主被動一體化氣象探測系統(tǒng)的研究

安徽四創(chuàng)電子股份有限公司 高 磊 李德義 余小強

我們知道，云的發(fā)生、演變對天氣和氣候產(chǎn)生巨大的影響，即使云量或云分布的微小變化也會對氣候產(chǎn)生影響，云的變化對全球氣候變化造成的影響比溫室氣體、氣溶膠或其它因素更大。由于云降水過程的高度復(fù)雜性，其局部影響的原理和實際過程迫切需要實際探測和檢驗。只有將這個云形成演變過程的“黑匣子”真正打開，才能有效地為軍事氣象進行精細化保障。目前我國在氣象探測領(lǐng)域中以地基綜合觀測為主，在空基和天基上進行主動遙感氣象探測手段基本上為空白。雖然地基綜合觀測網(wǎng)已基本形成，但只能實現(xiàn)我國大陸及近海氣象探測的基本覆蓋，對于遼闊的海洋氣象缺乏有效的探測手段。因此，為了確保能夠?qū)崟r、準確地提供戰(zhàn)場氣象信息，需要建立以飛機為裝載平臺的大氣海洋綜合探測系統(tǒng)。

1.系統(tǒng)組成

主被動一體化無人機氣象探測系統(tǒng)包括機載和地面兩部分。

機載部分包括主被動一體探測器包含：一部W波段測云儀和一部W波段微波輻射計接收機。地面部分包括兩個載荷的顯示和控制軟件以及綜合顯示軟件。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

2.系統(tǒng)功能

主被動一體化氣象探測系統(tǒng)由無人機為裝載平臺，系統(tǒng)包括測云儀、微波輻射計等設(shè)備。可實現(xiàn)航線區(qū)域及目標區(qū)的機動探測，獲取航行高度以下云的強度、速度、譜寬和線性退極化比等基本參數(shù)，為反演生成云頂高、云底高、云中液態(tài)水含量和冰水含量等信息提供探測數(shù)據(jù)。同時可探測地面至平流層的氣溫、濕度、氣壓、風(fēng)向風(fēng)速、輻射、云雨物理特征等氣象參數(shù)，對中小尺度天氣系統(tǒng)進行精細探測，是揭示特定區(qū)域更為細致的大氣運動三維結(jié)構(gòu)的有效手段。利用輻射計，可從空間對地球進行有效觀測，包括植被分布、水域分布、土壤含水量等，觀測資料對氣象預(yù)報、環(huán)境監(jiān)測、洪澇災(zāi)害預(yù)防及監(jiān)測等方面有重要意義。

3.工作原理

W波段主被動探測系統(tǒng)內(nèi)的測云儀和微波輻射計的工作原理框圖如圖2所示。測云儀和微波輻射計公用一套卡塞格倫天線。

測云儀的產(chǎn)生射頻激勵信號送至發(fā)射系統(tǒng)信號輸入端，數(shù)字處理系統(tǒng)統(tǒng)產(chǎn)生整機時序送至發(fā)射機，發(fā)射機速調(diào)管輸出大功率射頻脈沖經(jīng)環(huán)行器、正交模耦合器到達饋源，最后由高增益偏饋天線輻射出去。

天線輻射出去的電磁波如遇到云、雨等氣象目標時，便會產(chǎn)生后向散射，從而生成氣象目標的回波信號。如果電子波輻射出去的是水平極化波，遇到云目標后散射回來的電磁波能量在水平方向和垂直方向上的極化分量分別稱之為同極化分量和正交極化分量。

