一種天氣雷達(dá)天線指向自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

張建云 張垚

（1 中國華云氣象科技集團(tuán)公司，北京 100081；2 北京敏視達(dá)雷達(dá)有限公司，北京 100094）

0 引言

新一代天氣雷達(dá)在國內(nèi)經(jīng)過多年應(yīng)用，在臺(tái)風(fēng)[1]、龍卷風(fēng)[2]、輸電線路山火[3]等重大天氣的監(jiān)控、預(yù)警以及防災(zāi)減災(zāi)方面發(fā)揮了巨大作用。天線指向準(zhǔn)確性是天氣雷達(dá)發(fā)揮效益的基礎(chǔ)。目前大部分國內(nèi)外業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)指向精度為0.1°，通過定期執(zhí)行一種基于太陽為輻射源的掃描方法來檢測(cè)天線指向誤差。該方法將太陽作為輻射源，太陽位置作為絕對(duì)參考點(diǎn)用于檢測(cè)天線實(shí)際指向精度（以下簡(jiǎn)稱“太陽法”）。雖然太陽法得到了國內(nèi)外的廣泛認(rèn)可，但存在兩個(gè)限制條件：1）用太陽法檢測(cè)天線指向精度時(shí)雷達(dá)停止正常的業(yè)務(wù)運(yùn)行；2）為了保證檢測(cè)的精度，太陽法僅在晴天且太陽高度角適度的條件下有效并且需要精確時(shí)間。就天線指向精度要求而言，Asko等[4]提出在俯仰方向上，天氣雷達(dá)可接受的天線指向角度誤差是0.1°；而在方位方向上，一個(gè)有著200 km范圍精確探測(cè)的天氣雷達(dá)天線指向誤差小于0.3°就夠了?？傊┭鲚^方位方向上的天線指向誤差對(duì)天氣雷達(dá)系統(tǒng)影響大，尤其是對(duì)雷達(dá)低仰角掃描影響更為嚴(yán)重。如0.2°的天線指向誤差在200 km處會(huì)產(chǎn)生大約700 m的位移。波束高度誤差對(duì)降水估測(cè)產(chǎn)生較大影響[5]；用于冰雹概率評(píng)估的回波高度計(jì)算[6]、地形束阻塞校正[7]等也與俯仰高度相關(guān)聯(lián)。此外，天氣雷達(dá)使用不精確的時(shí)間進(jìn)行太陽法標(biāo)定，會(huì)造成地物回波中包含云的回波和超折射回波現(xiàn)象[8]。

隨著電子科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子器件不斷升級(jí)換代，先進(jìn)的技術(shù)和器件使雷達(dá)探測(cè)技術(shù)得以提升、雷達(dá)穩(wěn)定性和可靠性得到進(jìn)一步改善。在國內(nèi)外天氣雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域，業(yè)務(wù)中的雷達(dá)均以太陽法作為天線指向的絕對(duì)檢測(cè)方法，雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)沒有用于檢測(cè)天線指向的在線自動(dòng)相對(duì)檢測(cè)方法。因此，天氣雷達(dá)天線指向角度的系統(tǒng)誤差即便已經(jīng)超出允許范圍，用戶并不知情，且雷達(dá)系統(tǒng)仍然處于工作狀態(tài)，但觀測(cè)的雷達(dá)數(shù)據(jù)已不滿足業(yè)務(wù)需求，有時(shí)會(huì)造成較為嚴(yán)重后果和影響。為了進(jìn)一步提升天氣雷達(dá)的數(shù)據(jù)質(zhì)量和應(yīng)用效益，對(duì)于7×24 h自動(dòng)無人值守的業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)需要天氣雷達(dá)系統(tǒng)具有自動(dòng)在線檢測(cè)天線指向精度的功能，用于在線檢測(cè)雷達(dá)天線角度的誤差是否超過允許的范疇。本文提出一種基于先進(jìn)的激光探測(cè)器，通過在雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置參考位置，自動(dòng)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)雷達(dá)天線指向誤差的方法。

