元，提取得到探空仪气象特征参数。
优选地，试验功能为低空风场测量，具体工作流程如下：
（8a）根据试验控制计算机下发信号的中频工作频率，由第一直接频率合成器按照频率控制生成对应频率的连续波数字信号，并由码元生成器生成对应的信号抗干扰调制码元，并对第一直接频率合成器生成的连续波数字信号进行相位调制，并由DA生成中频发射连续波雷达模拟信号；
（8b）第一数字脉冲生成器生成大脉宽低重频数字脉冲，通过选择开关对中频发射连续波雷达模拟信号进行幅度调制，生成中频模拟大脉宽雷达信号，通过多路选择器，切入到射频通道；
（8c）射频通道的上变频将中频模拟大脉宽雷达信号上变频到P波段对应频点，通过带通滤波器滤波滤除带外分量，并由放大器放大至指定的功率电平，由发射天线向空间发射；
（8d）同时，控制电脑向转向云台发射控制信号，使发射天线、接收天线阵列垂直指向空中；
（8e）接收天线阵列依次接收高空风场回波信号，并由独立的三个通道依次完成低噪声放大、带通滤波、下变频和数字采样流程，得到三个接收通道的数字回波信号；对三个接收通道的数字回波信号进行码元匹配处理，其中，参考码元由发射单元的码元生成器提供，通过码元匹配，对回波信号进行增强；
（8f）将三个接收通道的数字回波信号接入到低空风场测量信号处理单元，将对应信号处理与数据处理过程中存储数据和计算过程通过子模块之间的通信接口和调度模块的调度，分配到电子探空信号处理单元、河流表面流场信号处理单元、冰下河流测量信号处理单元中，实现低空风场的测量信号的并行计算，实时提取得到低空风场特征参数。
优选地，试验功能为河流表面流场测量，具体流程如下：
（9a）根据试验控制计算机下发信号的中频工作频率，由第一直接频率合成器按照频率控制生成对应频率的连续波数字信号，并由码元生成器生成对应的信号抗干扰调制码元，并对第一直接频率合成器生成的连续波信号进行相位调制，并由DA变换生成中频发射连续波雷达模拟信号；
（9b）第二数字脉冲生成器生成窄脉宽高重频数字脉冲，通过选择开关对中频发射连续波雷达模拟信号进行幅度调制，生成中频模拟窄脉宽高重频雷达信号，通过多路选择器，切入到射频通道；
（9c）射频通道的上变频将中频模拟窄脉宽高重频雷达信号上变频到P波段对应频点，通过带通滤波器滤波滤除带外分量，并由放大器放大至指定的功率电平，由发射天线向空间发射；
（9d）同时，控制电脑向转向云台发射控制信号，使发射天线、接收天线阵列与测试河面平行；
（9e）接收天线阵列依次接收河流表面回波信号，并由独立的三个通道依次完成低噪声放大、带通滤波、下变频和数字采样流程，得到三个接收通道的数字回波信号；对三个接收通道的数字回波信号进行码元匹配处理，其中，参考码元由发射单元的码元生成器提供，通过码元匹配，对回波信号进行增强；
（9f）将三个接收通道的数字回波信号接入到河流表面流场测量信号处理单元，将对应信号处理与数据处理过程中存储数据和计算过程通过子模块之间的通信接口和调度模块的调度，分配到电子探空信号处理单元、低空风场信号处理单元、冰下河流测量信号处理单元中，实现河流表面流场测量信号的并行计算，提取得到河流表面流场特征参数。
优选地，试验功能为冰河流速特征测量，具体流程如下：
（10a）根据试验控制计算机下发信号的中频工作频率、调制带宽，由第三直接频率合成器按照频率控制生成对应频率的调频步进频雷达脉冲信号，并由码元生成器生成对应的信号抗干扰调制码元，并对第三直接频率合成器生成的连续波信号进行相位调制，并由DA变换生成中频发射雷达调频步进频模拟信号；
（10b）通过多路选择器，切入到射频通道；
（10c）射频通道的上变频将中频发射雷达调频步进频模拟信号上变频到P波段对应频点，通过带通滤波器滤波滤除带外分量，并由放大器放大至指定的功率电平，由发射天线向空间发射；
（10d）同时，控制电脑向,转向云台发射控制信号，使发射天线、接收天线阵列下倾30°，照射冰期河面；
（10e）接收天线阵列依次接收河流表面回波信号，并由独立的三个通道依次完成低噪声放大、带通滤波、下变频和数字采样流程，得到三个接收通道的数字回波信号；对三个接收通道的数字回波信号进行码元匹配处理，其中，参考码元由发射单元的码元生成器提供，通过码元匹配，对回波信号进行增强；
