多普勒雷达（精选9篇）
多普勒雷达 篇1
脉冲多普勒 (PD) 雷达中, 为了得到较好的清洁区, 通常采用中高脉冲重复频率, 所以必须同时解距离和速度模糊。随着当今高速芯片的发展, 处理器的处理能力已经有了很大的提高, 但由于系统要求也随之提高, 解模糊仍然是一个大运算量的处理过程。解模糊技术仍然是信号处理中的核心技术, 本文描述的循环剔除原始点解距离模糊方法用于降低目标虚警, 多极值解速度模糊的方法用于获得目标的速度分辨功能。
1 解距离模糊
1.1 距离模糊
为了提高检测性能, PD雷达常采用中高PRF发射脉冲, 以便在频域获得更宽的无杂波区, 如图1所示:
在图1中可以看出目标的模糊距离为Rm, 但目标的真实距离可能为R=N*Tr+Rm, 显然在这种情况下不知道目标的真实位置, 工程中常采用参差变频的方法, 即假设发射信号为m组, 则有R=N1*RTr1+R1=N2*RTr2+R2=...=Nm*RTrm+Rm。其中RTr1、RTr2、RTrm为m组CPI对应的不模糊距离单元数且满足互质条件, 应用中国余数定理的查表法可以得到R, 速度模糊的原理与距离模糊相同, 以下不赘述。
1.2 解距离模糊的方法
仍然是利用中国余数定理, 采用查表的方法解距离模糊, 值得注意的是, 在机载领域, 尤其是非正侧阵雷达, 频谱相对于正侧阵雷达发生了较大改变, 弯曲杂波的出现, 使得解模糊的背景更加复杂, 虚警也随之提高, 并且弯曲杂波很容易带来检测画面在固定位置出现环状虚警, 这也是解模糊面临的新问题, 为了抑制虚警, 改善检测性能, 作者对解距离模糊采用了动态准则循环检测并剔除原始点的方法, 具体方法为:假定采用5重频解模糊, 通常采用的准则是3/5或2/5准则, 而作者使用的方法为, 先用5/5准则检测, 将满足准则的原始点剔除掉, 用剩余点做4/5准则, 依次类推, 直到2/5准则, 此方法的机理是认为检测准则高的信号置信度也高, 不让这些来自于目标的原始点和随机信号一同参与解模糊, 在复杂背景的解模糊中得到了很好的效果。
1.3 解距离模糊算法优化
由于采用循环检测的方法, 故运算量也有了很大的提高, 所以在工程实践中必须采取算法优化才能满足需求。具体方法为, 在第一次解距离模糊时将满足距离模糊的准填入表中, 在之后的循环解距离模糊中, 直接访问此准则表, 由于在绝大多数位置, 目标是不满足准则的, 故此方法能有效的控制解距离模糊的运算量。
1.4 性能对比
在工程实践中, 此方法的效果得到了验证, 针对一批较复杂背景下的目标检测结果, 在没有损失目标检测的前提下, 虚警概率降低了20%。由图2可以看出剔除原始点解模糊的方法对于固定位置的环状虚警有很好的抑制效果。
2 解速度模糊
2.1 解速度模糊的方法
解速度模糊采用频率步进的方法, 即对满足距离模糊准则的原始点, 考察某一CPI的原始过门限信号, 以它的模糊频率为基准, 以它的脉冲重复重频为步进, 考察其他CPI的过门限信号的频率与此频率的匹配程度, 若满足设定的频率门限值则认为满足准则, 之后, 在所有满足准则的频率中选择置信度最高的频率输出, 置信度高的判断标准为:首先是满足速度模糊的准则高, 其次是满足速度模糊相同准则时, 频率差的平方和的均值最小的可信度最高。与之前解模糊不同的是, 现在参与解模糊的原始点, 即恒虚警 (CFAR) 检测后, 在同一单元输出多个频道极值, 故解速度模糊的原始点中包含多个模糊频率值。CFAR后之所以输出多极值频道有其充要条件1) 充分性:当前高速处理器的发展, 处理能力有了很大提高, 使得它可以做一些更复杂的运算, 而多极值输入解模糊多速度输出解决了目标的频率分辨问题。2) 必要性:非正侧阵机载雷达由于弯曲的强杂波出现, 如果不输出多极值, 目标将被淹没在杂波背景中。
2.2 解速度模糊的具体实现及算法优化
解速度模糊时为了得到最优同样也是最真实的频率输出, 需遍历各CPI的各原始点, 以它们的模糊频率为基准在需考察的频率范围内以重频为步进的重复运算, 当原始点个数增大时运算量更是成倍增加, 所以在实际运用时解速度模糊相对于解距离模糊占据了绝大多数的运算量, 必须在程序中简化其运算量, 方法为:在以某一CPI位基准计算其它CPI的模糊频率时, 以当前满足速度模糊的准则和剩余CPI个数判断是否能满足解速度模糊设定的准则, 如果不能则使程序提前跳出, 这样能大大减少运算量。解速度模糊具体流程如图4:
2.3硬件平台简介
程序的硬件平台为曙光刀片服务器。这样可以在实际应用中采用空间换时间的方法提高效率。具体流程为CFAR后原始点, 经千兆以太网进入刀片服务器, 解模糊后通过网络送入后级处理模块。
3 结语
新的体制和平台, 给解模糊提出了新的要求, 本文涉及降低检测虚警和增加速度分辨功能是在具体工程实践中经验总结, 具有很强的实用价值。
参考文献
[1]邱炜, 张代忠, 赵洪立.PD体制中解距离模糊和速度模糊的改进[J].舰船电子工程, 2007 (4)
[2]张代忠, 洪一, 邱炜.脉冲多普勒雷达中的解模糊算法及实现[J].雷达科学与技术, 2004 (10)
[3]洪一.脉冲多普勒雷达的速度模糊求解[J].现代科学与技术, 1995 (1)
[4]曾涛, 龙腾.一种脉冲多普勒雷达解模糊新算法[J].电子学报, 2000 (12)
[5]张弓.PD雷达信号处理若干关键技术研究[J].南京航空航天大学, 2002
多普勒雷达 篇2
根据长沙CINRAD WSR-98D天气雷达在-04-11获取的雷达资料,利用新一代多普勒天气雷达的`部分基本产品和二次产品对飑线过程进行分析,总结了一些能有效识别飑线的特征.
