相控阵技术在天气雷达中的初步应用

由中国气象科学研究院国家灾害天气重点实验室与中国电子科技集团南京第14研究所联合研制的S波段相控阵天气雷达采用宽波束发射多波束接收,从而很大程度上缩短了雷达扫描周期,但是由于相控阵天气雷达其波束宽度与增益不是定值,而是随着仰角发生变化,同时相控阵天气雷达采用了脉冲压缩技术,因此需要对Probert-Jones提出的经典...     

相控阵天气雷达与多普勒雷达的探测精度与探测能力对比研究

相控阵技术应用到大气探测领域是一项崭新的课题,国外已开展了此项研究.为了研究相控阵天气雷达在大气探测领域的探测能力和探测精度,使用美国相控阵天气雷达与多普勒天气雷达同步探测的两次强天气资料,分析比较了两部不同扫描体制雷达的径向探测精度、切向探测精度、扫描时间、灵敏度以及在探测强风暴反射率因子特征、径向速度和超级单体的演变过程.结果表明:电扫描雷达的探测精度会随着波束指向角的变化而变化,而多普勒雷达在整个扫描范围内不随扫描方向角的改变而改变.相控阵天气雷达的切向分辨率比多普勒雷达低,提出了在方位上采用窄波束、俯仰方向上采用宽波束扫描,同时在接收时采用多个窄波束覆盖发射波束的接收方法.将存在模糊的速度场恢复为连续的速度场然后再对速度数值进行调整的退模糊方法也能剔除波束多路转换扫描方式下的速度模糊现象.     

S波段相控阵天气雷达与新一代天气雷达探测云回波强度及结构误差的模拟分析

由中国气象科学研究院国家灾害天气重点实验室与中国电子科技集团南京第14研究所联合研制的S波段相控阵天气雷达采用宽波束发射多波束接收,从而很大程度上缩短雷达扫描周期,但是由于相控阵雷达其波束宽度的增加以及波束宽度与增益不再是定值而是随着仰角而发生变化,必然在一定程度上牺牲雷达探测分辨率,造成其回波细节的缺失。为了比较该S波段相控阵天气雷达与S波段多普勒天气雷达在探测云反射率因子大小和结构方面的差异,采用双线性插值方法,模拟出空间分辨率很高的降水云团,并模拟相控阵天气雷达和S波段新一代天气雷达的波束特性对其进行扫描,通过模拟扫描得到的反射率回波,分析了对同一降水云团、相同距离位置,相控阵天气雷达与S波段常规多普勒天气雷达回波在水平方向和垂直方向的差异,结果表明:相控阵雷达对回波水平方向上和垂直方向上的平滑作用在一定程度上改变了回波的结构,减弱了回波的中心强度,使一些小的强回波中心消失。相对于S波段多普勒天气雷达,减少了极弱回波与强回波的面积,增加了中间强度回波的面积。探索了模拟分析相控阵天气雷达与多普勒天气雷达数据的方法,为相控阵天气雷达的定标和定量测量提供了理论参考。     

边界层风廓线雷达相控阵天线子阵设计与应用

对比研究了国内外风廓线雷达产品天线系统和子阵的类型,设计了一款5波束有限相扫相控阵微带天线子阵。此天线系统由21个相同的正方形子阵组成,每个子阵包含16个阵元,4×4的正方形对称划分,每个阵元采用东西向、南北向2点同轴背馈馈电,子阵内双方向分别设计了等幅等相馈电网络,进而实现了东西向和南北向的水平极化。天线子阵各端口驻波小于1.2,提高了天线探测灵敏度,缩小了相控阵天线阵面面积,减轻了天线阵重量。结合子阵划分,优化了相控阵天线系统泰勒加权。天线具有两维步进电扫功能,在空域形成5个波束的探测。应用在TWP3型边界层风廓线雷达上,雷达探测高度大于5km。     

阵列天气雷达设计与初步实现

阵列天气雷达是分布式、高度协同的相控阵天气雷达。阵列天气雷达至少包括3个相控阵收发子阵（简称收发子阵）,通过增加收发子阵而扩大探测区域。每3个相邻的收发子阵一组协同扫描,保证3个相邻收发子阵在同一个空间点的数据时差小于2 s,从而保证径向速度合成正确的流场。采用相控阵多波束扫描技术,4个发射波束和64个接收波束覆盖0°~90°仰角,机械扫描覆盖360°方位,整个体扫时间为12 s,为多普勒天气雷达整个体扫时间的1/30。阵列天气雷达通过金属球进行了强度、波束宽度、方位、仰角的定标。阵列天气雷达在长沙机场布设试验,成功获取了精细的风场和回波强度数据,可为更精细、更完整揭示小尺度天气系统变化规律提供新工具。     

