FMCW技術(shù)在氣象雷達(dá)中的應(yīng)用及青藏高原云探測

金 龍，阮 征，葛潤生，吳 俊，齊 銳

(1. 中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室, 北京 100081)(2. 河北省氣象技術(shù)裝備中心， 石家莊 050021； 3. 安徽四創(chuàng)電子股份有限公司， 合肥 230088)

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·總體工程·

FMCW技術(shù)在氣象雷達(dá)中的應(yīng)用及青藏高原云探測

金 龍1,2，阮 征1，葛潤生1，吳 俊3，齊 銳3

(1. 中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室, 北京 100081)(2. 河北省氣象技術(shù)裝備中心， 石家莊 050021； 3. 安徽四創(chuàng)電子股份有限公司， 合肥 230088)

調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)(FMCW)探測氣象目標(biāo)具有測距測速精度高、測距盲區(qū)小、峰值功率低，系統(tǒng)動態(tài)范圍大，靈敏度高等優(yōu)勢。文中給出了C波段調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)(C-FMCW)探測原理、系統(tǒng)構(gòu)成、微弱信號的定標(biāo)以及相關(guān)微弱信號定標(biāo)的解決方案。C-FMCW雷達(dá)于2014年7月和8月在西藏那曲地區(qū)開展了高原觀測試驗，文中給出了三類典型的高原降水云觀測實例，揭示了高原降水云的結(jié)構(gòu)特征。

C波段調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)；探測原理；雷達(dá)定量標(biāo)校；青藏高原降水云

0 引 言

近年來，對降水云體的垂直結(jié)構(gòu)探測及其微物理過程的反演研究是降水和云物理方面研究的重點，在微波遙感技術(shù)基礎(chǔ)上已經(jīng)發(fā)展了多種波長的脈沖多普勒體制垂直探測雷達(dá)對其探測研究。調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)(FMCW)，采用連續(xù)波體制通過對頻率的調(diào)制和解調(diào)實現(xiàn)距離測量，通過相干積分技術(shù)得到氣象信號的譜分布信息。與脈沖體制雷達(dá)相比，F(xiàn)MCW雷達(dá)系統(tǒng)具有測距測速精度高、測距盲區(qū)小、峰值功率低，系統(tǒng)動態(tài)范圍大，靈敏度高等特點[1]，并且脈沖多普勒雷達(dá)難以保證在不損失探測能力的情況下獲取高的距離分辨率。因此，災(zāi)害天氣國家重點實驗室(LaSW's)在國內(nèi)首次提出研制C波段調(diào)頻連續(xù)波垂直指向天氣雷達(dá)(C-FMCW)，在對技術(shù)需求和對總體技術(shù)方案進(jìn)行論證后，于2013年初研制完成，2013年6月起在安徽定遠(yuǎn)實施了定量標(biāo)校并開展了觀測試驗，于2014年7月～8月在西藏那曲地區(qū)進(jìn)行了高原連續(xù)觀測試驗。

隨著FMCW雷達(dá)理論水平和技術(shù)水平的穩(wěn)步提高，在針對微弱氣象信號回波、降水云體結(jié)構(gòu)識別以及尺度較小，結(jié)構(gòu)變化較快的強(qiáng)對流天氣過程中FMCW雷達(dá)的精細(xì)探測展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢[11-13]。本文介紹了我國首部應(yīng)用于天氣探測領(lǐng)域的C-FMCW雷達(dá)系統(tǒng)的探測原理，闡述了其系統(tǒng)組成以及相關(guān)技術(shù)難點的解決辦法，給出了2014年青藏高原觀測試驗期間C-FMCW雷達(dá)在西藏那曲獲取的典型高原云特征。

