天氣雷達天線運行狀態(tài)在線檢測初探

秦建峰，蔡 宏，姚麗瓊

(1.武漢國家基本氣象觀測站，武漢 430040；2.湖北省氣象信息與技術保障中心，武漢 430074)

0 引言

天氣雷達天線的運行狀態(tài)對雷達數(shù)據(jù)質量有著重要影響。目前中國氣象局部署的各型號天氣雷達尚未實現(xiàn)天線運行狀態(tài)的在線檢測和報警功能，研究雷達天線運行狀態(tài)在線檢測方法并將其付諸應用對于提升雷達性能在線監(jiān)測能力和提高雷達數(shù)據(jù)質量具有積極意義。在天氣雷達的運行保障中，只能離線檢測天線定位誤差，天線運行狀態(tài)在線檢測即在雷達運行中對天線的實際運轉狀況進行實時檢測、異常識別和報警。周紅根[1]等研究了包括天氣雷達伺服控制性能的檢測和標定技術；國內(nèi)一些專家學者研究了雷達空間定位誤差分析與診斷[2-4]，天線性能及運行狀態(tài)的機外儀表檢測方法和手段[5-7]，以及天伺系統(tǒng)的故障分析與處理[8-10]；Rico-Ramirez[11]等利用高分辨率數(shù)字高程模型(分辨力不低于50 m)生成模擬地物回波場，用模擬地物回波場和實際地物回波場的交叉相關系數(shù)計算天線方位指向誤差，方位偏差在-0.1°～-0.3°變化；Huuskonen[12]等在其他學者研究基礎上提出了一種利用太陽輻射進行雷達天線指向誤差在線檢測的方法，給出了包含大氣折射、大氣衰減、空氣濕度、太陽輻射功率等因子的計算方程，可計算出天線方位和仰角指向誤差，實驗表明仰角偏差在0.1°～0.15°變化，方位偏差變化較仰角偏差更大一些；Altube[13]等改進了太陽輻射功率識別和太陽輻射檢測模型，使太陽輻射校準天線指向誤差的方法也適用于中程雷達(80～150 km)。文章根據(jù)天氣雷達天線運行控制的特點，提出了一種基于雷達運行日志的天線運行狀態(tài)在線檢測方法，詳細介紹了檢測方法的基本原理及應用中需要注意的問題。最后，利用武漢CINRAD/SA天氣雷達運行日志數(shù)據(jù)對在線檢測方法進行了應用檢驗。

1 天線運行狀態(tài)參數(shù)

天氣雷達的天線運行狀態(tài)包括方位運行狀態(tài)和俯仰運行狀態(tài)，天線運行狀態(tài)參數(shù)包括方位運行狀態(tài)參數(shù)和俯仰運行狀態(tài)參數(shù)[14，15]。

1.1 天線方位運行狀態(tài)參數(shù)

天氣雷達運行時，天線方位運行控制為速度模式，即對天線的運轉速度進行控制，在各PPI掃描層控制天線以預定的速度作勻速運動，雷達觀測模式不同則天線運轉速度不同。運行中影響觀測數(shù)據(jù)質量的在線檢測參數(shù)有掃描層方位平均速度vi、方位零點誤差σA0和方位角度野值個數(shù)Na及具體野值信息(Tn，Pn)。

1.1.1 掃描層方位平均速度vi

vi表示天線在每個PPI掃描層的平均速度，i表示PPI掃描層序號。圖1為單個PPI掃描層天線方位角度—采樣時間曲線示意圖，A點為天線啟動位置，A-B區(qū)段為方位角度隨時間變化的曲線，C點為下一個掃描層啟動位置。雷達在運行過程中，對天線方位角度實時采樣，Pn和Tn分別表示方位角度值和采樣時刻，P1和T1分別表示掃描啟動后的第1個方位角度值和第1個采樣時刻，PM和TM分別表示掃描層中的最后1個方位角度值和最后1個采樣時刻。

采樣間隔時間內(nèi)的天線轉速定義及計算見公式(1)。

(1)

掃描層的方位平均速度定義及計算見公式(2)。

(2)

圖1 單個掃描層天線方位角度-采樣時間曲線示意圖

1.1.2 方位零點誤差σA0

σA0表示天線在方位零點的定位誤差。方位為連續(xù)運轉，只能確定天線方位零點位置的定位誤差，以反映方位控制的絕對誤差。雷達開始掃描時，天線停駐在方位零點附近位置，即圖1中的A點，記方位角度為PA，根據(jù)公式(3)計算σA0。