平面相控阵脉冲压缩的雷达气象方程

在低发射功率条件下,相控阵多普勒天气雷达为了增加探测距离和提高分辨率,需要采用脉冲压缩技术.由于采用相控阵技术,波束扫描过程中,在平面阵非法线方向上会产生波束展宽,引起波束内功率下降,需要在计算雷达气象方程时弥补功率下降的误差.平面相控阵天气雷达在探测远距离目标时,使用宽脉冲发射,经脉冲压缩处理以提高分辨率,因此需要建立适用的雷达气象方程.首先讨论了脉冲压缩低峰值功率的平面相控阵多普勒天气雷达的结构、线性调频脉冲压缩的距离(多普勒测量)、调频波形的耦合问题以及目标距离的测量;然后给出了适用于脉冲压缩的平面相控阵雷达气象方程,此方程同时也适用于一维线性阵的脉冲压缩的天气雷达.     

X波段相控阵气象雷达回波数据的对比分析

为探究、验证X波段相控阵气象雷达系统及其回波数据的可靠性,基于X波段相控阵气象雷达系统及地基外场试验,对比分析了X波段相控阵气象雷达系统与X波段机械式天线气象雷达系统的回波数据。在脉宽为6μs和1μs两种探测模式下,通过散点分布和概率分布方法对比分析了相控阵天气雷达的回波强度和径向速度数据的差异性。结果表明:(1)在脉宽为6μs和1μs的探测模式下,X波段相控阵气象雷达与常规天气雷达有比较接近的探测能力和可靠的数据质量;在远距离处,相控阵气象雷达的回波数据呈现层次结构清晰、轮廓显著的特性;(2)宽波束以及波束宽度展宽等特性平滑了相控阵气象雷达的回波强度,改变回波结构,弱回波区面积减小,强回波区增大;(3)天线增益不均匀影响相控阵雷达数据质量,理论上可以用1/(cosθcosφ)的增益修正因子对回波强度进行修订。     

相控阵雷达扫描方式对回波强度测量的影响

有源数字阵列雷达的波束设计非常灵活,可变的波束宽度和多波束模式不仅可以满足不同任务的观测需求,还可有效节约扫描时间,但阵列天线参数随波位改变的特性对相控阵天气雷达回波强度的精确定标提出了挑战。2013年4—6月,中国气象科学研究院与安徽四创电子股份有限公司联合研发的X波段一维有源相控阵天气雷达 (X-PAR) 进行了装配后的首次测试观测。对比该雷达与相同位置的C波段双线偏振雷达 (C-POL) 观测资料发现,X-PAR不同宽度的扫描波束均能取得较合理的观测资料。但由于各模式的雷达方程及其标定方法不尽相同,并受到阵列天线照射体积、展宽波束和发射增益的影响,造成X-PAR回波强度存在一定的测量偏差。结合天线参数分析和实际数据统计将测量偏差订正至±1 dB内,为雷达的进一步调试和改进提供了依据。     

X波段双偏振数字相控阵天气雷达

正X波段双偏振数字相控阵天气雷达专为气象部门、民航部门及其他相关用户设计。该雷达采用了数字TR组件、双偏振裂缝天线阵面和多波束信号处理器等先进技术组件,具有速度快、精度高和稳定性好的特点。该雷达能对周边天气进行有效探测和预警,可获取雷达站周围上空天气目标的位置、强度、平均径向速度和速度谱宽等参数,实时监测150 km范围内的强对流天气系统的生成、发展、消散,对中尺度风暴、暴雨、风切变、冰雹、龙卷、大风等灾害性天气能进行有效的监测和预警,为用户气象保障提供及时精确的气象探测资料。     

主编语

相控阵天气雷达是雷达探测技术的最新发展方向,目前国际上的龙卷探测技术已经由传统的以强度探测为主转变为流场结合强度的探测为主。佛山作为我国龙卷等强对流天气最为频发的地区之一,已于2019年12月完成了一期4部相控阵雷达的建设,并将于2020年完成二期3部相控阵雷达的建设,建成由7部相控阵雷达组成的阵列天气雷达,并由雷达控制中心协调各部雷达协同扫描,是我国第一套针对龙卷监测的分布式协同探测相控阵天气雷达系统,能实时获取精准三维流场。这将推动龙卷风预报预警方法和思路的变革。     