1 C-FMCW天氣雷達(dá)

不同于常規(guī)用途雷達(dá)的點目標(biāo)，天氣雷達(dá)的探測對象為時空結(jié)構(gòu)變化迅速的彌散氣象目標(biāo)，其分布在雷達(dá)全部探測量程內(nèi)，這就要求雷達(dá)具有時空分辨率高、動態(tài)范圍大、靈敏度高等性能[14]。C-FMCW天氣雷達(dá)通過FMCW技術(shù)提取回波信號中的距離信息，距離窗函數(shù)隔離度高，測距精準(zhǔn)，用相干譜分析方法獲得各個距離上返回信號的功率密度譜分布，高積累得益提高了系統(tǒng)靈敏度，使得探測信息全面而真實，通過譜分布計算出反射率、徑向速度、速度譜寬等譜參數(shù)，可以提供降水云體的精細(xì)垂直結(jié)構(gòu)和回波強(qiáng)度譜分布數(shù)據(jù)。

1.1 探測原理

C-FMCW天氣雷達(dá)的探測原理圖，如圖1所示。

圖1 C-FMCW天氣雷達(dá)原理示意圖

圖1上部是發(fā)射機(jī)輸出原理，圖1中部給出接收機(jī)對數(shù)據(jù)的解調(diào)輸出原理，圖1下部為信號譜變換處理流程。C-FMCW雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射調(diào)頻周期為T的連續(xù)波信號由圖1上部實線所示，調(diào)頻帶寬為B，在某一時刻t返回到接收天線的回波信號包含了雷達(dá)全部作用距離內(nèi)目標(biāo)物的信息，其頻率覆蓋范圍仍為B，該回波信號與單頻本振信號(圖1上部虛線)混頻，在τ-2τ的接收機(jī)取樣周期內(nèi)對混頻后的差頻信號解調(diào)，即第一次M快速傅里葉(FFT)變換。這里的M是調(diào)頻周期τ間隔內(nèi)的取樣點數(shù)，點數(shù)M越多，距離分辨率越高，即調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)的距離分辨率與調(diào)頻帶寬B和FFT點數(shù)M相關(guān)，距離分辨率為Cτ/(2M)，C為光速。經(jīng)過圖1中部給出的信號解調(diào)處理過程，可以得到每一個距離單元上的功率值。圖1下部給出進(jìn)一步對連續(xù)的一系列調(diào)頻周期解調(diào)后的輸出結(jié)果，按每個距離單元進(jìn)行第二次N點FFT處理，得到這個距離單元上的功率譜在多普勒速度譜上的分布Si(Vj)(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)，由譜分布計算出該距離高度上大氣目標(biāo)物的回波強(qiáng)度Z(i)、速度Vr(i)和譜寬σ(i)等譜參數(shù)。

FMCW雷達(dá)采用收發(fā)分置雙天線工作體制，不存在脈沖多普勒雷達(dá)單天線收發(fā)引起距離盲區(qū)等問題[15]。

1.2 C-FMCW天氣雷達(dá)系統(tǒng)構(gòu)成

C-FMCW雷達(dá)系統(tǒng)由頻綜和時序控制單元、發(fā)射單元、天線單元、接收單元、信號處理單元以及數(shù)據(jù)處理和顯示單元六個部分組成，設(shè)備原理框圖，如圖2所示。

圖2 C-FMCW垂直探測雷達(dá)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)主要分為三條支路，分別為發(fā)射支路、接收支路、標(biāo)定支路。雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)行時，頻綜和時序控制單元中的頻率綜合器產(chǎn)生包括雷達(dá)系統(tǒng)的各種時鐘信號、本振信號等多種頻率的信號以保證雷達(dá)系統(tǒng)實現(xiàn)全相參處理，其中運(yùn)用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)將發(fā)射信號變?yōu)榫€性調(diào)頻信號，經(jīng)功率組件放大后由發(fā)射天線輻射出去；發(fā)射天線和接收天線收發(fā)分置，兩者隔離度優(yōu)于90 dB；接收到的回波信號經(jīng)低噪聲放大器(LNA)后與發(fā)射樣本信號以及本振信號混頻變?yōu)橹蓄l信號送入信號處理單元，模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行第一次加窗和FFT變換，數(shù)字窗函數(shù)的副瓣抑制性能優(yōu)于70 dB，對抑制后的調(diào)頻信號進(jìn)行FFT變換解調(diào)，提取各個頻點(對應(yīng)不同高度)的信號強(qiáng)度。再進(jìn)行第二次加窗和FFT變換，窗函數(shù)的副瓣抑制性能優(yōu)于45 dB，對同一高度的信號進(jìn)行FFT變換得到對應(yīng)高度的功率密度譜分布，之后將譜分布數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)處理和顯示單元，進(jìn)行功率、強(qiáng)度、速度、譜寬等產(chǎn)品的計算和顯示。