σA0=PA

(3)

1.1.3 方位角野值個數(shù)Na及具體野值信息

Na表示天線在運轉中方位角碼值出現(xiàn)跳變的次數(shù)，以及各跳變值的具體信息(Tn，Pn)，其中，n=1，2，……，Na；Tn為出現(xiàn)跳變角碼值的采樣時間；Pn為跳變角碼值。Na及(Tn，Pn)可作為天線方位運行故障識別與報警參數(shù)。在天氣雷達作體積掃描時，天線方位為順時針單向圓周運轉，天線方位運轉狀態(tài)包括停駐(抖動)、加速、減速和勻速?？紤]到機械傳動系統(tǒng)慣性，在足夠短的采樣時間間隔內(nèi)，可認為相鄰兩個采樣間隔時間內(nèi)天線方位轉速不會出現(xiàn)明顯變化。所以，可根據(jù)前一個采樣間隔時間內(nèi)的方位轉速預估下一個采樣時刻方位角度值范圍，作為方位角野值判斷的條件。

1)當前采樣時刻方位角度范圍的確定

為了確定下一個采樣時刻方位角度值范圍，引入2個參量Δn和Δρ，設定當前采樣時刻的方位角度范圍為Pn∈(Pn-1，Pn-1+Δn)∪(Pn-1-Δρ，Pn-1+Δρ)，n≥2，若超過此范圍則判斷Pn為方位角度野值。當n≥3，Δn定義及計算見公式(4)，由公式(4)和公式(1)可得到公式(5)，Δρ由公式(6)計算。

Δn=k1×Vn-2×(Tn-Tn-1)

(4)

(5)

式中，Δn為根據(jù)前一個采樣間隔時間的方位轉速Vn-2預估當前采樣時刻Tn的方位角度Pn相對前一個采樣時刻Tn-1的方位角度Pn-1的允許偏差；k1為比例系數(shù)，由天線轉速、運轉的穩(wěn)定性和采樣周期等因素決定。Δn是以適應天線動態(tài)特性為主的參量。

Δρ=k2×ρ

(6)

式中，Δρ為根據(jù)天線的定位準確度(由雷達設計所確定)確定的允許偏差；k2為比例系數(shù)，主要由天線運轉的穩(wěn)定性決定；ρ為方位定位準確度，目前各型號天氣雷達均為0.1°。Δρ是以適應天線靜態(tài)特性為主的參量。

2)通過Δn和Δρ確定角度允許偏差的說明

圖2為天線方位轉速對應方位角度允許偏差區(qū)間示意圖。Vmax為Vn-2的最大值，由公式(4)可知Vn-2=0對應天線停駐狀態(tài)。當天線處于停駐狀態(tài)(靜止、抖動)及|Vn-2|<|k2·ρ/(k1·tn-1)|的低速區(qū)(tn-1=Tn-Tn-1)，Pn的范圍由(Pn-1-Δρ，Pn-1+Δρ)確定，即圖2中的區(qū)間S1；當天線處于運轉(加速、勻速、減速)高速區(qū)|Vn-2|>|k2·ρ/(k1·tn-1)|，Pn的范圍由(Pn-1，Pn-1+Δn)∪(Pn-1-Δρ，Pn-1+Δρ)確定，順時針(上升)對應圖2中的區(qū)間S2，逆時針(下降)對應圖2中的區(qū)間S3；當天線由停駐狀態(tài)向運轉狀態(tài)轉換時，隨著天線轉速不斷提高，Pn的范圍開始由S1確定，繼而由S2或S3確定。天線由運轉狀態(tài)向停駐狀態(tài)轉換時，則反之。

圖2 天線方位轉速對應方位角度允許偏差區(qū)間示意圖

當n=1，第1個采樣時刻的采樣值P1不進行野值判斷，且取Δ1=Δ2=0。在計算中野值應該剔除，即不參加下一個方位角度范圍的計算。

1.2 天線俯仰運行狀態(tài)參數(shù)

天氣雷達運行時，天線的俯仰運行控制為位置模式，即控制天線精確定位，在各俯仰層控制天線準確到達不同的預定仰角，雷達觀測模式不同則天線俯仰層數(shù)不同。運行中影響觀測數(shù)據(jù)質量的在線檢測參數(shù)有俯仰均方根誤差σi、俯仰平均誤差σE和俯仰角碼野值個數(shù)Ne及具體野值信息(Tn，Pn)。

