地球同步軌道星載降雨測量雷達(dá)設(shè)計(jì)?

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

星載降雨測量雷達(dá)可以克服地基雷達(dá)和衛(wèi)星被動(dòng)遙感的缺陷,具有測量參數(shù)與降雨氣象粒子相態(tài)以及降雨強(qiáng)度直接相關(guān)、可提供降雨的垂直結(jié)構(gòu)信息、不受背景輻射特性的影響等優(yōu)點(diǎn)。星載降雨測量雷達(dá)用于全球降雨觀測有著不可替代的地位,為人類具備了解、預(yù)測以至利用氣象氣候的能力提供基石[1-4]。

能夠觀測全球降雨分布的唯一有效手段是衛(wèi)星探測,過去和現(xiàn)有的衛(wèi)星觀測手段大都采用被動(dòng)遙感技術(shù),通常使用可見光頻段、紅外頻段和微波頻段?？梢姽夂图t外傳感器在全球的降雨探測中有很長的歷史,但它們無法獲取降雨空間結(jié)構(gòu)的垂直分布,且已有的可見光和紅外圖像估計(jì)降雨的多種算法在準(zhǔn)確度上仍不能令人滿意。微波輻射計(jì)通過降雨區(qū)域的微波輻射進(jìn)行測量,在背景輻射較低的海洋環(huán)境下,降雨的微波輻射能夠很好地指示降雨;但陸地背景是很好的微波輻射體,降雨和陸地之間的亮溫差異較小,因此在陸地背景下探測降雨非常困難。而微波主動(dòng)探測雷達(dá)可穿透云、雨層進(jìn)行成像,可以獲得云、雨等氣象目標(biāo)的垂直結(jié)構(gòu)和內(nèi)部相態(tài)信息,是當(dāng)今氣象探測發(fā)展的趨勢。

隨著星載降雨測量雷達(dá)TRMM/PR[5]和GPM/DPR[6]的成功發(fā)射和運(yùn)行,星載降雨測量雷達(dá)開始進(jìn)入實(shí)用階段,技術(shù)得到快速發(fā)展。美國和日本已開展星載雙頻段降雨測量雷達(dá)DPR的研制和第二代星載降雨測量雷達(dá)PR-2[7]的研究工作。目前,測雨雷達(dá)都分置在低軌道衛(wèi)星平臺(tái)上,尚不具備定點(diǎn)觀測能力。未來降雨雷達(dá)將朝著地球同步軌道方向發(fā)展,從而實(shí)現(xiàn)全球降雨的定點(diǎn)觀測。

本文主要針對軍事和民用對高精度定點(diǎn)降雨測量、氣象建模和預(yù)報(bào)的迫切需求,設(shè)計(jì)了一種地球同步軌道星載降雨測量雷達(dá)。該雷達(dá)工作于地球同步軌道,可實(shí)現(xiàn)全球降雨的定點(diǎn)觀測,獲得全球降雨的三維結(jié)構(gòu)和內(nèi)部相態(tài)信息。

1 星載降雨測量雷達(dá)原理

圖1給出了星載降雨測量雷達(dá)的工作原理示意圖。

圖1 星載降雨測量雷達(dá)工作原理示意圖

星載降雨測量雷達(dá)通過在空中測量大氣中的雨滴、冰晶、雪花等含水顆粒對雷達(dá)發(fā)射高頻信號(hào)的后向散射回波功率,推算降水的水含量、微物理參數(shù)和空間分布。

星載降雨測量雷達(dá)的天線面向平臺(tái)下方的大氣層,在脈沖體制下,每隔一定時(shí)間發(fā)射一定波束方向的高頻電磁波,脈沖經(jīng)降雨目標(biāo)散射,同時(shí)也包括地表目標(biāo)的反射后返回雷達(dá)天線。雷達(dá)通過定量測量接收信號(hào)的功率,反演雷達(dá)反射率因子以及地表的散射截面積,通過一定反演算法獲得降水量等信息。與地基天氣雷達(dá)相比,由于天線垂直向下觀測,因此可以獲得更好的降雨垂直廓線信息,并且隨著衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng),擁有更大的觀測范圍。

星載降雨測量雷達(dá)的水平分辨率由天線波束寬度決定,天線波束在垂直航向方向進(jìn)行掃描一定的角度實(shí)現(xiàn)所需要的測繪帶觀測區(qū)域。

2 地球同步軌道降雨探測雷達(dá)設(shè)計(jì)