當(dāng)雷達(dá)工作狀態(tài)設(shè)置為標(biāo)定模式時，低噪聲放大器(LNA)入口端與接收天線斷開，與耦合器端連接，DDS產(chǎn)生的幅度、頻率、相位可控的中頻標(biāo)定信號，由耦合器將信號饋入接收單元低噪聲放大器(LNA)入口端，以實現(xiàn)對回波信號的距離、強(qiáng)度、多普勒特性等的定標(biāo)。表1給出該雷達(dá)系統(tǒng)的主要探測參數(shù)。

表1 C-FMCW垂直探測雷達(dá)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

1.3 技術(shù)難點

傳統(tǒng)連續(xù)波雷達(dá)一般用于短距離高精度測速測距，一般靈敏度不高，主要的原因是由于收發(fā)同步工作，收發(fā)隔離不夠?qū)е掳l(fā)射信號、雜散、噪聲泄漏到接收機(jī)，惡化了接收機(jī)靈敏度。C-FMCW雷達(dá)系統(tǒng)用于氣象探測，回波信號動態(tài)范圍大，對靈敏度要求高，相對于一般的調(diào)頻連續(xù)波系統(tǒng)，C-FMCW雷達(dá)系統(tǒng)采用如下五個技術(shù)手段解決靈敏度問題。

1) 收發(fā)分置的高隔離圓拋物面天線

采用兩個收發(fā)分置的圓拋物面低副瓣天線，外套屏蔽桶，合理設(shè)計天線間間距，優(yōu)化隔離度性能。另外，在屏蔽桶上沿貼吸波材料，解決爬電效應(yīng)導(dǎo)致的隔離度下降問題，最終實現(xiàn)92 dB收發(fā)隔離指標(biāo)。高隔離度的天線性能降低了泄漏到接收機(jī)的發(fā)射主波及噪聲幅度。

2) 接收支路大動態(tài)設(shè)計

即便有90 dB的收發(fā)隔離指標(biāo)，150 W發(fā)射機(jī)泄漏到接收機(jī)的主波幅度依然很大，約為-40 dBm。為保證系統(tǒng)不飽和及模擬接收通道線性，接收機(jī)輸入端1 dB壓縮點設(shè)計值約為-20 dBm，遠(yuǎn)高于系統(tǒng)最大泄漏功率電平，大動態(tài)的設(shè)計保證了系統(tǒng)不會因為泄漏信號過大而飽和，也保證了系統(tǒng)有較好的線性，降低不同頻率回波信號在接收機(jī)內(nèi)部的交調(diào)分量，減少產(chǎn)生虛假目標(biāo)的可能。

3) 高相位穩(wěn)定度設(shè)計

對于調(diào)頻連續(xù)波體制雷達(dá)，發(fā)射激勵信號相位噪聲及發(fā)射機(jī)基底噪聲都會惡化系統(tǒng)的靈敏度。針對相位噪聲問題，本系統(tǒng)差頻處理范圍最大2 MHz。方案中針對頻率源產(chǎn)生的發(fā)射激勵信號相對載頻2 MHz范圍的單邊帶相位噪聲分布特性提出了明確的要求，系統(tǒng)采用高穩(wěn)定低相噪恒溫晶體振蕩器作為基準(zhǔn)源，高調(diào)頻線性度的DDS波形發(fā)生器，低相噪的直接頻率合成器，低噪聲全固態(tài)發(fā)射機(jī)，保證了發(fā)射信號、本振信號及各種時鐘信號的高穩(wěn)定度。

