基于北斗技术的降水探空仪的设计

发布时间：2019-10-15

　　摘 要：本设计将北斗定位技术结合探空气球、FPGA、射频电路技术、电磁散射理论、气溶胶物理学、大气探测技术等设计一个厘米波段降水探空监测仪，该仪器能够实时监测不同海拔高度的大气中降水粒子的大小、形状、谱分布等微观物理特性，为检测该地区降水时空分布的业务人员或者其他科研人员提供可靠的数据支撑，可推广应用至高校、气象局、环保局、海洋局、宇航局等科研院所。

　　关键词：北斗定位 FPGA 气溶胶 厘米波 降水粒子

　　降水结构特征反映了降水雨团的热力和动力结构，以及云团中水汽与冰和水粒子之间相变过程的微物理特征，目前降水的探测研究方式主要有地基双偏振厘米波雷达、星载厘米波雷达、风廓线雷达、微波辐射计等，这些仪器中厘米波雷达能够研究降水的水平结构(如降水面积大小、降水强度、不同降水性质的分布等)和降水的垂直结构(如降水回波的垂直分布或降水率垂直廓线垂直分布等)时能较为准确地给出降水系统的三维结构信息，但分辨率较低，因此基于探空气球、FPGA、射频电路技术、电磁散射理论、气溶胶物理学、大气探测技术研究S波段微型厘米波段降水探空监测仪，不仅能形成覆盖主要典型区域降水的精密观测，而且还能弥补目前气象部门S波段降水雷达观测格点过粗的缺陷，二者协同探测可完成降水的精细化研究。

　　本设计将北斗定位技术延伸到气象探测应用，通过北斗定位获取探空气球上微型厘米波段降水探空监测仪的经度、纬度，通过北斗授时记录当前探测信息的时间信息，结合北斗定位所给出测量点的海拔高度信息，基于电磁散射理论研究的反演算法获知不同地区不同海拔高度下对应的降水粒子大小及浓度，为气象灾害的预报和预警提供数据的支撑。

　　1 系统整体设计

　　1.1 系统整体设计概述

　　如图1所示为系统整体设计框图，其中探测装置主要由 FPGA、高速信号采集模块、3GHz信号发射板、3GHz信号接收板、天线组成，北斗定位模块用于获取经度、纬度、时间、海拔等信息，以上装置放置于探空气球的物品篮中，随探空气球升空探测降水粒子。探空气球由氦气球、物品篮、回收绳等组成，升空后可以回收利用。FPGA通过光纤向地面传输测得的数据，光纤分段固定于回收绳。

　　地面装置由STM32F103单片机、WIFI模块、电脑端上位机、手机端App组成。STM32接收光纤传回的数据，进行格式转换后通过WIFI模块发送。以上各模块连接在一个局域网内，电脑端上位机和手机App均能收到数据，二者均可进行数据的显示且各有优势，其中电脑端上位机可以依托较大的内存进行数据的存储，供专业人员进行后续数据处理;手机端App操作小巧便捷，适用于实时动态监测和绘图，见图1。

　　系统工作流程：

　　(1)首先完成发射板寄存器配置，稳定输出3GHz发射信号;接收板一方面通过接收天线接收散射回来的微波信号，另一方面接收发射板的本振信号，两信号经过混频器、中频滤波等输出下边频信号;(2)FPGA通过高速ADC对下边频信号采样，利用“乒乓结构”进行缓存，使用冒泡排序、最大似然定理等统计学知识对数据进行预处理，计算出S21参数，根据反演算法反演出降水粒子的雷达散射截面参数;(3)通过北斗定位模块获取当前位置的经度、纬度、海拔信息和当前时间信息，然后FPGA将编码后的数据经光纤传输至STM32单片机;(4)STM32单片机通过WIFI 模块ESP8266将所接收到的信息传输到电脑端上位机和 Andriod端App程序;(5)电脑端接收数据后显示在相应区域，所得数据还可另存为文件，供相关人员做进一步的处理和分析;(6)App端显示接收数据、绘制不同海拔高度、经纬度下降水粒子的RCS值，根据相关的算法可以方便地绘制降水粒子的二维或者三维关系图。

