陳佳智++黃衛(wèi)東

摘要：就新一代CINRAD/SA型天氣雷達基數(shù)據質量進行分析，闡述了配置天氣雷達觀測參數(shù)的理論依據，對天線轉速n、脈沖采樣數(shù)m和脈沖重復頻率F的合理配置規(guī)律作了系統(tǒng)的分析，并對所得結論進行討論，以期能為有關方面的需要提供參考借鑒。

關鍵詞：天氣雷達；理論依據；配置；質量分析

中圖分類號：P413 文獻標識碼：A 文章編號：2095－6835（2014）09－0014－02

所謂“天氣雷達”，就是一種是利用云、霧、雨、雪等降水粒子對電磁波的散射和吸收，為探測降水的空間分布和鉛直結構，并以此為警戒跟蹤降水系統(tǒng)的雷達。近年來，國家加大了對氣象事業(yè)的投入力度，氣象現(xiàn)代化建設深入到氣象領域的各方面，探測手段和探測能力也有了極大的提高。新一代天氣雷達作為中小尺度災害性天氣的新型監(jiān)測工具，其數(shù)據質量直接影響了定量氣象業(yè)務應用的精度，因此，對新一代天氣雷達基數(shù)據質量進行分析尤為重要。

1配置天氣雷達觀測參數(shù)的理論依據

1.1樣本采集時間跨度對基數(shù)據的影響

新一代天氣雷達獲取的3種基數(shù)據，即雷達反射率因子Z、徑向速度V和徑向速度譜寬W，實際上都是統(tǒng)計特征量，需要以足夠大的樣本容量為基礎。在數(shù)據處理的過程中，樣本采集時間跨度長短不同（即樣本序列的時間覆蓋長度等于方向平均時間），對這3種基數(shù)據的數(shù)值均有影響。在反射率因子Z的測量和徑向速度V的檢測方面，對某一距離庫的樣本采集序列而言，只有當其時間覆蓋長度滿足一定的要求時，才能保證有效消除Z中的脈動漲落成分，壓低檢測因子D（又被稱“識別系數(shù)”“可見度因子”）的數(shù)值。

1.2樣本采集時間的確定依據

檢測因子D的數(shù)值與獨立樣本容量K之間的函數(shù)關系：

.（1）

為了保證徑向速度測量準確度滿足指標要求，徑向速度靈敏度的數(shù)值必須保證不大于速度準確度指標數(shù)值。用Vmin表示雷達系統(tǒng)的徑向速度靈敏度，則Vmin≤Verr必須得到滿足。脈沖序列時間覆蓋長度Tc與徑向速度靈敏度Vmin的關系是已知的，

設與速度靈敏度Vmin對應的最低多普勒頻率為fmin，λ0為雷達射頻波長，則要求Tc-1≤fmin.

由于fmin=2Vmin?λ0－1，所以有Tc≥λ0（2Vmin）-1≥λ0（2Verr）－1≡t.（2）

由式（2）可知，對確定的一部天氣雷達而言，為了保證測速精度達到給定的要求，脈沖序列時間覆蓋長度Tc不能小于一個與徑向速度測量準確度指標數(shù)值Verr成反比、與雷達射頻波長λ0成正比的臨界數(shù)值tm.

式（2）是Tc 應滿足的第一種關系式。該關系式給出了Tc的下限閾值tm.此外，Tc還要滿足另外一個重要的關系：

Tc≤θ0ω－1≡TM.（3）

式（3）中：θ0——波束寬度，°；

ω——天線掃描角速度，°/s。

式（3）中給出了脈沖序列時間覆蓋長度Tc的上限閾值TM，式（3）中的條件之所以必須得到滿足，是因為要保證天氣雷達獲取數(shù)據資料的方向分辨力與天線設備實際具備的高精度方向性相稱。

2合理配置規(guī)律

2.1一般規(guī)律

根據脈沖采樣數(shù)m（個）、脈沖重復頻率F（Hz）的含義和天線掃描的旋轉頻率n（r/min，天線掃描轉速用“旋轉頻率”表示）與天線掃描角速度ω（°/s）之間的關系，可將式（2）和式（3）合并成復合關系式：

（4）

式（4）所給出的即為m，F(xiàn)，n這3個觀測參數(shù)合理配置的一般規(guī)律。

床的加工效率和技術，提高了現(xiàn)代工業(yè)生產的效率，降低了人工生產成本，保證零件的精準度。PLC技術能促進企業(yè)生產工藝的改革和創(chuàng)新，提高企業(yè)的經濟效益，對企業(yè)的發(fā)展有極其重要的意義。

參考文獻

［1］劉松.試論基于PLC技術的機床電氣改造［J］.黑龍江科技信息，2012（26）.

［2］卜范騫，王明，張洪國.基于PLC的半精鏜機床電氣改造技術［J］.科技信息，2013（17）.