4) 多普勒處理器

除前面分析的影響靈敏度的因素外，波形、頻率綜合器及發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的雜散信號也會在系統(tǒng)中產(chǎn)生虛假目標(biāo)，影響系統(tǒng)靈敏度。為了解決這個問題，系統(tǒng)采用多普勒處理器。從實際探測情況看，雜散信號在相對調(diào)頻周期是相參的。因此，系統(tǒng)采用二維FFT的處理方式泄漏的雜散信號經(jīng)過第二維FFT處理后是一個零頻信號，信號處理采用插入式補(bǔ)償式濾波抑制泄漏的雜散信號，并根據(jù)回波功率譜分布的情況對抑制的零頻信號進(jìn)行擬合補(bǔ)償，降低低頻回波信號強(qiáng)度損失，保證探測精度。

5) 相參及非相參積累

本系統(tǒng)采用規(guī)定垂直指向波束，系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新率為1 s～60 s之間，典型工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)刷新率約為3 s。系統(tǒng)采用二維FFT處理，具有很高的相參處理得益，除相參處理外，二維FFT處理后的回波功率譜密度分布還可以再進(jìn)行非相參的頻譜積累，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的靈敏度。

2 C-FMCW雷達(dá)微弱信號的定標(biāo)

C-FMCW氣象雷達(dá)定標(biāo)的技術(shù)難點在于對微弱信號的標(biāo)定。C-FMCW雷達(dá)接收的回波信號經(jīng)第二次FFT處理輸出后得到各距離單元上的功率譜在多普勒速度譜上的分布，已知多普勒速度譜線間隔，因此標(biāo)定過程是針對功率譜分布中譜線的功率值進(jìn)行定標(biāo)[16-17]。C-FMCW雷達(dá)采用窄帶寬接收機(jī)，當(dāng)距離分辨率為30 m時，單根譜線上噪聲功率最小為-166 dBm；當(dāng)距離分辨率為15m時，噪聲功率最小為-169dBm。-166dBm、-169 dBm也為雷達(dá)在不同分辨率下的最小可測信號功率。因此，C-FMCW雷達(dá)接收信號的定標(biāo)是對微弱信號的標(biāo)定。

2.1 譜線噪聲功率

C-FMCW雷達(dá)第一次FFT解調(diào)出返回信號的距離信息，距離分辨率為30 m、15 m時,單個距離庫信號帶寬分別為2 kHz、1 kHz,輸出信號中混有的系統(tǒng)噪聲功率PNr與帶寬有關(guān)

PNr=-114+Nf+10lgBw

(1)

式中：Nf為噪聲系數(shù)，單位為dB；Bw為帶寬，單位為MHz；PNr為單個距離庫噪聲功率，單位為dBm。C-FMCW系統(tǒng)噪聲系數(shù)為2 dB,PNr為-139 dBm、-142 dBm。

解調(diào)出距離信息后，需要第二次FFT處理方可得到譜分布信息，因此噪聲也再次被分解到各個譜線中，單根譜線上的噪聲功率為

PNs=PNr-10lgN

(2)

式中：N為FFT處理點數(shù)。C-FMCW雷達(dá)使用N=512，PNs分別為-166 dBm、-169 dBm。C-FMCW雷達(dá)最小可測信號功率為-166 dBm、-169 dBm。

2.2 譜線信號功率的定量標(biāo)校

雷達(dá)系統(tǒng)的定量標(biāo)校是將標(biāo)準(zhǔn)信號源的輸出信號接入到雷達(dá)系統(tǒng)，對雷達(dá)輸出進(jìn)行定標(biāo)。目前常規(guī)天氣雷達(dá)中，最小可檢測信號功率大約為-115 dBm，經(jīng)過相干累積處理的風(fēng)廓線雷達(dá)最小可檢測信號功率約為-145dBm，C-FMCW雷達(dá)的最小信號功率接近-170 dBm，采用常規(guī)的方法難以對接收的微弱信號進(jìn)行定標(biāo)。

