面雨量監(jiān)測(cè)中的雷達(dá)技術(shù)

王美玲，丁美霞，牛睿平

(1. 江蘇省水文水資源勘測(cè)局,　南京 210029)(2. 水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，　南京 210012)

?

·總體工程·

面雨量監(jiān)測(cè)中的雷達(dá)技術(shù)

王美玲1，丁美霞1，牛睿平2

(1. 江蘇省水文水資源勘測(cè)局,南京 210029)(2. 水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，南京 210012)

介紹了一種X波段多普勒體制雷達(dá)面雨量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。首先，著重闡述了該系統(tǒng)的工作原理、主要設(shè)備組成；其次，介紹了系統(tǒng)采用的高可靠性窄脈沖磁控發(fā)射機(jī)技術(shù)、DSU數(shù)字中頻信號(hào)處理器技術(shù)、大動(dòng)態(tài)可變本振數(shù)字中頻接收機(jī)技術(shù)等；再次，介紹了該系統(tǒng)的功能，能自動(dòng)、實(shí)時(shí)、連續(xù)、準(zhǔn)確探測(cè)區(qū)域內(nèi)降雨強(qiáng)度變化和位置、降雨分布、面降雨量；最后，介紹了對(duì)比觀(guān)測(cè)試驗(yàn)的情況，并客觀(guān)分析了該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與不足，指出實(shí)際應(yīng)用中需要關(guān)注的問(wèn)題。

面雨量監(jiān)測(cè)雷達(dá)；窄脈沖磁控發(fā)射；DSU數(shù)字中頻信號(hào)處理

0　引　言

面雨量是一定區(qū)域或流域單位面積上的平均降水量，是水文氣象中一個(gè)重要參數(shù)，是水文模型的初值。面雨量值的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到洪水預(yù)報(bào)、水量計(jì)算的精度，關(guān)系到洪水調(diào)度決策、水資源管理的科學(xué)性。傳統(tǒng)方法是在區(qū)域內(nèi)利用實(shí)測(cè)的點(diǎn)雨量數(shù)據(jù)，通過(guò)算術(shù)平均法、數(shù)值法、等值線(xiàn)法等方法來(lái)計(jì)算面雨量。在實(shí)際應(yīng)用中，受到監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)實(shí)測(cè)雨量站點(diǎn)密度的限制，同時(shí)由于降水空間分布的復(fù)雜性，如何準(zhǔn)確計(jì)算流域/區(qū)域面雨量一直是個(gè)科學(xué)難題[1]。在傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法下要提高面雨量計(jì)算精度，通過(guò)在監(jiān)測(cè)區(qū)域增加雨量觀(guān)測(cè)點(diǎn)的密度就可以實(shí)現(xiàn)。但超過(guò)一定量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)在投資上和技術(shù)上存在困難。

雷達(dá)作為一種主動(dòng)遙感設(shè)備,可得到具有一定精

度的、大范圍高時(shí)空分辨率的實(shí)時(shí)降雨量信息，從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，國(guó)外與國(guó)內(nèi)都在研究利用雷達(dá)測(cè)雨，并取得了一定的成果[2-3]。近年來(lái)，利用X波段多普勒體制雷達(dá)進(jìn)行小區(qū)域(半徑小于40 km)內(nèi)的雨量監(jiān)測(cè)，收到了很好的應(yīng)用成果。該雷達(dá)能實(shí)時(shí)、連續(xù)、準(zhǔn)確探測(cè)區(qū)域內(nèi)降雨強(qiáng)度變化和位置、降雨分布、面降雨量及相應(yīng)風(fēng)場(chǎng)信息，并可結(jié)合其他設(shè)備組成相應(yīng)的面雨量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。已在云南、江西、江蘇等地取得很好的應(yīng)用成效，為洪水預(yù)報(bào)、防洪調(diào)度、水資源管理發(fā)揮重要作用。

1　系統(tǒng)組成

1.1雨量雷達(dá)系統(tǒng)

如圖1所示，雨量雷達(dá)系統(tǒng)主要有天線(xiàn)、饋線(xiàn)、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、數(shù)字中頻信號(hào)處理系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、終端及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。

