【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微波毫米波，涉及大气风速测量，提供一种用于风速测量的雷达系统。
技术介绍
1、多普勒效应是指当波源与接收者之间存在相对运动时，波源发射的频率与接收者接收的频率之间会存在偏差。当二者朝向彼此运动时，波的频率变高；当二者远离彼此运动时，波的频率变低。多普勒效应在测速场景中应用广泛，如：医学中用于无创检查的多普勒超声诊断仪、道路上用于车辆测速的多普勒测速仪、气象上用于气象探测的多普勒雷达。
2、大气湍流的折射率具有不均匀性，会引发入射电磁波的散射。风廓线雷达便是利用大气湍流对电磁波的散射作用来进行大气风场探测的装置，即雷达发射的电磁波，遇到大气湍流时产生多普勒频移，其中一部分能量散射到雷达接收机，再次产生多普勒频移；对产生的多普勒频移进行检测，就能得到大气相对于雷达的相对速度，即相对风速。大气湍流引起的电磁波散射，与电磁波的频率关系不大，因此这类测风速雷达的工作频率范围广，从l波段(1～2ghz)到毫米波都有报道。
3、大气湍流的发生需具备一定的动力学和热力学条件，即需要明显的风速切变或空气的不稳定性；也就是说，利用大气湍流反射工作的雷达，即使存在风，但没有形成湍流时，并不能接收到反映风速的回波，此时测量风速就存在问题。
4、大气分子具有一定的电磁谐振频率，比如氧气分子的谐振频率在60ghz和118.75ghz附近，而水蒸气的谐振频率在22.235ghz和183.3ghz附近。当入射的电磁波频率与其谐振频率相同或接近时，大气分子会对电磁波产生共振吸收作用，从而造成衰减。在传统的雷达系统
5、目前，利用大气湍流进行大气风速测量的应用较为常见，如：(罗勇等，一种低空近场微弱矢量信号探测雷达系统，中国专利技术专利，申请号202020327716.3，申请日2020.03.16)，但没有利用大气分子谐振频率进行大气风速测量的相关报道。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提出一种新型大气风速测量雷达系统，该系统工作在大气分子谐振频率附近，创新性地利用大气分子谐振对电磁波的作用来进行风速测量，再加上大气湍流的散射，就能获得更强的反射信号，从而实现更高的探测灵敏度和探测精度；并且在没有大气湍流时也能进行风速测量。
2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：采用信号源、功分器、双工器、天线、混频器、中频处理装置的架构，构建大气风速测量雷达系统。首先，由信号源产生22.235ghz、60ghz、118.75ghz、183.3ghz等处于“大气分子谐振频率”附近的信号，经过功分器后分为两路，一路传输至双工器后通过天线发射出去，另一路传输至混频器作为其本振。经天线发射的特定频率电磁波，经大气分子谐振散射，以及可能的大气湍流散射，其中一部分被天线接收。接收的回波经双工器分路后传输到混频器中与本振混频，得到回波与本振的差频；该差频经中频处理装置处理后就能得到大气风速信息。
3、本专利技术的工作原理在于：频率在大气谐振频率附近的电磁波，遇到与天线有相对运动的大气时，大气分子谐振会引起电磁波的散射，同时会使入射电磁波产生多普勒频移，该频移为
4、fd＝vrλ
5、其中vr为天线与大气分子的相对速度，λ为发射电磁波的波长。散射电磁波中的一部分能被天线接收，再次产生多普勒频移。对收发在一起的单站雷达系统，本振与发射频率相同时，混频器输出的差频就是两次的多普勒频移之和。则所测的大气相对速度近似为
6、vr＝fdλ/2
7、本专利技术提供了一种用于风速测量的方法，包括以下步骤：
8、1.使用信号源产生特定频率的电磁波信号，其中所述特定频率选定为大气分子谐振频率附近的频率；
9、2.通过功分器将所产生的信号分为两路，其中一路传输至双工器，并通过天线向外发射；
10、3.接收由大气湍流和大气分子谐振对所发射电磁波产生的多普勒回波信号；
11、4.利用混频器将发射的信号与接收到的多普勒回波信号混合，生成中频信号；
12、5.在中频处理装置中分析中频信号，以计算得出相对于雷达系统的大气风速。
13、其中所述双工器采用环形器或开关实现收发双工功能，以有效分离发射和接收信号，进而提高雷达系统的性能。
14、其中混频器采用零中频架构，以便混频后生成的中频信号就代表多普勒频移，从而提高雷达系统的测量灵敏度和准确性。