作 者：刘伟 顾松山 郑钢 Liu Wei Gu Songshan Zheng Gang 作者单位：刘伟,郑钢,Liu Wei,Zheng Gang(中国气象局上海物资管理处,上海,50)
顾松山,Gu Songshan(南京信息工程大学,遥感学院,南京,210044)
多普勒雷达 篇3
随着我国国民经济建设的发展,人民生活水平的不断提高,气象越来越多的深入到社会的各个方面。社会对气象的需求和依赖越来越多、越细,新一代天气雷达等现代化建设项目将会大幅度的提高和改进气象服务的能力和质量。雷达系统建设项目庞大,设备精密昂贵,雷达楼高度超过百米,气象条件复杂,为保证雷达系统安全可靠运行,雷达楼综合防雷十分重要。按照中国气象局的要求,内蒙古自治区6部新一代天气雷达防雷设计严格按照规范和标准[1,2]进行论证实施,同时与土建等部门共同配合达到同步设计、施工和验收。经过几个雷雨季节的考验,证实了天气雷达的防雷设计、施工是比较合理可行的,本文通过巴彦淖尔市雷达实例来详细说明多普勒天气雷达防雷设计等关键技术问题。
2 防雷安全环境评价
2.1 地理气候状况
巴彦淖尔市新一代天气雷达楼为一座综合办公楼,总建筑面积9752.23m2,建筑高度76.45m,雷达天线球罩高度84.23m。项目地址位于巴彦淖尔市临河镇新华西街北、金砂路东,东经107°25′,北纬40°45′,地面海拨高度1039.3m。巴彦淖尔市地处河套平原,四周地势平坦,属于温带大陆性气候[3],夏季受蒙古低压、夏季风及北部阴山山脉影响,水气较为充沛,但气层很不稳定,夏季炎热而多雷阵雨。
从1971~2007年巴彦淖尔地区9个气象站的逐日雷暴观测资料分析得出,该地区年平均雷暴日数总体上呈东部多西南少特征,表现为较好的经向型[4],该区雷暴日数在5~44d之间(如图1所示);雷暴发生频率最高在6、7、8月,平均雷暴日数为4.09d、6.69d和5.74d,分别占全年雷暴日数的19.5%、31.8%和27.3%。由于雷达楼孤立于周围环境,雷电破坏性干扰十分频繁且严重,对雷达站系统防雷提出了较高的要求。
2.2 雷达楼及其信息系统防雷设计分类
雷达楼年预计雷击次数N[5]应按下式确定:
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式中:k为校正系数(一般情况取1);Ng为建筑物所处地区雷击大地的年平均密度[次/(km2·年)];Ae为与建筑物截收相同雷击次数的等效面积(km2);A′e为线缆入户设施截收面积;Td为年平均雷暴日;L、W、H分别为建筑物的长、宽、高,L′是线路从雷达楼到相邻建筑物的长度。
将巴彦淖尔市新一代天气雷达大楼的实际数值代入上述公式,计算大楼及入户设施年预计雷击次数N=2.544/(次/km2·年);而雷达等电子信息系统因雷击损坏可接受的最大年平均雷击次数Nc为:
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因此,防雷装置拦截效率E=1-Nc/N=0.99,按照规范[1]确定该雷达塔楼主体建筑按二类防雷建筑物设计,对雷达站主机部分信息处理、传输系统按信息系统雷击电磁脉冲防护分级划为A级[6]。
3 多普勒天气雷达系统防雷设计措施
3.1 雷达天线防雷设计
在雷达楼天面承台四周等边均匀设计4支避雷针,避雷针距天线中心点9.02m,距离天线球罩4.68m。正四边形分布的4支等高避雷针将半径为45m的球支撑起来,使滚球最低点离天线罩顶端有Δ=3m的裕量(天线球罩本身高度8.13m),滚球的中心线垂直通过四边形的重心,所以针高h为:
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式中:H球罩顶端离针座平面的垂直距离(8.13m),Δ为3m的裕量,hr为滚球半径45m,OA为球心离避雷针的水平距离(9.02m)。
计算得h=12.04m,避雷针施工取值高度13m,可以确保雷达天线按二类防雷建筑物处于防雷分区的LPZ0B区。为保证避雷针安装的机械强度,又不影响雷达电磁波的传输特性[7],避雷针在雷达天线仰角零度下边缘以上至避雷针长度1~1.5m以下安装玻璃钢杆体,其针体用50mm2铜绞线通过玻璃钢杆体中部与基座连接。基座在天面设置预留件,预留件与引下线C4、C2、F2、F4主筋可靠焊接。见图2。
3.2 均压环及防侧击雷设计
根据建筑的防雷类别和建筑物电气电子设备布置情况设置引下线[8],利用建筑物柱子或剪力墙内两根≮Φ16主筋通长焊接作为引下线,由于雷达楼是梯级收缩式建筑,为保证引下线上下贯通,引下线横向间距小于18m,引下线位置详见图3。利用-1、1、3~5、7、9、11~18层和76.1m避雷针平台圈梁主筋焊接成环作为均压环防止侧击雷,并与作为引下线的柱主筋焊接以形成初步的法拉第屏蔽笼。此外,将玻璃幕墙、干挂大理石龙骨的预埋件与建筑物主钢筋、引下线、均压环每隔5~10m焊接一次,雷达楼的所有金属门窗框预埋件均与左、右立柱主筋、上下水平梁主筋用≮Φ10钢筋焊接,每个金属门窗框焊点8个且应均匀分布。
3.3 等电位和屏蔽
本建筑供电制式为TN-S接地系统,电源进户处作重复接地。在地下配电室内混凝土柱及剪力墙上预留50×6mm镀锌扁钢作为主接地线,并设总等电位盘。低压配电室、柴油发电机房采用50×6mm镀锌扁钢设环形接地连接线距地0.2m明敷,在门口及至低压开关柜基础槽采用暗敷。在配电室至电缆竖井的电缆桥架中全长敷设一根40×4mm热镀锌扁钢,将配电室接地与竖井内接地线相连。建筑物内所有电气设备金属外壳、穿线钢管、电缆铠装外皮、支架等均应与接地系统可靠的连接。信息机房、消防控制室、电梯机房、设备间控制室、雷达机房及各层强、弱电竖井内设局部等电位接地端子。总等电位盘、局部等电位盘由黄铜板制成,应将建筑物内保护干线、设备金属总管、建筑物金属构件等部位进行连接。
雷达主机房及控制室采取屏蔽措施,分别在承重立柱之间的外墙、屋顶和外墙窗户加设20×20cm方格屏蔽网,见图4,屏蔽网与外墙内钢筋可靠焊接形成电气通路。
3.4 接地
雷达楼的防雷接地、交流工作地、安全保护地、直流逻辑地采用共地方式[9],接地电阻设计<1Ω。利用大楼建筑基础钢筋圈梁、柱主筋作为接地网的自然接地体,在大楼建筑基础散水外1m围绕建筑物采用4×40mm镀锌扁钢做一圈辅助接地体,辅助接地体与基础圈梁每隔5m用4×40mm镀锌扁钢连接,拐角处另加连接扁钢。辅助接地体通过大楼门口及人行道时埋深增加到1.5m(宽度每边超过人行过道1m),上部用沥青与油毡作3层绝缘处理,以防止跨步电压对人员造成的危害。
3.5 供电系统防雷设计