1 天氣雷達(dá)天線指向誤差檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀和探索

1.1 太陽法的應(yīng)用和限制因素

太陽法是目前國際上多數(shù)天氣雷達(dá)采用的主要天線指向檢測(cè)方法，該方法以離線的方式應(yīng)用于天氣雷達(dá)日常的技術(shù)維護(hù)中，其主要特點(diǎn)是，可靠、精度高，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力。理論上，將太陽視為一個(gè)可靠且全球可用的外大氣層目標(biāo)作為雷達(dá)天線指向檢測(cè)的絕對(duì)參考。太陽法以雷達(dá)掃描太陽噪聲功率作為理論基礎(chǔ)，將太陽噪聲輪廓（圖像輪廓）等效為一個(gè)太陽光盤，光盤中心的噪聲功率（或信噪比）值最大。實(shí)際應(yīng)用中，使用太陽法時(shí)雷達(dá)發(fā)射機(jī)不發(fā)射功率，雷達(dá)以被動(dòng)方式接收太陽能輻射能量。首先用雷達(dá)站點(diǎn)的經(jīng)緯度和當(dāng)前時(shí)間計(jì)算出理論的太陽位置，控制天線運(yùn)動(dòng)到理論的太陽位置。然后控制天線圍繞太陽先后執(zhí)行從左到右和從上到下的掃描，在掃描的同時(shí)程序記錄下太陽對(duì)應(yīng)的天線角度和太陽噪聲功率值，從而獲得峰值太陽噪聲功率（或太陽圖像寬度）的估計(jì)值。通過比較太陽噪聲最大功率位置（或太陽圖像中心位置）的天線角度和得到理論太陽位置角度修正值——水平方向掃描得到方位角度的修正值，垂直方向掃描得到俯仰角度的修正值。在算法實(shí)施過程中，也有采用丟棄在峰值太陽功率下3 dB或更大信噪比值數(shù)據(jù)，以縮小太陽功率輪廓尺寸的方式減小算法誤差。

太陽法一般有兩個(gè)要求：1）太陽處于低仰角8°～60°的位置，即限定上午或下午的某些時(shí)間段；2）執(zhí)行太陽法的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)間至少要精確到1 s以內(nèi)，以獲得精確的太陽理論參照位置。Patricia等[9]發(fā)現(xiàn)該方法不易受到降水和非氣象回波的影響，在方位和俯仰兩個(gè)方向上均可實(shí)現(xiàn)0.05°～0.1°的精度；實(shí)際使用中還發(fā)現(xiàn)執(zhí)行太陽法天線指向檢測(cè)的時(shí)間對(duì)精度也有影響，譬如上午時(shí)段的測(cè)量誤差較下午要小，且一般上午時(shí)段為下午時(shí)段實(shí)際應(yīng)用誤差的80%左右。例如，C波段天氣雷達(dá)使用太陽法檢測(cè)指向精度，上午約為0.05°，下午約為0.1°。

太陽法能夠幫助雷達(dá)定北，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線較高的角度定位精度，并且擁有不易受降水和非氣象回波影響等諸多優(yōu)勢(shì)，使其得到廣泛的應(yīng)用。但由于該檢測(cè)方法不能實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)，因此國內(nèi)外天氣雷達(dá)的技術(shù)人員一直在探索在線檢測(cè)方法。

1.2 地物在線天線指向檢測(cè)方法

地物在線天線指向檢測(cè)方法，是以雷達(dá)地物作為參考的檢測(cè)方法。天氣雷達(dá)完成安裝架設(shè)調(diào)試后，地形較高的山地、建筑物等，其經(jīng)緯度參數(shù)、高度參數(shù)和外形輪廓是相對(duì)固定的，雷達(dá)在低仰角掃描得到的地面雜波位置也是固定的。利用這一特征，使用高分辨率的數(shù)字地面高程模型（Digital elevation model，DEM）[10]數(shù)據(jù)和天氣雷達(dá)地物雜波數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比檢查，通過判定方位角滯后量的方式得出天線指向在方位上的角度誤差?；诘匚餀z驗(yàn)天線指向的方法[11]，可實(shí)現(xiàn)0.1°～0.3°的雷達(dá)方位角檢測(cè)精度，但在雷達(dá)俯仰角度上檢測(cè)能力較差。另外，該類算法是基于晴空和標(biāo)準(zhǔn)大氣傳播條件理論模型實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，容易受到降水、大氣異常傳播的影響。因此，地物在線天線指向檢測(cè)方法，在應(yīng)用中仍然有眾多局限性。

