氣象雷達(dá)產(chǎn)品在強(qiáng)對(duì)流天氣觀測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

丁頁 李冀寧 劉洪林 宮正 王文武

摘要：近些年來，我國的航空工業(yè)越來越完善，航空需求也越來越高，不論是民用還是軍用的航空飛行都在逐年增加。但是在航班飛行中會(huì)遇到強(qiáng)對(duì)流天氣，這種天氣對(duì)航班的影響十分嚴(yán)重，所以，有必要在傳統(tǒng)基礎(chǔ)上增加關(guān)于強(qiáng)對(duì)流天氣的研究，以提升強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)測(cè)探測(cè)精準(zhǔn)度，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng) 天線定位系統(tǒng) 觀測(cè)預(yù)報(bào)

在天線的使用中，雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)對(duì)其具有重要的意義，能夠幫助天線跟蹤空中目標(biāo)的方向，確保跟蹤過程中穩(wěn)定、精準(zhǔn)?；蛘呖梢哉f，通過控制系統(tǒng)在工作中的反饋來調(diào)整雷達(dá)的狀態(tài)，使雷達(dá)軸線保持與目標(biāo)平行。下面將闡述CINRAD/SA-ASP-DP型雙線偏振天伺分系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容。這種設(shè)備在使用過程中一般為24小時(shí)制，其中天線工作時(shí)將進(jìn)行空間360°的全方位扇掃并發(fā)出電磁波，然后根據(jù)遇到空中目標(biāo)反射回來的電磁波來進(jìn)行分析，得到數(shù)據(jù)結(jié)果。

一、系統(tǒng)介紹

CINRAD/SA-ASP-DP型雙線偏振天伺分系統(tǒng)使一種簡(jiǎn)單實(shí)用的系統(tǒng)，通常建立于4個(gè)獨(dú)立的單元，分別是天線座組合2AI，三相電源變壓器98A10數(shù)字控制單元5A6以及功率放大單元5A7。這四個(gè)單元通過各自的信息處理以及相互間的信息傳遞來將收到的天線信號(hào)進(jìn)行分析處理，從而將處理后的信息反饋回去，保證天線能夠定位目標(biāo)并且及時(shí)追蹤目標(biāo)。

（一）天線座組合2AI

天線座機(jī)組合由于其工作位置的特殊性，俯仰軸必須要建立在方位軸上面，這樣才可以有效驅(qū)動(dòng)半徑達(dá)到4.27m的天線。一般情況下，如果設(shè)備的工作符合規(guī)范，天線方位軸工作的最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到36°/S，同時(shí)俯仰軸的最高轉(zhuǎn)速也和方位軸一直，同樣可以達(dá)到36°/S，但是和方位軸不同的是，俯仰軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度最低為-12°，最高也只能達(dá)到90.2°。所以，由于角度的限制，方位軸和俯仰軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度并不會(huì)一致，在方位軸正常轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，俯仰軸必須要向上階躍一步。為了確保設(shè)備的安全，兩軸都安裝有保護(hù)裝置，防止由于轉(zhuǎn)速過大而導(dǎo)致故障甚至是事故。天線座的工作并不是外界信號(hào)直接控制的，而是由微型計(jì)算機(jī)控制，微型計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)鏈將信號(hào)發(fā)送到數(shù)字控制單元，再通過功率放大單元進(jìn)行控制。

（二）數(shù)字控制單元5A6

在上文中已經(jīng)敘述到數(shù)字控制單元的作用，是將微機(jī)的信號(hào)傳送給下一單元。天線座以及功率放大單元的工作狀態(tài)是重要的數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)傳送到數(shù)字控制單元，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。狀態(tài)信號(hào)是不可或缺的分析內(nèi)容，通常對(duì)狀態(tài)信號(hào)的研究，可以判斷出設(shè)備的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)是否在正常范圍以內(nèi)，進(jìn)行判斷其是否發(fā)生故障后者人為操作不當(dāng)，以確保工作人員以及設(shè)備的安全。故障部位反饋到計(jì)算機(jī)，然后對(duì)這些部位的線路、元件進(jìn)行更換，或者要求工作人員完善操作。天線座以及功率放大器單元的工作狀態(tài)是設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要內(nèi)容，數(shù)字控制單元對(duì)這些狀態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)的分析處理，才可以進(jìn)行相關(guān)的操作。狀態(tài)信號(hào)中包含了許多設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)信息，比如速度和位置、過流和油位低等信息。如果檢測(cè)到故障信息，設(shè)備系統(tǒng)就會(huì)直接停止設(shè)備的工作，保障設(shè)備以及人員的安全。另外，狀態(tài)信號(hào)還會(huì)被傳送到RDA計(jì)算機(jī)，通常多種計(jì)算機(jī)的綜合分析處理，確保全面保障設(shè)備安全。

