簡(jiǎn)述平流層飛艇災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)

摘要：災(zāi)害性天氣對(duì)人類(lèi)具有極強(qiáng)的破壞性，本文介紹了基于平流層飛艇搭載多普勒天氣雷達(dá)的設(shè)計(jì)方案、性能指標(biāo)以及系統(tǒng)特點(diǎn)，并對(duì)研制平流層飛艇載多普勒天氣雷達(dá)的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論，為工程實(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞：臨近空間;災(zāi)害性天氣;平流層飛艇;天氣雷達(dá)

0災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)

對(duì)于臺(tái)風(fēng)、暴雨、強(qiáng)對(duì)流等災(zāi)害性天氣的研究要求高時(shí)空分辨率和高探測(cè)精度的大氣參數(shù)信息，主要通過(guò)氣象衛(wèi)星資料和地面水文氣象站資料兩種途徑獲取。地面水文氣象站主要通過(guò)氣象雷達(dá)以及探空儀等設(shè)備組成，這些設(shè)備對(duì)于突發(fā)性災(zāi)害的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和報(bào)警都具有重要的作用，是大氣探測(cè)的重要手段之一。現(xiàn)有的水文氣象站大部分設(shè)置在低山地帶和平原城鎮(zhèn)，并且站點(diǎn)分布極不均勻，觀(guān)測(cè)范圍有限、覆蓋率較低，高山、高原上觀(guān)測(cè)站點(diǎn)稀少，海洋上幾乎沒(méi)有探測(cè)資料，不能滿(mǎn)足大流域降雨觀(guān)測(cè)的需求，對(duì)高原和山區(qū)降水垂直規(guī)律以及災(zāi)害性天氣的防治帶來(lái)一定困難。

對(duì)災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)還可以采用星載降雨雷達(dá)的方式，典型的系統(tǒng)是美日聯(lián)合研制的TRMM衛(wèi)星搭載的降水雷達(dá)，它可以在衛(wèi)星平臺(tái)上對(duì)星下觀(guān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的降雨特性實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候的三維立體探測(cè)。降水雷達(dá)觀(guān)測(cè)區(qū)受衛(wèi)星軌跡的制約，另外衛(wèi)星的發(fā)射和維護(hù)成本高。利用臨近空間平臺(tái)對(duì)大氣進(jìn)行探測(cè)，可以進(jìn)行更為精細(xì)的探測(cè)，提高防災(zāi)減災(zāi)能力。基于平流層飛艇搭載的多普勒天氣雷達(dá)是填補(bǔ)地基雷達(dá)觀(guān)測(cè)和星載降水雷達(dá)探測(cè)之間的空白，是二者之外云雨大氣探測(cè)的重要補(bǔ)充，是建立云雨探測(cè)星-機(jī)-地綜合探測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。

1雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

艇載天氣雷達(dá)工作方式與機(jī)載天氣雷達(dá)和星載降水雷達(dá)有一定相似之處。雷達(dá)工作時(shí)，沿飛行方向?qū)Φ孛嫔峡盏拇髿膺M(jìn)行大范圍觀(guān)測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，則可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行垂直精細(xì)掃描，探求臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性天氣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。雷達(dá)獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后通過(guò)下傳鏈路傳至地面，經(jīng)地面人員采用數(shù)據(jù)處理算法獲得災(zāi)害性天氣的實(shí)時(shí)信息。

艇載天氣雷達(dá)方案是參考地基天氣雷達(dá)和星載降水雷達(dá)所提出來(lái)的，其參數(shù)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是雷達(dá)氣象方程。由于艇載雷達(dá)是從臨近空間向地面照射，因此對(duì)雷達(dá)反射率因子進(jìn)行訂正時(shí)要考慮地表的影響，與常規(guī)的地基氣象雷達(dá)相比，訂正方法更復(fù)雜。可以參考星載降雨雷達(dá)衰減因子的方法，采用HB算法和STR估計(jì)相結(jié)合的方法。