1.3 太陽回波在線天線指向檢測(cè)方法

太陽回波在線天線指向檢測(cè)方法，是以太陽信號(hào)功率理論模型為基礎(chǔ)，其技術(shù)路線與太陽法類似。通過雷達(dá)掃描時(shí)自動(dòng)檢測(cè)反射率數(shù)據(jù)中來自太陽的輻射（太陽干擾），使用峰值太陽功率和太陽圖像掃描寬度的估計(jì)值反演出太陽的方位角和俯仰角，用天線位置讀數(shù)和太陽回波等效光盤中心之間位置的相對(duì)位移計(jì)算出方位角和仰角的天線指向偏差[12-14]。這種方法與太陽法的核心差異在于發(fā)射機(jī)是否發(fā)射電磁波，太陽干擾夾雜在雷達(dá)回波中。一般太陽干擾回波出現(xiàn)在日出或日落時(shí)分，雷達(dá)天線仰角處于0.6°～8°范圍，而通常這些回波會(huì)被作為非氣象回波而被質(zhì)量控制算法濾除。該方法在一定程度上會(huì)受到降水和非氣象回波的影響，大氣異常傳播也可導(dǎo)致太陽相對(duì)于天線的定位不準(zhǔn)確。實(shí)際上，在業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)運(yùn)行條件下接收到太陽輻射還是比較困難的，因此該太陽干擾法實(shí)用性有待提高。

2 基于激光探測(cè)器的天線指向檢測(cè)方法

2.1 相對(duì)檢測(cè)方法

基于激光探測(cè)器的天線指向檢測(cè)方法是通過在雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置角度參考，以對(duì)比預(yù)設(shè)參考位置與天線實(shí)際位置的差異來檢測(cè)雷達(dá)天線指向偏差。用于設(shè)置角度參考的位置傳感器是一種以激光為檢測(cè)媒介的激光收發(fā)探測(cè)器。傳感器選用單色準(zhǔn)直較好收發(fā)一體的激光收發(fā)器，激光收發(fā)端幾乎重疊可按同一點(diǎn)進(jìn)行分析和處理。在雷達(dá)天線上固定一反射體，該反射體可實(shí)現(xiàn)來自90°以內(nèi)任意角度的激光反射回歸到接收端，實(shí)現(xiàn)發(fā)射出的激光原路返回，由此可判定反射體與激光在同一直線上。另外，該激光對(duì)金屬、普通鏡面等均不會(huì)產(chǎn)生有效反射，從而保障該反射體的有效性和唯一性。該方法還具有體積小、重量輕、功耗低、不干擾天氣雷達(dá)等特點(diǎn)，且已獲得知識(shí)產(chǎn)權(quán)[15]。

圖1為激光探測(cè)器天線指向角度誤差檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)方案。在雷達(dá)天線罩內(nèi)的天線掃描覆蓋空間內(nèi)精確牢固安裝激光探測(cè)器，該位置在天線角度上的參考信息可準(zhǔn)確獲得且不變化，分別安裝方位激光探測(cè)器和俯仰激光探測(cè)器。角度誤差檢測(cè)單元一邊實(shí)時(shí)獲取來自伺服控制系統(tǒng)的天線位置角碼數(shù)據(jù)，一邊獲取來自方位和俯仰激光探測(cè)器的角度數(shù)據(jù)。然后將天線角碼數(shù)據(jù)和該參考位置角度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而計(jì)算出相對(duì)差值，當(dāng)差值超過方位或俯仰角度誤差允許范圍時(shí)給出報(bào)警信號(hào)。報(bào)警信號(hào)發(fā)給雷達(dá)數(shù)據(jù)獲?。≧adar data acquisition，RDA）計(jì)算機(jī)，并由RDA計(jì)算機(jī)向用戶發(fā)出請(qǐng)求維護(hù)信息，雷達(dá)維護(hù)人員應(yīng)采用太陽法或地物在線等方法對(duì)雷達(dá)進(jìn)行天線指向檢測(cè)和標(biāo)定。該激光探測(cè)角度檢測(cè)誤差，主要由天線掃描時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)到當(dāng)前位置觸發(fā)激光探測(cè)器的角度位置位移決定，精度可達(dá)0.05°。

