應用兩種方法進行L波段探空雷達天線指向檢查

周鐵樁，葉 飛

(1. 呼倫貝爾市海拉爾區氣象局，內蒙古 呼倫貝爾 021008；2.內蒙古自治區大氣探測技術保障中心，內蒙古 呼和浩特 010051)

L波段雷達探空系統是我國北方高精度探空數據的獲取的主要力量，內蒙古也是全國探空測風的大省，目前，全區氣象系統內有12部L波段探空雷達正在業務運行，占全國1/10。呼倫貝爾市海拉爾區探空站是內蒙古地區最北部的一個探空站(經度：119.70°，緯度：49.25°，海拔高度：649.7m)，該站冬季溫度能達到-30℃左右，屬于典型的高寒、高濕站，L波段探空雷達機械部分在冬季經常會出現結冰、霜凍現象，因此，時刻掌握雷達天線指向是否準確就顯得十分必要[1-2]。筆者將分別應用太陽法和經緯儀對比觀測法對海拉爾區探空雷達天線指向進行檢查，通過分析兩種方法的對比觀測數據以及實際操作過程，總結兩種方法的優缺點，希望對探空業務有所促進。

1 太陽法

將太陽作為微波輻射的噪聲，L波段雷達對準太陽時，通過獲取太陽噪聲信號實現雷達實時自動跟蹤太陽[3]。太陽法對比觀測前只需將計算機授時為正確的北京時間，將雷達天線設置對準太陽后天線打到自動狀態即可，然后打開太陽法對比觀測軟件，根據實驗需要設置所需的采樣間隔，即可自動執行對比觀測，觀測完成后數據上傳服務器后系統將自動繪制太陽法和雷達對比觀測曲線。通過對比太陽位置的理論數值和雷達跟蹤太陽時的實際指向(仰角、方位)數值之間的差異，即可知道雷達天線指向是否準確。查找文獻可知太陽高度角(θ)，太陽方位角(α)求解公示如下：

sinθ=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(1)

(2)

其中，φ為當地緯度，δ為太陽赤緯角，ω為太陽時角。通過太陽赤緯角算法和當地時差算法的解析即可獲得高精度的太陽位置。

在2020年6月16日早上9:30開始應用太陽法對海拉爾區L波段探空雷達天線指向進行檢查，圖1、圖2分別采集了200多組對比數據，每組數據采樣間隔為3s，從圖中可以看出太陽法理論計算值線性度較高，雷達天線實測值波動范圍較小，仰角誤差和方位誤差基本都在0.3°以內，誤差相對較小，對比效果很好，太陽法能夠用來檢查雷達天線指向是否正確。

由于太陽法對比時除雷達發射機不開以外，其他雷達分部件都正常運行，雷達能否實時跟蹤太陽也從側面檢驗了雷達接收、伺服、饋線等系統是否存在故障，在L波段雷達放球計算機上安裝一個太陽法軟件，將雷達對準太陽并能自動跟蹤(若無法對準或自動跟蹤可判斷雷達天控、接收、伺服部分存在故障)，通過對比雷達跟蹤太陽時的實時方位、仰角和太陽理論方位仰角之間的誤差，判斷雷達天線指向是否準確，此方法能夠對人工標定雷達是否準確進行驗證，提供了一種新的標定雷達天線指向的方法，能第一時間判斷雷達主要部件的性能是否正常。

圖1 太陽法對比仰角誤差

圖2 太陽法對比方位誤差

2 經緯儀對比觀測法

圖3 經緯儀對比仰角誤差

圖4 經緯儀對比方位誤差

現行高空觀測業務規范中要求每月需通過經緯儀和雷達進行對比觀測，檢查探空雷達天線指向是否準確。圖3、圖4分別展示了2020年6月16日早8點放球時的雷達和經緯儀對比觀測情況，由于放球半小時后經緯儀已無法觀測到探空氣球，數據采集從放球第11min開始采集，到第30min結束，數據采樣間隔為每分鐘一次，其間一共獲取了20組對比觀測數據。從圖中可以看出仰角誤差在0.4°以內，放球初期仰角誤差較大，隨著時間推移，越往后仰角誤差越小；方位誤差在0.5以內，誤差隨機性較大。

經緯儀架設、調平、定向以及抓球都需由觀測員自主完成，因此，觀測員觀測水平的高低直接影響了所獲取數據的準確性，且每次經緯儀對比觀測都需調平和確定固定目標物是否準確，操作繁瑣，耗時較長，容易引入人為誤差。

3 結論

應用太陽法和經緯儀對比觀測法兩種方法對內蒙古呼倫貝爾市海拉爾區探空雷達進行了天線指向檢查，通過分析對比觀測數據可以得到如下幾條結論：①太陽法對比觀測只需1人操作對比觀測軟件即可，操作簡便，且可獲取任意時間間隔、大體量的對比觀測數據；經緯儀對比觀測法至少需要2名業務熟練的觀測員進行配合操作，且受經緯儀觀測距離和天氣能見度狀況影響較大，一般只能獲取到放球前半小時內的對比觀測數據。②太陽法對比觀測精度更高，誤差線性度較好，有利于后期數據偏差訂正；經緯儀對比觀測法由于人為操作因素較多，容易引入人為誤差，對比觀測精度相對較差。③太陽法不僅可以檢查探空雷達天線指向是否正常，還能作為日常雷達維護保障的驗證工具。