基于平流層飛艇災害性天氣雷達監測系統研究①

關振紅 顧亞文 劉本東

摘 ? 要：災害性天氣對人類具有極強的破壞性，準確監測和預報災害性天氣具有重要的意義。平流層飛艇是一種重要臨近空間平臺，在對地觀測和防災減災方面具有獨特的優勢。在平流層飛艇上搭載多普勒天氣雷達可以更加準確和及時的監測害性天氣。本文介紹了基于平流層飛艇搭載多普勒天氣雷達的設計方案、性能指標以及系統特點，并對研制平流層飛艇載多普勒天氣雷達的若干關鍵技術進行了討論，為工程實踐提供參考。

關鍵詞：臨近空間 ?災害性天氣 ?平流層飛艇 ?天氣雷達

中圖分類號：TN95 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）09（b）-0128-03

中國是世界上遭受災害性天氣影響最嚴重的國家之一。氣象災害種類多、強度大、頻率高，嚴重威脅人民生命財產安全，給國家和社會造成巨大損失。目前，我國主要災害性天氣包括臺風、暴雨及突發天氣等。對災害性天氣實施適應性觀測，在敏感區進行連續追蹤觀測，將明顯提高災害性天氣的監視和預測能力。

對于臺風、暴雨、強對流等災害性天氣的研究要求高時空分辨率和高探測精度的大氣參數信息，主要通過氣象衛星資料和地面水文氣象站資料兩種途徑獲取[1]。地面水文氣象站主要通過氣象雷達以及探空儀等設備組成，這些設備對于突發性災害的監測、預報和報警都具有重要的作用，是大氣探測的重要手段之一。現有的水文氣象站大部分設置在低山地帶和平原城鎮，并且站點分布極不均勻，觀測范圍有限、覆蓋率較低，高山、高原上觀測站點稀少，海洋上幾乎沒有探測資料，不能滿足大流域降雨觀測的需求，對高原和山區降水垂直規律以及災害性天氣的防治帶來一定困難[2-5]。氣象衛星圖像資料的空間分辨率和時間分辨率都比較高，極大地改進對強臺風以及暴雨等災害性天氣的監測預報能力，通過對衛星云圖的分析是監測、預報暴雨等中尺度強對流災害性天氣系統的有效手段。使用衛星云圖預測強對流云團時，在發展初期衛星云圖上顯示發展的對流云團比地面氣象雷達回波早，但在強對流出現后，對流云部分遮蔽了活躍的對流視域，因此衛星云圖獲取天氣現象的垂直結構具有一定的極限性。對災害性天氣的監測還可以采用星載降雨雷達的方式，典型的系統是美日聯合研制的TRMM衛星搭載的降水雷達（Precipitation Radar）[6]，它可以在衛星平臺上對星下觀測區域內的降雨特性實現全天時、全天候的三維立體探測。降水雷達觀測區受衛星軌跡的制約，另外衛星的發射和維護成本高。

大氣探測技術的發展趨勢是在空間采用主動遙感技術進行探測，而我國在大氣探測中的機載以及星載的主動遙感探測領域發展相對落后。利用臨近空間平臺對大氣進行探測，可以進行更為精細的探測，提高防災減災能力。基于平流層飛艇搭載的多普勒天氣雷達（以下簡稱艇載天氣雷達）是填補地基雷達觀測和星載降水雷達探測之間的空白，是二者之外云雨大氣探測的重要補充，是建立云雨探測星-機-地綜合探測系統的重要組成部分。

1 ?雷達系統設計分析

艇載天氣雷達工作方式與機載天氣雷達和星載降水雷達有一定相似之處，如圖1所示。雷達工作時，沿飛行方向對地面上空的大氣進行大范圍觀測，如果發現災害性天氣現象，則可對目標進行垂直精細掃描，探求臺風等災害性天氣的內部結構。雷達獲得的數據經處理后通過下傳鏈路傳至地面，經地面人員采用數據處理算法獲得災害性天氣的實時信息。

艇載天氣雷達方案是參考地基天氣雷達和星載降水雷達所提出來的，其參數設計的主要依據是雷達氣象方程[1]，即

（1）

其中，Pt、Pr分別是雷達發射功率與回波功率，G為雷達天線增益，c為光速，τ是雷達發射脈沖寬度，與分別是沿航向和垂直航向的波速寬度，m是散射粒子的復折射指數，r是散射粒子與雷達之間的距離，將上式中雷達本身參數和與氣象要素相態有關的參數分開，并令

（2）

其中C為雷達常數，則（1）式簡化為

（3）

這樣由雷達回波功率就可以計算出雷達發射率因子，可以反演氣象目標的強度等信息。由于艇載雷達是從臨近空間向地面照射，因此對雷達反射率因子進行訂正時要考慮地表的影響，與常規的地基氣象雷達相比，訂正方法更復雜。可以參考星載降雨雷達衰減因子的方法，采用HB算法和STR估計相結合的方法[6]。對于實用的艇載天氣雷達，衰減訂正方法是一個難點之一，需要認真研究。