圖1 天線指向誤差探測(cè)原理框圖Fig. 1 Block diagram of the detection system of antenna pointing errors

圖2為方位角探測(cè)器誤差檢測(cè)示意圖。在雷達(dá)運(yùn)行掃描某一有效仰角上，選取方位角內(nèi)某一固定位置，安裝一激光探測(cè)器。當(dāng)天線運(yùn)行到此位置時(shí)，得到一個(gè)位置信號(hào)。與此同時(shí)，天線伺服控制系統(tǒng)也會(huì)獲取到一個(gè)位置的角度信息。將兩個(gè)角度信息進(jìn)行對(duì)比，激光探測(cè)器的角度值是固定值，天線伺服控制系統(tǒng)測(cè)量到的角度是天線實(shí)際運(yùn)行的角度位置值。當(dāng)兩者差值超過允許誤差的時(shí)候，給雷達(dá)控制計(jì)算機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示系統(tǒng)角度誤差已經(jīng)影響數(shù)據(jù)質(zhì)量，需要維護(hù)雷達(dá)。

圖2 天線罩內(nèi)方位角探測(cè)器示意圖Fig. 2 Diagram of azimuth error detector inside the radome

圖3為俯仰角探測(cè)器誤差檢測(cè)示意圖。由于俯仰方向上的天線指向誤差對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響較方位方向上更大，該指向誤差控制精度要求更高。如我國新一代天氣雷達(dá)業(yè)務(wù)運(yùn)行模式，天線在俯仰方向上通常處于0.5°～19.5°。如果只在角度范圍邊緣檢測(cè)，那么俯仰角度誤差的判定可以更加簡(jiǎn)單一些，也更加準(zhǔn)確一些。工作掃描的最小仰角為0.5°，當(dāng)天線在俯仰方向的指向誤差超過±0.1°的允許范圍時(shí)，天線的實(shí)際最小仰角要么高于0.6°，要么低于0.4°?；谏鲜銮闆r，在0.4°和0.6°各設(shè)置一個(gè)激光探測(cè)器。正常情況下，雷達(dá)天線指向不在誤差門限附近，此時(shí)天線在俯仰方向上是不能到達(dá)0.4°位置的。因此，如果0.4°位置處得到一個(gè)激光信號(hào)，說明天線的俯仰角度已經(jīng)超出誤差允許的下限。誤差允許的上限為另一種情況，正常情況天線在每個(gè)掃描周期都會(huì)回到最低仰角0.5°位置，當(dāng)然也會(huì)經(jīng)過0.6°的位置。但是，如果超過誤差運(yùn)行上限時(shí)會(huì)使得天線不能回到0.6°的位置。那么只需要判斷在一個(gè)掃描周期的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)不到0.6°位置的激光探測(cè)信號(hào)，即可確定俯仰方向的角度已經(jīng)偏離誤差運(yùn)行上限。

圖3 天線罩內(nèi)俯仰角探測(cè)器示意圖Fig. 3 Diagram of elevation error detectors inside the radome

2.2 激光探測(cè)器檢測(cè)方法技術(shù)原理

上述激光探測(cè)器角度檢測(cè)誤差與激光探測(cè)器在安裝位置的模糊位移有關(guān)，就此對(duì)激光的模糊位移進(jìn)行詳細(xì)分析。表1為S，C，X三個(gè)波段天氣雷達(dá)的天線罩參數(shù)和天線指向0.05°和0.1°誤差在天線罩半徑距離處的位移距離。以S波段天氣雷達(dá)為例，對(duì)天線指向誤差檢驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析，計(jì)算天線指向誤差對(duì)應(yīng)激光反射允許的模糊位移。天線罩直徑11.9 m，如在其半徑位置安裝激光探測(cè)器，則0.05°天線指向誤差在天線罩半徑的位移為5.19 mm，0.1°天線指向誤差位移為10.38 mm。激光探測(cè)器在天線罩半徑5.95 m處的可感知激光光斑尺寸約為表2中的13.91 mm，在進(jìn)入反射體5.19 mm以內(nèi)發(fā)出對(duì)準(zhǔn)信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)0.05°的檢測(cè)誤差。