按国家规范和雷达系统自身的特点在雷电防护区交界处应安装三级开关型或限压型浪涌保护器SPD(Surge Protective Device),以达到多级分流、降压的目的。第一级设计在低压配电柜的入线端,安装一台50kA(10/350μs)浪涌保护器;单独设配电室的消防供电安装一台25kA(10/350μs)浪涌保护器;第二级设计在电气竖井各个楼层的供电输出端,安装通流量40kA(8/20μs)浪涌保护器SPD;第三级20kA(8/20μs)浪涌保护器安装在配电柜到各机房的供电支路输出端。整个雷达站包括周围的生活设施、附属设施的电源SPD设备选用德国PHOENIXCOTACT公司的产品。
3.6 机房及信号系统防雷设计
雷达的信息系统机房、计算机机房和各个气象业务机房采用3×30mm紫铜带铺设等电位连接网络,机房内设备尽可能居于机房中心,至少距外墙梁柱1m布置。进出机房的信号线缆均作等电位处理,且网络信号、电话、视频监控[10,11,12,13]等线缆在直击雷非防护区(LPZ0A)或直击雷防护区(LPZ0B)与第一防护区(LPZ1)交界处应分别设置适配的信号SPD,浪涌保护器的接地端及电缆内芯的空线对应接地。见图5。
3.7 生活附属设施防雷设计
大楼的装饰灯、射灯、户外照明等供电线缆均穿钢管屏蔽,并就近与地网作等电位连接,这些设施按照不同的类型分别安装浪涌保护器。航空障碍灯供电线缆采用蛇皮管敷设,蛇皮管及屏蔽电缆外皮作多点等电位连接且安装浪涌保护器。
4 结语
本文按照全面规划、综合治理、优化设计、多重保护的原则对多普勒天气雷达综合防雷工程进行设计,在设计和施工时综合考虑环境因素、雷电活动规律、系统设备的重要性、发生雷灾后果的严重程度,而采取接闪、分流、均压、屏蔽、合理布线和共用接地和浪涌保护等直击雷和雷击电磁脉冲防护措施,获得良好的效果并通过实践检验,从而保证其系统正常运行,达到防灾减灾的目的。
摘要：为保证用于提升气象服务能力的新一代多普勒天气雷达安全可靠运行,其综合防雷十分重要。本文通过对雷达楼及其信息系统的防雷安全环境理论计算确定其防雷等级,雷达塔楼主体建筑按二类防雷建筑物设计,其信息处理、传输系统按信息系统雷击电磁脉冲防护分级划为A级。结合巴彦淖尔市雷达工程实例分析了当地的地理地质、气候环境和雷电活动规律,及根据被保护物的特点详细研究了防雷装置的形式,提出了多普勒天气雷达综合防雷保护体系;分别从雷达天线直击雷防护、侧击雷防护、等电位和屏蔽措施、接地装置、电源信号系统浪涌保护及生活附属设施防雷设计等方面进行了综合论述。工程经实践证明其防雷措施是行之有效的,这对新一代多普勒天气雷达安全运行具有较好的指导意义。
多普勒雷达 篇4
1.1降水回波中的多普勒频率信息
在航空气象服务中最普遍的降水测量活动中，常规的数字化雷达只能借助雷达波的回波强度来对降雨区域的分布、强度和垂直结构进行判断。而多普勒雷达则能够根据降水回波频率和发射频率之间的变化信息对降水的强度、气流速度等航空关键信息进行测量。根据多普勒定律当波源与观测者作相对运行的时候，观测者所观测到的频率与波源的实际频率是不同的，这种频率的差异与波源与观测者之间的相对运动速度成正比。根据这一定理多普勒雷达就可以根据降水粒子的回波频率和发射频率的差异性，分辨出降水例子的运动速度、方向，并通过不间断的监测形成降水粒子的运动轨迹。并在此基础上形成对降水强度、分布和变化趋势的客观认识，同时也形成对该区域气流强度、方向和变化趋势的认识。
1.2多普勒雷达的体制
对多种体制雷达多普勒干扰的研究 篇5
随着电子技术的发展,现代电子战中雷达技术有了巨大进步,尤其是多普勒雷达、相控阵雷达,还有合成孔径雷达,甚至是这三种雷达的混合型雷达,都其先进的技术和革新性的理论实践,在电子战争中起着能够左右胜负的重要作用。由于这三种雷达在特定领域中的精密理论和技术,对它们进行干扰存在一定难度,但是如果对这三种雷达进行干扰成功,使其不能正常工作,这对于战争结果将有巨大意义。
本文针对多普勒雷达、相控阵雷达及合成孔径雷达的工作过程,提出运用假多普勒频率对其进行干扰的方法,并在理论上进行了推导和证明。从推导结果可见,这种干扰方法能够达到预想效果,因而在现代战争中将有着极其广泛的应用前景。
1 针对多普勒雷达的多普勒干扰分析
1.1 多普勒雷达工作原理
脉冲多普勒雷达利用目标的多普勒信息,在频域上通过滤波器来分离目标和杂波,从杂波中检测出运动目标,其主要滤波方法是:采用多普勒滤波器将目标运动的谱线滤出。
通过对这个多普勒频率的测定,解算出目标的径向运动速度[1]。多普勒频移量可表示为:
式中:fd为多普勒频率;vr为目标相对于雷达的径向速度;c为光速;f0为发射信号的频率。在雷达中,接收机输入端的多普勒频率为上式的两倍,即:
当系统检测出多普勒频率以后,信号就进入自动速度跟踪(多普勒频率跟踪)环路,如图1所示[2]。
1.2 对脉冲多普勒雷达的干扰方法
为了达到测距精度和测速精度的高要求,脉冲多普勒雷达需要采用大时宽和大带宽的信号,因此现阶段脉冲多普勒雷达广泛地采用了线性调频技术,所以干扰时所使用的假多普勒频率也要跟随调频的改变而改变。设定干扰信号的频率随时间变化,即对速度波门进行拖引,但是拖引速度不能大于雷达速度的跟踪能力,即[2]:
式中:vt为干扰信号频率变化速度;a为雷达能捕获的最大目标运动加速度;λ为发射载频的波长。
但由于速度是矢量,多普勒频率随目标相对于雷达径向速度的变化而变化,而速度的变化又反映了目标与雷达间的距离变化,因此脉冲多普勒雷达多用检测目标的距离变化来排除干扰[3]。为了使利用距离检测排除速度干扰的方法失效,要在对测速系统进行干扰的同时,进行距离干扰。
若速度拖引的频率值为:
式中:f0为脉内载频频率,由于线性调频,f0将随时间线性变化;aω为拖引加速度,是恒量;aωt即为多普勒频率。
由于在雷达中fd=2vrf0/c,所以aωt=2vrf0/c。由此可得vr=caωt/(2f0),即假目标的径向速度为caωt/(2f0)。雷达发射脉冲周期为T,则在一个周期内,假目标走过的距离s为:s=caωtT/(2f0)。所以当对雷达距离跟踪波门进行拖引时,干扰脉冲发射的延时要与要求的距离保持一致,即:Δt=aωtT/(2f0),这说明干扰源发射干扰脉冲时,后一个干扰脉冲较前一个干扰脉冲的发射时间应延时Δt=aωtT/(2f0)。这样可以保证在对速度跟踪波门进行干扰时,距离跟踪波门无法对干扰信号进行识别。
2 针对极化分集体制雷达的多普勒干扰的分析
2.1 极化分集体制雷达的工作原理
极化分集体制雷达发射不同极化形式的电磁波,通过对不同极化形式的电磁波的接收来判断回波相对于雷达发射波的变极化或者退极化状况,从而进行极化检波和对目标所处状态和姿态进行分析。
在雷达极化中引入了STOCKS极化矢量。设雷达发射波的电场矢量为[4,5](在h,v坐标基下):
则发射波的STOCKS极化矢量为:
设雷达接收回波的电场矢量为[5,6](在h,v坐标基下):
则回波的STOCKS极化矢量为:
式中:Eh表示水平场;Ev为垂直场;φ为两个正交场的相位差。
可以得到:
此处,在单基站雷达系统情况下,S为回波的后向散射矩阵,这个矩阵中的各个元素代表了电磁波经过目标反射的变极化状况,因此暗含了目标的信息。为了消除噪声和干扰的影响,要对矩阵S进行对称化;为了确定最优化接收方式和增大信噪比,要对伪特征值进行求解;为了确定目标材料特性和所处姿势,要对几个极化不多量进行确定。这三点有着主要的意义。
2.2 针对极化分集体制雷达的多普勒干扰方法
在极化分集体制雷达中,对目标S矩阵(若为单基站,则指回波的后向散射矩阵;若为多基站,则指发射波的前向散射矩阵)的确定和分析直接影响到雷达对目标特性的测量结果[6]。因此,若对这种体制雷达进行干扰,最有效的方法就是使之不能得到正确的理想的S矩阵。
对于雷达接收来说,电磁波在空间传输有很多不可靠的特性,例如:一个雷达发射水平极化和垂直极化波时,由于垂直极化波穿过水气的速度相对于水平极化波的速度慢很多,因此目标回波中的水平分量先到达雷达接收天线,而垂直极化波后到达。由于多普勒频率的存在,两种极化波到天线的时间差再乘以这个多普勒频率又形成了一个新的相位差,且迟到的时间越长,这个相位差越大。
在无延时的情况下:
式中:fd为多普勒频率;φshv和φthv为接收波和入射波垂直场分量与水平场分量的相位差。
为了养活多普勒干扰,通常计划分集体制雷达在求矩阵S1前对于雷达多普勒频率造成的相位偏移都有补偿。补偿后再对矩阵S1进行Cameron修正[3],就得到接近正确反映目标特征的后向反射矩阵。其目标的真实信息通过对S1处理即可得到。
在有延时的情况下:
式中:Δt为垂直回波相对于水平回波迟到的时间。在常规的多普勒补偿以后,还剩下fdΔt一项没被补偿掉,即对真实目标回波极化做了改变。由于此项的存在,最后求得的后向反射矩阵S2不能正确反映目标特性。
根据上述干扰原理可看出,最终起干扰作用的是fdΔt一项,所以针对极化分集体制雷达进行多普勒干扰的方法大致有两种:
(1) 在干扰机上也安装4个两两正交的天线,即形成4个两两正交的通道。天线接收到雷达照射波以后,分别在接收波上加上一个附加频率(假多普勒频率),但是保证4个天线接收的波中所加的频率不同,然后再对雷达发射回去,由于假多普勒频率不同,在雷达极化接收时,Δfdt也有所不同,这便形成了干扰。其中,Δfd为两个干扰多普勒频率之差,是不能被补偿掉的部分。
这种方法对电磁波本身的传输特性要求低,所以适用面较广。
(2) 可以在本身在水气保护。由于水气密度越大,雷达发射的水平极化与垂直极化波在接收时延时越大,所以,此时fdΔt项变大,因此对S2矩阵真实地获得干扰比较大。这种干扰方法实现起来简单易行,也是一种良好的针对极化分集体制雷达的多普勒干扰方法。
3 针对合成孔径雷达的多普勒干扰的分析
3.1 合成孔径雷达的工作原理
对于孔径尺寸为D的雷达天线,其半功率点波束宽度β0.5=0.88λ/D。式中λ为天线辐射电磁波的波长[7,8]。通常把β0.5作为雷达角度分辨率的量度,如果目标(散射体)距离雷达的距离为r,则用线性尺寸表示的目标分辨率ρ为:
显然,天线孔径D越大,对目标的分辨率越高。但是由于实现上的困难,不能无限制地增大天线孔径,因而普通雷达的目标分辨率是相当有限的。由于ρ正比于距离r,即普通雷达对远距离目标的分辨率是很差的。
这里设想用孔径为l的小真实天线的运动等效地构成一个长天线,若它能满足一定条件,就可以在运动方向上得到一个等效的大天线孔径(称为合成孔径)Ls,此时雷达对目标的分辨率提高了Ls/l倍。合成孔径雷达的分辨率由下式决定[7,8,9]:
其中:
这样,就消除了距离对分辨率的作用。
一副很长的线阵天线之所以方位分辨率较高,是由于发射时线阵上的每个振子都同时发射相干信号,形成很窄的波束。接收时,每个振子同时接收回波信号,并在馈线上同相叠加,形成窄波束接收。因此,合成孔径雷达天线的基本要求是:真实小天线相对于目标运动,并辐射相干信号,记录接收信号,并经过适当的信号处理,使其对同一目标单元的各个回波信号都能够同相叠加[10]。
合成孔径雷达数据的防卫处理在本质上是对目标的预期调频信号进行匹配滤波[7,10]。回波的多普勒信息是形成匹配滤波的参考函数的关键参数。根据线性调频匹配滤波理论可以预期,多普勒参数的失配对图像的质量将产生重大影响。多普勒形心(中心频率)的误差将导致图像的信噪比降低,并产生目标的位置移动。多普勒速率误差将导致脉冲响应展宽,使图像散焦,分辨率下降,同时还使峰值增益降低。一般这些效应是由于使用不正确的调频率引起的积累相位误差造成的。应注意的是,多普勒速率误差对多视合成孔径雷达处理器的影响与对单视全孔径处理器的影响是不同的。首先,在多视处理器中,由于孔径减小,因而积累的相位误差也减小,所以对性能的恶化程度降低。其次,在多视处理器中将出现“多图像”响应,即各个子孔径图像在非相干叠加时不能精确地重合起来,彼此之间发生了位移。如果正确使用多普勒速率时,一个目标在时刻t1,t2,t3和t4产生的各个图像将彼此重合起来。这些时刻相应于该目标回波的多普勒频率与各个子孔径匹配滤波处理器的中心频率重合的时刻。
3.2 针对合成孔径雷达的多普勒干扰方法
在合成孔径雷达的数字成像处理中,最流行的是距离-多普勒算法。上文针对脉冲多普勒雷达的多普勒干扰方法中提到的方法,对于这种距离-多普勒算法的结果的影响也是很大的。因此,可采用上文的干扰方法对雷达进行干扰。
随着合成孔径雷达图像分析技术的迅速发展,对图像产品的精度,特别是复数图像的保真度提出了更高要求。因此,一种新的精密的数字成像算法——变换先行调频尺度算法[11]产生了。从该算法当中可以看出,多普勒频率在这项算法中也起着重要的作用。因此,如果可以对合成孔径雷达所接收到的信号频率做变化(即施行多普勒干扰),那么算法所处理的图像结果将失真。
如果在多视处理器中使用不正确的多普勒频率(即多普勒干扰频率),则各子孔径图像将分别出现在下列时刻:
式中:f是正确的多普勒速率;Δf是多普勒速率的误差,这里可以认为它是在对合成孔径雷达进行多普勒干扰的结果。新的时刻t′i对应于目标回波的多普勒频率与该处理器不正确的中心频率相重合的时刻。每两个图像之间的位移为Δf/f(ti-tj)V,V是雷达相对于成像目标的速度,因此最后的结果将产生图像失真。
由上可见,多普勒干扰对合成孔径雷达的成像处理有很大的负面影响。
4 结 语
在现代电子战争中,对雷达的干扰技术已经成为非常关键的技术。由于多普勒技术运用的越来越广泛,对雷达的多普勒干扰技术进行干扰也逐渐成为战争中对雷达干扰的主要手段之一。多普勒雷达,极化分集体制雷达和合成孔径雷达是现代雷达体制中很重要的组成部分,它们在现代战争中所起的作用是巨大的。正是这个原因,对于这三种雷达干扰已成为现代电子对抗中的热门焦点。从本文的论证可以看到,多普勒干扰方法可应用于对多种体制雷达实施干扰,并且能够达到很好的效果。
