L波段高空探測雷達丟球現(xiàn)象及應對

陳素娟 王小偉

摘要? 結合隴南市氣象局開展高空探測的實際，介紹L波段高空氣象探測原理，分析高空探測雷達丟球現(xiàn)象及原因，針對丟球問題提出有針對性的應對措施，為今后提升高空氣象探測質量提供參考。

關鍵詞 高空探測;雷達;丟球;應對措施

中圖分類號：P412.25 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3305（2019）01-078-02

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.01.030

L band High Altitude Sounding Radar Ball dropping Phenomenon and Countermeasures

CHEN Su-juan? et al（Longnan Meteorological Bureau， Longnan， Gansu 746000）

Abstract Based on the practice of high altitude sounding carried out by Longnan Meteorological Bureau， the principle of L？鄄band high altitude meteorological sounding was introduced， and the phenomenon and reason of high altitude sounding radar ball？鄄dropping were analyzed. In order to improve the quality of high altitude meteorological detection in the future， some countermeasures were put forward.

Key words? ?High altitude detection; Radar; Ball dropping; Countermeasures

由我國獨立自主研發(fā)的L波段高空氣候探測雷達，在自動追蹤角度、自行處理監(jiān)控高度及處理觀測數(shù)據(jù)信息時借助假單脈沖的二次雷達，具備探測精度和自動化程度高、采樣速度快、體積小、能耗少等優(yōu)勢，可以生成不同種類的氣象產品，還能對高空中溫度、濕度、風向風速、氣壓等氣象要素數(shù)據(jù)開展探測。自甘肅隴南市氣象局運用L波段雷達探測開展高空觀測以來，提升了高空氣象探測自動化程度，由于探測雷達的測距和測角精確度水平較高，使得雷達脈沖寬度和波瓣寬度較窄，降低雷達定向和自動跟蹤性能，在采集信號的過程中，會出現(xiàn)諸如飛點、沒有信號、亂碼、凹口不齊等問題，還會有丟球和旁瓣抓球等現(xiàn)象。

1 L波段高空探測雷達工作原理

高空氣象探測用到L波段雷達時，需要同時配備GTSI型數(shù)字式電子探空儀，兩者結合起來進行探測，對高空中的溫/濕度、風向風速以及氣壓等氣象要素的數(shù)據(jù)和變化規(guī)律都可以獲取。L波段高空探測雷達進行高空探測時，可以連續(xù)跟蹤、定位、測量探空氣球運行軌跡，并在數(shù)學模型的幫助下計算出高空中的氣象情報信息;并連續(xù)不間斷地從探空儀上接收探空碼，這些探空碼通過譯碼器的翻譯得出探空數(shù)據(jù)。探空氣球在升空時，上面配備有無線電回答器，當探空氣球升入高空，在工作之前會發(fā)布給地面“詢問”的信號，而地面配有回答器，當詢問信號觸發(fā)至地面，收到來自地面的回答信號，然后可以通過詢問信號到回答信號間相隔的時間、回答信號方向和位置，從而計算出探空氣球和雷達間的距離、方位角及仰角，根據(jù)公式得出對應高度層風向及速度。

利用探空氣球攜帶的探空儀對高空中大氣溫濕度、氣壓值數(shù)據(jù)開展觀測。探空儀器主要由氣壓、溫度、濕度反應靈敏的感應元件和轉換電路組成，當大氣的溫、濕度和氣壓有所變化時，電參量數(shù)據(jù)也會發(fā)生相應的變化。電參量采樣需要變換時，要結合轉換電路，利用探空碼來控制回答器。回答器接收到的探空碼被雷達接收機接收到，在相關方面的軟件作用下破解探空儀，此時就能獲取到高空中溫濕度、氣壓氣象要素數(shù)據(jù)。

2 L波段高空探測雷達常見的丟球現(xiàn)象

2.1 過頂丟球

在地面或氣球升空一段時間后易出現(xiàn)過頂丟球。當L波段高空探測雷達跟蹤目標探空氣球時，恰逢探空氣球處于雷達上空，和天線比較接近，此時，受到方位角轉速和仰角活動范圍的共同限制，雷達通過各種手段均識別不到探空氣球路徑，無法探查到探空氣球，造成丟球現(xiàn)象。通過一系列試驗結果均表明，施放的探空氣球接近于L波段高空探測雷達時，天線監(jiān)控出現(xiàn)死角，容易出現(xiàn)丟球現(xiàn)象。

2.2 旁瓣抓球

在對高空氣象進行探測時，目標會定義主瓣為真定向，定義旁瓣為假定向。當旁瓣抓球時，出現(xiàn)雷達所探測到的距離大幅度減少，而接收信號范圍也隨之減少，在測試中，監(jiān)測到的角度會有≥8°的誤差。當L波段高空探測雷達天線波段寬度不大于6°時，夜間或大霧天氣能見度比較差，此條件下進行手動抓球，如果出現(xiàn)失誤的指揮操作，很容易出現(xiàn)旁瓣抓球。L波段高空探測雷達的天線仰角在正常的工作范圍內時，臺站低空處以靜風或微風天氣為主，結合GTS1型探空儀特征，再對該時刻L波段信號最弱時刻進行判斷，易出現(xiàn)旁瓣抓球。