表1 天線罩半徑處的誤差位移Table 1 Error displacements at the radius of the radome

表2 探測(cè)器模糊位移測(cè)試Table 2 Fuzzy displacements of laser detectors

圖4 激光運(yùn)動(dòng)模糊誤差示意圖Fig. 4 Diagram of the laser motion fuzzy error

激光光斑和反射體，一個(gè)固定，另一個(gè)運(yùn)動(dòng)，兩者是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位置關(guān)系。假定激光按圖4示意中由上向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，以激光光斑的下邊緣為探測(cè)起點(diǎn)，以進(jìn)入反射體發(fā)生感知信號(hào)的縱向深度為探測(cè)靈敏度。在S波段天氣雷達(dá)中，只要該深度值（模糊位移）小于5.19 mm就能保障0.05°的角度檢測(cè)誤差。

2.3 激光探測(cè)器檢測(cè)方法測(cè)試評(píng)估

激光探測(cè)器檢測(cè)能力測(cè)試評(píng)估方法具體如下：首先，分別固定激光探測(cè)器和反射體，其中反射體安裝于可水平移動(dòng)帶有游標(biāo)卡尺刻度的平臺(tái)上；然后，微調(diào)反射體使其進(jìn)入傳感器發(fā)射的激光光斑面積區(qū)域，以進(jìn)入光斑可觸發(fā)激光傳感器產(chǎn)生可感知信號(hào)的移動(dòng)距離作為模糊位移；最后，反復(fù)測(cè)量，確定模糊位移并計(jì)算對(duì)應(yīng)半徑內(nèi)的模糊角度。表2是根據(jù)不同頻段天氣雷達(dá)天線參數(shù)，在天線罩半徑處測(cè)得的探測(cè)器模糊位移和角度數(shù)據(jù)。由此模糊角度數(shù)據(jù)可知，在俯仰方向上通過該探測(cè)器進(jìn)行限位，可以實(shí)現(xiàn)0.05°以內(nèi)角度誤差檢測(cè)。

只要探測(cè)器得到的位置角度數(shù)據(jù)與天線伺服得到的角碼數(shù)據(jù)時(shí)間上一致，就能確保角度對(duì)比是有效的。國內(nèi)CINRAD/SA、CA、X波段天氣雷達(dá)的交流伺服控制系統(tǒng)采用14位量化360°角度碼，最小分辨率為0.022°；直流伺服采用13位量化，電機(jī)控制精度0.044°。量化過程中小于1個(gè)有效位（Least significant bit，LSB）的角碼按照一定的規(guī)則入位或舍棄，產(chǎn)生量化誤差。該量化誤差屬于原理性誤差，均小于0.05°。因此，伺服控制天線位置會(huì)產(chǎn)生小于0.05°的量化誤差。目前天氣雷達(dá)伺服控制角度傳輸間隔為45和11.25 ms兩種模式，角度分辨率交流0.022°和直流0.044°。天線的角速度范圍0°～36°/s，伺服控制系統(tǒng)的天線角碼最小傳輸時(shí)間間隔為11.25 ms。因此只需在0.05°～0.1°誤差角度范圍內(nèi)，同時(shí)得到天線角碼數(shù)據(jù)和探測(cè)器位置角度數(shù)據(jù)，就可判定兩者在方位角上的位置差值。經(jīng)過計(jì)算，0.05°的角速度為4.44°/s，0.1°的角速度為8.89°/s。因此，在雷達(dá)體掃特定仰角（Plan position indicator，PPI）的掃描中，即可實(shí)現(xiàn)在方位上的對(duì)應(yīng)天線指向誤差的在線檢測(cè)。同理可得在俯仰方向上也能實(shí)現(xiàn)天線指向誤差的在線檢測(cè)。