1.2.1 俯仰均方根誤差σi

σi表示在不同俯仰層天線到達的實際仰角與預定仰角的均方根誤差，i表示俯仰層序號，σi表示各俯仰層定位誤差的離散情況。在天氣雷達進行體積掃描時，天線俯仰停駐到預定的仰角位置后穩(wěn)定不變或抖動，待方位掃描1圈或數(shù)圈后，再停駐到下一個仰角位置。圖3為單個體掃周期天線仰角—采樣時間曲線示意圖，A點為天線啟動位置，橫線區(qū)段表示天線停駐位置，A-B區(qū)段為單個體掃周期仰角隨時間變化曲線，C點為下個體掃周期的啟動位置。σi由公式(7)計算。

(7)

式中，Ei為天線所停駐到的不同俯仰層的預定仰角值；N為Ei對應的實際仰角采樣值個數(shù)。

圖3 單個體掃周期天線仰角-采樣時間曲線示意圖

1.2.2 俯仰平均誤差σE

σE為所有σi的平均值，其大小反映俯仰運行誤差的整體情況。σE由公式(8)計算。

(8)

式中，M為1個體掃周期內(nèi)預定停駐的仰角個數(shù)。

1.2.3 仰角野值個數(shù)Ne及具體野值信息

Ne表示天線在運轉中仰角碼值出現(xiàn)跳變的次數(shù)，以及各跳變值的具體信息(Tn，Pn)，其中，n=1，2，……，Ne；Tn為出現(xiàn)跳變角碼值的采樣時間；Pn為跳變角碼值。Ne及(Tn，Pn)可作為天線俯仰運行故障識別與報警參數(shù)。在天氣雷達進行體積掃描時，天線俯仰運轉狀態(tài)包括上升、停駐(抖動)、下降。仰角野值判斷方法同方位角野值判斷。

同理，為了確定下個采樣時刻仰角范圍，引入2個參量Δn和Δρ，設定當前采樣時刻的仰角范圍為Pn∈(Pn-1，Pn-1+Δn)∪(Pn-1-Δρ，Pn-1+Δρ)，n≥2，若超過此范圍則判斷Pn為仰角野值。

天線俯仰運轉狀態(tài)與仰角允許偏差區(qū)間對應關系同天線方位。

當n=1，第1個采樣時刻的采樣值P1不進行野值判斷，且取Δ1=Δ2=0。在計算中野值應該剔除，即不參加下一個仰角范圍的計算。

2 需要注意的問題

2.1 角度過零處理

在天線運行狀態(tài)在線檢測方法的實現(xiàn)中，天線方位角和仰角存在過零問題，即天線在運轉或停駐時，角度經(jīng)過零點位置，則需要根據(jù)角度分布進行判別和角度轉換處理。若公式(5)中Pn-2和Pn-1分別位于0°左、右，則需采用Pn-2-360轉換為負值計算。區(qū)間(Pn-1，Pn-1+Δn)及(Pn-1-Δρ，Pn-1+Δρ)如果存在過零，也需要將0°左側的角度轉換為負值處理。比如，Pn-2=359.50°，Pn-1=0.50°，Δn=1.50°，Δρ=1.50°，則應將Pn-2轉換為負值即Pn-2=-0.50°，則(Pn-1，Pn-1+Δn)及(Pn-1-Δρ，Pn-1+Δρ)為(0.50，2.00)及(-1.00，2.00)。

2.2 參數(shù)檢測時間

應根據(jù)天氣雷達的掃描特性確定各參數(shù)的檢測時間。按照目前天氣雷達廣泛采用的體掃模式，方位零點誤差σA0可在每次啟動掃描時檢測1次；掃描層方位平均速度vi、方位角野值個數(shù)Na及具體野值信息(Tn，Pn)，俯仰均方根誤差σi、俯仰平均誤差σE、仰角野值個數(shù)Ne及具體野值信息(Tn，Pn)，均可在每次體掃結束后檢測1次。