摘要：由于现代雷达技术在现代电子战争中的显著地位,针对现代电子战中先进的多普勒雷达,极化分集体制雷达,合成孔径雷达的频域工作过程提出了新的多普勒干扰方法,并对于干扰原理和干扰结果做了理论性的阐述和分析。通过大量的计算推导看出,多普勒干扰方法可使以上三种雷达不能正常工作,对于雷达的干扰达到预想效果,在现在电子战中有很好的应用前景。
关键词：多普勒雷达,极化分集体制雷达,合成孔径雷达,多普勒干扰
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多普勒雷达 篇6
1 天气形势背景
此次过程发生在夏季, 欧亚中高纬为一槽一脊型。降雹区域均位于高空槽前, 且中低层均可看出西南急流, 亚洲中低纬低槽位于印度半岛, 副高西极点偏东, 位于120°E附近, 湖南省上空从高层到低层为上干下湿, 垂直分布特征明显, 并且干层厚度大于湿层厚度从100h Pa~500 h Pa是完整干层, 温度露点差达20℃以上, 仅850 h Pa有一浅薄的湿层, 而这层浅薄的湿层是随着低空急流建立后才增湿的, 850 h Pa、700 h Pa的切变线和500 h Pa的槽线处于同一位置, 呈迭加形势, 可见上升气流明显, 从而造成降水不明显, 局地对流强的特点。
2 反射率产品分析
反射率回波随时间变化, 利用基本反射率产品进行分析。07:55左右开始有对流性回波单体在桃江县牛田镇生成, 随后其西面宁乡崔坪县的对流单体东移与其合并, 在东移的过程中不断加强, 强反射率因子达50d BZ, 并且可以明显看到“弓状”回波后部出现一个“V”型缺口, 表明大风急流所在;回波强度达到65d BZ, 08:10分地面下了小冰雹并伴有大风, 碗口粗的大树被大风刮倒。08:02径向速度图上有弱中气旋生成, 08:06在6.0°反射率回波图上首次出现了三体散射回波特征 (图略) , 持续时间30min左右。08:12在0.5°仰角的反射率图出现倒“V”型缺口, 最强回波中心为65dbz, 并沿入流方向的垂直反射率因子上表现出弱回波结构, 这是超级单体的典型特征[1], 与倒“V”型缺口对应的是速度图上的中气旋 (见图1) 。08:15超级单体“V”型缺口、中气旋特征消失, 超级单体开始向普通单体风暴演变, 最强回波中心为55dbz, 08:30分左右移出湖南, 影响江西。
由此可见, 此次过程是由普通单体风暴发展成多单体风暴, 再演变成超级单体风暴, 并该超级单体风暴符合成熟的中气旋的概念模型, 最后又减弱为多单体强风暴。
3 三体散射特征
三体散射是产生冰雹的必要非充分条件[2], 若探测到三体散射, 可以对其下游地区发布冰雹预警。此次过程中, 三体散射现象首次出现在07:20, 沿雷达径向伸展的钉状回波长度达20km, 高度为6.8km, 且维持时间长, 有4个体扫, 对应在宁乡的东湖塘开始降雹, 直径最大为18 mm, 07:40该三体散射消失;08:10再次出现三体散射现象, 高度为3.0km, 只维持了1个体扫, 088:30三体散射现象消失, 实况对应的望城的莲花镇、坪塘、长沙、浏阳等地区不同程度地遭受冰雹、雷雨大风和局地强降水的袭击。
图2 7月23日07:18、07:30、07:36 6.0°反射率因子图
4 径向速度产品特征 (V)
主要应用中-r尺度系统的多普勒雷达速度图像特征原理进行分析:
4.1 同时刻不同高度的速度图特征
07:17分的不同仰角径向速度图可以看, 均存在逆风区, 逆风区的周围存在中小尺度的气旋性反气旋性辐合或辐散。0.5°仰角 (1.2km) 有个27m/s的正速度中心, 表明低空急流明显, 1.5° (2.0km) 仰角有明显的气旋性辐合, 而6.0° (7.0 km) 仰角有个明显的辐散 (见图3) 。正负速度差值47 m/s, 根据成熟中气旋的概念模型, 在靠近地面附近的大气边界层内, 中气旋的径向速度特征为辐合式气旋性旋转, 再上面一些是纯粹的气旋性旋转, 在中上层为气旋式旋转辐散, 上层为纯粹的辐散[3]。这个超级单体基本符合成熟的中气旋概念模型。
4.2 不同时刻同一高度的速度图特征图:
以1.5°仰角为例, 07:24有中气旋生成, 07:30大片负速度区内开始出现一小块正速度区, 出现了所谓的逆风区, 此时最大正速度中心达到20m/s, 随着时间的推移, 正速度区越来越大, 07:17正速度区明显大于负速度区, 最大的正速度中心为27 m/s。07:47后连续7个体扫径向速度图都观察到中气旋的存在, 08:05该中气旋才消失, 表明这是一个成熟的中-r尺度的气旋, 整体向右移动。
4垂直液态水含量产品 (VIL)
在短时预报中VIL是一个很重要的参数, 其值越高, 出现灾害性天气的可能性越大。此次冰雹过程中, VIL值在07:20分为45 kg·m2, 07:26分增加到64 kg·m2, VIL快速跃增, 6min增加19kg·m2, 07:32分为65 kg·m2, 07:45达到了最强, 为71 kg·m2, 随后10min内, 地面下了小冰雹并伴有大风, 之后VIL值迅速减弱, 08:20分, 最强仅为45 kg·m2, 减小了26 kg·m2, 和实况比较, VIL快速跃增的过程就是冰雹快速生长的过程, 此过程时间短, 一般不超过1h, 本次过程仅仅为30多分钟。
根据冰雹概率指数预报方程, 在07:20分, =0.20+0.20+0.20+0.20+0.20=0+0+0.2+0+0.2=0.4, 没有达到0.6的阈值;在07:26分, 由于VIL值急增, =0+0+0.2+0。2+0.2=0.6;此时可立即发布冰雹预警, 实况在07:55分下了冰雹。可以提早半个小时做出预警。
5 结语
5.1 降雹过程开始前都已经具备了强的位势不稳定层结和一触即发的不稳定能量。高层为干冷平流并且降温降湿、低层增温增湿。这种温度场和湿度场的差动平流建立和加强有利于位势不稳定层结的形成并触发位势不稳定能量的释放。而从高层到低层上干下湿, 干层厚度明显大于湿层厚度, 且850 h Pa、700 h Pa的切变线和500 h Pa的槽线呈迭加形势, 从而上升气流的加大, 更有利于形成大的冰雹。
5.2 在速度特征图上, 此次冰雹过程与逆风区、大风区、辐合区相对应;零速度线大多表现为“S”型, 并且在中低层有切变线配合存在。“三体散射”是强降雹的充分非必要条件, “三体散射”的出现为判断降雹开展服务提供了重要的依据。
摘要：利用多普勒天气雷达产品并结合有关天气图资料, 对2007年7月23日湘中以北少数县市发生的冰雹天气进行了较详细的分析, 得出此次过程发生发展的成因及特征。
关键词：冰雹,多普勒天气雷达,特征
参考文献
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[2]俞小鼎, 姚秀萍, 熊廷男, 等.多普勒天气雷达原理与业务应用[M].北京:气象出版社, 2006:93-9.