［3］張國平.淺析臺達PLC在各企業(yè)機床電氣改造上的應用［J］.科技資訊，2012（15）.

［4］楊漢嵩，劉廣瑞，張凱.基于PLC的M7130磨床電氣控制系統(tǒng)改造［J］.微計算機信息，2012（06）.

［5］夏曉玲.基于PLC輔助的數(shù)控機床電氣控制分析［J］.電子制作，2013（23）.

〔編輯：李玨〕

Study based on Machine Tool Electric Transformation of PLC Technology

Wen Lili

Abstract: With the rapid economic development and progress of science and technology, electronics and information technology has been widely used in various sectors of social production and development. The PLC technology in machining equipment modification and control is necessary, can effectively improve the level and precision machining technology.

Key words: PLC technology; tools; electrical; transformation

2.2數(shù)學分析

為了對復合關系式（4）進行數(shù)學分析，可將m，n和F視為3個變量，它們可構成一個“三維歐氏空間”，滿足復合關系式（4）的“點集”可構成一個“子空間”。圖1為該三維歐氏空間不同性質的區(qū)域劃分示意。圖1中界面A上的點滿足“F=2mVerr/λ0”，界面B上的點滿足“F=6mn/θ0”. 在該“m－n－F空間”內，位于界面A以上的子空間Ⅰ，對應著脈沖序列時間覆蓋長度不足，導致速度和強度測量精度下降。位于界面B以下的子空間Ⅱ，對應著脈沖序列時間覆蓋長度過長，導致方向分辨力下降。除了上述兩子空間區(qū)域外，剩余的子空間Ⅲ滿足復合關系式（4），是一個連通的三維立體區(qū)域（又被稱為“數(shù)據保質區(qū)域”）。界面A，B的交線是該區(qū)域的一條邊界線，該邊界線上的點所對應的3個觀測參數(shù)之間滿足F=2mVerr/λ0=6nm/θ0，因而n=θ0Verr/（3λ0）.

當n=N0時，只有F=2mVerr/λ0，即F，m兩者滿足該線性函數(shù)關系（互不獨立），才能使觀測參數(shù)組合點（m，n，F(xiàn)）屬于“數(shù)據保質區(qū)域”，保證基數(shù)據在準確度和方向分辨力兩方面都滿足質量要求。

當n＜N0時，只要求F和m之間保持一種“相關關系”（即對于固定m而言，允許F在一定的范圍內取不同數(shù)值；對于固定F而言，允許m在一定的范圍內取不同數(shù)值），基數(shù)據資料質量就可滿足要求。顯然N0與n的差值越大，上述F，m之間的“相關關系”越“松散”。

當n＞N0時，所獲取的基數(shù)據的數(shù)據質量問題需要具體分析。

2.3配置方法

先要確定的是脈沖重復頻率F（包括雙重復頻率），主要根據對最大不模糊速度和最大不模糊距離來進行。然后根據探測目的或探測對象的不同，確定天線旋轉頻率n，之后確定脈沖采樣數(shù)目m.如果探測目的是跟蹤快速移動、迅速演變的氣象目標，這時需要較高的時間分辨率，需要選擇較高的天線旋轉頻率n，但是不能大于其上限閾值N0.

2.3.1確定脈沖重復頻率F

對于SA型天氣雷達來說，由于距離退模糊采用隨機相位方式獨立完成，所以，其脈沖重復頻率數(shù)值的選擇僅依賴于對最大不模糊速度的要求。在已知雷達射頻波長λ0的條件下，單脈沖重復頻率F與最大不模糊速度Vmax之間的關系為F=4Vmax/λ0，而雙脈沖重復頻率F，F(xiàn)/k（2＞k＞1，例如k=3/2）與最大不模糊速度Vmax之間的關系為F=4（k－1）Vmax/λ0. 顯然，無論在單重復頻率還是雙重復頻率的情況下，利用Vmax/λ0的數(shù)值很容易確定F的數(shù)值。

2.3.2確定天線旋轉頻率n和脈沖采樣數(shù)m

確定天線旋轉頻率n和脈沖采樣數(shù)m，利用平面圖解的方法方便、直觀。

確定天線旋轉頻率n和脈沖采樣數(shù)m，先要配置天線掃描旋轉頻率n，就是根據對雷達觀測資料時間分辨率的需求（記錄強對流天氣過程，對時間分辨率要求顯然較高）來選擇、確定其數(shù)值。顯然，n的數(shù)值在其允許的范圍內選得越大，時間分辨率就越高。當脈沖重復頻率和天線掃描頻率都選擇完畢之后，脈沖采樣數(shù)m的選擇將被制約，不能獨立地任意配置。針對單重復頻率和雙重復頻率，舉出一個例子來說明配置方法。