圖1　雷達(dá)系統(tǒng)整機(jī)框圖

1.2工作原理

雷達(dá)設(shè)備工作時(shí)，通過(guò)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射一定功率的脈沖能量，經(jīng)過(guò)饋線(xiàn)部分到達(dá)天線(xiàn)，向空間定向輻射；天線(xiàn)定向輻射的電磁波能量遇到降水等目標(biāo)時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生散射，其中后向散射的一部分形成回波信號(hào)被天線(xiàn)接收；天線(xiàn)接收到降水等目標(biāo)回波信號(hào)，經(jīng)過(guò)饋線(xiàn)部分傳輸?shù)浇邮障到y(tǒng)；接收系統(tǒng)將回波信號(hào)進(jìn)行放大、混頻、轉(zhuǎn)換等處理后送往信號(hào)處理系統(tǒng)；信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)回波信號(hào)作數(shù)字中頻信號(hào)(DSU)處理后形成I、Q正交信號(hào)，并對(duì)其作平均處理、地物對(duì)消濾波處理，得到反射率的估測(cè)值即強(qiáng)度Z，通過(guò)脈沖對(duì)處理(PPP)或快速傅里葉變換(FFT)處理，從而得到散射粒子群的平均徑向速度V和速度的平均起伏即速度譜寬W，通過(guò)處理雙極化數(shù)據(jù)得到差分反射率、差傳播相移、零滯后相關(guān)系數(shù)等雷達(dá)原始監(jiān)測(cè)信息。雨量雷達(dá)通過(guò)計(jì)算雷達(dá)回波信號(hào)強(qiáng)度來(lái)推算氣象目標(biāo)的實(shí)際物理狀況，通過(guò)雷達(dá)氣象方程，建立雷達(dá)平均接收功率Pr與雷達(dá)反射因子Z的關(guān)系，而Z與觀(guān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的降水強(qiáng)度I存在一定的關(guān)系，因此可通過(guò)雨量雷達(dá)測(cè)量的回波信號(hào)強(qiáng)度推算出實(shí)際的降水強(qiáng)度。這種測(cè)量方法被稱(chēng)為Z-I關(guān)系法，即應(yīng)用雷達(dá)氣象方程由測(cè)得的雷達(dá)回波功率算出雷達(dá)反射因子Z值，然后根據(jù)特定條件下的Z-I關(guān)系推算出降水強(qiáng)度I，從而得到實(shí)際的降水強(qiáng)度與降水量[2]。

1.3設(shè)備主要組成部分

1)天饋線(xiàn)。天饋線(xiàn)采用1.3m圓口徑拋物面天線(xiàn)，水平極化方式，增益≥38 dB。

2)發(fā)射機(jī)。發(fā)射機(jī)采用自激振蕩式小型化磁控管發(fā)射機(jī)，工作頻率9 375 MHz±30 MHz；輸出脈沖功率≥20 kW，占空比1‰。

3)接收機(jī)。接收機(jī)采用中頻相參體制，超外差式一次變頻的數(shù)字中頻接收處理方式。具有故障監(jiān)測(cè)能力，對(duì)接收機(jī)的關(guān)鍵部位，如接收通道、本振、各類(lèi)電源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、指示，并送出故障信息，便于終端進(jìn)行處理。

接收機(jī)工作頻率為9 375 MHz±30 MHz；接收機(jī)靈敏度為-105 dBm (0.6 μs)，-102 dBm (0.2 μs)；動(dòng)態(tài)范圍≥85dB；噪聲系數(shù)≤3dB；中頻輸出為30MHz±8 MHz；頻率跟蹤范圍為±8 MHz ，跟蹤精度為±50 kHz。

4)數(shù)字中頻信號(hào)處理器。數(shù)字中頻信號(hào)處理器包括數(shù)字中頻接收機(jī)和多普勒天氣雷達(dá)信號(hào)處理器，除完成常規(guī)信號(hào)處理外，還要處理速度、譜寬、地雜波抑制等多普勒參數(shù)。

5)伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)包括天線(xiàn)方位伺服系統(tǒng)和天線(xiàn)俯仰伺服系統(tǒng)兩個(gè)分系統(tǒng)，各自獨(dú)立工作，互不影響。

