面雨量監測中的雷達技術

王美玲，丁美霞，牛睿平

(1. 江蘇省水文水資源勘測局,　南京 210029)(2. 水利部南京水利水文自動化研究所，　南京 210012)

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·總體工程·

面雨量監測中的雷達技術

王美玲1，丁美霞1，牛睿平2

(1. 江蘇省水文水資源勘測局,南京 210029)(2. 水利部南京水利水文自動化研究所，南京 210012)

介紹了一種X波段多普勒體制雷達面雨量監測系統。首先，著重闡述了該系統的工作原理、主要設備組成；其次，介紹了系統采用的高可靠性窄脈沖磁控發射機技術、DSU數字中頻信號處理器技術、大動態可變本振數字中頻接收機技術等；再次，介紹了該系統的功能，能自動、實時、連續、準確探測區域內降雨強度變化和位置、降雨分布、面降雨量；最后，介紹了對比觀測試驗的情況，并客觀分析了該系統的優勢與不足，指出實際應用中需要關注的問題。

面雨量監測雷達；窄脈沖磁控發射；DSU數字中頻信號處理

0　引　言

面雨量是一定區域或流域單位面積上的平均降水量，是水文氣象中一個重要參數，是水文模型的初值。面雨量值的準確與否直接關系到洪水預報、水量計算的精度，關系到洪水調度決策、水資源管理的科學性。傳統方法是在區域內利用實測的點雨量數據，通過算術平均法、數值法、等值線法等方法來計算面雨量。在實際應用中，受到監測區域內實測雨量站點密度的限制，同時由于降水空間分布的復雜性，如何準確計算流域/區域面雨量一直是個科學難題[1]。在傳統監測方法下要提高面雨量計算精度，通過在監測區域增加雨量觀測點的密度就可以實現。但超過一定量的監測點在投資上和技術上存在困難。

雷達作為一種主動遙感設備,可得到具有一定精

度的、大范圍高時空分辨率的實時降雨量信息，從20世紀60年代開始，國外與國內都在研究利用雷達測雨，并取得了一定的成果[2-3]。近年來，利用X波段多普勒體制雷達進行小區域(半徑小于40 km)內的雨量監測，收到了很好的應用成果。該雷達能實時、連續、準確探測區域內降雨強度變化和位置、降雨分布、面降雨量及相應風場信息，并可結合其他設備組成相應的面雨量監測系統。已在云南、江西、江蘇等地取得很好的應用成效，為洪水預報、防洪調度、水資源管理發揮重要作用。

1　系統組成

1.1雨量雷達系統

如圖1所示，雨量雷達系統主要有天線、饋線、發射系統、接收系統、數字中頻信號處理系統、伺服系統、監控系統、終端及數據處理系統組成。

圖1　雷達系統整機框圖

1.2工作原理

雷達設備工作時，通過發射系統發射一定功率的脈沖能量，經過饋線部分到達天線，向空間定向輻射；天線定向輻射的電磁波能量遇到降水等目標時，便會產生散射，其中后向散射的一部分形成回波信號被天線接收；天線接收到降水等目標回波信號，經過饋線部分傳輸到接收系統；接收系統將回波信號進行放大、混頻、轉換等處理后送往信號處理系統；信號處理系統對回波信號作數字中頻信號(DSU)處理后形成I、Q正交信號，并對其作平均處理、地物對消濾波處理，得到反射率的估測值即強度Z，通過脈沖對處理(PPP)或快速傅里葉變換(FFT)處理，從而得到散射粒子群的平均徑向速度V和速度的平均起伏即速度譜寬W，通過處理雙極化數據得到差分反射率、差傳播相移、零滯后相關系數等雷達原始監測信息。雨量雷達通過計算雷達回波信號強度來推算氣象目標的實際物理狀況，通過雷達氣象方程，建立雷達平均接收功率Pr與雷達反射因子Z的關系，而Z與觀測區域內的降水強度I存在一定的關系，因此可通過雨量雷達測量的回波信號強度推算出實際的降水強度。這種測量方法被稱為Z-I關系法，即應用雷達氣象方程由測得的雷達回波功率算出雷達反射因子Z值，然后根據特定條件下的Z-I關系推算出降水強度I，從而得到實際的降水強度與降水量[2]。

1.3設備主要組成部分

1)天饋線。天饋線采用1.3m圓口徑拋物面天線，水平極化方式，增益≥38 dB。

2)發射機。發射機采用自激振蕩式小型化磁控管發射機，工作頻率9 375 MHz±30 MHz；輸出脈沖功率≥20 kW，占空比1‰。

3)接收機。接收機采用中頻相參體制，超外差式一次變頻的數字中頻接收處理方式。具有故障監測能力，對接收機的關鍵部位，如接收通道、本振、各類電源進行實時監測、指示，并送出故障信息，便于終端進行處理。