航空气象服务中多普勒雷达的应用 篇7
1 我国民航气象服务现状
我国的民航气象服务机构的负责组织与实施气象服务,采用的是分管范围模式,可以根据民航气象中心、地区气象中心、空管分局、气象台、地方机场等级别来进行运行。民航气象中心通常由7 500m以上的高空飞行气象文件来进行,包括了高空风、高空温度等。地区气象中心由3 000m~7 500m之间的飞行气象文件来构成,包括高空风、高空温度预告图、中层重要天气预告等。空管分局(站)气象台提供3 000m以下的低空飞行气象文件包括高空风、高空温度预告图、低层重要天气预告等机场气象台制作发布该机场的机场天气报告、机场预报及天气警报。
2 多普勒雷达探测技术
1)多普勒雷达对于降水回波的频率信息。在航天气象服务中最重要的也是最常见的数据就是降水。常规的数字化雷达只能够通过雷达波的回波强度来针对将于区域中的降水分布、降水强度以及垂直结构进行粗略的判断。但是多普勒雷达能够针降水回波的频率与发射频率之间的变化信息进行更加深入详细的判断,包括降水强度、气流速度等关键性的因素进行判断与分析,进一步根据多普勒定律来进行判断。由于观测者与波源之间的实际运行频率并不相同,所以造成频率的差异与观测者之间的相对运动城正比,由于多普勒雷达能够根据水粒子的回波频率以及发射频率之间存在的明显差异性,进一步分别出降水粒子的方向与速度,从而通过长时间的监测来形成一定的降水量走势,进一步对于降水强度、降水分布以及降水变化形成一定的客观认识。同时对于该区域的气流强度、气流方向以及变化趋势来进行预测。
2)多普勒雷达的运行机制。与传统的普通雷达相比,多普勒雷达能够准确的区别信号回波的微弱变化,而这种相对于发射频率微弱变化的细小差异正式多普勒雷达特殊气象监测的重要功能。在一般的情况下,多普勒雷达为了能够更加准确的判断微弱的变化,雷达内部就会采用工作频率和初相位不变的工作方式,或者锁定工作频率。从总体方面来看,目前的航空气象服务中的多普勒雷达主要包括两种类型。第一种类型是全相干多普勒雷达,这种雷达采用了晶体振荡器所发出的单频脉冲波,而且这种脉冲波的波束这种波束具有极强的稳定性,所以频率能够一直稳定在10~9之间,能够完全满足锁定工作频率的要求。与回波对比能够非常容易发现其中的细微差别。另一种是自相干雷达。其主要的特点就是锁相位技术。锁相位技术本身发射的频率具有强烈的不稳定性,但是锁相位技术的使用能够保证发射波与系统会波之间形成动态比较,进一步形成气象影响因素。
3 航空气象服务中多普勒雷达的实际应用
1)零径向速度。在普通的多普勒雷达应用的过程中常常会出现径向速度为零的情况,这样的情况不仅无法准确的判断气象条件,而且还会对航空飞行造成严重的干扰。通常情况下,如果径向速度为零时的情况有两种情况,一种情况是当地的风向与雷达的径向垂直,从而造成雷达无法分辨该位置的真实风向。另一种情况就是该位置的风向确实为零。所以,为了保证航空飞行的安全问题,当出现景象速度为零的情况,必须要按照第一中情况来进行处理,即这一位置的风向与雷达之间呈现出径向垂直的情况,在这种情况下,对于该位置的风向走势图进行分析,如果这一位置的径向速度也为零,那么就说明这一位置是东风,如果这一位置的速度为负,那么就是正西风。
2)多普勒锋面速度图。在航空气象服务中,锋面现象会造成天气的突然变化,从而影响飞行。所以对于锋面的移动速度进行监测是非常有必要的。通常情况下多普勒雷达对于锋面现象的环境信息来实现,如果锋面现象形成的时候,锋面的界限两侧的环境信息具有很大的差距,所以一旦出现狭长地带的两侧环境信息差值达到了一定的高度时,就可以判定为锋面现象,并且能够按照环境因素的变化最大的区域就是锋面的位置,这样通过判断冷锋与暖锋之间的判定风险来进行分析,同过这样的方式来针对航班的风险进行及时的调整,从而避免受到危险天气的影响。
3)强对流天气。如果空气中不稳定的气层受到抬升的情况,就会形成强对流天气,很多常见的灾害性天气都是强对流天气引起的。比如雷暴、大风、积冰、龙卷风、冰雹等等。强对流天气出现的情况通常表现为乌云密布、电闪雷鸣。在这种情况下,如果飞机误入雷暴活动强烈的区域中,就会造成飞机出现故障,严重的还会导致机毁人亡的情况。多普勒雷达通过间歇性的向空中发射电磁波,从而在近于直线的路径上以接近光速的速度进行传播,如果一旦遇到目标障碍物就会发射回波信号,信号处理器根据信号回波的微弱频率变化来进一步推断出气象目标物的空间位置、运动轨迹、移动速度以及运动方向等等一系列的情况。
4 结论
随着我国社会经济的高速发展,航空交通也已经逐渐成为一种常见的运输方式。由于航空交通的不稳定性,所以自身的安全性能成为最重要的影响因素,而实际的航空活动过程中对于飞行影响最大的就是天气原因。尤其是在我国这样极端天气频发的条件下,各种不利气象条件所引起的航空飞行事故占据总体事故的30%左右。面对如此高的风险就必须要时刻掌握飞机飞行的气象状况。本文通过针对我国民航气象服务现状、多普勒雷达探测技术以及航空气象服务中多普勒雷达的实际应用进行全面的分析,进一步促进我国的航空气象服务能够更加良好的发展,从而保障航空运输服务的安全与稳定运行。
参考文献
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多普勒雷达 篇8
1 降水实况
2007年8月16—18日,新泰市出现1次强降水天气过程,此次降水不是普通降雨,其局地性很强,东部地区降水量明显大于西部地区,强降水以新泰为中心。16日新泰平均降水量为160.5 mm,最大降水量为263.7 mm,17日新泰日降水量达164.8 mm,降水主要集中出现在17日8:00—13:00之间。
2 大气环流形势及影响系统