考慮到C-FMCW雷達(dá)采用掃頻方式窄帶寬提高雷達(dá)的探測能力，對C-FMCW雷達(dá)的定標(biāo)也采用將標(biāo)準(zhǔn)信號源信號轉(zhuǎn)換為掃頻信號來進(jìn)行定標(biāo)，點頻信號接入DDS后展寬為掃頻信號輸入C-FMCW雷達(dá)，經(jīng)第一次FFT解調(diào)后分布到各個距離庫，各距離庫上輸出的平均信號功率為該調(diào)頻周期內(nèi)信號功率的1/K,K是調(diào)頻帶寬與距離庫帶寬間的頻寬比，C-FMCW雷達(dá)采用兩種調(diào)頻帶寬6 MHz和7 MHz，對應(yīng)的距離庫帶寬為2kHz(30m)和1kHz(15m),則K為3000和6 000。輸入信號經(jīng)DDS掃頻展寬和第一次FFT分解使得單個距離庫信號功率將低了34.8 dB和37.8 dB。通過確定定量標(biāo)校曲線的線性動態(tài)范圍，來獲取微弱信號的定量測量。

在操作終端將雷達(dá)工作方式設(shè)置為標(biāo)定模式，連通標(biāo)定信號，將外接信號源按照雷達(dá)系統(tǒng)的工作頻率設(shè)置成點頻輸出，模擬回波信號功率，外接信號源采用HP 83752B，其范圍為-85 dBm～15 dBm，為了盡可能減小測量過程中引入的誤差，在測試時僅使用了一個50 dB的衰減器，當(dāng)測試信號降低至-80 dBm時在外接信號源與DDS之間接入衰減器，將信號源信號提高50 dB后繼續(xù)由大步進(jìn)減小測試，理論輸入單個距離庫的功率最小可達(dá)-169.77 dBm，滿足此雷達(dá)定標(biāo)需求。連續(xù)波信號經(jīng)DDS后信號被展寬，變?yōu)檎甭示€性調(diào)頻連續(xù)波信號，模擬回波信號頻率，為了使系統(tǒng)匹配，采用雷達(dá)機(jī)內(nèi)DDS將外接信號源的單頻信號展寬，亦即將單頻信號變?yōu)? MHz帶寬的掃頻信號，以此模擬與發(fā)射信號帶寬相同的氣象回波信號。輸出信號由接收機(jī)最大飽和點大步進(jìn)減小，持續(xù)減小的信號等效為接收機(jī)噪聲以下的微弱氣象回波信號。由于外接信號源為點頻輸出，一個頻點只能模擬一個固定回波功率的信號，經(jīng)雷達(dá)系統(tǒng)處理后信號功率都集中在每一根譜線上，因此用此方法來對任意一根譜線間隔內(nèi)的2 kHz的窄帶信號進(jìn)行標(biāo)定。由此得到的C-FMCW雷達(dá)系統(tǒng)最小可檢測信號為-167 dBm，最大可檢測信號為-65 dBm，擬合線斜率為1.004，均方根誤差為0.19，系統(tǒng)的動態(tài)范圍為98 dB，系統(tǒng)回波功率與輸入功率之間線性擬合程度很高。

3 高原觀測實例

2014年7月和8月，C-FMCW雷達(dá)在西藏那曲地區(qū)(31°29″N，92°04″E，4 507 m)開展了高原觀測試驗，檢驗了雷達(dá)在高海拔惡劣條件下的系統(tǒng)性能和探測能力，獲取了高時空分辨率的回波強(qiáng)度、垂直速度和速度譜寬等譜參數(shù)數(shù)據(jù)，積累了青藏高原地區(qū)寶貴的云和降水云結(jié)構(gòu)的垂直結(jié)構(gòu)探測數(shù)據(jù)。對高原云觀測數(shù)據(jù)的初步分析，發(fā)現(xiàn)高原降水云具有快速生消、發(fā)展深厚和多層云的特點，以下給出三種較為典型的高原降水云觀測實例。

3.1 深厚對流

圖3為2014年7月4日17∶30～19∶15為一次深厚的對流降水過程，17∶00～20∶00地面小時雨量分別為0.6 mm、8.6 mm和1.4 mm，期間有冰雹出現(xiàn)，那曲地區(qū)冰雹頻發(fā)，此類降水云具有高原深對流的典型結(jié)構(gòu)特征。圖3a)中回波頂高均達(dá)到12 km(AGL，距地高度，下同)、最大回波強(qiáng)度為59.6 dBZ，強(qiáng)的上升、下沉運(yùn)動交替出現(xiàn)，由于高原地區(qū)空氣稀薄，云中強(qiáng)上升氣流能迅速把大粒子抬升到較高的高度，云中上升下沉往復(fù)運(yùn)動有助于冰雹增長。

