基于收發前置的X波段雙線偏振天氣雷達設計

摘 要：X波段雙線偏振天氣雷達是識別粒子相態、粒子尺度譜分布等信息的重要設備之一。從系統設計角度介紹了雷達的基本原理、組成、技術特點。系統的收發前置設計，減少了回波信號在饋線系統中傳輸的損耗，避免旋轉關節等器件的指標起伏對雙線偏振參數的影響。

關鍵詞：天氣雷達；系統設計；收發前置；損耗

中圖分類號：P415.2文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2018）01-0084-04

The Design of X-band Dual Polarization Weather Radar Based on the Transceiver Front

CHENG Zhangfan

（Anhui Sun Create Electronics Co.，Ltd.，Hefei 230088，China）

Abstract：X-band dual polarization weather radar is to identify the particle morphology and particle size distribution，one of the important equipment of information. The basic principle，composition and technical characteristics of radar are introduced from the perspective of system design. The system is designed to send and receive，reduce the loss of echo signal in the feeder system and avoid the influence of the indicator fluctuations of the rotating joint and other devices on the polarization parameters of the two lines.

Keywords：weather radar；system design；sending and receiving equipment front；loss

0 引 言

我國新一代天氣雷達建設進入一個新的發展階段，對各類災害性天氣的監測能力大幅提升，對防災減災做出了重要貢獻。

隨著國民經濟的發展，各行業對氣象服務的需求日益增長，其中短臨預報的服務尤為重要。為了進一步提高災害性天氣的臨近預報水平，有必要進一步發展X波段雙線偏振氣象雷達。

X波段雙線偏振天氣雷達能夠彌補在低空探測存在的盲區，對重點區域的天氣系統進行精細觀測，對0.01km-3km范圍低層大氣進行高時空分辨率的精確掃描，為災害天氣的精細化預報、數值天氣預報提供有效支撐，提高精細化氣象預測預警水平。

1 概述

X波段雙線偏振全相參多普勒天氣雷達能夠連續監測300km以內降雨區的發生發展變化，獲取150km范圍內云、雨等天氣目標的回波信息，實現天氣目標的識別、跟蹤、分析，有效監測預警危險天氣，為氣象預報人員提供豐富全面的分析資料，有效提高氣象保障能力。

主要技術特點：

（1）饋線功分網絡前置，實現對稱性設計，確保發射通道幅相一致性。

（2）收發前置，信號傳輸無需旋轉關節，大幅提高偏振系統接收饋線的幅相一致性。

（3）基于服務器平臺實現全軟件化數字處理，可融合更多、更復雜的信號處理功能和算法，有助于實現精細化、智能化探測，更好的滿足科研需求。

2 系統組成

X波段雷達系統按結構配置劃分為室外天饋單元、主機單元和終端單元，如圖1所示。

室外天饋單元配置在樓頂或塔頂，主要包括天線、室外饋線、轉臺及與俯仰轉臺一體設計的發射系統。

主機單元配置北斗授時/GPS定位系統、交換機、伺服分機、通風單元和遙控配電分機等。

終端單元配置在雷達操作室，包括監控終端、產品終端及配套的UPS電源等設備。

3 基本原理

X波段雙線偏振全相參多普勒工作原理如圖2所示。激勵信號送至固態發射機進行功率放大，產生峰值功率大于200W的發射信號，經過饋線功分網絡、天線發射出去；兩路回波信號經過正交模耦合器，再經過環行器、PIN開關等器件，進入雙通道接收機，變頻后形成140MHz中頻回波信號，經數字中頻處理后形成I/Q數據，I/Q數據經過光纖/千兆網送入服務器，最終輸出反射率因子、速度、譜寬、差分反射率因子、差分傳播相移和相關系數，以標準TCP/IP協議發送至給數據處理與應用分系統，由其完成參數的實時顯示、存儲以及各種氣象產品的生成。

4 收發前置實現

4.1 接收機前置設計

接收機在系統的結構形式上采用一體化、輕量化設計，極大提高系統組件的集成化設計，提升整個系統硬件設計的緊湊性和集成度。

整個接收機部分包括中頻數字接收機、信號處理、上變頻通道、頻率源、波形產生、接收通道和調制功放。各個模塊分別設計獨立的殼體，并且根據器件的發熱情況布置各個器件。發熱量大的器件安裝在靠近殼體側壁的位置，發熱量大的模塊安裝在靠近散熱風道的位置，接收機示意圖如圖3所示。

4.2 發射機前置設計

由于固態發射機體積小、重量輕、可靠性高、環境適應性好，因此將發射機與天饋系統直接連接，同步轉動，這樣既可省去兩路俯仰鉸鏈，還能減少功率損耗，保證幅相一致性。發射機組合了發射電源、射頻開關、同軸轉換和散熱風扇等，發射機示意圖如圖4所示。

4.3 實際效果

收發前置與俯仰轉臺一體式設計，減少發射信號在系統中傳輸的損耗和回波信號在饋線系統中傳輸的損耗，經過儀表，結果表明H/V兩路收發損耗相差0.04dB，且總損耗不到2dB，比常規雷達損耗小2～3dB，可提升系統靈敏度。

2017年10月～12月，在廣東省中山市紫馬嶺國家氣象觀測站進行觀察實驗，雷達連續不間斷開機觀測2個月，雷達性能穩定、可靠。

取得多次降水過程探測數據。如圖5所示，避免旋轉關節等器件的指標起伏對雙線偏振參數的影響，雙線偏振探測精度高。

5 結 論

基于收發一體的結構設計，所有設備高度集成，設備量少、重量輕，可適應固定式、車載式、便攜式等陣地安裝，可為局地災害性天氣短時預警預報提供有效手段。

結合國家氣象局X波段雙線偏振天雷達組網綜合探測建設，采用雷達組網技術進行協同觀測，形成技術先進、重點區域覆蓋的低空天氣雷達探測網，實現對重點區域的短時暴雨、冰雹、雷暴大風等災害性天氣的精細化實時探測、識別、跟蹤和短時臨近預警，提升對天氣災害的防災減災能力和應急響應能力。

參考文獻：

[1] 張培昌，杜秉玉，戴鐵丕.雷達氣象學 [M].北京：氣象出版社，2000.

[2] 焦中生，等.氣象雷達原理 [M].北京：氣象出版社，2005.

作者簡介：程張凡（1984-），男，碩士，工程師。主要從事氣象雷達系統研究。