2.1 工作頻率與極化方式選擇

在大氣衰減方面,水汽分子在微波區(qū)(1～300 GHz)有兩條吸收譜線,其中心頻率分別為22.235 GHz和183.31 GHz,頻率高于300 GHz還有強(qiáng)吸收譜線;氧氣的吸收譜由許多分布在50～70 GHz范圍內(nèi)的吸收譜線和一條118.75 GHz的譜線組成。圖2[8-9]給出了毫米波以及太赫茲頻段的大氣吸收譜,從中可看出,高于100 GHz的頻段,大氣衰減率極大(?1 d B/km),低于100 GHz的頻段,在14 GHz(Ku)、35 GHz(Ka)和94 GHz(W)三個(gè)頻段存在“大氣窗口”,衰減率低于附近的頻段,因此星載測云、測雨雷達(dá)通常采用這三個(gè)頻段。本文選擇Ka頻段進(jìn)行降雨探測。

圖2 毫米波及太赫茲頻段大氣吸收曲線

大尺寸的雨粒子,尤其冰雪和降雨不是球形的而是扁球形的,如圖3所示。這種粒子的形狀特征和它們在空間中的取向可通過雙線性極化探測。差分反射率ZDR是水平極化反射率與垂直極化反射率之比,反映了降雨粒子偏離球形的程度和在水平與垂直方向上的優(yōu)勢取向程度。因此,ZDR對反演降雨粒子相態(tài)特別有用,且不依賴于粒子的總體密度,只與各種尺度間粒子的密度分布相關(guān)。

圖3 雨粒子的扁度隨其直徑的變化

由于穿過包含扁平雨滴區(qū)域的水平極化波速度比垂直極化波的速度慢,導(dǎo)致水平極化回波的相位ΦH逐漸落后于垂直極化回波的相位ΦV,故差分相位ΦDP=ΦV-ΦH隨著距離而逐漸增加。差分傳播相移KDP是ΦDP與距離變化的比值,即垂直和水平極化波之間單位長度的傳播相移差。KDP和ZDR相比與降雨強(qiáng)度有著更好的線性相關(guān)性。

線性退極化比(LDR)是交叉極化與同極化回波散射強(qiáng)度比,反映了降雨粒子對入射波正交分量散射能量的大小。LDR主要與水凝物形狀、不規(guī)則程度、熱力學(xué)相態(tài)、介電常數(shù)、在極化平面的傾斜角,以及水凝物空間取向等有關(guān)。LDR依賴于粒子下落的方式,是云融化層的極好指示,可用來檢測亮帶,同時(shí)也可用來指示濕冰。

因此,采用雙線性極化方式進(jìn)行降雨探測。

2.2 分辨率與脈寬設(shè)計(jì)

地球同步軌道星載降雨測量雷達(dá)的空間分辨率應(yīng)能夠滿足典型降雨的觀測需求,可分辨降雨的空間變化,保證空間采樣不發(fā)生混疊。

表1[10]給出了典型應(yīng)用對降雨測量空間分辨率需求,從表中可以看出,這些應(yīng)用的水平分辨率需求基本上在20 km以上水平,僅在“熱帶氣旋”和“雷暴-洪水”應(yīng)用上需要最高1 km的水平分辨率,綜合考慮天線孔徑限制,10 km的水平分辨率可滿足降雨測量要求;在垂直分辨率方面,300 m的分辨率可滿足需求。

表1 降雨測量的空間分辨率要求

本文選擇非脈沖壓縮雷達(dá)體制,雷達(dá)脈沖寬度τ與垂直分辨率ρP的關(guān)系為

雷達(dá)的垂直分辨率設(shè)計(jì)為300 m,則雷達(dá)系統(tǒng)的脈沖寬度設(shè)計(jì)為2μs。

2.3 地雜波、觀測帶寬度分析

雷達(dá)不掃描工作時(shí),其觀測帶寬為波束覆蓋寬度,也即10 km。為了提高衛(wèi)星的觀測效率,縮短重訪時(shí)間,雷達(dá)采用掃描模式,以實(shí)現(xiàn)較大的觀測帶寬。