（10f）将三个接收通道的数字回波信号接入到冰期河流测量信号处理单元，将对应信号处理与数据处理过程中存储数据和计算过程通过子模块之间的通信接口和调度模块的调度，分配到电子探空信号处理单元、低空风场信号处理单元、河流表面流场测量信号处理单元中，实现冰期河流测量信号的并行计算，提取得到冰期河流特征参数。
有益效果
（1）本发明采用模块化、小型化设计、计算模块并行化设计的思想，通过天线硬件模块和软件模块的独立化设计，同时利用四种测量功能的共同需求，并最大化应用***的共有资源，有效节省成本；
（2）同时采用了并行架构，共用数据存储和并行计算单元，能有效提高特征参数的计算精度和实时性，在矢量场测量时，在保证***实时性的前提下，能极大的扩展计算范围和计算范围内的单元分辨率，更能详细的体现出计算区域内的详细特征；
（3）相比于单独的电子探空***，由于在信号处理过程中，可以同时调用低空风场测量信号处理单元、河流表面流场测量信号处理单元与冰期河流测量单元的并行计算模块参与运算，可实现更复杂的编码调制和解码工作，提高探空信号的处理速度，缩短信号处理时间；低空风场测量中，由于利用的探空模块的码元生成模块，对发射信号进行了编码调制，通过接收端解码处理，能够实现对同频干扰信号的抑制，对干扰信号产生超过30dB的衰减，极大提高***的抗干扰能力，同时通过并行解算和存储，可实现低空更大范围内的风场信号的处理，并能够提高对应风场的分辨率，显示风场更细节的特征，并且计算时间与传统设备没有明显差别；对于河面流场测量，编码调制与解码带来了30dB以上的同频干扰抑制，可以有效消除河面通行船只的电台信号及其他杂散信号的干扰，极大的提高了设备的环境适应性，同时由于采用了并行计算，相比于传统的设备只能测量分段流速或者小范围的流场数据，本发明能够实现方位120°（分辨率1°），距离1000m（分辨率10m以内）的流场数据测量，并且解算过程相对于传统设备不会有明显的变化；对于冰河测量，抗干扰性能由编码和解码提供，由于信号处理存储单元和计算单元的共用，相对于单一设备，可以发射更大带宽的步进频信号，同时能够实现更复杂的数据处理，可以有效增加设备的作用距离，并提高对应的距离分辨率，在本发明中，采用的发射信号能够达到100MHz的带宽，能实现500m范围，距离分辨率1.5m的冰期河流特征测量，相比于传统的测量手段，在测量精度和分辨率方面都具有明显的提升；
（4）相比于传统的测量手段或者单一的测量设备，本发明的***在设备布设、测量难度和实现成本、测量精度、覆盖范围和实时性方面均有明显的优势，对应急抢险过程中，需要同时快速完成多种环境参数测量的场景，具有实时性好、通用性强、覆盖范围广、架设快速安全等优点，同时还可应用于各个单一功能测站的测量工作，对气象、水文建设具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明一种多功能气象环境参数测量侧扫雷达***模块示意图；
图2为本发明雷达主机箱内部模块及信号流程图；
图3a为本发明电子探空仪信号处理单元信号流程图；
图3b为本发明电子探空仪信号处理流程中技术模块GFSK信号解调的详细实现流程图；
图4a为本发明河流表面流场信号处理单元信号流程图；
图4b为本发明河流表面流场信号处理单元信号流程中技术模块分段流速特征提取的详细实现流程图；
图5a为本发明低空风场测量信号处理单元信号流程图；
图5b为本发明低空风场测量信号处理单元信号流程中技术模块大脉宽信号相参处理的详细实现流程图；
图6a为本发明冰期河流测量信号处理单元信号流程图；
图6b为本发明冰期河流测量信号处理单元信号流程中技术模块调频步进频信号处理的详细实现流程图；
图7为本发明多功能气象环境参数测量侧扫雷达操作方法流程图；
图8a为本发明电子探空仪无源测量工作架设场景示意图；
图8b为本发明电子探空仪无源测量工作收发天线的精确指向图；
