基于Matlab 的MST 雷達三維風場數(shù)據(jù)分析與研究

李 艷，張 帥，唐曉慶

（1 武漢晴川學院計算機學院 湖北 武漢 430204）

（2 武漢第二船舶設計研究所 湖北 武漢 430205）

（3 湖北大學 湖北 武漢 430062）

0 引言

MST 雷達是用以觀測中層（Mesosphere）－平流層（Stratosphere）－對流層（Troposphere）的風場矢量、大氣波動和湍流的一種大氣層觀測專用無線電探測雷達[1-3]。利用MST 雷達所觀測數(shù)據(jù)可以直接為氣象業(yè)務服務，改善3 ～6 h 天氣預報質(zhì)量。同時，MST 雷達數(shù)據(jù)還可直接應用于國防軍事部門以及航空航天領域。MST 雷達采用多波束多普勒掃描探測技術，具有無線電測距和多普勒測速功能，屬于全固態(tài)全相參脈沖多普勒（PD）體制[4]。

MST 雷達工作時，首先由主控計算機控制產(chǎn)生高頻探測脈沖信號，該信號在T/R 組件中經(jīng)過移相放大后，再經(jīng)過天饋系統(tǒng)輻射出去，在空間進行功率合成，將能量集中到天線的某一波束方向上[5]。電磁波信號遇到大氣湍流后散射返回，雷達天線接收到回波信號在T/R 組件中放大、移相、合成后傳輸?shù)綌?shù)字中頻接收機，再由數(shù)字中頻接收機進行濾波、放大、正交相位檢測、數(shù)據(jù)抽取，最后由信號處理機進行FFT 計算，形成湍流回波信號功率譜。此功率譜經(jīng)過數(shù)據(jù)處理進行分析后即可反演出大氣風場[6-7]。

1 MST雷達的測風原理

MST 雷達在測風過程中是利用大氣折射指數(shù)不規(guī)則擾動及層狀結(jié)構(gòu)為目標物來產(chǎn)生回波，因此如果目標物“凍結(jié)”在背景風場中與其一起運動，則回波將有多普勒頻移存在[8]。對于MST 雷達波，大氣折射指數(shù)可視為不隨時間而變的常數(shù)，因此多普勒頻移將由目標物與天線之間的相對運動所產(chǎn)生[9]。從回波信號中算出多普勒頻移量，再根據(jù)公式（fd是多普勒頻移，λ是雷達波長）便可得出大氣運動速度。

下文介紹MST 雷達在進行風場觀測中的測風方法，即多普勒波束掃描法（DBS）。這是一種傳統(tǒng)的觀測方法，借雷達波束的旋轉(zhuǎn)分別朝不同的方向發(fā)射及接收，對回波信號先得出其多普勒譜s(f) ，或自相關函數(shù)A( )τ，再利用下式算出平均多普勒頻移量fd：

其中φ( )τ代表A( )τ的相位，fd求出后，根據(jù)目標物沿雷達波束的平均徑向速度便可算出，綜合不同方向雷達波束所量得的目標物徑向速度，根據(jù)簡單的幾何原理，可得出真正的風場。令雷達波束分別朝東及朝北以天頂角θ傾斜發(fā)射及接收，若所量得的徑向風速分別為ur和rv，則大氣的水平風速U 將如下式：

其中需忽略垂直速度的貢獻，因為垂直風速要比水平風速小約1 ～2 個數(shù)量級，而水平風向可由比較ur及rv的大小得出。利用傾斜雷達波束，測量不同方向徑向速度，再推算出大氣真正風向及風速的方法為多普勒波束掃描法。這種測風方法操作簡單，資料處理容易，同時測得的風速精確度高，因此絕大部分的MST 雷達均采用此種方法測量風速。

2 大氣三維風場的重建

MST雷達最重要的應用之一便是大氣三維風場的觀測。傳統(tǒng)上對大氣風場的觀測系利用探空儀來進行，利用此法僅能測得大氣的水平運動速度，而大氣垂直速度則必須利用計算的方法才能間接得出。傳統(tǒng)氣象多普勒雷達雖然能測出降水地區(qū)內(nèi)大氣水平風場的空間分布，但是受到回波目標物存在的限制，仍無法測量出大氣垂直運動速度。因此，目前能同時對大氣三維風場進行觀測的儀器只有MST雷達。

2.1 MST 雷達所測得的三維大氣風場

2.1.1 水平風場的合成

MST 雷達在測風上的特點是具有垂直方向上的指向，具有晴空探測能力，能夠?qū)崟r探測大氣的三維風場。在進行大氣三維風場計算時先假設水平風是均勻的，水平風可以簡單地通過幾何的方法由徑向速度計算出來。在本章中所用到的數(shù)據(jù)均是MST 雷達波束沿固定的傾角所得到，5波束依次掃描探測，4 個傾斜波束和1 個垂直波束，4 個傾斜的指向波束按照探測順序分別是正東、正西、正南、正北，探測順序為東、西、南、北、垂直，固定的傾角為16 度。