15、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本专利技术所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
16、第一、传统的微波测风雷达，利用大气湍流的反射来测量风速；但大气湍流与风并没有必然的联系，有风时不一定有湍流；这时常规的雷达就出现测风失效。本专利技术在没有大气湍流时也能利用大气分子谐振引起的散射和多普勒频移进行相对风速的测量，即只要有相对风速，就能测出，因为有风就有气体分子，就有对应的谐振频率；有大气湍流时，同时利用大气湍流和大气分子谐振对入射电磁波的共同作用，可以获得较传统雷达测风方法更强的散射信号。
17、第二，本专利技术在没有大气湍流时也能实现风速测量，解决了传统微波测风雷达的难题。当有大气湍流时，基于大气湍流和大气分子谐振，能够实现更高的探测灵敏度和探测精度，有利于提高作用距离或减少对发射功率的需求。
18、第三，微波测风雷达在天气预报、防灾救灾、风电场等方面有重要用途。本专利技术从原理上克服了微波测风雷达漏报的问题，并使测量灵敏度明显提高。用于天气预报时能提高预报的准确性，利于防灾救灾。用于风电场时可以明显提高发电效率。
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1.一种用于风速测量的雷达系统，其特征在于，包括级联的信号源、功分器、双工器、天线、混频器、中频处理装置；
2.根据权利要求1所述的用于风速测量的雷达系统，其特征在于，信号源产生并发射的频率为“大气分子谐振频率”，即22.235GHz、60GHz、118.75GHz、183.3GHz附近的频率，通过探测由大气分子谐振对电磁波共同作用散射后的多普勒回波信号，分析得出大气风速信息。
3.如权利要求1所述的雷达系统，其特征在于，信号源产生的频率在“大气分子谐振频率”附近，即在22.235±1.75GHz、60±10GHz、118.75±5GHz和183.3±15GHz范围内，用于激发大气分子的谐振，并接收由大气湍流和分子谐振散射后的多普勒回波信号。
4.如权利要求1所述的雷达系统，其特征在于，所述双工器采用环形器或开关等实现收发双工功能，以实现收发信号的分离。
5.如权利要求1所述的雷达系统，其特征在于，混频器采用零中频架构，其本振由发射经功分得到，频率与包含多普勒频移的回波差异较小，混频后得到接近零频的中频。
6.如权利要求
7.如权利要求1所述的雷达系统，其特征在于，系统中包含一个或多个低噪声放大器，位于双工器与混频器之间，以及在中频处理装置中，以增加系统的作用距离和提高信号接收的质量。
8.一种基于权利要求1至7所述系统的用于风速测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.根据权利要求7所述的风速测量方法，其特征在于，所述双工器采用环形器或开关实现收发双工功能。
10.根据权利要求7所述的风速测量方法，其特征在于，混频器采用零中频架构。
...【技术特征摘要】
1.一种用于风速测量的雷达系统，其特征在于，包括级联的信号源、功分器、双工器、天线、混频器、中频处理装置；
2.根据权利要求1所述的用于风速测量的雷达系统，其特征在于，信号源产生并发射的频率为“大气分子谐振频率”，即22.235ghz、60ghz、118.75ghz、183.3ghz附近的频率，通过探测由大气分子谐振对电磁波共同作用散射后的多普勒回波信号，分析得出大气风速信息。
3.如权利要求1所述的雷达系统，其特征在于，信号源产生的频率在“大气分子谐振频率”附近，即在22.235±1.75ghz、60±10ghz、118.75±5ghz和183.3±15ghz范围内，用于激发大气分子的谐振，并接收由大气湍流和分子谐振散射后的多普勒回波信号。
4.如权利要求1所述的雷达系统，其特征在于，所述双工器采用环形器或开关等实现收发双工功能，以实现收发...
【专利技术属性】
技术研发人员：张永鸿，李英杰，张琪瑞，舒胜洪，董金生，林先其，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：
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