图9a为本发明低空风场测量工作架设场景示意图；
图9b为本发明低空风场测量工作收发天线的精确指向图；
图10a为本发明河流表面流场测量工作架设场景示意图；
图10b为本发明河流表面流场测量工作收发天线的精确指向图；
图11a为本发明冰下流速测量工作架设场景示意图；
图11b为本发明冰下流速测量工作收发天线的精确指向图。
附图标记说明：
1、安装支架；2、具备二维空间扫描控制的二轴转向云台；3、P波段发射天线；4、P波段接收天线阵列；5、雷达主机箱；6、电池。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
如图1和图2所示，本发明提供一种多功能气象环境参数测量侧扫雷达，包括安装支架1、具备二维空间扫描控制的二轴转向云台2、P波段发射天线3、P波段接收天线阵列4、雷达主机箱5以及电池6，所述P波段发射天线3和P波段接收天线阵列4通过具备二维空间扫描控制的二轴转向云台2设置在安装支架1的顶端，雷达主机箱5固定在安装支架1的中部，雷达主机箱5内置发射信号生成单元模块，并行信号处理与数据处理模块，以及发射微波通道，发射信号生成单元模块分别与并行信号处理与数据处理模块、以及发射微波通道电连接，并行信号处理与数据处理模块由电子探空仪信号处理单元、河流表面流场信号处理单元、低空风场测量信号处理单元以及冰期河流测量信号处理单元四个子***组成。电池6为多功能气象环境参数测量侧扫雷达提供电能。
通过雷达主机箱5的模块化***设计，有效的将四类信号生成模块与信号处理模块融入到同一个中频信号处理平台之中，并通过模块之间的共用，实现各种试验功能下，通过对雷达发射信号进行编码调制，实现四种功能抗干扰雷达信号收发处理工作，并采用共用的数据存储与计算平台，有效实现四种功能的特征参数的精确提取，并能够实现更大分布范围、更高分辨率的精细化矢量流场特征参数计算；***工作时，根据对应的功能需求，加载不同的配置文件，实现不同的试验功能需求。
***工作过程中，四种工作模式需要天线具备不同的指向，参见设备各项工作态势图。设备在不同功能中切换，指向由具备二维空间扫描控制的二轴转向云台进行控制实现；***工作时，由不同的主控模块发射雷达信号，并通过码元编码对雷达发射信号进行幅度调制，在接收端通过码元匹配实现抗干扰性能；通过并行信号处理与数据处理平台，实现快速大范围高分辨流场数据的精确提取。
***工作时的电能由电池组提供，该电池经过改进设计后，具备远程自动断电和上电功能，通过在电池输出端加装控制器，远程接收控制信号，控制信号由远程手机APP通过4G通信网络传输至电池输出控制单元；电池具备市电接口，可通过市电接入进行充电和并网工作。
在***信号处理和数据处理中，***采用四块计算子单元分别布设对应于四种功能的数据信号处理平台，四个子平台通过数据总线进行子***之间的数据通信，每个子平台都是配备并行存储和计算单元，在进行各项功能试验时，通过子单元间的数据接口，将采集的信号和中间数据分散存储于其他子***信号处理单元，通过其他子单元的并行计算模块完成部分中间数据的计算，实现对应试验过程中大容量信号数据的存储和实时高性能的特征参数解算，并通过数据接口完成对应单元之间的数据传递，最终将计算结果传递到对应的信号处理模块，完成信号处理结果输出。
如图7所示，本发明同时提供一种多功能气象环境参数测量侧扫雷达的操作方法，包括以下步骤：
***开始工作前，按照***模块组成图1所示，完成***的组装；控制计算机通过网线与雷达主机箱进行连接，传输控制指令；供电电池采用专用电缆与雷达主机箱连接，完成***供电。
步骤一，将试验控制计算机通过网线与雷达主机箱连接；
步骤二，通过试验控制计算机向雷达主机箱中的实时控制计算机发送试验控制指令，控制多功能气象环境参数测量侧扫雷达的试验模式，解析确定对应的试验功能；
步骤三，根据试验功能的要求，向雷达主机箱中的中频发射信号生成单元下发信号生成控制参数；
步骤四，如果选择试验功能为电子探空，具体工作流程如下：