根據以上分析，結合常規天氣雷達設計，得到艇載天氣雷達主要參數如表1所示。

設計中的艇載天氣雷達采用發射線形調頻脈沖信號，接收端采用脈沖壓縮技術通過脈沖間的相參積累來提高系統的增益并提高檢測精度，為了實現雷達既能覆蓋較大觀測面積又能實現較高的水平分辨率，設計寬口徑、雙頻率、可以二維掃描的相控陣天線并配以自適應掃描方案。艇載測雨雷達與一般脈沖壓縮體制雷達組成基本相同，其中波導裂縫平面陣天線，數字陣列模塊、校正分機以及頻率源均位于天線陣后部，伺服驅動、波束控制和信號處理板置于小型分機內。由于采用雙頻全極化模式，因此天線的結構比較復雜，另外對于氣象目標的處理上，需要研究專門的算法用以檢測氣象目標強度、徑向速度和譜寬信息。

2 ?關鍵技術

在原理上，艇載天氣雷達并不復雜，但由于平臺的特殊性，給工程應用帶來許多難點，以下問題必須解決。

2.1 實時低副瓣脈沖壓縮處理技術

如前所述，艇載天氣雷達采用脈沖壓縮技術來獲得比較高的系統增益并提高檢測精度，但是與地基雷達不同，艇載天氣雷達對地進行觀測，這樣，地表雜波也會從距離旁瓣進入而干擾降雨的測量，尤其在低頻段則更為明顯。根據仿真結果，將距離旁瓣壓到-60dB甚至更低才能有效抑制距離旁瓣雜波[7]。從理論上講，若采用常規頻域或時域處理的方法，脈沖壓縮的旁瓣在不加窗的情況下只能做到-13dB;采用常用的泰勒或漢明窗，也只能到-40dB左右。所以，如何采用特殊的窗進行壓縮而達到-60dB旁瓣，而同時又滿足實時高速處理的需求是工程實踐必須著重加以研究。隨著數字處理技術的發展，采用高速并行DSP處理技術可以實現時域-60dB的脈沖壓縮。

2.2 定標技術

定標技術是雷達進行定量測量的基礎，由于雷達參數和成像參數之間的不確定性，以及電磁波在傳播過程中由于大氣作用產生的能量衰減、信號路徑的改變、電磁波極化特性的改變等因素給雷達測量帶來很多不確定性，使得雷達測量的重復性差，并且不能精確反應實際目標特性。作為一種定量測量降雨反射信號功率的微波遙感器，艇載天氣雷達定標技術就是通過各種措施測量出影響回波功率的各個因素大小，并從雷達回波中去除以上因素的影響，從而建立雷達回波功率與災害性天氣要素之間的精確關系。只有經過了嚴格精確的定標技術，艇載天氣雷達才能將精確的信號功率提供給用戶去反演降雨量。

2.3 地雜波抑制技術

為了保證一定的距離分辨率，艇載天氣雷達的掃描方式通常設計為在垂直于飛行方向的圓錐掃描，以下視的方式觀測大氣層內的降水分布。所以，雷達天線的波束必然要直射地面，這就導致艇載天氣雷達可能會在某一距離單元同時接收到較弱的降水粒子回波和較強的地雜波。理論上，只有天線完全垂直地面，此時才可以通過時間上將降雨回波和表面雜波區分開，而在偏離這一掃描位置的任何時刻，主波束照射的回波都會伴隨著同近距離的旁瓣地表雜波同時到達接收系統，這在時間上是無法區分的。由于氣象目標回波屬于弱反射，而地表雜波的回波功率更強，因此為了能從強雜波中測量弱反射的氣象目標回波，需研究各種雜波抑制方法[8]。艇載天氣雷達地雜波抑制技術從兩個方面入手，在硬件方面研究超低旁瓣天線，降低天線副瓣電平可以明顯提高副瓣雜波區的信雜比，副瓣雜波的計算也是確定天線副瓣電平指標的依據之一;另一方面在雷達信號處理器中擬采用數字濾波器技術抑制地雜波，濾波器的特性將根據地面雜波的譜特征進行設計，并采用譜補償技術訂正濾波器對氣象目標頻譜的影響，提高艇載天氣雷達監測弱目標的能力。

2.4 平臺本身技術

艇載天氣雷達能正常工作的一個前提條件是飛艇這這個平臺的穩定可靠，這涉及到總體、氣動、結構、能源、動力等多個專業學科，包含重浮力平衡、熱量平衡、能源平衡以及動力平衡等多項內在聯系[9]。必須解決的關鍵技術包括：平流層飛艇總體綜合優化設計技術，平流層飛艇快速升降技術，平臺載荷一體化集成、測試技術等等。

3 ?結語

臨近空間具有巨大的應用潛能，國內外都在積極研究臨近空間的開發應用，而平流層飛艇作為一種實用的臨近空間平臺，多個國家競相啟動相關的研究項目。平流層飛艇搭載天氣雷達相比于地基天氣雷達具有很多獨特的優勢，既能成為災害性天氣預警系統，又可以為日后發展星載降水雷達提供數據和技術支持。平流層飛艇攜帶多普勒天氣雷達，可對大氣環境進行極高的高分辨率、連續定點觀測，建立高精度大氣模型，提高大氣和氣象研究水平，尤其可以提高短期氣象預報準確率，提高對臺風和暴雨等氣象災害的監視和預報能力。

參考文獻

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