根據(jù)以上分析，結(jié)合常規(guī)天氣雷達(dá)設(shè)計(jì)，得到艇載天氣雷達(dá)主要參數(shù)。設(shè)計(jì)的艇載天氣雷達(dá)采用發(fā)射線(xiàn)形調(diào)頻脈沖信號(hào)，接收端采用脈沖壓縮技術(shù)通過(guò)脈沖間的相參積累來(lái)提高系統(tǒng)的增益并提高檢測(cè)精度，為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)既能覆蓋較大觀(guān)測(cè)面積又能實(shí)現(xiàn)較高的水平分辨率，設(shè)計(jì)寬口徑、雙頻率、可以二維掃描的相控陣天線(xiàn)并配以自適應(yīng)掃描方案。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1 實(shí)時(shí)低副瓣脈沖壓縮處理技術(shù)

艇載天氣雷達(dá)采用脈沖壓縮技術(shù)來(lái)獲得比較高的系統(tǒng)增益并提高檢測(cè)精度，但是與地基雷達(dá)不同，艇載天氣雷達(dá)對(duì)地進(jìn)行觀(guān)測(cè)，這樣，地表雜波也會(huì)從距離旁瓣進(jìn)入而干擾降雨的測(cè)量，尤其在低頻段則更為明顯。根據(jù)仿真結(jié)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。從理論上講，若采用常規(guī)頻域或時(shí)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(jìn)行壓縮而達(dá)到-60dB旁瓣，而同時(shí)又滿(mǎn)足實(shí)時(shí)高速處理的需求是工程實(shí)踐必須著重加以研究。隨著數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，采用高速并行DSP處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)時(shí)域-60dB的脈沖壓縮。

2.2 定標(biāo)技術(shù)

定標(biāo)技術(shù)是雷達(dá)進(jìn)行定量測(cè)量的基礎(chǔ)，由于雷達(dá)參數(shù)和成像參數(shù)之間的不確定性，以及電磁波在傳播過(guò)程中由于大氣作用產(chǎn)生的能量衰減、信號(hào)路徑的改變、電磁波極化特性的改變等因素給雷達(dá)測(cè)量帶來(lái)很多不確定性，使得雷達(dá)測(cè)量的重復(fù)性差，并且不能精確反應(yīng)實(shí)際目標(biāo)特性。作為一種定量測(cè)量降雨反射信號(hào)功率的微波遙感器，艇載天氣雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)就是通過(guò)各種措施測(cè)量出影響回波功率的各個(gè)因素大小，并從雷達(dá)回波中去除以上因素的影響，從而建立雷達(dá)回波功率與災(zāi)害性天氣要素之間的精確關(guān)系。只有經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格精確的定標(biāo)技術(shù)，艇載天氣雷達(dá)才能將精確的信號(hào)功率提供給用戶(hù)去反演降雨量。

2.3 地雜波抑制技術(shù)

為了保證一定的距離分辨率，艇載天氣雷達(dá)的掃描方式通常設(shè)計(jì)為在垂直于飛行方向的圓錐掃描，以下視的方式觀(guān)測(cè)大氣層內(nèi)的降水分布。所以，雷達(dá)天線(xiàn)的波束必然要直射地面，這就導(dǎo)致艇載天氣雷達(dá)可能會(huì)在某一距離單元同時(shí)接收到較弱的降水粒子回波和較強(qiáng)的地雜波。理論上，只有天線(xiàn)完全垂直地面，此時(shí)才可以通過(guò)時(shí)間上將降雨回波和表面雜波區(qū)分開(kāi)，而在偏離這一掃描位置的任何時(shí)刻，主波束照射的回波都會(huì)伴隨著同近距離的旁瓣地表雜波同時(shí)到達(dá)接收系統(tǒng)，這在時(shí)間上是無(wú)法區(qū)分的。由于氣象目標(biāo)回波屬于弱反射，而地表雜波的回波功率更強(qiáng)，因此為了能從強(qiáng)雜波中測(cè)量弱反射的氣象目標(biāo)回波，需研究各種雜波抑制方法。

3結(jié)語(yǔ)

平流層飛艇攜帶多普勒天氣雷達(dá)，可對(duì)大氣環(huán)境進(jìn)行極高的高分辨率、連續(xù)定點(diǎn)觀(guān)測(cè)，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(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，提高對(duì)臺(tái)風(fēng)和暴雨等氣象災(zāi)害的監(jiān)視和預(yù)報(bào)能力。

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作者簡(jiǎn)介：楊繁俊（1986.9—）高級(jí)工，安徽合肥人，主要從事浮空器全工藝流程及加工制作方法研究

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 安徽 合肥 230031）