基于平流層飛艇災(zāi)害性天氣雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)研究①

關(guān)振紅 顧亞文 劉本東

摘 ? 要：災(zāi)害性天氣對人類具有極強(qiáng)的破壞性，準(zhǔn)確監(jiān)測和預(yù)報(bào)災(zāi)害性天氣具有重要的意義。平流層飛艇是一種重要臨近空間平臺(tái)，在對地觀測和防災(zāi)減災(zāi)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。在平流層飛艇上搭載多普勒天氣雷達(dá)可以更加準(zhǔn)確和及時(shí)的監(jiān)測害性天氣。本文介紹了基于平流層飛艇搭載多普勒天氣雷達(dá)的設(shè)計(jì)方案、性能指標(biāo)以及系統(tǒng)特點(diǎn)，并對研制平流層飛艇載多普勒天氣雷達(dá)的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論，為工程實(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞：臨近空間 ?災(zāi)害性天氣 ?平流層飛艇 ?天氣雷達(dá)

中圖分類號(hào)：TN95 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）09（b）-0128-03

中國是世界上遭受災(zāi)害性天氣影響最嚴(yán)重的國家之一。氣象災(zāi)害種類多、強(qiáng)度大、頻率高，嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全，給國家和社會(huì)造成巨大損失。目前，我國主要災(zāi)害性天氣包括臺(tái)風(fēng)、暴雨及突發(fā)天氣等。對災(zāi)害性天氣實(shí)施適應(yīng)性觀測，在敏感區(qū)進(jìn)行連續(xù)追蹤觀測，將明顯提高災(zāi)害性天氣的監(jiān)視和預(yù)測能力。

對于臺(tái)風(fēng)、暴雨、強(qiáng)對流等災(zāi)害性天氣的研究要求高時(shí)空分辨率和高探測精度的大氣參數(shù)信息，主要通過氣象衛(wèi)星資料和地面水文氣象站資料兩種途徑獲取[1]。地面水文氣象站主要通過氣象雷達(dá)以及探空儀等設(shè)備組成，這些設(shè)備對于突發(fā)性災(zāi)害的監(jiān)測、預(yù)報(bào)和報(bào)警都具有重要的作用，是大氣探測的重要手段之一。現(xiàn)有的水文氣象站大部分設(shè)置在低山地帶和平原城鎮(zhèn)，并且站點(diǎn)分布極不均勻，觀測范圍有限、覆蓋率較低，高山、高原上觀測站點(diǎn)稀少，海洋上幾乎沒有探測資料，不能滿足大流域降雨觀測的需求，對高原和山區(qū)降水垂直規(guī)律以及災(zāi)害性天氣的防治帶來一定困難[2-5]。氣象衛(wèi)星圖像資料的空間分辨率和時(shí)間分辨率都比較高，極大地改進(jìn)對強(qiáng)臺(tái)風(fēng)以及暴雨等災(zāi)害性天氣的監(jiān)測預(yù)報(bào)能力，通過對衛(wèi)星云圖的分析是監(jiān)測、預(yù)報(bào)暴雨等中尺度強(qiáng)對流災(zāi)害性天氣系統(tǒng)的有效手段。使用衛(wèi)星云圖預(yù)測強(qiáng)對流云團(tuán)時(shí)，在發(fā)展初期衛(wèi)星云圖上顯示發(fā)展的對流云團(tuán)比地面氣象雷達(dá)回波早，但在強(qiáng)對流出現(xiàn)后，對流云部分遮蔽了活躍的對流視域，因此衛(wèi)星云圖獲取天氣現(xiàn)象的垂直結(jié)構(gòu)具有一定的極限性。對災(zāi)害性天氣的監(jiān)測還可以采用星載降雨雷達(dá)的方式，典型的系統(tǒng)是美日聯(lián)合研制的TRMM衛(wèi)星搭載的降水雷達(dá)（Precipitation Radar）[6]，它可以在衛(wèi)星平臺(tái)上對星下觀測區(qū)域內(nèi)的降雨特性實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候的三維立體探測。降水雷達(dá)觀測區(qū)受衛(wèi)星軌跡的制約，另外衛(wèi)星的發(fā)射和維護(hù)成本高。