天線接收到的回波信號通過正交模耦合器后分為兩路，即回波的同極化分量經(jīng)環(huán)行器送往同極化接收機；正交極化分量則送入分頻器，由分頻器將正交極化分量分為(94.58GHz)和(92GHz)兩路回波信號分別送至測云儀的正交極化接收通道和微波輻射計的接收通道。測云儀接收到的回波信息各自通過低噪聲放大和混頻后，形成中頻信號，經(jīng)數(shù)字式中頻接收機處理后，形成反映信號強度和相位信息的數(shù)字式正交視頻信號I、Q，再送往信號處理器。信號處理器對兩路數(shù)字中頻接收機輸出的數(shù)字化正交視頻信號I、Q進行運動補償、雜波抑制后，作視頻積分處理、脈沖對（PPP）或快速傅立葉變換（FFT）等處理后，最終輸出氣象目標的回波強度、線性退極化比、徑向速度和譜寬等重要參數(shù)，并由錄取分系統(tǒng)將數(shù)據(jù)進行存儲，再由無人機自帶的通訊設(shè)備將數(shù)據(jù)無線傳輸至地面的測控和顯示分系統(tǒng)，進而對回波數(shù)據(jù)進行二次分析和處理、形成最終的云垂直剖面結(jié)構(gòu)圖，以及內(nèi)部液態(tài)水含量和冰水含量的分布圖。

輻射計將接收到的溫度輻射的微波信號來測量大氣特性，獲取對地面方向的溫度、濕度和水汽廓線等氣象要素直接送至監(jiān)控分系統(tǒng)，由監(jiān)控分系統(tǒng)將數(shù)據(jù)打包傳至通訊分系統(tǒng)，再由無人機自帶的通訊設(shè)備將數(shù)據(jù)無線傳輸至地面的測控和顯示分系統(tǒng)。

圖2 測云儀和微波輻射計原理框圖

圖3 微波輻射計接收機原理框圖

4.工作模式

綜合來說，主被動一體化無人機氣象探測系統(tǒng)在工作流程上分為三個部分：

a）飛行準備

載荷地面上電自檢。在顯控端觀測除發(fā)射功率之外的雷達工作狀態(tài)是否正常

b）空中準備

飛機發(fā)射升空后，雷達進行相應(yīng)設(shè)置，打開測云儀的發(fā)射機功率。測試各種模式、各種控制是否正常，顯控端應(yīng)能正確輸出載荷的自檢數(shù)據(jù)。當(dāng)飛機到達被測區(qū)域，將實時獲取云目標的強度、速度、退極化比和譜寬及溫濕廓線等數(shù)據(jù)，通過鏈路下傳到地面，實時顯示并轉(zhuǎn)發(fā)給信息反演系統(tǒng)，獲取飛行路線及下方的云水信息，并進行情報處理與上報分發(fā)。

c）地面檢查維護

飛機返回地面后對載荷進行檢測和維護。根據(jù)載荷的工作原理及功能的不同，現(xiàn)將云探測器含微波輻射計，小型化天氣雷達的工作方式分別介紹。

圖4 測云儀及微波輻射計工作方式

裝載在無人機上的測云儀和微波輻射計在被測云上方，通過飛機飛行，對云目標進行條帶掃描。測云儀和微波輻射計采用垂直向下的掃描方式，將探測到的回波數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星通信鏈路實時傳回地面，并對數(shù)據(jù)進行分析處理，形成云的剖面垂直結(jié)構(gòu)圖以及內(nèi)部云中液態(tài)水含量和冰水含量等分析結(jié)果。

5.結(jié)語

近年來，W波段器件的技術(shù)發(fā)展取得了長足的進步，也為W波段測云儀和微波輻射計技術(shù)上的現(xiàn)實成為了可能，本文是從技術(shù)上分析W波段主被動探測系統(tǒng)研制的可行性，并從工作方式方面總結(jié)了兩種空中設(shè)備與地面設(shè)備的通訊方式，為日后產(chǎn)品的研制提供理論基礎(chǔ)。

[1].Merrill l.Sklnik著.雷達系統(tǒng)討論[M].電子工業(yè)出版社,2014.01.

[2]應(yīng)國玲等編.微波輻射計[M].海洋出版社,1992.03.