新型拋物面天線與探測水汽輸送通道的聲雷達系統的製作方法

2023-07-02 14:49:26

本實用新型涉及一種新型拋物面天線與探測水汽輸送通道的聲雷達系統。

背景技術：

聲雷達是利用雷達原理，發射聲波並接收此聲波後向散射的回聲，以測量回聲強度和目標物距離的設備。聲雷達收發聲波的頻率範圍可以涵蓋次聲波、聲波、超聲波。應用在氣象領域的聲雷達主要用於大氣風場監測及風電資源評估。

天線作為聲雷達的重要組成部分，直接影響聲雷達的探測精度與距離。傳統的聲雷達採用收發共用的天線，聲學喇叭與接收換能器同向設置，優點是可以降低成本，多用於探測大氣風場，但存在著探測距離相對不足，無法實現探測大氣中水汽輸送通道的微弱回聲信號的問題。

此外，目前全球的24小時強降雨量預測的準確率相對較低，只有23%左右，預測與實際情況存在差異較大的情況，不能滿足對強降雨量要求嚴格的場合的需求。

上述問題是在降雨量預測過程中應當予以考慮並解決的問題。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種新型拋物面天線與探測水汽輸送通道的聲雷達系統，解決現有技術中存在的存在著探測能力相對不足，無法實現對大氣中水汽輸送通道的微弱回聲信號的探測。

本實用新型的技術解決方案是：

一種拋物面天線，包括拋物面反射器、支架、接收換能器、聲學喇叭和聲筒，拋物面反射器的正面軸線方向上依次裝有接收換能器、聲學喇叭、聲筒，支架的端部連接在拋物面反射器上，接收換能器、聲學喇叭分別設於支架的中部，且接收換能器、聲學喇叭朝向相反設置，即接收換能器朝向拋物面反射器設置且聲學喇叭背對拋物面反射器設置，聲筒通過連杆連接在支架上，且聲筒的端部連接聲學喇叭。

進一步地，支架採用空心結構，支架設有中空通道，中空通道內穿過發射線纜和接收線纜。

進一步地，聲筒採用圓柱形、球形、橢球形、扁球形、多稜柱形或喇叭形。

進一步地，聲筒包括筒體，筒體設有進聲口、出聲口和中空聲道，中空聲道的兩端分別連通進聲口、出聲口。

進一步地，拋物面反射器的口徑為0.001米至100米，接收換能器的工作頻率為0.0001Hz至1GHz。

一種探測聲雷達系統，包括拋物面天線、轉臺和控制終端，拋物面天線採用上述的拋物面天線，拋物面天線轉動連接在轉臺上，拋物面天線和控制終端分別通過發射線纜和接收線纜連接，控制終端還通過角度調節線纜連接轉臺。

進一步地，控制終端包含功率放大模塊、回波預處理模塊、數據發射/採集模塊、參數設置模塊、信號處理模塊和數據處理模塊。

進一步地，數據發射/採集模塊的聲波發射範圍為0.0001Hz至1GHz。

本實用新型的有益效果是：該種拋物面天線與探測聲雷達系統，能夠實現不由天線直接發射聲波，而通過使用聲筒進行放大和導向後發射聲波，能夠有效提升聲波的利用效率及聲雷達的探測能力，可以探測大氣中水汽輸送通道的微弱回聲信號。本實用新型的聲雷達既可以應用在大氣環境中，也可以應用在水中。本實用新型探測距離長，能夠實現大氣中水汽輸送通道的微弱回聲信號的準確探測，能夠為24小時降雨量的預測提供精確的採樣數據。

附圖說明

圖1是本實用新型實施例拋物面天線的結構示意圖。

圖2是本實用新型實施例探測聲雷達系統的說明框圖。

圖3是實施例中圓柱形聲筒的示意圖。

圖4是實施例中球形聲筒的示意圖。

圖5是實施例中橢球形聲筒的示意圖。

圖6是實施例中扁球形聲筒的示意圖。

圖7是實施例中多稜形聲筒的示意圖。

圖8是實施例中喇叭形聲筒的示意圖。

圖9是實施例預測降雨量的方法的流程示意圖。

其中：1-拋物面天線，2-轉臺，3-控制終端。

11-拋物面反射器，12-支架，13-接收換能器，14-聲學喇叭，15-聲筒，16-連杆一。

具體實施方式

下面結合附圖詳細說明本實用新型的優選實施例。

實施例

一種拋物面天線，包括拋物面反射器11、支架12、接收換能器13、聲學喇叭14和聲筒15，拋物面反射器11的正面軸線方向上依次裝有接收換能器13、聲學喇叭14、聲筒15，支架12的端部連接在拋物面反射器11上，接收換能器13、聲學喇叭14分別設於支架12的中部，且接收換能器13、聲學喇叭14朝向相反設置，即接收換能器13朝向拋物面反射器11設置且聲學喇叭14背對拋物面反射器11設置，聲學喇叭14、聲筒15間設有間隙，聲筒15通過連杆連接在支架12上，且聲筒15的端部連接聲學喇叭14。