然而,對于星載降雨測量雷達(dá)而言,探測區(qū)域幾乎貼在地球表面,地表的后向散射回波要比雨水回波強(qiáng)得多,因而星載降雨測量雷達(dá)和機(jī)載降雨測量雷達(dá)相比,星載降雨測量雷達(dá)一個(gè)很重要的問題是地雜波抑制問題。雷達(dá)天線垂直于航向交軌掃描,此時(shí)不僅主瓣回波含有地表雜波,副瓣雜波也可能強(qiáng)于云雨回波進(jìn)入雷達(dá)天線,而且在距離上無法和有用回波區(qū)分開。星載降雨測量雷達(dá)掃描不同角度時(shí)降雨目標(biāo)探測的信雜比分布如圖4所示。從圖中可以看出,在掃描0°～1°時(shí),所有高度分布的降雨均不受地雜波的干擾,隨著掃描角度的增大,其受地雜波干擾的降雨越多,在8.5°以上時(shí),所有降雨目標(biāo)均受到地雜波的干擾,探測性能迅速惡化。

圖4 不同掃描角度下的降雨探測信雜比分布圖

掃描角度不僅會(huì)影響降雨探測信雜比,還會(huì)影響系統(tǒng)靈敏度和測速精度。雷達(dá)在不掃描、掃描±4°和掃描±8°下系統(tǒng)靈敏度、測速精度的性能對比仿真如圖5所示。從圖中可以看出,掃描范圍越大,系統(tǒng)的測繪帶寬越寬,但系統(tǒng)的靈敏度和測速精度性能均下降。折中考慮,在保證觀測靈敏度和信雜比的情況下,雷達(dá)掃描范圍設(shè)置為±4°。

圖5 不同測繪帶寬下系統(tǒng)靈敏度、測速精度性能對比

在天線僅具備±4°的掃描能力下,為了實(shí)現(xiàn)大的測繪帶定點(diǎn)觀測,采用螺旋掃描方式,如圖6所示。采用螺旋掃描模式,可實(shí)現(xiàn)5 000 km直徑的圓覆蓋。雷達(dá)在星下點(diǎn)處的水平分辨率為10 km,±4°邊緣掃描角處的水平分辨率為12 km。

圖6 螺旋掃描方式

2.4 系統(tǒng)靈敏度分析

降雨測量雷達(dá)觀測的主要目標(biāo)為雨,因此降雨的雷達(dá)反射率因子的分布是設(shè)計(jì)系統(tǒng)靈敏度的參考標(biāo)準(zhǔn)。最小可測反射率因子(系統(tǒng)靈敏度)決定了星載降雨測量雷達(dá)系統(tǒng)所能探測目標(biāo)的分布范圍的下限,也就決定了系統(tǒng)的探測能力。

氣象雷達(dá)系統(tǒng)靈敏度為

式中,θ和φ分別為雷達(dá)波束的方位和俯仰寬度,c為光速,τ為雷達(dá)脈沖寬度,Pt為發(fā)射功率,G為天線系統(tǒng)增益,λ為波長,R為到點(diǎn)目標(biāo)的距離,B為接收機(jī)帶寬,F為接收機(jī)系統(tǒng)噪聲系數(shù),k為玻耳茲曼常數(shù),T為接收機(jī)系統(tǒng)噪聲溫度,Loss為雷達(dá)系統(tǒng)雙程損耗,|K|2為復(fù)反射率因子,也即

式中,m為氣象目標(biāo)復(fù)折射指數(shù)。由于星載降雨測量雷達(dá)選擇Ka頻段進(jìn)行探測,因此|K|2按經(jīng)驗(yàn)取為0.85。

由于雷達(dá)的星下點(diǎn)水平分辨率為10 km,因此天線的口徑設(shè)計(jì)為35 m,增益為78 dB、3 dB波束寬度為0.016°、雷達(dá)的峰值發(fā)射功率為1 000 W、接收機(jī)帶寬為0.6 MHz、損耗為5 dB、系統(tǒng)噪聲系數(shù)為5 dB。雷達(dá)在各掃描角處的系統(tǒng)靈敏度如圖7所示?？梢钥闯?地球同步軌道星載降雨測量雷達(dá)的系統(tǒng)靈敏度優(yōu)于15 dBz,可實(shí)現(xiàn)0.3 mm/h以上強(qiáng)度的降雨探測。

圖7 不同掃描角處的系統(tǒng)靈敏度

2.5 PRF選擇

星載氣象雷達(dá)的脈沖重復(fù)頻率(PRF)的約束條件[11]為:

1)氣象目標(biāo)的后向散射回波應(yīng)落在一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi);

2)氣象目標(biāo)的后向散射回波應(yīng)與星下點(diǎn)回波避開;

3)避開發(fā)射干擾并考慮發(fā)射和接收之間的時(shí)間切換;

4)保證采樣間獨(dú)立性,PRF選擇需要滿足奈奎斯特采樣率。

PRF選取示意圖如圖8所示。

圖8 PRF選擇示意圖

因此,脈沖重復(fù)頻率(PRF)約束條件如下:

式中,PRF為發(fā)射脈沖重復(fù)頻率,τ為脈沖寬度,Tm為發(fā)射與接收切換時(shí)間,vs為載荷運(yùn)動(dòng)速度,D為反射面天線口徑尺寸,Tnear和Tfar分別為接收到觀測區(qū)域內(nèi)最近與最遠(yuǎn)距離回波所需的時(shí)間,Tnear1和Tfar1分別為接收到最邊緣波束覆蓋區(qū)域內(nèi)最近與最遠(yuǎn)距離回波所需的時(shí)間,Tnadir為星下點(diǎn)回波時(shí)間。

不同掃描角處的PRF值如圖9所示。經(jīng)計(jì)算,PRF選擇范圍為:3 370～3 540 Hz。

圖9 不同掃描角處PRF值

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)及探測性能

經(jīng)過上述論證,地球同步軌道星載降雨測量雷達(dá)的系統(tǒng)指標(biāo)設(shè)計(jì)如表2所示。

4 結(jié)束語

根據(jù)應(yīng)用需求、國外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢,本文提出了一種基于Ka頻段雙極化體制的地球同步軌道星載降雨測量雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該雷達(dá)采用Ka頻段、雙極化工作方式,雙極化可提高雷達(dá)對不同類型降雨粒子的辨別能力,實(shí)現(xiàn)了0.3 mm/h以上強(qiáng)度的降雨探測能力。同時(shí),雷達(dá)運(yùn)行于地球同步軌道,天線具備±4°二維掃描能力,可以實(shí)現(xiàn)5 000 km直徑圓形區(qū)域的定點(diǎn)觀測。該雷達(dá)在軍事戰(zhàn)場作戰(zhàn)環(huán)境綜合探測方面具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

表2 地球同步軌道星載降雨測量雷達(dá)系統(tǒng)指標(biāo)

[1]李銳.TRMM測雨雷達(dá)對熱帶降雨結(jié)構(gòu)特征及被動(dòng)微波反演降雨的研究[D].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2005.

[2]STEPHENS G L,VANE D G.Advances in the Remote Sensing of Clouds and Precipitation from Cloud-Sat and the A-Train[C]∥Proceedings of SPIE 7152,Remote Sensing of the Atmosphere and Clouds II,Bellingham,WA:SPIE,2008:1-14.

[3]SIMPSON J,KUMMEROW C,TAO W,et al.On the Tropical Rainfall Measuring Mission(TRMM)[J].Meteorology and Atmospheric Physics,1996,60(1-3):19-36.

[4]NAKAMURA K,OKI R,IGUCHI T,et al.Global Precipitation Measurement(GPM)Mission and Dual-Frequency Precipitation Radar(DPR)[C]∥Proceedings of SPIE 5978,Sensors,Systems and Next-Generation Satellites IX,Bruges:SPIE,2005:31-40.

[5]TAKAHASHI N,KIMURA T,OHNO Y,et al.Cloud Profiling Radar on Earthcare Satellite[C]∥ICROS-SICE,Fukuoka:IEEE,2009:1328-1332.

[6]RAHMAT-SAMII Y,HUANG J,LOPEZ B,et al.Advanced Precipitation Radar Antenna:Array-Fed Offset Membrane Cylindrical Reflector Antenna[J].IEEE Trans on Antenna and Propagation,2005,53(8):2503-2515.

[7]LI F.Recent Development in Active Microwave Systems at JPL[C]∥Second Topical Symposium on Combined Optical-Microwave Earth and Atmosphere Sensing,Atlanta,GA:IEEE,1995:201-203.

[8]張培昌,杜秉玉,戴鐵丕.雷達(dá)氣象學(xué)[M].2版.北京:氣象出版社,2001.

[9]SATOH S,OKI R,TAKAHASHI N,et al.Development of Spaceborne Dual-Frequency Precipitation Radar and Its Role for the Global Precipitation Measurement[R].Nice,France:NASDA,2003.

[10]TANELLI S,DURDEN S,IM E,et al.Next Generation Spaceborne Cloud Profiling Radars[C]∥IEEE Radar Conference,Pasadena,CA:IEEE,2009:1-4.

[11]ADHIKARI N B,IGUCHI T,SETO S,et al.Rain Retrieval Performance of a Dual-Frequency Precipitation Radar Technique with Differential-Attenuation Constraint[J].IEEE Trans on Geoscience and Remote Sensing,2007,45(8):2612-2618.