（4a）控制码元生成器生成GFSK信号的调制码元信息，由第二直接频率合成器按照频率控制码元成中频GFSK编码信号，并由DA变换模块，生成探空仪中频发射GFSK模拟信号；
（4b）中频发射GFSK模拟信号通过多路选择器，切入到射频通道；
（4c）射频通道的上变频将中频发射GFSK模拟信号上变频到P波段对应频点，通过带通滤波器滤波滤除带外分量，并由放大器放大至指定的功率电平，由发射天线向空间发射；
（4d）同时，控制电脑向转向云台发射控制信号，使发射天线、接收天线阵列倾斜向空中发射、接收信号，形成如图8a和8b所示的工作态势；
（4e）接收天线阵列依次接收电子探空仪回波信号，并由独立的三个通道依次完成低噪声放大、带通滤波、下变频和数字采样相关流程，得到三个接收通道的数字回波信号；
（4f）将三个接收通道的数字回波信号接入到电子探空仪信号处理单元，根据如图3a和3b所述步骤完成电子探空仪的雷达信号处理工作，提取得到探空仪气象特征参数；
步骤五，如果选择试验功能为低空风场测量，具体工作流程如下：
（5a）根据试验控制计算机下发信号的中频工作频率，由第一直接频率合成器按照频率控制生成对应频率的连续波数字信号，并由码元生成器生成对应的信号抗干扰调制码元，并对第一直接频率合成器生成的连续波数字信号进行相位调制，并由DA生成中频发射连续波雷达模拟信号；
（5b）第一数字脉冲生成器生成大脉宽低重频数字脉冲，通过选择开关对中频发射连续波雷达模拟信号进行幅度调制，生成中频模拟大脉宽雷达信号，通过多路选择器，切入到射频通道；
（5c）射频通道的上变频将中频模拟大脉宽雷达信号上变频到P波段对应频点，通过带通滤波器滤波滤除带外分量，并由放大器放大至指定的功率电平，由发射天线向空间发射；
（5d）同时，控制电脑向转向云台发射控制信号，使发射天线、接收天线阵列垂直指向空中；形成如图9a和9b所示的工作态势；
（5e）接收天线阵列依次接收高空风场回波信号，并由独立的三个通道依次完成低噪声放大、带通滤波、下变频和数字采样流程，得到三个接收通道的数字回波信号；对三个接收通道的数字回波信号进行码元匹配处理，其中，参考码元由发射单元的码元生成器提供，通过码元匹配，对回波信号进行增强，对外界的非相干的同频干扰信号，由于干扰信号中不存在匹配的编码调制，因此处理过程中码元失配，极大的衰减干扰信号的幅度值，有效实现设备的抗干扰性能；
（5f）将三个接收通道的数字回波信号接入到低空风场测量信号处理单元，依据图4a和4b所述步骤完成低空风场的雷达信号处理工作，将对应信号处理与数据处理过程中存储数据和计算过程通过子模块之间的通信接口和调度模块的调度，分配到电子探空信号处理单元、河流表面流场信号处理单元、冰下河流测量信号处理单元中，实现低空风场的测量信号的并行计算，实时提取得到低空风场特征参数；
步骤六，如果选择功能为河流表面流场测量，具体流程如下：
（6a）根据试验控制计算机下发信号的中频工作频率，由第一直接频率合成器按照频率控制生成对应频率的连续波数字信号，并由码元生成器生成对应的信号抗干扰调制码元，并对第一直接频率合成器生成的连续波信号进行相位调制，并由DA变换生成中频发射连续波雷达模拟信号；
（6b）第二数字脉冲生成器生成窄脉宽高重频数字脉冲，通过选择开关对中频发射连续波雷达模拟信号进行幅度调制，生成中频模拟窄脉宽高重频雷达信号，通过多路选择器，切入到射频通道；
（6c）射频通道的上变频将中频模拟窄脉宽高重频雷达信号上变频到P波段对应频点，通过带通滤波器滤波滤除带外分量，并由放大器放大至指定的功率电平，由发射天线向空间发射；
（6d）同时，控制电脑向转向云台发射控制信号，使发射天线、接收天线阵列与测试河面平行，形成如图10a和10b所示工作态势；
（6e）接收天线阵列依次接收河流表面回波信号，并由独立的三个通道依次完成低噪声放大、带通滤波、下变频和数字采样流程，得到三个接收通道的数字回波信号；对三个接收通道的数字回波信号进行码元匹配处理，其中，参考码元由发射单元的码元生成器提供，通过码元匹配，对回波信号进行增强，对外界的非相干的同频干扰信号，由于干扰信号中不存在匹配的编码调制，因此处理过程中码元失配，极大的衰减干扰信号的幅度值，有效实现设备的抗干扰性能；