降水云體中包含有三個單體結(jié)構(gòu)，單體1出現(xiàn)時間從17∶43～18∶21，持續(xù)了38 min，40 dBZ強(qiáng)回波最大高度達(dá)6 km，30 dBZ回波最大高度達(dá)8 km，云內(nèi)速度變化較為劇烈。圖3b)的速度圖中在1 km高度附近可以明顯看到一個速度增強(qiáng)的過程，推斷為融化層所在高度，粒子融化導(dǎo)致粒子下降速度增加；1 km以上最大下沉速度為15.8 m/s，最大上升速度為14.8 m/s，出現(xiàn)在云頂附近。單體2出現(xiàn)時間為18∶21～18∶47、維持約26 min，30 dBZ回波高度達(dá)8 km，1 km處融化加速過程明顯，1 km以上最大下沉速度為15.4 m/s，最大上升速度為13.4 m/s。單體3出現(xiàn)在18∶47～19∶05，持續(xù)時間最短為18 min，30 dBZ回波高度達(dá)發(fā)展最高達(dá)9 km，最大下沉速度為18.1 m/s，最大上升速度為11.9 m/s。

圖3 2014年7月4日17∶30～19∶15 C-FMCW雷達(dá)譜參數(shù)

3.2 快速生消弱對流

圖4為2014年7月5日15∶30～16∶30探測到的連續(xù)三個小尺度弱對流泡體結(jié)構(gòu)，在本站分別持續(xù)了16 min、9 min、12 min。此類降水云出現(xiàn)頻數(shù)最多、且多發(fā)生在午后，發(fā)展高度多在6 km以下，持續(xù)時間較短，這種局地小尺度對流可能與地面熱力狀況變化有關(guān)。速度圖中在1 km高度以下有明顯加強(qiáng)，但地面并未觀測到降水出現(xiàn)。

圖4 2014年7月5日15∶30～16∶30 C-FMCW雷達(dá)譜參數(shù)

3.3 “云蓋”結(jié)構(gòu)

圖5為2014年7月8日16∶00～17∶00是一次高空層云覆蓋小尺度對流泡體的“云蓋”結(jié)構(gòu)。高層云云底高度約為8 km，云層厚度約3 km，持續(xù)約100 min，云內(nèi)最強(qiáng)回波為16.3 dBZ，最弱回波為-5.44 dBZ，云內(nèi)整體結(jié)構(gòu)發(fā)展均勻，沒有明顯的上升或者下沉運(yùn)動，具有層云結(jié)構(gòu)特征，此時段無地面降水。下層泡體持續(xù)時間較短，約22 min，其中回波強(qiáng)度圖中有短暫的擾動加強(qiáng)，最強(qiáng)回波強(qiáng)度為45.1 dBZ。速度圖中，在1 km高度處也依稀可以看到一個粒子融化速度增強(qiáng)的過程。

圖5 2014年7月8日 16∶00～17∶00 C-FMCW雷達(dá)譜參數(shù)

圖6為與圖5相對應(yīng)的三個時刻的回波強(qiáng)度譜密度分布，圖6a)中16∶26∶48的高層云在8km～11 km，速度分布在-1 m/s ～4 m/s范圍內(nèi)，譜寬較窄，云體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；底層云高6 km，速度分布在-4 m/s ～10 m/s，譜寬較寬，強(qiáng)回波區(qū)集中在2 km～4 km,地面有降水出現(xiàn)；圖6b)16∶30∶01兩層云體結(jié)構(gòu)發(fā)生了“握手”，但各自對流運(yùn)動并不強(qiáng)烈，低空2 km處融化過程明顯，下降速度增大；圖6c)16∶46∶58 低空對流消散，高空云體結(jié)構(gòu)依然穩(wěn)定持續(xù)。