MST 雷達的徑向速度用rV來表示，rV的正值表示徑向速度是遠離雷達，而負值表示徑向速度是朝向雷達方向的。用φ表示方位角，規(guī)定水平風的來向為水平風的風向，取正北方向φ為0，則水平風向Hα可以表示為Hα=φ+π?？梢詫L速分解為u、v和w3 個分量，氣象上常將風速分解為水平風和垂直風，水平風的大小可以表示為HV，θ為波束的天頂角。如圖1 所示，根據(jù)幾何關系可以推出水平風HV和u，v分量的關系為

根據(jù)幾何關系可以推出徑向速度Vr(θ,φ)（徑向速度是距離、方位和天頂角的函數(shù)）與風速u、v和w這3 個分量的關系為

采用5 波束時，用垂直波束來測量垂直速度，4 個傾斜波束在方位上均勻分布，天頂角是狀態(tài)量，均為θ，則徑向速度可以表示為

可以先將兩個相反方向的傾斜波束的徑向速度進行平均，例如西波束和東波束，北波束和南波束。用Vrz表示天頂方向的徑向速度，根據(jù)式（3）可得

由此可以計算出u、v的值，再根據(jù)（1）式就可以計算出水平風速和水平風向。

2.1.2 三維風場的觀測

根據(jù)水平風的合成方法，得出水平風場、水平風向以及水平風速的大小。以下是利用matlab 軟件將數(shù)據(jù)進行展示，圖2 是2012 年1 月3 日11 點43 分時的水平風速圖，圖3 是2012 年1 月3 日11 點43 分時的水平風向圖，圖4 是2012 年1 月3 日11 點43 分時的垂直風速圖。

從圖2 的水平風速的高度廓線圖可以很清晰地看出水平風速隨著高度的變化情況，在12 km 以下，水平風速是隨著高度的增加而增加的，在12 km 以上的高空中風速值是隨著高度而遞減，并且在12 km 左右水平風速的值會達到一個最大值，其他時間點風速的變化情況是類似的。圖3 中，4 km以下風向很凌亂，到4km 以上風向基本穩(wěn)定。圖4 中的垂直速度基本上都在一個很小的氛圍內(nèi)浮動，變化不是特別大。

以上得到的只是某一時刻的風場圖，為了便于分析連續(xù)時間和空間內(nèi)風速的變化情況，利用matlab 得出風矢圖和風羽圖，分別見圖5 和圖6，在風矢圖和風羽圖中可以看到風速隨著時間和高度的變化情況。

2.1.3 MST 雷達與無線電探空儀兩種測風方法的比較

MST 雷達探測能夠提供時間和高度上分辨率較高的水平風廓線和垂直風廓線，并且采取低中高3 種探測模式。無線電探空儀采用氣球作為示蹤物，無線電探空氣球是氣象常規(guī)探測儀器，它的原理是根據(jù)一段時間內(nèi)氣球漂移的距離來計算水平風[10-11]。而MST 雷達是通過大氣湍流對電磁波的反射作用，根據(jù)多普勒效應來獲取不同波束方向的徑向速度，在一定的風場假設條件下利用幾個點的徑向速度來合成水平風速，計算水平風向。

圖7 是利用無線電探空儀和MST 雷達關于水平風速和水平風向的比較。由圖中可明顯看出，左邊為風速大小的比較，右邊為風向的比較，不論是MST 雷達還是探空儀所測得的水平風速和水平風向均是十分吻合的。

3 結(jié)語

MST 雷達利用大氣折射指數(shù)不規(guī)則擾動及層狀結(jié)構(gòu)為目標物來產(chǎn)生回波，采用多普勒波速掃描法（DBS）進行測風，利用傾斜雷達波束，測量不同方向徑向速度，再推算出大氣真正風向及風速。通過MST 雷達采集到數(shù)據(jù)經(jīng)過分析和處理以后可進行水平風場的合成，能夠描繪出大氣三維風場隨時間和空間變化的風羽圖和風矢圖，能夠提供時間和高度分辨率非常高的水平風廓線和垂直風廓線等，對于國防、航空等領域有重要應用。在后續(xù)的研究中將基于MST 雷達強大的探測能力，利用其多種探測模式并通過對大量探測數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)中緯度地區(qū)E 層不均勻體的統(tǒng)計規(guī)律，進而深入開展中緯度地區(qū)電離層E 層不均勻體形成的物理機制研究。