大氣探測技術(shù)的發(fā)展趨勢是在空間采用主動(dòng)遙感技術(shù)進(jìn)行探測，而我國在大氣探測中的機(jī)載以及星載的主動(dòng)遙感探測領(lǐng)域發(fā)展相對落后。利用臨近空間平臺(tái)對大氣進(jìn)行探測，可以進(jìn)行更為精細(xì)的探測，提高防災(zāi)減災(zāi)能力?；谄搅鲗语w艇搭載的多普勒天氣雷達(dá)（以下簡稱艇載天氣雷達(dá)）是填補(bǔ)地基雷達(dá)觀測和星載降水雷達(dá)探測之間的空白，是二者之外云雨大氣探測的重要補(bǔ)充，是建立云雨探測星-機(jī)-地綜合探測系統(tǒng)的重要組成部分。

1 ?雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

艇載天氣雷達(dá)工作方式與機(jī)載天氣雷達(dá)和星載降水雷達(dá)有一定相似之處，如圖1所示。雷達(dá)工作時(shí)，沿飛行方向?qū)Φ孛嫔峡盏拇髿膺M(jìn)行大范圍觀測，如果發(fā)現(xiàn)災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，則可對目標(biāo)進(jìn)行垂直精細(xì)掃描，探求臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性天氣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。雷達(dá)獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后通過下傳鏈路傳至地面，經(jīng)地面人員采用數(shù)據(jù)處理算法獲得災(zāi)害性天氣的實(shí)時(shí)信息。

艇載天氣雷達(dá)方案是參考地基天氣雷達(dá)和星載降水雷達(dá)所提出來的，其參數(shù)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是雷達(dá)氣象方程[1]，即

（1）

其中，Pt、Pr分別是雷達(dá)發(fā)射功率與回波功率，G為雷達(dá)天線增益，c為光速，τ是雷達(dá)發(fā)射脈沖寬度，與分別是沿航向和垂直航向的波速寬度，m是散射粒子的復(fù)折射指數(shù)，r是散射粒子與雷達(dá)之間的距離，將上式中雷達(dá)本身參數(shù)和與氣象要素相態(tài)有關(guān)的參數(shù)分開，并令

（2）

其中C為雷達(dá)常數(shù)，則（1）式簡化為

（3）

這樣由雷達(dá)回波功率就可以計(jì)算出雷達(dá)發(fā)射率因子，可以反演氣象目標(biāo)的強(qiáng)度等信息。由于艇載雷達(dá)是從臨近空間向地面照射，因此對雷達(dá)反射率因子進(jìn)行訂正時(shí)要考慮地表的影響，與常規(guī)的地基氣象雷達(dá)相比，訂正方法更復(fù)雜。可以參考星載降雨雷達(dá)衰減因子的方法，采用HB算法和STR估計(jì)相結(jié)合的方法[6]。對于實(shí)用的艇載天氣雷達(dá)，衰減訂正方法是一個(gè)難點(diǎn)之一，需要認(rèn)真研究。

根據(jù)以上分析，結(jié)合常規(guī)天氣雷達(dá)設(shè)計(jì)，得到艇載天氣雷達(dá)主要參數(shù)如表1所示。

設(shè)計(jì)中的艇載天氣雷達(dá)采用發(fā)射線形調(diào)頻脈沖信號(hào)，接收端采用脈沖壓縮技術(shù)通過脈沖間的相參積累來提高系統(tǒng)的增益并提高檢測精度，為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)既能覆蓋較大觀測面積又能實(shí)現(xiàn)較高的水平分辨率，設(shè)計(jì)寬口徑、雙頻率、可以二維掃描的相控陣天線并配以自適應(yīng)掃描方案。艇載測雨雷達(dá)與一般脈沖壓縮體制雷達(dá)組成基本相同，其中波導(dǎo)裂縫平面陣天線，數(shù)字陣列模塊、校正分機(jī)以及頻率源均位于天線陣后部，伺服驅(qū)動(dòng)、波束控制和信號(hào)處理板置于小型分機(jī)內(nèi)。由于采用雙頻全極化模式，因此天線的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，另外對于氣象目標(biāo)的處理上，需要研究專門的算法用以檢測氣象目標(biāo)強(qiáng)度、徑向速度和譜寬信息。