天線(xiàn)方位伺服系統(tǒng)的作用是用計(jì)算機(jī)操縱天線(xiàn)，將天線(xiàn)方位角調(diào)定在0～360°內(nèi)的任意給定角度位置上，也能實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)方位1 r/min～3 r/min自動(dòng)環(huán)掃(PPI狀態(tài))，通過(guò)計(jì)算機(jī)可改變天線(xiàn)方位自動(dòng)環(huán)掃的轉(zhuǎn)速。

天線(xiàn)俯仰伺服系統(tǒng)的作用是用計(jì)算機(jī)操縱天線(xiàn)，將天線(xiàn)俯仰角調(diào)定在0～90°內(nèi)的任意給定角度位置上，也能實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)俯仰12(°)/s在0～90°內(nèi)自動(dòng)俯仰，通過(guò)計(jì)算機(jī)可改變自動(dòng)俯仰的速度及掃描范圍。

6)監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)在終端計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)雷達(dá)天線(xiàn)的方位和俯仰產(chǎn)生對(duì)雷達(dá)天線(xiàn)方位和俯仰控制的誤差電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)天線(xiàn)工作狀態(tài)和工作姿態(tài)的控制操作；實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服系統(tǒng)工作狀態(tài)的控制操作；實(shí)現(xiàn)對(duì)接收系統(tǒng)工作狀態(tài)和故障狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)接收系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行控制操作；實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射系統(tǒng)的全功能監(jiān)控，其中包括對(duì)發(fā)射系統(tǒng)的工作狀態(tài)和故障狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及對(duì)發(fā)射系統(tǒng)工作狀態(tài)的遙控操作；與計(jì)算機(jī)終端連接，接收終端的命令并給予回復(fù)；為信號(hào)處理系統(tǒng)提供差分轉(zhuǎn)換單元。

7)監(jiān)控軟件和終端顯示。雷達(dá)設(shè)備配套終端計(jì)算機(jī)設(shè)備一套，在計(jì)算機(jī)上安裝雷達(dá)系統(tǒng)監(jiān)控軟件一套，該軟件完成對(duì)雷達(dá)整機(jī)的控制和監(jiān)測(cè)、采集信號(hào)處理器輸出的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)、并根據(jù)當(dāng)前的工作狀態(tài)對(duì)雷達(dá)回波進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。自動(dòng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息的采集、處理、存儲(chǔ)、傳輸、應(yīng)用等功能，以及雷達(dá)整機(jī)控制、雷達(dá)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試等功能。操作人員在操作監(jiān)控軟件能完成雷達(dá)設(shè)備的整體操作，實(shí)時(shí)監(jiān)視雷達(dá)工作狀態(tài)、工作參數(shù)和故障情況。

2　關(guān)鍵技術(shù)

1)高可靠性、窄脈沖磁控發(fā)射機(jī)技術(shù)。該發(fā)射機(jī)為自激振蕩式發(fā)射機(jī)。其調(diào)制器采用全固態(tài)剛性調(diào)制器，調(diào)制器電源采用開(kāi)關(guān)電源。通過(guò)嚴(yán)格的電路設(shè)計(jì)使之能夠提供兩種高頻穩(wěn)定脈沖，其最窄脈沖寬度達(dá)到0.2。

2)帶DSU功能的數(shù)字中頻信號(hào)處理器技術(shù)。數(shù)字中頻信號(hào)處理器利用AD對(duì)發(fā)射脈沖樣本進(jìn)行取樣，然后用該取樣值和回波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)或卷積，實(shí)現(xiàn)相位校正，達(dá)到消除磁控管的發(fā)射脈沖的初相是隨機(jī)的目的，從而得到更多的目標(biāo)信息如速度、譜寬等。

3)大動(dòng)態(tài)可變本振數(shù)字中頻接收機(jī)技術(shù)。取消了帶通濾波器、線(xiàn)性中放、對(duì)數(shù)中放和視放等窄帶高增益模擬線(xiàn)路，提高了整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性，克服了傳統(tǒng)模擬正交I、Q通道由于中頻移相器精度誤差和相位檢波器兩路不平衡以及模擬電路隨溫度變化等帶來(lái)的誤差，提高了雷達(dá)系統(tǒng)的相位檢測(cè)精度。