該種拋物面天線，能夠使用在探測聲雷達中，能夠實現不由天線直接發射聲波，而通過使用聲筒15進行放大和導向後發射聲波，能夠有效提升聲波的利用效率及聲雷達的探測能力，可以探測大氣中水汽輸送通道的微弱回聲信號。本實用新型的聲雷達既可以應用在大氣環境中，也可以應用在水中。

聲學喇叭14和接收換能器13安裝在拋物面天線1上，聲學喇叭14朝外，通過聲筒15發射聲波。接收換能器13放置在天線的焦點上，朝向天線面。該種拋物面天線，與現有結構相比，聲學喇叭14與接收換能器13背向設置，從而能夠實現聲學喇叭14與聲筒15的連續設置，使聲學喇叭14與聲筒15形成共鳴腔，從而實現放大信號的目的。

聲筒15包括筒體，筒體設有進聲口、出聲口和中空聲道，中空聲道的兩端分別連通進聲口、出聲口。通過設置的聲筒15實現對發射信號的進一步放大。聲筒15採用金屬材料製成，並根據使用的環境條件的不同，採用多種類型的聲筒15與之相匹配，如圖3、圖4、圖5、圖6、圖7和圖8，聲筒15採用圓柱形、球形、橢球形、扁球形、多稜柱形或喇叭形。聲筒15的中部通過連杆17連接在支架12的端部。支架12採用空心結構，支架12設有中空通道，中空通道內穿過發射線纜和接收線纜。能夠實現簡潔的布線。

一種探測聲雷達系統，包括拋物面天線1、轉臺2和控制終端3，拋物面天線1採用上述的拋物面天線1，拋物面天線1轉動連接在轉臺2上，拋物面天線1和控制終端3分別通過發射線纜和接收線纜連接，控制終端3還通過角度調節線纜連接轉臺2。

控制終端3包含功率放大模塊、回波預處理模塊、數據發射/採集模塊、參數設置模塊、信號處理模塊和數據處理模塊。

轉臺2依據控制終端3的指令進行水平或垂直方向的運動，引導拋物面天線1天線到達指定方位進行發射和接收。功率放大模塊實現低功率聲信號的放大，以推動接收換能器13及聲學喇叭14。回波預處理模塊實現回聲信號的放大和濾波。數據發射/採集模塊完成系統的信號低功率發射和數據採樣。參數設置模塊用於設置發射、接收、轉臺2的相關參數。信號處理模塊對採樣後的數位訊號進行處理，提取出水汽輸送通道的狀態信息。數據處理模塊對於獲取的水汽輸送通道狀態信息進行降雨量預估。

該種探測聲雷達系統，採用全新工作方式的聲雷達，利用拋物面天線1向大氣發射聲波，利用接收換能器13將拋物面天線1匯聚的聲波回聲轉換成電信號進行採樣，獲得數位訊號，進行信號處理，獲取大氣目標區域內的水汽輸送通道狀態信息。通過回歸分析算法的數據處理後，得到未來一定時間的降雨量預測數據。

該種探測聲雷達系統中，控制終端輸出的角度控制信號實現轉臺水平/垂直方位的調整。其調整的範圍為：水平0 - 360°，垂直-10 -92°。

該種探測聲雷達系統，可以應用在大氣環境中，也可以應用在水中，以及其他能夠傳遞聲波的氣體、液體、固體中，能夠實現探測範圍1米至10000米。該種探測聲雷達系統，適用於「單臺」和「多臺」聲雷達系統。單臺是指發射器和接收器布設在一起，構成一個獨立的水汽輸送通道聲雷達探測系統。多臺採用多個單臺，相隔一定距離，按一定規則排列，進行組合探測。

一種使用上述探測聲雷達系統預測降雨量的方法，如圖9，包括以下步驟，

參數設置模塊設置發射、接收、轉臺2的相應參數，控制轉臺2帶動拋物面反射器11指向目標區域，並控制數據發射/採集模塊生成聲波信號，經功率放大模塊實現聲信號的放大，推動聲學喇叭14，經聲筒15導向和放大，照射目標區域；

目標區域回聲，利用接收換能器13將拋物面反射器11匯聚的聲波回聲轉換成電信號，經回波預處理模塊實現回聲信號的放大和濾波，並由數據發射/採集模塊完成數據採樣及數據存儲；

信號處理模塊對採樣後的數位訊號進行處理，提取出水汽輸送通道的狀態信息；

數據處理模塊對於區域掃描獲取的水汽輸送通道狀態信息使用回歸分析算法計算，得到本地降雨量預測數據。

採用實施例的全新工作方式的聲雷達通過探測水汽輸送通道的狀態，可以大幅度提升24小時強降雨預測的準確率。