天氣雷達雙頻率接收天線技術的研究

張博

摘 要：本文基于天氣雷達探測原理，對天氣雷達接收天線參數(shù)進行了分析，對雙頻率接收天線技術進行探討，并分析了天氣雷達雙頻率接收天線技術在觀測上的應用中回波功率變化及變頻率回波的相關值與相位變化等。

關鍵詞：雙頻率技術；濾波器；接收天線；雷達脈波；大氣層狀結構；天氣雷達

0 引言

基于物理學中多普勒效應，我國研制出新一代天氣雷達，并將其應用于大氣探測中，對降水區(qū)域的內(nèi)風場結構、大氣垂直速度以及強對流天氣風場特征等進行監(jiān)測。

1 雷達接收天線

新一代多普勒天氣雷達是一個較為復雜的系統(tǒng)，在工作過程中極易受到作用于雷達系統(tǒng)的任何干擾力的影響，風載荷是對天氣雷達影響最大的因素。為減少干擾力影響，天氣雷達配備了大型天線，其中超高頻段雷達天線陣尺度較高，長達30～200m，是運用半波或八木振子陣以相控方式實現(xiàn)波束掃描；超高頻段雷達為可動的拋物面天線，直徑長達幾十米，發(fā)射功率在幾百千瓦至兩兆瓦之間。為獲取高靈敏度及高空間分辨率，天氣雷達在脈沖發(fā)射體制及回波數(shù)據(jù)處理方面采用相應的技術措施。天氣雷達雙頻率接收天線的參數(shù)為：

①增益。指的是實際天線和理想的輻射單元在輸入功率相等的條件下于同一點處產(chǎn)生的信號的功率密度之比。增益受雷達天線方向圖影響，當雷達天線增益方向圖越窄，其產(chǎn)生的副瓣就越小，雷達天線對應方向的增益就越大，所以在一定距離位置有信號時，采用定向天線發(fā)射，增益為13dB，輸入功率為5W，同樣若采用理想無方向性的電源發(fā)射，則需要輸入功率100W，可見雷達天線最大輻射方向的輻射效果遠遠大于理想電源的輻射效果。

②波瓣寬度。在雷達天線方向圖上，可看到兩個或兩個以上的，將輻射強度最強的瓣作為主瓣，其余的瓣作為副瓣或旁瓣。以主瓣最大輻射方向兩側的輻射強度降低3dB的兩點之間的夾角作為波瓣寬度，當波瓣寬度越窄，說明雷達天線方向性越好，天線作用距離就越遠，且天線的抗干擾能力越強。

③前后比。在雷達天線方向圖上，前后瓣最大值之間的比值就是前后比，即F/B，計算公式為F/B=10Lg，當天線前后比有要求時，F(xiàn)/B的典型值通常為18～30dB，特殊情況下應達到35～40dB。前后比越大，雷達天線的后向輻射就越小。

④極化方式。雷達天線在某個方向的極化，就是天線在該方向所輻射電波的極化，也可以認為是在天線接收獲得的最大接收功率時入射平面波的極化。空間方向對天線極化有一定的影響，一般情況下，天線在最大輻射方向或最大接收方向上的極化為單極化天線，分為垂直和水平極化兩種。如果在發(fā)射極化方向與接收天線的極化方向未達到一致狀態(tài)時，天線接收功率就會損失，進而接收到的信號就變小，這就是極化損失；當接收天線極化與發(fā)射極化方式完全正交，如運用右旋圓接收天線接收到了左旋圓極化來波，或是水平的極化天線接收到了垂直極化來波，此時雷達天線接收不到任何能量，稱為極化完全隔離。

2 雙頻率接收天線技術

雙頻率觀測是同時發(fā)射兩個相近載頻的脈波用于偵測大氣并接收其回波的方式。如果雷達體積內(nèi)存在不規(guī)則體層狀結構，接收到的兩組回波做歸一化“相互分析”，就能獲得該層狀結構的平均位置和厚度等參數(shù)，相互分析公式為：

其中V1、V2分別表示兩個載頻之間的額回撥電壓振幅，<>代表族群平均，*代表復數(shù)共軛，|S12|為相關值，￠為相位。垂直發(fā)射的雷達波束和一垂直向高斯分布的水平層狀結構，回波電壓振幅可近似的表示為

其中V代表雷達體積；C為雷達發(fā)射功率、天線增益、系統(tǒng)內(nèi)電阻和載波波數(shù)等參數(shù)的常數(shù)；W（z）和fΘ（ρ）型式；△n表示折射指數(shù)擾動量；r為目標物和接收天線之間的距離；zl和σ1分別為層狀結構中心位置和厚度，k0代表脈波載頻波數(shù)。進而推算出以下公式：

其公式中k1、k2為脈波載頻f1、f2對應的波數(shù)；Δk=k2-k1；z0表示雷達接收天線的垂直向座標；lz和lt表示折射指數(shù)不規(guī)則體垂直與水平相關尺度。在實際分析過程中，應先計算出觀測資料S12值，然后反推層狀結構的位置與厚度，預期層狀結構回波功率與其位置具有關聯(lián)性，關聯(lián)性數(shù)式為：

其中σz=σr=0.35cτ/2，當層結構很薄時，上述公式可近似于exp，此時回波功率隨著Zl的變化就是距離權重函數(shù)二次方的翻版。

3 天氣雷達雙頻率接收天線技術在觀測中的應用

3.1 回波功率變化

由回波功率與層狀結構位置的相關性可知，當層狀結構位置處于雷達體積中心附近時，回波功率就較大，這種現(xiàn)象符合理論分析。由于層狀結構自身的變化也會影響回波強度，因此觀測到的回波功率最大值未必會出現(xiàn)在零米處，而且，實際應用與理論推導也存在著一定的出入，如不對稱結構、比較平滑或陡峭邊緣的層狀結構等，還有的是來自雷達系統(tǒng)的影響，如回波訊號接收延遲等，這些因素對于推算的層狀結構位置和回波功率都存在一些影響。

3.2 變頻率回波的相關值與相位變化

①不同雷達脈波長的觀測。根據(jù)雙頻率相關分析的相關值與相位統(tǒng)計分布得出，不同雷達脈波長的觀測存在著差異。不同脈波長使用的雙頻率對比一樣，其中1、2、4μs的脈波所使用的雙頻率差值分別為1、0.5、0.25MHz，這樣的頻率差值說明相位在每一取樣層里均為2π范圍內(nèi)的變化，使得層狀結構位置的推算不會產(chǎn)生相位混淆的困擾。

②不同接收濾波器的觀測。使用不同的濾波器接收回波訊號各約1min，得出結論，相關值的分布和濾波器頻寬相關，較小的頻寬產(chǎn)生較偏低的相關值。使用不同濾波器所得到的相位分布差異很大，非匹配濾波器可導致相位嚴重偏離預期情形。其中1000kHz頻寬濾波器的相位峰值位于180°右邊的300°附近，而且分布與高斯形狀差異很大，除了不對稱外，峰谷落差也較大；相反，使用250kHz頻寬的濾波器的相位峰值在180°左邊的160°附近，且分布較平均。

參考文獻

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[2]沈法華，孫東松，劉成林等.基于單Fabry-Perot標準具的雙頻率多普勒激光雷達數(shù)據(jù)反演技術[J].物理學報，2013，62（22）：220702.

（作者單位：1.南京信息工程大學；2.葫蘆島市氣象局）