　　2 相关模块设计

　　2.1 3G信号发射模块

　　2.1.1 功能介绍

　　本系统中制作的3GHz信号发射电路用于发射雷达信号，包括直流稳压电路、两路锁相环电路、晶振参考电路、射频放大电路、滤波电路、匹配网络。其中，锁相环电路由鉴相器、压控振荡器和环路滤波器组成，一路产生频率为 3GHz信号用于发射，另一路产生3.002GHz信号用于接收电路的混频;晶振参考电路为锁相环提供精确的频率信号;射频放大电路将锁相环输出的信号进行放大;滤波电路用于滤除谐波以及其他干扰;匹配网络包括微带传输线，隔直电容等。

　　2.1.2 原理介绍

　　晶振参考电路产生精确的10MHz方波信号分两路提供给锁相环的鉴相器作为参考，压控振荡器输出的信号反馈给鉴相器，鉴相器内部将反馈信号分频后进行鉴相，并输出一个偏置电压，经环路滤波器得到稳定的电压来控制压控振荡器，从而输出预设的频率。锁相输出的信号经过放大和滤波得到最终的输出信号。硬件电路PCB板为双面印制板，板材为FR4，板厚为1mm，相对介电常数为4.3。 PCB板顶层空白区域以及底板大面积铺地以减少空间辐射损耗和提高电路电磁兼容性。印刷电路板表面镀金并涂覆阻焊膜，电路微带传输线镀金以减小“趋肤效应”对性能影响。阻容器件优选表贴0603封装，保证电路结构紧凑。板上钻有金属屏蔽(腔体)盒的螺丝孔。

　　2.2 3G信号接收模块

　　2.2.1 功能介绍

　　在发射模块对降水粒子发射3GHz微波信号后，由相应频段的接收电路对其回波信号进行接收和处理。对天线接收的小信号，需要对其进行放大到一定功率才便于处理，而混频器对于接收信号的功率有一定的要求，为此，接收模块的电路中设计多级可调的增益放大器，兼顾接收信号大小不固定的情况，使得系统具有很强的兼容性。在FR4基板上设计一种接收电路，包括：两级可调增益放大支路，11dB增益放大电路，13dB增益放大电路，混频滤波电路，放大电路后都加了滤波器，滤波器均具有3dB的衰减效果。其中，两级可调增益由4个四合一开关组成(每个开关只选用3个端口)，开关由FPGA给定信号控制，可实现9种不同的增益的选择;11dB接收信号增益放大电路由 16dB放大器，5dB衰减器和滤波器组成;13dB本振信号增益放大电路由16dB放大器，3dB衰减器和滤波器组成。

　　2.2.2 原理介绍

　　信号在经由天线输入端进入后，多级放大到-20dBm 到-10dBm之间进入混频器，本振信号放大到10dBm进入混频器，混频信号经滤波得到中频信号。接收模块的第一级可控增益放大电路。第一路由两个低噪放大器为前级，分别放大8.1dB，再经过0dB衰减器和16dB放大器后，经过滤波器可实现增益约30dB的增益;第二路为直通;第三路也由两个低噪放大器为前级，分别放大8.1dB，再经过5dB 衰减器和滤波器后，可实现约9dB的增益。

　　2.3 北斗模块

　　利用北斗模块获取装置经度、纬度和海拔信息，结合北斗授时和所测得的气象数据对当前区域不同海拔的降水粒子情况进行分析。北斗模块通过串口协议与控制器通信，通过串口即可完成北斗模块配置和数据读取。

　　3 结语

　　本项目将北斗定位应用于气象领域，把北斗应用技术与射频技术、气溶胶物理学、大气探测技术、FPGA紧密地结合起来。相比较传统的降水粒子探测工具，如厘米波雷达、微波辐射计等，该系统具有体积较小、价格便宜、测量精度较高。产品成熟量产后，可用于全国各气象单位、高校对不同海拔高度的降水粒子微观物理参数的测量，为灾害性天气的预报和预警提供可靠的数据支持。

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