3　主要功能

(1)雨量雷達(dá)能實(shí)時(shí)提供回波強(qiáng)度、平均徑向速度和速度譜寬等原始產(chǎn)品圖像分布信息。按用戶(hù)設(shè)置好的時(shí)間和雷達(dá)工作方式，自動(dòng)定時(shí)的按順序執(zhí)行雷達(dá)掃描。(2)雨量雷達(dá)能實(shí)時(shí)提供監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)高時(shí)空分辨率的面雨量數(shù)據(jù)，探測(cè)半徑為36 km，空間分辨率為60 m×60 m。(3)雷達(dá)系統(tǒng)具有完善的在線(xiàn)強(qiáng)度、速度和空間位置自動(dòng)定標(biāo)裝置，并建立充分的冗余以確保在用戶(hù)規(guī)定的工作環(huán)境內(nèi)24 h連續(xù)不間斷地運(yùn)行。(4)雷達(dá)系統(tǒng)具有本地控制和遠(yuǎn)程遙控兩種工作方式，能完成功能相同的交互控制、測(cè)試、維護(hù)能力。(5)雷達(dá)系統(tǒng)具有在線(xiàn)檢測(cè)設(shè)備，能隨時(shí)監(jiān)測(cè)雷達(dá)各分系統(tǒng)的主要工作參數(shù)和工作狀態(tài)，在監(jiān)控及終端系統(tǒng)的顯示器上顯示并記錄監(jiān)測(cè)信息。在發(fā)射、伺服分系統(tǒng)的重要部位還設(shè)置了故障自保裝置，以防損壞。一旦發(fā)現(xiàn)故障，立即報(bào)警，并將故障定位到可更換單元(LRU)。(6)雷達(dá)系統(tǒng)能夠在復(fù)位后自動(dòng)初始化，恢復(fù)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。當(dāng)打開(kāi)電源和停電后恢復(fù)電源，雷達(dá)主系統(tǒng)能夠在無(wú)操作員的干預(yù)下正確運(yùn)行，當(dāng)停電和隨后恢復(fù)供電時(shí)所有的設(shè)置和缺省參數(shù)均不會(huì)改變。

4　對(duì)比觀(guān)測(cè)試驗(yàn)

4.1南京雨量雷達(dá)試驗(yàn)

江蘇省水文水資源勘測(cè)局與水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所共同進(jìn)行了雨量雷達(dá)對(duì)比觀(guān)測(cè)試驗(yàn)。2014年12月在南京完成雷達(dá)面雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝、調(diào)試等工作，開(kāi)始試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。圖2為該試驗(yàn)點(diǎn)雨量雷達(dá)的監(jiān)測(cè)范圍與監(jiān)測(cè)區(qū)域自動(dòng)雨量站的分布情況。

雨量雷達(dá)設(shè)備安裝在南京市雨花臺(tái)區(qū)，安裝坐標(biāo)為東經(jīng)118.772°，北緯31.966°，海拔約39.0 m，距南京市區(qū)約10 km，雷達(dá)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)共有17個(gè)自動(dòng)雨量站，3個(gè)雨滴譜儀(“★”) 。

圖2　南京試驗(yàn)點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域與自動(dòng)雨量站的分布情況

4.2對(duì)比試驗(yàn)基本情況

2015年南京雷達(dá)面雨量試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行了完整運(yùn)行，設(shè)備總體較穩(wěn)定，并采集了多次完整的降雨天氣過(guò)程。包括層狀云降水、對(duì)流云降水(居多)和混合云降水，其中有6 h左右的短時(shí)降雨，也有持續(xù)時(shí)間超過(guò)48 h的持續(xù)性降水。以2015年7月7日8時(shí)-7月9日8時(shí)累計(jì)雨量對(duì)比為例，如圖3、圖4所示，得出表1的評(píng)估結(jié)果。

圖3　雷達(dá)累計(jì)雨量

圖4　雷達(dá)累計(jì)雨量與自動(dòng)雨量站雨量對(duì)比

雷達(dá)測(cè)雨評(píng)估各評(píng)估參數(shù)比率絕對(duì)值相對(duì)誤差雷達(dá)雨量評(píng)估1.03112.55%