（6f）将三个接收通道的数字回波信号接入到河流表面流场测量信号处理单元，依据图5a和5b所述步骤完成低空风场的雷达信号处理工作，将对应信号处理与数据处理过程中存储数据和计算过程通过子模块之间的通信接口和调度模块的调度，分配到电子探空信号处理单元、低空风场信号处理单元、冰下河流测量信号处理单元中，实现河流表面流场测量信号的并行计算，提取得到河流表面流场特征参数；
步骤七，如果选择功能为冰河流速特征测量，具体流程如下：
（7a）根据试验控制计算机下发信号的中频工作频率、调制带宽，由第三直接频率合成器按照频率控制生成对应频率的调频步进频雷达脉冲信号，并由码元生成器生成对应的信号抗干扰调制码元，并对第三直接频率合成器生成的连续波信号进行相位调制，并由DA变换生成中频发射雷达调频步进频模拟信号；
（7b）通过多路选择器，切入到射频通道；
（7c）射频通道的上变频将中频发射雷达调频步进频模拟信号上变频到P波段对应频点，通过带通滤波器滤波滤除带外分量，并由放大器放大至指定的功率电平，由发射天线向空间发射；
（7d）同时，控制电脑向,转向云台发射控制信号，使发射天线、接收天线阵列下倾30°，照射冰期河面，形成如图11a和11b所示工作态势；
（7e）接收天线阵列依次接收河流表面回波信号，并由独立的三个通道依次完成低噪声放大、带通滤波、下变频和数字采样流程，得到三个接收通道的数字回波信号；对三个接收通道的数字回波信号进行码元匹配处理，其中，参考码元由发射单元的码元生成器提供，通过码元匹配，对回波信号进行增强，对外界的非相干的同频干扰信号，由于干扰信号中不存在匹配的编码调制，因此处理过程中码元失配，极大的衰减干扰信号的幅度值，有效实现设备的抗干扰性能；
（7f）将三个接收通道的数字回波信号接入到冰期河流测量信号处理单元，依据图6a和6b所述步骤完成冰期河流特征回波的雷达信号处理工作，将对应信号处理与数据处理过程中存储数据和计算过程通过子模块之间的通信接口和调度模块的调度，分配到电子探空信号处理单元、低空风场信号处理单元、河流表面流场测量信号处理单元中，实现冰期河流测量信号的并行计算，提取得到冰期河流特征参数。
本发明在模块共用过程中，充分发挥多模块组合设计的优势，在河面流场测量、低空风场测量、冰下流速测量信号设计中，充分利用了探空仪的编码调制模块，对冰下河流测量、低空风场测量、冰下流速测量的信号加入了编码调制，使得设备在进行三类测量时，具有良好的抗干扰性能，使得设备能够更好的应用于复杂的强干扰电磁环境中。在设备进行各项独立功能试验，数据处理计算过程中，***采用并行计算架构设计，将四块单独服务于各自分项单元的独立发射控制和数据处理板卡进行共用，通过机箱的数据总线实现各分***数据处理板卡之间的数据交互，通过数据处理板卡平台之间的协同工作，可以大大提高设备试验过程中，特征参数求解的计算精度和实时性，同时，由于共用了四个单项***的控制和处理板卡，可以实现更大规模的数据存储和计算，可以计算更大范围内的流场，并能够提高流场计算范围内的分辨率，在保证***实时性的前提下，得到更大范围内、更精确的计算结果。只需要通过天线角度调整和软件控制功能选择即可实现不同的应用需求，对于应急抢险救灾具有重要的意义。
虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种多功能气象环境参数测量侧扫雷达，其特征在于，包括安装支架、转向云台、发射天线、接收天线阵列、雷达主机箱以及电池，所述发射天线和接收天线阵列通过转向云台设置在安装支架的顶端，雷达主机箱固定在安装支架的中部，雷达主机箱内置发射信号生成单元模块，并行信号处理与数据处理模块，以及发射微波通道，发射信号生成单元模块分别与并行信号处理与数据处理模块、以及发射微波通道电连接，并行信号处理与数据处理模块由电子探空仪信号处理单元、河流表面流场信号处理单元、低空风场测量信号处理单元以及冰期河流测量信号处理单元四个子***组成，电池为多功能气象环境参数测量侧扫雷达提供电能；电子探空***在信号处理过程中，可以同时调用低空风场测量信号处理单元、河流表面流场测量信号处理单元与冰期河流测量单元的并行计算模块参与运算，可实现更复杂的编码调制和解码工作；低空风场测量、河面表面流场测量和冰河流速特征测量中均利用探空模块的码元生成模块，对发射信号进行了编码调制，通过接收端解码处理，能够实现对同频干扰信号的抑制。