2.3 天線角度2次采樣

天線角度是雷達掃描徑向數(shù)據(jù)的重要組成部分，需要以高速采樣率(如采樣周期為毫秒級)進行角度采樣，以滿足探測要求，所以天線角度數(shù)據(jù)量很大。在實踐中可根據(jù)天線運轉速度等特性，以合適的采樣率對高速采樣的角度數(shù)據(jù)進行2次采樣，2次采樣率應滿足相鄰的兩個采樣間隔時間內(nèi)天線運轉速度無明顯變化。

2.4 PA的選值

公式(3)中PA選值應為方位旋轉啟動前方位角度的采樣值，以反映天線停駐在方位零點位置的誤差。

2.5 k1和k2值的確定

公式(4)、(5)、(6)中引入了比例系數(shù)k1和k2，以調節(jié)方位角和仰角允許誤差，以不出現(xiàn)虛假角度野值為原則。k1和k2值的確定應考慮天線的控制特性，滿足天線控制性能優(yōu)良，天線運轉穩(wěn)定，過沖或抖動小，所以k1和k2值應取相對小值。反之，則k1和k2值應取相對大值。另外，由圖2中允許偏差區(qū)間分界點|Vn-2|=|k2·ρ/(k1·tn-1)|可知，速度大小及采樣間隔時間也決定了k1和k2的選取。根據(jù)經(jīng)驗，方位角和仰角出現(xiàn)野值時通常為大幅度角碼跳變，所以k1和k2值取相對大值更便于實現(xiàn)。

3 天線運行狀態(tài)在線檢測方法檢驗

文章根據(jù)天氣雷達天線運行控制的特點，給出了8項天線運行狀態(tài)在線檢測參數(shù)及參數(shù)值計算和異常判別方法(表1)，利用武漢CINRAD/SA天氣雷達的運行日志數(shù)據(jù)進行檢驗。

表1 天線運行狀態(tài)在線檢測參數(shù)

3.1 方位零點誤差σA0

從日志數(shù)據(jù)中得到PA=0.04°，則σA0=0.04°。

3.2 掃描層方位平均速度vi

根據(jù)日志數(shù)據(jù)中的角度數(shù)據(jù)和采樣時間可以計算出vi。方位結束角為方位起始角所在PPI掃描圈的下一個PPI掃描圈中的角度。

3.3 俯仰均方根誤差σi和俯仰平均誤差σE

根據(jù)日志數(shù)據(jù)中的角度數(shù)據(jù)和采樣時間可以計算出σi和σE。

3.4 方位角和仰角野值判斷

根據(jù)公式(5)和公式(6)計算得到Δn、Δρ、-Δρ和ΔPn(歸零)曲線。由公式(5)可知，在采樣間隔時間基本均勻的情況下，Δn主要由相鄰采樣時刻的角度差決定。所以方位角度允許誤差控制曲線在于反應Δn隨實際ΔPn的變化關系。因此，為了避免因方位角度范圍大導致各曲線間位置關系的細節(jié)顯示不清，對日志文件中的實際方位角度數(shù)據(jù)進行了歸零處理，ΔPn(歸零)=Pn-Pn-1，且ΔP1=0。從表1可見方位速度較大，則采樣間隔時間取為0.20 s，k1=2.5，k2=6.0。采樣時刻1、采樣時刻2為天線停駐狀態(tài)，采樣時刻3天線已啟動，前3個采樣時刻允許誤差由-Δρ和Δρ決定，隨著天線轉速不斷增大至勻速，允許誤差由Δn和Δρ共同決定。ΔPn(歸零)始終處于允許誤差范圍內(nèi)，說明未出現(xiàn)方位角野值。

根據(jù)公式(5)和公式(6)計算得到Δn、Δρ、-Δρ和ΔPn(歸零)曲線。ΔPn(歸零)曲線反映出天線俯仰從停駐到下降、停駐到上升、上升到停駐多個運行狀態(tài)轉換。采樣間隔時間取0.25 s，k1=2.3，k2=5.0。天線在上升、下降運動狀態(tài)的允許誤差主要由Δn決定，停駐狀態(tài)的允許誤差主要由Δρ決定。

4 結束語

文章根據(jù)天氣雷達天線運行控制的特點，給出了8項天線運行狀態(tài)在線檢測參數(shù)及參數(shù)值計算和異常判別方法。利用武漢CINRAD/SA天氣雷達運行日志數(shù)據(jù)對在線檢測方法進行了應用檢驗，檢驗結果表明在線檢測方法可準確量化表征天氣雷達天線運行狀態(tài)，且便于在各型號天氣雷達中實施。