接收機工作頻率為9 375 MHz±30 MHz；接收機靈敏度為-105 dBm (0.6 μs)，-102 dBm (0.2 μs)；動態范圍≥85dB；噪聲系數≤3dB；中頻輸出為30MHz±8 MHz；頻率跟蹤范圍為±8 MHz ，跟蹤精度為±50 kHz。

4)數字中頻信號處理器。數字中頻信號處理器包括數字中頻接收機和多普勒天氣雷達信號處理器，除完成常規信號處理外，還要處理速度、譜寬、地雜波抑制等多普勒參數。

5)伺服系統。伺服系統包括天線方位伺服系統和天線俯仰伺服系統兩個分系統，各自獨立工作，互不影響。

天線方位伺服系統的作用是用計算機操縱天線，將天線方位角調定在0～360°內的任意給定角度位置上，也能實現天線方位1 r/min～3 r/min自動環掃(PPI狀態)，通過計算機可改變天線方位自動環掃的轉速。

天線俯仰伺服系統的作用是用計算機操縱天線，將天線俯仰角調定在0～90°內的任意給定角度位置上，也能實現天線俯仰12(°)/s在0～90°內自動俯仰，通過計算機可改變自動俯仰的速度及掃描范圍。

6)監控系統。監控系統在終端計算機的控制下，根據雷達天線的方位和俯仰產生對雷達天線方位和俯仰控制的誤差電壓，實現對雷達天線工作狀態和工作姿態的控制操作；實現對伺服系統工作狀態的控制操作；實現對接收系統工作狀態和故障狀態的實時監測，并對接收系統的工作狀態進行控制操作；實現對發射系統的全功能監控，其中包括對發射系統的工作狀態和故障狀態的實時監測，以及對發射系統工作狀態的遙控操作；與計算機終端連接，接收終端的命令并給予回復；為信號處理系統提供差分轉換單元。

7)監控軟件和終端顯示。雷達設備配套終端計算機設備一套，在計算機上安裝雷達系統監控軟件一套，該軟件完成對雷達整機的控制和監測、采集信號處理器輸出的雷達回波數據、并根據當前的工作狀態對雷達回波進行顯示和存儲。自動實現監測信息的采集、處理、存儲、傳輸、應用等功能，以及雷達整機控制、雷達狀態監測和雷達系統參數測試等功能。操作人員在操作監控軟件能完成雷達設備的整體操作，實時監視雷達工作狀態、工作參數和故障情況。

2　關鍵技術

1)高可靠性、窄脈沖磁控發射機技術。該發射機為自激振蕩式發射機。其調制器采用全固態剛性調制器，調制器電源采用開關電源。通過嚴格的電路設計使之能夠提供兩種高頻穩定脈沖，其最窄脈沖寬度達到0.2。

2)帶DSU功能的數字中頻信號處理器技術。數字中頻信號處理器利用AD對發射脈沖樣本進行取樣，然后用該取樣值和回波信號進行相關或卷積，實現相位校正，達到消除磁控管的發射脈沖的初相是隨機的目的，從而得到更多的目標信息如速度、譜寬等。

3)大動態可變本振數字中頻接收機技術。取消了帶通濾波器、線性中放、對數中放和視放等窄帶高增益模擬線路，提高了整機的穩定性和可靠性，克服了傳統模擬正交I、Q通道由于中頻移相器精度誤差和相位檢波器兩路不平衡以及模擬電路隨溫度變化等帶來的誤差，提高了雷達系統的相位檢測精度。

3　主要功能

(1)雨量雷達能實時提供回波強度、平均徑向速度和速度譜寬等原始產品圖像分布信息。按用戶設置好的時間和雷達工作方式，自動定時的按順序執行雷達掃描。(2)雨量雷達能實時提供監測區域內高時空分辨率的面雨量數據，探測半徑為36 km，空間分辨率為60 m×60 m。(3)雷達系統具有完善的在線強度、速度和空間位置自動定標裝置，并建立充分的冗余以確保在用戶規定的工作環境內24 h連續不間斷地運行。(4)雷達系統具有本地控制和遠程遙控兩種工作方式，能完成功能相同的交互控制、測試、維護能力。(5)雷達系統具有在線檢測設備，能隨時監測雷達各分系統的主要工作參數和工作狀態，在監控及終端系統的顯示器上顯示并記錄監測信息。在發射、伺服分系統的重要部位還設置了故障自保裝置，以防損壞。一旦發現故障，立即報警，并將故障定位到可更換單元(LRU)。(6)雷達系統能夠在復位后自動初始化，恢復系統的運行參數。當打開電源和停電后恢復電源，雷達主系統能夠在無操作員的干預下正確運行，當停電和隨后恢復供電時所有的設置和缺省參數均不會改變。