（三）系統(tǒng)功率要求

天線定位系統(tǒng)在使用過程中必須要采用三相四線制，并且穩(wěn)態(tài)電壓應(yīng)當(dāng)為220/380Vd dc±10%、50Hz，這樣對(duì)于三個(gè)單元兩種ac電源才可以完美結(jié)合，并且對(duì)于多種dc電源同樣也可以使用。除此之外，對(duì)于功率放大單元、數(shù)字控制單元以及三相電源變壓器單元這三個(gè)單元，應(yīng)當(dāng)使用不同的電壓，分別為96Vac三相電、220Vac三相電以及380Vac三相電。

二、雷達(dá)產(chǎn)品在強(qiáng)對(duì)流天氣演變中的預(yù)報(bào)分析

在現(xiàn)代氣象研究中，數(shù)字化和自動(dòng)化的占比趨勢(shì)已經(jīng)越來越重，其中雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)是重要的基礎(chǔ)，可以探測(cè)一些重要的數(shù)據(jù)，如臺(tái)風(fēng)、雷暴等。不同于其他探測(cè)系統(tǒng)，雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)具有很多的優(yōu)點(diǎn)，在光線強(qiáng)或者弱的環(huán)境中，探測(cè)效果都不受影響，并且在大霧，多云、強(qiáng)降水等天氣中都可以正常工作，因此具有全天候、強(qiáng)穿透的工作特征。一般局域內(nèi)大于或者暴雨都會(huì)影響觀測(cè)的反射率因子場(chǎng)，很容易產(chǎn)生有較大影響的強(qiáng)回波區(qū)。不同于暴雨這樣的強(qiáng)天氣，中小尺度的降水等天氣一般會(huì)帶來強(qiáng)回波帶，有時(shí)候也會(huì)有回?fù)軋F(tuán)產(chǎn)生，回波頂也十分不規(guī)律。徑向速度場(chǎng)也具有較大的作用，可以對(duì)氣流的高低變化進(jìn)行合理的分析。另外，強(qiáng)水區(qū)以及徑向速度場(chǎng)上的逆風(fēng)區(qū)有較高的聯(lián)系，所以在實(shí)際觀測(cè)分析中一般都能夠利用逆風(fēng)區(qū)的特征來測(cè)定強(qiáng)降水的落點(diǎn)。對(duì)于一些暴雨天氣，應(yīng)當(dāng)根據(jù)逆風(fēng)區(qū)的特征進(jìn)行合理分析，并且結(jié)合其他諸多參考因素來測(cè)定。

三、氣象雷達(dá)產(chǎn)品在對(duì)流天氣預(yù)報(bào)的重要性

強(qiáng)對(duì)流天氣對(duì)航班的正常運(yùn)行會(huì)有較大的影響，劇烈的強(qiáng)對(duì)流天氣會(huì)對(duì)航班產(chǎn)生嚴(yán)重的安全威脅。天氣預(yù)報(bào)對(duì)于航班的飛行有重要的參考意義，所有的航班都需要準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)作為依據(jù)，在航線中，如果沒有及時(shí)準(zhǔn)確的應(yīng)對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣，那么飛行事故就在所難免。因此，如果加入氣象雷達(dá)，天氣預(yù)報(bào)就更加準(zhǔn)確可靠，航線中的天氣狀況就清晰明朗，航班的安全保障也就越高，減少了不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

氣象雷達(dá)產(chǎn)品可以利用降水回波頻率和發(fā)射頻率之間變化信息來推斷風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征。當(dāng)波源和觀測(cè)者作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者所收到的頻率和波源頻率不同，其頻率變化量和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)。氣象雷達(dá)產(chǎn)品通過對(duì)回波信號(hào)位相變化幅度分析和梳理，得到目標(biāo)物徑向速度，判斷實(shí)際風(fēng)場(chǎng)分布。

結(jié)語：雷達(dá)伺服控制系統(tǒng)最初用于船舶自動(dòng)駕駛儀、火炮控制和指揮，后來逐漸擴(kuò)展到許多領(lǐng)域，尤其是雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)。并且可以對(duì)天氣實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，并有自行標(biāo)校功能，保證雷達(dá)的測(cè)量精度。雷達(dá)伺服控制系統(tǒng)產(chǎn)品不但可以實(shí)時(shí)給予各類天氣圖像信息，而且還可以提供對(duì)多類災(zāi)害性天氣的自動(dòng)識(shí)別以及追蹤產(chǎn)品，這些產(chǎn)品對(duì)于強(qiáng)對(duì)流天氣觀測(cè)預(yù)報(bào)發(fā)揮著極其關(guān)鍵的作用。