2 ?關(guān)鍵技術(shù)

在原理上，艇載天氣雷達(dá)并不復(fù)雜，但由于平臺(tái)的特殊性，給工程應(yīng)用帶來許多難點(diǎn)，以下問題必須解決。

2.1 實(shí)時(shí)低副瓣脈沖壓縮處理技術(shù)

如前所述，艇載天氣雷達(dá)采用脈沖壓縮技術(shù)來獲得比較高的系統(tǒng)增益并提高檢測精度，但是與地基雷達(dá)不同，艇載天氣雷達(dá)對地進(jìn)行觀測，這樣，地表雜波也會(huì)從距離旁瓣進(jìn)入而干擾降雨的測量，尤其在低頻段則更為明顯。根據(jù)仿真結(jié)果，將距離旁瓣壓到-60dB甚至更低才能有效抑制距離旁瓣雜波[7]。從理論上講，若采用常規(guī)頻域或時(shí)域處理的方法，脈沖壓縮的旁瓣在不加窗的情況下只能做到-13dB;采用常用的泰勒或漢明窗，也只能到-40dB左右。所以，如何采用特殊的窗進(jìn)行壓縮而達(dá)到-60dB旁瓣，而同時(shí)又滿足實(shí)時(shí)高速處理的需求是工程實(shí)踐必須著重加以研究。隨著數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，采用高速并行DSP處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)時(shí)域-60dB的脈沖壓縮。

2.2 定標(biāo)技術(shù)

定標(biāo)技術(shù)是雷達(dá)進(jìn)行定量測量的基礎(chǔ)，由于雷達(dá)參數(shù)和成像參數(shù)之間的不確定性，以及電磁波在傳播過程中由于大氣作用產(chǎn)生的能量衰減、信號(hào)路徑的改變、電磁波極化特性的改變等因素給雷達(dá)測量帶來很多不確定性，使得雷達(dá)測量的重復(fù)性差，并且不能精確反應(yīng)實(shí)際目標(biāo)特性。作為一種定量測量降雨反射信號(hào)功率的微波遙感器，艇載天氣雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)就是通過各種措施測量出影響回波功率的各個(gè)因素大小，并從雷達(dá)回波中去除以上因素的影響，從而建立雷達(dá)回波功率與災(zāi)害性天氣要素之間的精確關(guān)系。只有經(jīng)過了嚴(yán)格精確的定標(biāo)技術(shù)，艇載天氣雷達(dá)才能將精確的信號(hào)功率提供給用戶去反演降雨量。

2.3 地雜波抑制技術(shù)

為了保證一定的距離分辨率，艇載天氣雷達(dá)的掃描方式通常設(shè)計(jì)為在垂直于飛行方向的圓錐掃描，以下視的方式觀測大氣層內(nèi)的降水分布。所以，雷達(dá)天線的波束必然要直射地面，這就導(dǎo)致艇載天氣雷達(dá)可能會(huì)在某一距離單元同時(shí)接收到較弱的降水粒子回波和較強(qiáng)的地雜波。理論上，只有天線完全垂直地面，此時(shí)才可以通過時(shí)間上將降雨回波和表面雜波區(qū)分開，而在偏離這一掃描位置的任何時(shí)刻，主波束照射的回波都會(huì)伴隨著同近距離的旁瓣地表雜波同時(shí)到達(dá)接收系統(tǒng)，這在時(shí)間上是無法區(qū)分的。由于氣象目標(biāo)回波屬于弱反射，而地表雜波的回波功率更強(qiáng)，因此為了能從強(qiáng)雜波中測量弱反射的氣象目標(biāo)回波，需研究各種雜波抑制方法[8]。艇載天氣雷達(dá)地雜波抑制技術(shù)從兩個(gè)方面入手，在硬件方面研究超低旁瓣天線，降低天線副瓣電平可以明顯提高副瓣雜波區(qū)的信雜比，副瓣雜波的計(jì)算也是確定天線副瓣電平指標(biāo)的依據(jù)之一;另一方面在雷達(dá)信號(hào)處理器中擬采用數(shù)字濾波器技術(shù)抑制地雜波，濾波器的特性將根據(jù)地面雜波的譜特征進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用譜補(bǔ)償技術(shù)訂正濾波器對氣象目標(biāo)頻譜的影響，提高艇載天氣雷達(dá)監(jiān)測弱目標(biāo)的能力。