从16日8:00至18日8:00 500 h Pa高度场演变情况可以看出,500 h Pa为副热带高压边缘的西南暖湿气流和高空槽;16日8:00至17日8:00 500 h Pa副热带高压西进北上增强(图1);17日20:00至18日8:00 500 h Pa副热带高压南撤减弱(图2)。在增强和减弱的过程中,新泰受588线附近西南暖湿气流和高空槽的影响,造成17日白天的大暴雨和17日夜间的暴雨过程。16日8:00 588线在山东半岛沿海附近,高空槽位于河北省南部—山东省西部—河南省北部一带,呈近似南—北走向,16日20:00 588线西伸到鲁中的东部,17日8:00 588线伸到鲁中的西部,500 h Pa高空槽也随着副热带高压加强,槽线成东北—西南走向;此时新泰处于588线附近。700 h Pa影响系统为低涡、弱横槽,同时在高压西北侧维持一支低空急流,为降水提供了充足的水汽条件,850 h Pa影响系统为切变线。受海上高压稳定少动影响,高低空系统移动缓慢,降水得到维持,为出现强降水提供了必要条件。
3 多普勒天气雷达分析
3.1 回波强度分析
出现暴雨天气的回波一般都范围较大、回波较强、顶高不高,所以,只用某一仰角的强度资料不能很好的反应降水的实际情况。使用CINRAD/CD型雷达不仅能够通过各个仰角组合反射率因子来识别回波,还有最大回波强度显示产品(CR),其应用体积扫描获取的回波强度数据,在以1 km×1 km为底面积,高至回波顶的垂直柱体中,对所有的位于该柱体中强度资料进行比较,挑选出最大回波强度[1]。8月17日8:13开始在新泰东南方有大片的积层混合降水回波,强中心回波在新泰石莱镇53 d BZ(图3)。从9:00开始,40 d BZ以上强度的回波影响新泰,影响持续超过40 min,在新泰境内持续时间多达4 h,13:00回波开始自西南向东北方向移动,14:41强降水明显减弱,强回波区的维持时间与主要降水时段吻合,15:05回波趋于消散,彻底移出新泰,降水逐渐停止。
3.2 基本径向速度的分析
从17日8:13基本径向速度图上看到(图4),风速随高度增加,负速度区在零速度线(中间白色线为零速度线区)左侧,正速度区在零线的右侧[2],低层2 km内以西南风为主,从低层2 km以上都以南风为主,100 km内出现-12 m/s负速度区、+12 m/s正速度区,正负速度区面积差不多。这表明回波稳定少动移动速度较慢。从图4还可以看出,西南有急流存在,8:25在泗水—新泰—莱芜一带出现了近似东北西南走向的宽带状回波,高低空西南急流的耦合,为暴雨的产生和维持提供了有利的水汽条件,直到15:05低层西南气流消散,回波移出新泰。根据基本径向速度变化,负速度区消散,只有正速度,说明没有入流气流,只有出流的气流,存在风速辐散,降水趋于结束。
3.3 垂直风廓线产品的分析
多普勒天气雷达较常规雷达的突出优点是可以获得降水粒子的平均径向速度分布。经分析表明,环境水平风向风速的垂直切变大小,对形成暴雨的强弱及持续时间有密切关系。
降水时段的VWP(垂直风廓线)分析:从17日3:00—8:37,在1.5~5.5 km高度上风速为10~12.5 m/s,西南风,风向随高度顺转,为暖平流。泰山雷达设在海拔1 547 m高的泰山气象站,无法探测到低于1.5 km高度上的风场。在风廓线图上看到1.5 km以下全部显示“ND”。从8:43—12:24,4.0 km以上西风,4.0 km以下西南风,说明在4.0 km高度处在西风与西南风之间的垂直切变,从低层到高层暖平流层深厚。13:00—15:00只有1.5~3.0 km高度上有西南风,风速较小,切变消失,雨势较小,回波逐渐减弱,15:00之后新泰降水停止。由此可见,环境风向风速的垂直切变加大,风速增前,雨势增强,环境水平风向风速的垂直切变减弱,风暴减弱,雨势减弱(图5)。
3.4 垂直液态含水量(VIL)分析
垂直液态含水量(VIL)与基本反射率因子有关,VIL值表示的是将反射率因子数据转换成等价的液态,并且假定反射率因子是完全有液态水发射得到的,是用来判断对流风暴强度的一个重要参量,其定义为液态水混合比的垂直积分[3]。液态水混合比是通过雷达测量的反射率因子和雨滴之间的经验关系式进行计算:
通过对上式进行垂直积分,即可得到垂直累计液态含水量VIL。
对此次大暴雨的研究发现:产生暴雨时的回波VIL值很小,由于此次降水持续时间较长,雨强比较均匀,在大于10 mm/h的降水量中,VIL值只达到24 kg/m2,有的甚至更小,这可为日常预报服务提供参考。
3.5 多普勒雷达回波顶高(ETPPI)分析
对流的强弱和回波伸展的高度有关,用ETPPI估计雷达探测范围内不同区域的降水强弱具有指导意义[4]。
从17日5:07回波顶高图上来看(图6),最大回波高度为8 km,一般都在3~5 km,降水比较均匀,回波较弱。8:43—13:00,新泰回波顶高最大达到14 km,周边回波顶高也在6~8 km,云体发展旺盛,降水强度较大,经9:00—13:00的持续降水,降水量达到107.0 mm。由此可见,回波顶高越高,降水强度越强。13:00后回波逐渐向东北移动,回波顶高减小,呈减弱趋势,15:00之后回波逐渐消散。
4 结语
(1)当中心强度大于等于40 d BZ的回波带影响时,可以预报短时强降水的出现,若持续时间较长,则可以在短时内预报为暴雨天气。
(2)强降水在风暴径向速度图上一般有风向的垂直方向的不连续或风向风速的辐和与冷暖平流的结合,同时西南急流的形成和发展为暴雨的产生和维持提供了有利条件。
(3)垂直风廓线能直观的看出雷达上空风向风速随高度顺转和逆转的程度即风速大小对产生短时强降水的作用。
(4)通过VIL分析发现,产生暴雨天气的VIL值较小,只有25~30 kg/m2,甚至更小,强对流时的VIL值也很小,可对预报服务提供参考。
(5)在强降水期间不仅要看回波强度、径向速度,还要分析回波顶高,尤其是有灾害性天气时,分析回波顶高图对防灾减灾及短时邻近预报具有重要意义。
摘要：应用泰山CINRAD/CD多普勒天气雷达资料,结合区域自动气象站的记录,对2007年8月16日8:00至8月18日8:00新泰地区的1次区域性暴雨天气过程进行分析,结果表明:由于多普勒天气雷达的高时空分辨率、连续观测以及其丰富的回波分析,在其探测汛期暴雨的过程中,能比较清楚地看到中尺度对流回波系统的演变过程,从而能更好地把握暴雨的落区,为做出更准确的预报起到了关键作用。
关键词：多普勒雷达,回波分析,大暴雨,山东新泰
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多普勒雷达 篇9