2.根据权利要求1所述的一种多功能气象环境参数测量侧扫雷达，其特征在于，电子探空仪信号处理单元、河流表面流场信号处理单元、低空风场测量信号处理单元以及冰期河流测量信号处理单元四个子***之间通过数据总线进行子***之间的数据通信。
3.根据权利要求2所述的一种多功能气象环境参数测量侧扫雷达，其特征在于，电子探空仪信号处理单元、河流表面流场信号处理单元、低空风场测量信号处理单元以及冰期河流测量信号处理单元四个子***均配有并行存储和并行计算单元。
4.根据权利要求3所述的一种多功能气象环境参数测量侧扫雷达，其特征在于，电子探空仪信号处理单元、河流表面流场信号处理单元、低空风场测量信号处理单元以及冰期河流测量信号处理单元四个子***通过各子***的数据接口，将采集的信号和中间数据分散存储于其它子***信号处理单元，通过其它子***的并行计算单元完成部分中间数据的计算，并通过数据接口完成对应单元之间的数据传递，将计算结果传递到并行信号处理与数据处理模块。
5.根据权利要求4所述的一种多功能气象环境参数测量侧扫雷达，其特征在于，电池的输出端设有控制器，用于远程接收控制信号。
6.一种采用权利要求1所述的多功能气象环境参数测量侧扫雷达的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将试验控制计算机通过网线与雷达主机箱连接；
步骤二，通过试验控制计算机向雷达主机箱中的实时控制计算机发送试验控制指令，控制多功能气象环境参数测量侧扫雷达的试验模式，解析确定对应的试验功能；
步骤三，向雷达主机箱中的中频发射信号生成单元下发信号生成控制参数；
步骤四，采用共用的数据存储与计算平台，对试验功能的特征参数进行精确提取。
7.根据权利要求6所述的一种多功能气象环境参数测量侧扫雷达的操作方法，其特征在于，试验功能为电子探空，具体工作流程如下：
（7a）控制码元生成器生成GFSK信号的调制码元信息，由第二直接频率合成器按照频率控制码元成中频GFSK编码信号，并由DA变换模块，生成探空仪中频发射GFSK模拟信号；
（7b）中频发射GFSK模拟信号通过多路选择器，切入到射频通道；
（7c）射频通道的上变频将中频发射GFSK模拟信号上变频到P波段对应频点，通过带通滤波器滤波滤除带外分量，并由放大器放大至指定的功率电平，由发射天线向空间发射；
（7d）同时，控制电脑向转向云台发射控制信号，使发射天线、接收天线阵列倾斜向空中发射、接收信号；
（7e）接收天线阵列依次接收电子探空仪回波信号，并由独立的三个通道依次完成低噪声放大、带通滤波、下变频和数字采样相关流程，得到三个接收通道的数字回波信号；
（7f）将三个接收通道的数字回波信号接入到电子探空仪信号处理单元，提取得到探空仪气象特征参数。
8.根据权利要求6所述的一种多功能气象环境参数测量侧扫雷达的操作方法，其特征在于，试验功能为低空风场测量，具体工作流程如下：
（8a）根据试验控制计算机下发信号的中频工作频率，由第一直接频率合成器按照频率控制生成对应频率的连续波数字信号，并由码元生成器生成对应的信号抗干扰调制码元，并对第一直接频率合成器生成的连续波数字信号进行相位调制，并由DA生成中频发射连续波雷达模拟信号；
（8b）第一数字脉冲生成器生成大脉宽低重频数字脉冲，通过选择开关对中频发射连续波雷达模拟信号进行幅度调制，生成中频模拟大脉宽雷达信号，通过多路选择器，切入到射频通道；
（8c）射频通道的上变频将中频模拟大脉宽雷达信号上变频到P波段对应频点，通过带通滤波器滤波滤除带外分量，并由放大器放大至指定的功率电平，由发射天线向空间发射；