2.3 信號干擾丟球

L波段高空探測雷達工作時，主信號以外其他信號會對其產生干擾作用，對于L波段高空探測雷達接收信號接收工作造成嚴重影響，輕則會導致氣象要素數(shù)據(jù)異常，重則需要進行重放球操作。特別是在雷雨天氣出現(xiàn)過程中，雷電中強電磁會對探空氣球信號造成干擾，跟蹤信號和探空信號極易失去響應，在強電磁干擾影響下L波段高空探測雷達出現(xiàn)丟球現(xiàn)象。

2.4 頻率漂移丟球

當探空儀出現(xiàn)性能下降時，會導致頻率漂移丟球的現(xiàn)象發(fā)生。L波段高空探測雷達運行時頻率為1 669～1 981 MHz，運行頻率范圍廣泛，但對自身工作頻率卻不能進行控制。當探空氣球從地面施放到高空后，在所預定位置上發(fā)生爆炸，這個過程會導致大氣層中溫度超過120℃。溫度急劇變化會影響回答器的頻率出現(xiàn)漂移，當這個頻率變化高出L波段雷達所能夠接收范圍時，高空探測雷達就不能準確接收到信息，當信號無法響應時，L波段雷達接收頻率和探空氣球間發(fā)生頻率漂移，從而出現(xiàn)丟球。

3 不同丟球問題應對措施

3.1 過頂丟球應對

通常來說，L波段雷達在抓球時，不會出現(xiàn)太大變化的接收增益。當高空探測時，出現(xiàn)過頂丟球現(xiàn)象，應該結合正常跟蹤時仰角位置，采取手動方式操縱雷達在該區(qū)域內進行掃描，時刻注意示波器中4根亮線運動情況和數(shù)據(jù)量增益變化。若示波器上4根亮線處于合適位置且增益值變化幅度不大，需調整天控開關到手動位置處，啟用雷達的扇形掃描功能;如果發(fā)生了過頂丟球，探空氣球和雷達間直線距離還能夠顯示出來，此時可以根據(jù)探空氣球的高度，利用反三角函數(shù)來計算出探空氣球和雷達天線間的仰角;當丟球時間過長或不能計算出仰角數(shù)值時，可以先對仰角數(shù)值預估，繼而全方位進行方位角掃描;當出現(xiàn)抓球失敗的現(xiàn)象時，需要改仰角為10°的數(shù)值，掃描左右方向，使示波器的低層4條亮線處于平行的狀態(tài)。抓球工作完畢后，檢查示波器4根亮線是否穩(wěn)定、跳躍是否整齊，查看雷達高度、氣壓高度數(shù)值是否一致，與上述條件基本一致說明抓球成功。

3.2 旁瓣抓球應對

當發(fā)生旁瓣抓球現(xiàn)象后，探測人員應及時地按下L波段雷達扇形掃描天線設置按鈕，按照設置好的程序，雷達天線即會展開自動搜索。如果發(fā)生假定向現(xiàn)象，那么，L波段雷達天線經過搜索后會歸位到主瓣;如果天線在初始位置，那么是真定向;如果通過扇形掃描，發(fā)現(xiàn)L波段高空探測雷達天線的仰角和位置都出現(xiàn)了較大變化，就要重新再一次進行扇形掃描，發(fā)現(xiàn)天線仰角和方位變化不大，此時說明是正定向抓球;如果仍然沒有抓到球，就應啟用手動抓球。

3.3 信號干擾丟球應對

如果因為遭受信號干擾引發(fā)L波段雷達出現(xiàn)丟球，可以調節(jié)天控開關為手動的狀態(tài)，讓雷達處于1 678 MHz左右的頻率，在進行自動跟蹤時，可以有效地避免干擾信號。隨后結合丟球前仰角和方位角讀數(shù)，對調L波段雷達天線位置進行調整，把天控開關調節(jié)成自動狀態(tài)，然后通過扇形掃描，根據(jù)探空氣球的飛行時間和變化規(guī)律判斷丟球是否找回。若探空氣球未找回，重復上面的操作直到找出探空氣球為止。

3.4 頻率漂移丟球應對

因頻率漂移引發(fā)丟球，分別將頻率與天線控制調整到手動狀態(tài)，使L波段雷達工作頻率保持在1 673～1 675 MHz。調節(jié)天控開關成為手動狀態(tài)，讀出來發(fā)生在丟球前的仰角和方位角，把雷達天線調轉到合適位置上，然后再把手動狀態(tài)設置為自動狀態(tài)，查看雷達自動跟蹤是否異常。若雷達未恢復到自動跟蹤狀態(tài)，需再次將天控開關調節(jié)成手動，適當偏離原仰角和方位角，再將天控開關設置為自動，這樣就能保證雷達對探空儀進行自動跟蹤。

參考文獻

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