S波段相控阵天气雷达与新一代多普勒天气雷达定量对比方法及其初步应用

受外场试验条件的限制,相控阵天气雷达在测试过程中难以与用于对比的多普勒天气雷达保持相同位置,造成不同雷达之间的观测资料无法直接对比。为了较全面地分析该情况下相控阵天气雷达的探测能力,提出了针对不同地理位置不同分辨率的雷达反射率因子匹配方法和观测资料的定量对比方法。初步使用该方法对2010年5月21日的S波段相控阵天气雷达（S-PAR）与相距54 km的南京新一代多普勒天气雷达（CINRAD/SA）观测资料进行了结构的对比及数值的分析。结果表明：（1）S-PAR的回波结构与位置均较为合理,与CINRAD/SA相比反射率因子测量偏差很小,未受地物影响的径向速度较为接近,同时单波束发射4波束同时接收的扫描方式大大节约了扫描时间;（2）S-PAR受宽波束的影响,100 km外的回波出现了明显的平滑现象,难以探测到细微结构;（3）S-PAR的灵敏度比CINRAD/SA差,100 km处的最小可测反射率因子偏高16 dBz,通过相同灵敏度的模拟后发现S-PAR较差的灵敏度是造成回波结构差异的主要原因;（4）提出的经纬度匹配方法较好地将不同位置下的雷达资料对应起来,经纬度匹配后在垂直方向的不同处理方式得到的结果存在细微差异,基于采样体积的平均方法取得的效果最佳。     

长沙机场阵列天气雷达地物识别算法

地物杂波是影响雷达产品准确性的重要因素。该文提出了一种改进的基于模糊逻辑的阵列天气雷达地物识别算法。在Kessinger模糊逻辑基础上,加入回波强度时间变化量（time variability of reflectivity factor,T_VR）参数,利用收集到的雷达数据统计出各输入参数的概率分布,确定隶属函数;分析T_VR参数对地物识别算法的贡献,并在不同天气情况下进行识别算法有效性验证。试验结果表明:加入T_VR参数,长沙机场阵列天气雷达地物识别准确率最大可提高4%,降水识别误判率最多可降低2%。该文提出的地物杂波识别算法,无降水时,地物识别准确率达96%;有降水时,地物识别准确率达92%;降水回波误判为地物杂波的误判率约为10%,能较好地区分降水回波和地物杂波。     

双偏振相控阵雷达与业务雷达的定量对比及观测精度研究

相控阵天气雷达突破了全机械驱动天线天气雷达的时空分辨率瓶颈,能够提供更加快速、精细的观测资料。但阵列天线存在性能参数随扫描角偏离法向而恶化的情况,使相控阵雷达定量测量存在困难。本文针对中国华南地区最新布网的双偏振相控阵天气雷达,通过与当地S波段业务雷达在相同区域内的定量对比,评估了反射率因子差分反射率因子的误差量级及其随扫描角、观测时间的变化趋势。研究结果表明,相控阵雷达反射率因子的误差不大、约0.82 dB,而差分反射率因子的误差则高达1.04 dB,并且不同仰角、不同时刻之间也存在一定的波动。为此本文提出了基于S波段雷达实时数据的订正方案,能够较好地解决双偏振相控阵天气雷达的定标问题,为相控阵雷达的业务应用提供了保障。     

风廓线雷达天线阵面不平整度对探测性能影响分析

根据雷达气象方程,分析了影响风廓线雷达探测高度的因素;建立了风廓线雷达相控阵天线阵面不平整度对天线方向图影响的数学模型。通过仿真实验,给出了在垂直波束和偏离天顶15°的倾斜波束下天线增益和旁瓣电平随阵面不平整度的变化结果。仿真结果表明,风廓线雷达天线增益随阵面不平整度的增大而减小,近似呈指数规律变化;天线旁瓣电平总体上随阵面不平整度的增大而抬升。工程设计人员可以在风廓线雷达探测高度变化允许的范围内,同时考虑目前国内风廓线雷达天线结构设计、工艺制造水平和安装精度,对天线阵面不平整度提出合理的技术指标要求。     

相控阵天气雷达数据压缩技术

相控阵天气雷达较新一代天气雷达在时空分辨率上有明显的优势。随着探测能力的提高,相控阵雷达数据量急剧增长,数据传输和存储问题凸显。现有天气雷达数据压缩算法可以减少传输和存储的数据量,但现有算法并未充分考虑相控阵雷达特点,数据压缩率有较大提升空间。本文提出时空预测的相控阵雷达数据压缩算法(PARDC),使用径向预测压缩数据相关冗余。使用CHATOR雷达数据对PARDC的算法性能进行评估,试验结果表明PARDC较通用的压缩算法压缩率性能大约提升了24%。     

相控阵天气雷达监测预警龙卷风的过程剖析

天气雷达作为龙卷风监测预警的重要手段之一,应用具有超高时空分辨率的X波段双极化相控阵天气雷达系统,较好地捕获并提前预警龙卷风。以2022年6月19日07时发生在广东佛山南海的一次龙卷风为例,详细剖析龙卷生消及雷达监测预警过程。借助雷达智能预警软件,利用X波段双极化相控阵天气雷达的双偏振量和超高时空分辨率数据,实时反演三维风场和分析龙卷碎片(TVS)特征,能够显著提高龙卷风监测预警水平。实例表明,本次成功地提前18分钟预警龙卷,进一步说明了X波段双极化相控阵天气雷达在强对流天气探测方面具有较强的生命力。