2.4 平臺(tái)本身技術(shù)

艇載天氣雷達(dá)能正常工作的一個(gè)前提條件是飛艇這這個(gè)平臺(tái)的穩(wěn)定可靠，這涉及到總體、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、能源、動(dòng)力等多個(gè)專業(yè)學(xué)科，包含重浮力平衡、熱量平衡、能源平衡以及動(dòng)力平衡等多項(xiàng)內(nèi)在聯(lián)系[9]。必須解決的關(guān)鍵技術(shù)包括：平流層飛艇總體綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，平流層飛艇快速升降技術(shù)，平臺(tái)載荷一體化集成、測試技術(shù)等等。

3 ?結(jié)語

臨近空間具有巨大的應(yīng)用潛能，國內(nèi)外都在積極研究臨近空間的開發(fā)應(yīng)用，而平流層飛艇作為一種實(shí)用的臨近空間平臺(tái)，多個(gè)國家競相啟動(dòng)相關(guān)的研究項(xiàng)目。平流層飛艇搭載天氣雷達(dá)相比于地基天氣雷達(dá)具有很多獨(dú)特的優(yōu)勢，既能成為災(zāi)害性天氣預(yù)警系統(tǒng)，又可以為日后發(fā)展星載降水雷達(dá)提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。平流層飛艇攜帶多普勒天氣雷達(dá)，可對大氣環(huán)境進(jìn)行極高的高分辨率、連續(xù)定點(diǎn)觀測，建立高精度大氣模型，提高大氣和氣象研究水平，尤其可以提高短期氣象預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，提高對臺(tái)風(fēng)和暴雨等氣象災(zāi)害的監(jiān)視和預(yù)報(bào)能力。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 商建， 楊汝良.新一代星載云雨測量雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2010 38（34）：19630-19633.

[3] 陳漢清，鹿德凱，周澤慧，等. GPM降水產(chǎn)品評(píng)估研究綜述[J].水資源保護(hù)， 2019（1）： 27-34.

[4] 陳玉玨， 王雨.TRMM測雨雷達(dá)（PR）弱降水遙感研究[J]. 科技通報(bào)， 2016（5）： 37-40.

[5] 劉培， 吳凱. 中國大陸TRMM降水多尺度精度評(píng)價(jià)[J]. ?水利水電科技進(jìn)展，2018（3）：42-47.

[6] Nakamura K， Okamoto K， Lhara T， et al. Conceptual design of rain radar for the tropicalrain fall measuring mission[J]. international Journal of Satellite Communications，1990，8：257-268.

[7] Iguchi T. Rain-Profiling Algorithm for the TRMM Precipitation Radar[J]. Journal of Applied Meterology， 2000，39（12）：2038-2052.

[8] Menegtini R.Use of the Surface Reference Technique for Path Attenuation Estimates from the TRMM Precipitaion Radar[J]. Journal of Applied Meteorology， 2000，39（12）：2053-2070.

[9] 趙達(dá)， 劉東旭.平流層飛艇研制現(xiàn)狀、技術(shù)難點(diǎn)及發(fā)展趨勢[J]. 航空學(xué)報(bào)， 2016 37（1）：45-56.