2.4 激光探測(cè)器檢測(cè)示例

選取CINRAD/SA雷達(dá)為試驗(yàn)平臺(tái)，該雷達(dá)使用交流伺服控制系統(tǒng)，14位量化角碼，角碼最小分辨率為0.022°。激光探測(cè)器安裝在天線罩內(nèi)，通過RHI和PPI掃描對(duì)上述探測(cè)方法進(jìn)行實(shí)際檢驗(yàn)。按圖3示意圖方式，激光探測(cè)器1安裝在任意選取方位角（本次試驗(yàn)隨機(jī)選取的方位角為10.8°）和俯仰角0.6°共同確定的位置；激光探測(cè)器2安裝在俯仰角為0.4°且在方位上與探測(cè)器1相差1.8°的位置。探測(cè)器1用于檢驗(yàn)方位角方向和俯仰角0.6°位置的指向偏差；探測(cè)器2僅用于檢驗(yàn)俯仰角0.4°的指向偏差，對(duì)其具體方位角位置不關(guān)注。另外，探測(cè)器1和探測(cè)器2在方位上1.8°的間隔實(shí)測(cè)距離約為100 mm，用于防止兩激光光斑的邊緣重疊造成互相干擾。為了在試驗(yàn)中便于調(diào)節(jié)激光反射體位置，將激光反射體粘貼在天線旋轉(zhuǎn)拋物面底部最低位置的邊緣。在保持方位角不變的情況下通過RDA計(jì)算機(jī)設(shè)置并轉(zhuǎn)動(dòng)到天線俯仰角為0.6°的位置，然后人工推天線使激光反射體與激光探測(cè)器正對(duì)時(shí)，測(cè)得激光探測(cè)器1與激光反射體之間的距離約為3.25 m。經(jīng)過RDA計(jì)算機(jī)RHI控制天線分別置于俯仰角0.4°和0.6°位置，測(cè)得激光反射體在兩位置間垂直距離約為30 mm。而激光反射體的有效反射區(qū)域大小為14 mm×14 mm，該邊長(zhǎng)小于俯仰角0.4°和0.6°位置之間垂直距離，因此可以確保激光探測(cè)器1和2用于檢測(cè)俯仰位置的有效性。

俯仰方向天線指向誤差檢測(cè)，試驗(yàn)第一步采用RHI控制使天線處于俯仰角0.6°位置，然后PPI掃描，實(shí)測(cè)每圈掃描激光探測(cè)器1有對(duì)正響應(yīng)，激光探測(cè)器2無響應(yīng)；試驗(yàn)第二步RHI使天線處于俯仰角0.4°位置，然后PPI掃描，實(shí)測(cè)每圈激光探測(cè)器1無響應(yīng)，激光探測(cè)器2有對(duì)正響應(yīng)。表明俯仰角0.4°和0.6°位置激光探測(cè)器已正常發(fā)揮作用。

CINRAD/SA雷達(dá)的體掃模式VCP21（Volume coverage pattern 21）在俯仰角6°以下低仰角掃描角速度介于11°～12°/s。因此試驗(yàn)中采用俯仰角固定在0.6°天線做角速度為12°/s和8.8°/s的PPI掃描，其中8.8°/s掃描作為對(duì)比參照。表3為天線固定在0.6°俯仰位置做角速度分別為8.8°和12°/s的PPI掃描測(cè)得的俯仰角實(shí)測(cè)值。理論上每圈掃描測(cè)得的俯仰角應(yīng)保持為0.6°，但是由于角度的14位數(shù)字量化和±0.022°的最小測(cè)量精度的原因?qū)е聦?shí)測(cè)的俯仰角有0.57°和0.62°兩個(gè)。另外，伺服角碼精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位導(dǎo)致14位數(shù)字量化后±1位LSB的±0.022°量化誤差會(huì)由小數(shù)點(diǎn)后第3位進(jìn)位舍位造成0.02°～0.03°的測(cè)量模糊，但同一角度測(cè)量值的大小值之間的差值應(yīng)不大于0.05°（0.022×2=0.044）。同理，方位角測(cè)量值也存在最大、最小值差值不超過0.05°的測(cè)量數(shù)據(jù)模糊。因此，PPI掃描每圈天線上激光反射體運(yùn)行到激光器1位置時(shí)，如果得到的方位角數(shù)據(jù)最小、最大值之間差在0.05°以內(nèi)，則表明測(cè)量值是有效合理的。

表3 PPI掃描俯仰角0.6°的實(shí)測(cè)值Table 3 Measured elevation angles at the elevation of 0.6° in PPI scanning