4　對比觀測試驗

4.1南京雨量雷達試驗

江蘇省水文水資源勘測局與水利部南京水利水文自動化研究所共同進行了雨量雷達對比觀測試驗。2014年12月在南京完成雷達面雨量自動監測系統的安裝、調試等工作，開始試驗數據的采集。圖2為該試驗點雨量雷達的監測范圍與監測區域自動雨量站的分布情況。

雨量雷達設備安裝在南京市雨花臺區，安裝坐標為東經118.772°，北緯31.966°，海拔約39.0 m，距南京市區約10 km，雷達監測范圍內共有17個自動雨量站，3個雨滴譜儀(“★”) 。

圖2　南京試驗點監測區域與自動雨量站的分布情況

4.2對比試驗基本情況

2015年南京雷達面雨量試驗點進行了完整運行，設備總體較穩定，并采集了多次完整的降雨天氣過程。包括層狀云降水、對流云降水(居多)和混合云降水，其中有6 h左右的短時降雨，也有持續時間超過48 h的持續性降水。以2015年7月7日8時-7月9日8時累計雨量對比為例，如圖3、圖4所示，得出表1的評估結果。

圖3　雷達累計雨量

圖4　雷達累計雨量與自動雨量站雨量對比

雷達測雨評估各評估參數比率絕對值相對誤差雷達雨量評估1.03112.55%

從全年數據對比分析中可以發現，雨量雷達測量數據與自動雨量站的數據在整體上趨勢保持一致，在單場次累計雨量超過10 mm的情況下，雙方數據對比誤差約為20%。但個別場次降雨誤差隨機性偏大，最大接近60%，初步分析誤差原因主要來自于降雨類型的影響和環境氣候(如大風、雨夾雪等)的影響。今后將在試驗中進一步分對比析，爭取通過率定的方式提高雨量雷達測雨精度。

5　結束語

雨量雷達優勢：(1)在監測區域內，雨量雷達測量的降雨在空間上是連續的。連續的空間雨量可以使用戶直觀得到區域內雨量的實際分布效果，而且可以方便地獲得區域內的降雨量極值，如暴雨中心、區域內最大雨強值等。(2)在記錄單次降雨發生過程中，相比傳統雨量計，雨量雷達獲取的空間連續降雨數據能更直觀地反映單次降雨的演進變化過程。(3)雨量雷達在小雨測量上更敏感。(4)雨量雷達在數據監測密度上大大優于傳統雨量計。

雨量雷達主要問題：(1)雨量雷達測量降雨的方法為推算法，計算結果主要受降雨類型影響，測量的結果需要率定。(2)單套雷達設備建設投資較大。(3)雨量雷達測量數據在資料方面與現行國家水文標準存在銜接問題。

[1]張培昌，杜秉玉，戴鐵丕. 雷達氣象[M]. 2版. 北京：氣象出版社，2000: 171-210.

ZHANG Peichang, DU Bingyu, DAI Tiepi. Radar meteorology[M]. 2nd ed. Beijing: China Meteorological Press, 2000: 171-210.

[2]ALLEGRETTI M, BERTOLDO S, PRATO A, et al. X-band mini radar for observing and monitoring rainfall events[J]. Atmospheric and Climate Science，2012(2): 290-297.

[3]CHANDRASEKAR V, WANG Y, CHEN H. The CASA quantitative precipitation estimation system:a five year validation[J]. Natural Hazards and Earth System Science, 2012(12): 2811-2820.

王美玲女，1969年生，碩士，高級工程師。研究方向為水文自動化、水利信息化、信息安全。

丁美霞女，1968年生。研究方向為計算機技術。

牛睿平男，1973年生，碩士，高級工程師。研究方向為計算機軟件設計、工程項目管理、技術方案咨詢等。

Radar Technology in Areal Rainfall Monitoring

WANG Meiling1，DING Meixia1，NIU Ruiping2

(1. Hydrology and Water Resources Investigation Bureau of Jiangsu Province,Nanjing 210029, China)(2. Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology,Ministry of Water Resources,Nanjing 210012, China)

An X-band Doppler radar system for areal rainfall monitoring is described in this paper. First of all, the working principle and the main equipment of the system is expoanded. Secondly, the key technologies adopted in the system are introduced such as high reliability and narrow pulse magnetron transmitter technology，DSU digital IF signal processor technology, and large dynamic variable LO digital IF receiver technology. Thirdly, the function of the system is expatiated on automatical, real-time, continuous, accurate detection of regional rainfall intensity change and location, rainfall distribution, areal rainfall. Finally, based on the situation of comparative observation experiment, the advantages and disadvantages of the system are analysed objectively and the problems that need to be paid attention to in practical application are pointed out.

radar system for areal rainfall monitoring; narrow pulse magnetron transmitter; DSU digital IF signal processor

王美玲Email：13913889936@139.com

2016-01-23

2016-03-28

TN959

A

1004-7859(2016)06-0009-04

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.06.003