圖6 C-FMCW雷達(dá)回波強(qiáng)度譜密度

圖7 給出2014年7月19日23∶00～20日00∶30一次高空云系“入侵”過程。圖8為這次“入侵”過程相對應(yīng)的6個時刻的回波強(qiáng)度譜密度分布。層云高6 km～11 km(譜分布如圖8a)，入侵云系于23∶39出現(xiàn)(如圖8b)，23∶48兩層云結(jié)構(gòu)相交(如圖8i)，從圖8a)～j)可以看出，層云譜分布在6 km～11 km、0速度附近，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；圖8b)～k)可以看出入侵云從13 km處墜下，下降速度不斷增強(qiáng)；圖8 l)00∶26∶17仍然可以看出是層云譜和“入侵”云譜的疊加，1.5 km處下降速度明顯增大，是粒子融化所致，圖7速度圖上表現(xiàn)更為清晰。

圖7 2014年7月19日23∶30～2014年7月20日00∶30C-FMCW雷達(dá)譜參數(shù)

4 結(jié)束語

(1)作為我國首次研制的C波段調(diào)頻連續(xù)波體制天氣雷達(dá)，本文主要介紹了C-FMCW雷達(dá)探測原理，給出了信號及數(shù)據(jù)處理原理和流程以及相關(guān)技術(shù)難點的克服方法。C-FMCW雷達(dá)采用2次FFT信號處理技術(shù)，使其具有很高的相參處理得益。第一次FFT采用調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)提取回波信號中的距離信息，第二次FFT采用相干譜分析方法獲得各個距離上返回信號的功率密度譜分布，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的靈敏度，可以提供降水云體的精細(xì)垂直結(jié)構(gòu)和回波強(qiáng)度譜分布數(shù)據(jù)。

(2)使用外接儀表對返回信號功率譜分布進(jìn)行了標(biāo)定，定標(biāo)曲線擬合線斜率為1.004，均方根誤差為0.19，系統(tǒng)的動態(tài)范圍為98 dB，結(jié)果表明該雷達(dá)滿足觀測氣象目標(biāo)的精度要求。

(3)2014年7月和8月C-FMCW雷達(dá)在西藏那曲地區(qū)觀測到的高原降水云探測數(shù)據(jù)，C-FMCW雷達(dá)高靈敏度、高時空分辨率，可以探測發(fā)展深厚的對流降水云，捕獲快速演變的局地弱降水云，又能穿透雨區(qū)、給出多層云結(jié)構(gòu)的真實描述。

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金 龍 男，1989年生，碩士研究生。研究方向為C-FMCW雷達(dá)探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理分析。

阮 征 女，1964年生，研究員級高級工程師。研究方向為地基遙感系統(tǒng)及方法。

Application of FMCW Technology in Weather Radar and Cloud Detection over the Tibetan Plateau

JIN Long1,2，RUAN Zheng1，GE Runsheng1，WU Jun3，QI Rui3

(1. State Key Lab of Severe Weather Chinese Academy of Meteorological Science, Beijing 100081, China)(2. Meteorological Technical Equipment Center of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China)(3. Anhui Sun-create Electronic Co., Ltd. Hefei 230088, China)

Frequency modulated continuous wave (FMCW) technology for weather radar has the characteristics of the high precision ranging speed, small blind region, low the peak power, the system dynamic range, high sensitivity. At the same time it is a technical difficulty to calibrate the weak signal. In this paper it is given that the detection principle and the system structure of the C-band frequency modulated continuous wave radar (C-FMCW), the calibration of the weak signal and the way to overcome the difficulties of the calibration of the weak signal. Plateau observation experiments are carried out in Naqu Tibet July and August of 2014. Three kinds of typical examples plateau precipitation cloud observations are given and the structural features is revealed of the plateau precipitation cloud.

C band frequency modulation continuous wave radar; detection principle; radar quantitative calibration; clouds detection capability over the Tibetan Plateau

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.03.002

國家自然科學(xué)基金資助項目(41475029)；氣象公益類行業(yè)資助項目(GYHY201306004；GYHY201306040)災(zāi)害天氣國家重點實驗室自主研究資助項目

阮征 Email：ruanz@camscma.cn

2015-10-24

2015-12-26

TN959.4

A

1004-7859(2016)03-0006-06