（8d）同时，控制电脑向转向云台发射控制信号，使发射天线、接收天线阵列垂直指向空中；
（8e）接收天线阵列依次接收高空风场回波信号，并由独立的三个通道依次完成低噪声放大、带通滤波、下变频和数字采样流程，得到三个接收通道的数字回波信号；对三个接收通道的数字回波信号进行码元匹配处理，其中，参考码元由发射单元的码元生成器提供，通过码元匹配，对回波信号进行增强；
（8f）将三个接收通道的数字回波信号接入到低空风场测量信号处理单元，将对应信号处理与数据处理过程中存储数据和计算过程通过子模块之间的通信接口和调度模块的调度，分配到电子探空信号处理单元、河流表面流场信号处理单元、冰下河流测量信号处理单元中，实现低空风场的测量信号的并行计算，实时提取得到低空风场特征参数。
9.根据权利要求6所述的一种多功能气象环境参数测量侧扫雷达的操作方法，其特征在于，试验功能为河流表面流场测量，具体流程如下：
（9a）根据试验控制计算机下发信号的中频工作频率，由第一直接频率合成器按照频率控制生成对应频率的连续波数字信号，并由码元生成器生成对应的信号抗干扰调制码元，并对第一直接频率合成器生成的连续波信号进行相位调制，并由DA变换生成中频发射连续波雷达模拟信号；
（9b）第二数字脉冲生成器生成窄脉宽高重频数字脉冲，通过选择开关对中频发射连续波雷达模拟信号进行幅度调制，生成中频模拟窄脉宽高重频雷达信号，通过多路选择器，切入到射频通道；
（9c）射频通道的上变频将中频模拟窄脉宽高重频雷达信号上变频到P波段对应频点，通过带通滤波器滤波滤除带外分量，并由放大器放大至指定的功率电平，由发射天线向空间发射；
（9d）同时，控制电脑向转向云台发射控制信号，使发射天线、接收天线阵列与测试河面平行；
（9e）接收天线阵列依次接收河流表面回波信号，并由独立的三个通道依次完成低噪声放大、带通滤波、下变频和数字采样流程，得到三个接收通道的数字回波信号；对三个接收通道的数字回波信号进行码元匹配处理，其中，参考码元由发射单元的码元生成器提供，通过码元匹配，对回波信号进行增强；
（9f）将三个接收通道的数字回波信号接入到河流表面流场测量信号处理单元，将对应信号处理与数据处理过程中存储数据和计算过程通过子模块之间的通信接口和调度模块的调度，分配到电子探空信号处理单元、低空风场信号处理单元、冰下河流测量信号处理单元中，实现河流表面流场测量信号的并行计算，提取得到河流表面流场特征参数。
10.根据权利要求6所述的一种多功能气象环境参数测量侧扫雷达的操作方法，其特征在于，试验功能为冰河流速特征测量，具体流程如下：
（10a）根据试验控制计算机下发信号的中频工作频率、调制带宽，由第三直接频率合成器按照频率控制生成对应频率的调频步进频雷达脉冲信号，并由码元生成器生成对应的信号抗干扰调制码元，并对第三直接频率合成器生成的连续波信号进行相位调制，并由DA变换生成中频发射雷达调频步进频模拟信号；
（10b）通过多路选择器，切入到射频通道；
（10c）射频通道的上变频将中频发射雷达调频步进频模拟信号上变频到P波段对应频点，通过带通滤波器滤波滤除带外分量，并由放大器放大至指定的功率电平，由发射天线向空间发射；
（10d）同时，控制电脑向,转向云台发射控制信号，使发射天线、接收天线阵列下倾30°，照射冰期河面；
（10e）接收天线阵列依次接收河流表面回波信号，并由独立的三个通道依次完成低噪声放大、带通滤波、下变频和数字采样流程，得到三个接收通道的数字回波信号；对三个接收通道的数字回波信号进行码元匹配处理，其中，参考码元由发射单元的码元生成器提供，通过码元匹配，对回波信号进行增强；
（10f）将三个接收通道的数字回波信号接入到冰期河流测量信号处理单元，将对应信号处理与数据处理过程中存储数据和计算过程通过子模块之间的通信接口和调度模块的调度，分配到电子探空信号处理单元、低空风场信号处理单元、河流表面流场测量信号处理单元中，实现冰期河流测量信号的并行计算，提取得到冰期河流特征参数。
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