表4為角度誤差檢測(cè)單元在PPI掃描時(shí)，獲取到的天線伺服角碼數(shù)據(jù)和激光探測(cè)器的傳感器與激光反射體對(duì)正時(shí)刻的時(shí)間測(cè)量參數(shù)。角度誤差檢測(cè)單元給獲取到的每個(gè)伺服角碼數(shù)據(jù)和激光探測(cè)器正對(duì)數(shù)據(jù)打印時(shí)間戳，時(shí)間戳的最小單位精確到0.06 μs，計(jì)數(shù)器量程為0～25.6 s，計(jì)數(shù)溢出后循環(huán)。由于正常PPI掃描時(shí)激光探測(cè)器對(duì)正時(shí)刻的數(shù)據(jù)一定是介于兩個(gè)伺服角碼數(shù)據(jù)之間，因此激光探測(cè)器正對(duì)時(shí)刻與獲取到當(dāng)前位置伺服角碼兩者的時(shí)間差極限值僅為幾十毫秒。如果該時(shí)間差超過1 s，角度誤差檢測(cè)單元可以判定雷達(dá)處于非正常工作狀態(tài)，此時(shí)角度檢測(cè)報(bào)警無效。

表4記錄了俯仰角固定在0.6°分別以不同角速度進(jìn)行PPI掃描時(shí)，激光探測(cè)器與激光反射體對(duì)正時(shí)刻時(shí)間和鄰近時(shí)刻的天線角碼的獲取時(shí)間。表中方位角表示激光反射體與激光探測(cè)器正對(duì)時(shí)刻獲取的方位角角度值；方位角時(shí)間為獲得該方位角的時(shí)間戳；激光傳感器正對(duì)時(shí)間為激光反射體與激光探測(cè)器正對(duì)時(shí)刻的時(shí)間戳。激光探測(cè)器安裝在10.8°，當(dāng)天線運(yùn)行到激光探測(cè)器位置時(shí)測(cè)得的方位角為10.81°和10.85°。本次測(cè)量先得到方位角位置信息，后得到激光探測(cè)器對(duì)正的時(shí)間，通過天線的角速度和時(shí)間差參數(shù)對(duì)方位角修正，修正后的方位角為激光探測(cè)器所在的方位角位置——表4中的修正方位角。在天線為12°/s角速度時(shí)，激光探測(cè)器的修正方位角位置分別為10.83°，10.85°和10.86°，最大、最小值差為0.03°；在天線為8.8°/s角速度時(shí)，激光探測(cè)器的修正方位角位置分別為10.83°和10.86°，最大、最小值差為0.03°。該最大最、小值差的0.03°與1個(gè)LSB進(jìn)位后的量化誤差一致，表明激光探測(cè)器位置測(cè)量非常準(zhǔn)確。由于最初預(yù)設(shè)10.8°位置并沒有精確到小數(shù)點(diǎn)后2位，因此可將表4中修正方位角的平均值10.85°作為參考點(diǎn)，一旦雷達(dá)配置VCP在0.6°低仰角掃描時(shí)出現(xiàn)超過±0.05°偏差的數(shù)據(jù)（10.79°和10.91°），則表明天線的方位指向偏差較大，并RDA計(jì)算機(jī)向用戶請(qǐng)求太陽法標(biāo)定。

3 小結(jié)

激光探測(cè)器天線角度檢測(cè)方法，不受自然界的干擾和影響。其方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔明了、較為可靠，有較好的業(yè)務(wù)實(shí)用性。經(jīng)過在CINRAD/SA雷達(dá)上實(shí)測(cè)檢驗(yàn)，激光探測(cè)器不僅在天線俯仰方向上對(duì)指向超限限定位置檢測(cè)響應(yīng)較為靈敏，而且對(duì)天線的方位角可以實(shí)現(xiàn)0.05°以內(nèi)精度的位置定位，位置檢測(cè)較為準(zhǔn)確。該方法可適用于CINRAD/SA、CA等多個(gè)帶有天線罩的業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)型號(hào)，在體掃中自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控天線方位和俯仰方向上同時(shí)實(shí)現(xiàn)0.1°以內(nèi)的天線指向精度檢測(cè)，解決了現(xiàn)有業(yè)務(wù)雷達(dá)不能在線檢測(cè)指向偏差的問題。

表4 PPI掃描時(shí)方位角與激光探測(cè)器的測(cè)量參數(shù)Table 4 Parameters of azimuth angle and laser detector in PPI scanning