传统意义上, 民航气象雷达多为单通道设计, 即天馈分系统 (含天线罩、天线转台和馈线) 、发射分系统、接收分系统、信号处理分系统、监控分系统、伺服分系统、数据处理与显示分系统 (也称终端分系统) 以及电源分系统均为单套系统, 一旦某个分系统出现故障, 就会造成整机故障停机, 造成气象业务的中断。
随着天气因素对航空安全运行的影响越来越大, 作为监视危险天气重要手段的天气雷达, 其不间断运行的要求也越来越高。目前, 民航系统内多套气象多普勒天气雷达正在建设过程中。借鉴航管二次雷达硬件设计上的方案, 实现气象雷达双机热备配置, 可以大大提高气象雷达的运行冗余程度, 提高雷达系统的可靠性。
2 多普勒天气雷达基本工作原理
多普勒天气雷达通过发射高功率的高频脉冲信号, 借助于云、雨等气象目标的后向散射来检测、分析和确定降水目标。根据回波信息, 测量其强度以及运动的径向速度和速度谱宽。
多普勒天气雷达系统一般由天馈分系统 (含天线罩、天线转台和馈线) 、发射分系统、接收分系统、信号处理分系统、监控分系统、伺服分系统、数据处理与显示分系统 (也称终端分系统) 以及电源分系统8 个部分组成。
激励源输出的高频激励信号, , 送入发射机, 经固态功率放大器后, 进入速调管放大, 输出高频脉冲信号, 经过馈线送至天线向空间定向辐射。定向辐射的电磁波遇到气象目标时, 便会发生后向散射, 形成气象目标的高频回波信号被天线接收。
接收到的微弱高频回波信号, , 经过馈线送往接收分系统, 经过两路高频放大和变频 (高灵敏度通道和低灵敏度通道) , 成为60MHz的中频回波信号, 直接进行中频采样。经中频接收机处理后送往信号处理分系统。
信号处理分系统将两路I、Q正交信号, 作平方律平均处理、地物杂波对消处理, 和拼接处理后, 得到反射率的估测值;并通过脉冲对处理 (PPP) 或快速傅里叶变换 (FFT) 处理, 从而得到散射粒子群的平均径向速度V和速度的平均起伏即速度谱宽W。并将处理后的回波数据通过网络传输至终端系统。
伺服分系统接收到控制指令, 完成天线的方位和俯仰扫描控制;同时它将天线的实时方位角、仰角数据送往信号处理分系统。
终端分系统对于信号处理分系统送来的雷达探测的气象目标回波的原始数据、天线角度信号, 以及GPS时钟进行采集、处理, 以PPI、RHI、体扫等工作方式, 实时显示回波图像, 并可将数据存储下来, 自动生成航空气象保障所需的各种天气预报和天气监测用的图像、图形、曲线等丰富的气象产品。
3 气象雷达双机热备设计
(1) 概述。双机热备设计即是采用双通道体系硬件结构, 即除了天线罩、天线、转台的系统硬件外, 发射、接收、信号处理和监控均进行双套系统冗余设计, 各分系统包括两套独立的设备, 互为冗余备份, 可通过冗余控制电路进行自动重组、无缝切换, 并可在线维修, 减少故障时间, 提高雷达系统的可靠性。
(2) 系统设计。多普勒气象雷达系统双机热备功能主要通过波导开关和二选一切换开关实现。双机热备包括数据处理服务器的切换和雷达硬件的切换。数据处理服务器具备自动/ 人工切换功能, 可以人工切换服务器主备用状态;波导切换开关具有手动切换手柄。
数据处理服务器双机热备份:服务器的热备份是通过服务器之间的网络通信来实现的。主备机通过周期性的发出相互检测的网络测试包, 来互相确认对方的运行状态。如果主机出现故障, 备机在连续丢失设定数目的测试包后, 会认为主机出现故障, 备机则根据已设定的规则, 启动备机的相关服务, 完成双机热备的切换。同时会将此信息通过网络通知网络节点上计算机。当主用服务器修复后, 作为备用服务器使用。切换服务器工作状态不影响整个雷达系统正常工作。
雷达硬件切换:当监控单元检测到雷达的发射机、接收机、信号处理器出现故障时, 监控单元发送关高压、并通过交换机、串口服务器控制切换波导开关和控制信号选择组件, 将硬件系统切换到备份系统, 切换到位后发送反馈指令到监控单元, 监控单元开高压, 雷达正常工作。
雷达工作周期内, 两套雷达的监控单元之间通过交换机周期性的发送握手信号, 互相监测运行状态, 其目的是为了监测备用的雷达系统在不工作情况下的运行情况, 并在终端软件中显示备用系统状态。
整个切换过程包括雷达报警、关闭高压发射、波导开关切换、主备服务器切换、开启雷达高压和状态标校, 整个过程除了波导切换开关是机械动作, 其他都是电讯号动作, 所需时间控制在30s以内。
具体各分系统设计如下:
发射分系统:两套互为冗余的发射系统, 通过大功率波导转换开关选择其中一套发射机高压工作, 另一套处于开机预热状态。每套发射机包含发射配电单元、监控单元、高压电源单元、固态调制器单元、脉冲变压器、速调管、钛泵电源、脉冲旁路器、固态放大器组合、发射组合电源单元和散热风机;
接收分系统:两套独立接收系统 (接收通道单元、频率源单元、激励源单元) , 对原有BIT单元、标定单元进行改进, 满足为两套接收机提供高品质标定信号及监测两套接收机的工作状态;两套互为备份的接收机始终通电工作, 回波信号经冗余开关控制进入其中一套接收机, 经处理得到中频信号后送往数字处理系统进行后续处理。
信号处理、监控分系统:采用模块化设计, 将信号处理板、监控板、数字接收机配置在一个单元内, 组成信号处理单元, 同时增加冗余控制插件, 负责整个系统冗余功能控制, 实现系统故障时自动切换备份通道功能。
数据处理终端:包括数据处理服务器软件、控制和维护软件、显示终端软件;软件设计应包含多终端热备份工作功能, 主终端故障时, 可自动切换到备份终端, 不影响数据处理, 并可对故障终端进行维修。
电源分系统:包括不间断电源、遥控配电箱、电网滤波分机和分布于各分系统的线性电源和开关电源等;双备份系统中各独立分系统均单独供电, 达到故障系统可在线维修, 不影响系统正常工作。
摘要：本文通过借鉴航管二次雷达硬件设计上的方案, 对传统意义上的气象雷达进行双机热备设计的探讨, 通过对发射分系统、接收分系统、信号处理分系统、监控分系统、数据处理分系统以及电源分系统的分析、设计, 实现气象雷达双机热备配置, 从而大大提高气象雷达的运行冗余程度, 提高雷达系统的可靠性。