從全年數(shù)據(jù)對(duì)比分析中可以發(fā)現(xiàn)，雨量雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)與自動(dòng)雨量站的數(shù)據(jù)在整體上趨勢(shì)保持一致，在單場(chǎng)次累計(jì)雨量超過(guò)10 mm的情況下，雙方數(shù)據(jù)對(duì)比誤差約為20%。但個(gè)別場(chǎng)次降雨誤差隨機(jī)性偏大，最大接近60%，初步分析誤差原因主要來(lái)自于降雨類(lèi)型的影響和環(huán)境氣候(如大風(fēng)、雨夾雪等)的影響。今后將在試驗(yàn)中進(jìn)一步分對(duì)比析，爭(zhēng)取通過(guò)率定的方式提高雨量雷達(dá)測(cè)雨精度。

5　結(jié)束語(yǔ)

雨量雷達(dá)優(yōu)勢(shì)：(1)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，雨量雷達(dá)測(cè)量的降雨在空間上是連續(xù)的。連續(xù)的空間雨量可以使用戶(hù)直觀(guān)得到區(qū)域內(nèi)雨量的實(shí)際分布效果，而且可以方便地獲得區(qū)域內(nèi)的降雨量極值，如暴雨中心、區(qū)域內(nèi)最大雨強(qiáng)值等。(2)在記錄單次降雨發(fā)生過(guò)程中，相比傳統(tǒng)雨量計(jì)，雨量雷達(dá)獲取的空間連續(xù)降雨數(shù)據(jù)能更直觀(guān)地反映單次降雨的演進(jìn)變化過(guò)程。(3)雨量雷達(dá)在小雨測(cè)量上更敏感。(4)雨量雷達(dá)在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)密度上大大優(yōu)于傳統(tǒng)雨量計(jì)。

雨量雷達(dá)主要問(wèn)題：(1)雨量雷達(dá)測(cè)量降雨的方法為推算法，計(jì)算結(jié)果主要受降雨類(lèi)型影響，測(cè)量的結(jié)果需要率定。(2)單套雷達(dá)設(shè)備建設(shè)投資較大。(3)雨量雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)在資料方面與現(xiàn)行國(guó)家水文標(biāo)準(zhǔn)存在銜接問(wèn)題。

[1]張培昌，杜秉玉，戴鐵丕. 雷達(dá)氣象[M]. 2版. 北京：氣象出版社，2000: 171-210.

ZHANG Peichang, DU Bingyu, DAI Tiepi. Radar meteorology[M]. 2nd ed. Beijing: China Meteorological Press, 2000: 171-210.

[2]ALLEGRETTI M, BERTOLDO S, PRATO A, et al. X-band mini radar for observing and monitoring rainfall events[J]. Atmospheric and Climate Science，2012(2): 290-297.

[3]CHANDRASEKAR V, WANG Y, CHEN H. The CASA quantitative precipitation estimation system:a five year validation[J]. Natural Hazards and Earth System Science, 2012(12): 2811-2820.

王美玲女，1969年生，碩士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)樗淖詣?dòng)化、水利信息化、信息安全。

丁美霞女，1968年生。研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)。

牛睿平男，1973年生，碩士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)、工程項(xiàng)目管理、技術(shù)方案咨詢(xún)等。

Radar Technology in Areal Rainfall Monitoring

WANG Meiling1，DING Meixia1，NIU Ruiping2

(1. Hydrology and Water Resources Investigation Bureau of Jiangsu Province,Nanjing 210029, China)(2. Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology,Ministry of Water Resources,Nanjing 210012, China)

An X-band Doppler radar system for areal rainfall monitoring is described in this paper. First of all, the working principle and the main equipment of the system is expoanded. Secondly, the key technologies adopted in the system are introduced such as high reliability and narrow pulse magnetron transmitter technology，DSU digital IF signal processor technology, and large dynamic variable LO digital IF receiver technology. Thirdly, the function of the system is expatiated on automatical, real-time, continuous, accurate detection of regional rainfall intensity change and location, rainfall distribution, areal rainfall. Finally, based on the situation of comparative observation experiment, the advantages and disadvantages of the system are analysed objectively and the problems that need to be paid attention to in practical application are pointed out.

radar system for areal rainfall monitoring; narrow pulse magnetron transmitter; DSU digital IF signal processor

王美玲Email：13913889936@139.com

2016-01-23

2016-03-28

TN959

A

1004-7859(2016)06-0009-04

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.06.003