在F=600 Hz，n=2 r/min（SA型天氣雷達天線掃描頻率）的情況下，m的配置步驟為：①過縱坐標F=600 Hz作橫軸平行線，該線與圖2中n=N0（r/min），n=2 r/min對應的兩線段依次交于A，C兩點。②以A，C兩點的橫坐標作為端點在橫軸上可確定一個閉區(qū)間。該區(qū)間內的整數(shù)構成一個整數(shù)子集{32，33，34，35，…，45}，該集合內的元素都可以作為m的數(shù)值來選擇，一般應該取其最大數(shù)值45，以獲得較高質量的多普勒處理結果。

圖1m－n－F空間 圖2F－m－n合理配置圖解

3結論與討論

3.1合理選擇天線掃描速度

新一代天氣雷達觀測參數(shù)的合理配置，會直接影響到所獲取基數(shù)據的數(shù)據質量。在本文討論的3個最常用的觀測參數(shù)中，天線掃描旋轉頻率的大小對基數(shù)據質量的影響最大。如果該參數(shù)選擇大于其上限數(shù)值，則其他兩個參數(shù)無論怎樣選擇，都不能確保基數(shù)據的數(shù)據質量。

3.2 提高CINRAD/SA型雷達“體掃”數(shù)據質量

在PPI，RHI兩種掃描工作模式下，天氣雷達用戶可以自行配置F，m，n這3個觀測參數(shù)，以保證構成比較合理的參數(shù)配置方案。但如果處在“體掃”模式下，則天氣雷達是按照“實時控制軟件”的固定設置自動進行工作。雖然用戶只可以通過雷達終端和數(shù)據采集器的操作自行選定n，m這2個觀測參數(shù)，但是，在一個“體掃”過程中，m這個觀測參數(shù)不能自動進行動態(tài)調整來適應F的變化。

通過本文分析可知，在F，m，n三個參數(shù)中固定F后，另外兩個參數(shù)必須相互適應，否則基數(shù)據質量必定下降。而在目前CINRAD/SA型天氣雷達“體掃”模式工作的過程中，脈沖采樣數(shù)m和天線掃描轉速n的數(shù)值由使用者選定后，它們在整個“體掃”過程中一直固定不變，而脈沖重復頻率F卻在400 Hz、600 Hz兩數(shù)值之間不斷改變，導致觀測參數(shù)組合點規(guī)律性地落在“數(shù)據保質區(qū)域”以外，致使“體掃”基數(shù)據質量下降。因此，建議CINRAD/SA“實時控制軟件”的內部功能進一步完善，以消除觀測參數(shù)組合點落在“數(shù)據保質區(qū)域”以外。

4結束語

綜上所述，SA型雷達系統(tǒng)是中國新一代天氣雷達網的重要組成部分，是我國目前采用的具有高穩(wěn)定度、高頻譜純度的全相參體制的數(shù)字化天氣雷達。它可以提供穩(wěn)定、可靠的基數(shù)據，可保證新一代天氣雷達不斷滿足氣象業(yè)務的要求，并在災害性天氣監(jiān)測預警中發(fā)揮其作用。

參考文獻

［1］江源.天氣雷達觀測資料質量控制方法研究及其應用［D］.北京：中國氣象科學研究院，2013.

［2］楚志剛，銀燕，顧松山.新一代天氣雷達基數(shù)據文件格式自動識別方法研究［J］.計算機與現(xiàn)代化，2013（07）.

〔編輯：白潔〕

A New Generation of Weather Radar Base Data Quality Analysis

Chen Jiazhi, Huang Weidong

Abstract: For a new generation of CINRAD/SA-type weather radar base data quality analysis, elaborated weather radar configuration parameters theoretical basis for the antenna rotation speed n, the number of samples m pulses and pulse repetition frequency F made a reasonable allocation rule system analysis, and conclusions are discussed, in order to provide a reference for requiring the parties concerned.

Key words: weather radar; theory; configuration; quality analysis

當n＞N0時，所獲取的基數(shù)據的數(shù)據質量問題需要具體分析。

2.3配置方法

先要確定的是脈沖重復頻率F（包括雙重復頻率），主要根據對最大不模糊速度和最大不模糊距離來進行。然后根據探測目的或探測對象的不同，確定天線旋轉頻率n，之后確定脈沖采樣數(shù)目m.如果探測目的是跟蹤快速移動、迅速演變的氣象目標，這時需要較高的時間分辨率，需要選擇較高的天線旋轉頻率n，但是不能大于其上限閾值N0.

2.3.1確定脈沖重復頻率F

對于SA型天氣雷達來說，由于距離退模糊采用隨機相位方式獨立完成，所以，其脈沖重復頻率數(shù)值的選擇僅依賴于對最大不模糊速度的要求。在已知雷達射頻波長λ0的條件下，單脈沖重復頻率F與最大不模糊速度Vmax之間的關系為F=4Vmax/λ0，而雙脈沖重復頻率F，F(xiàn)/k（2＞k＞1，例如k=3/2）與最大不模糊速度Vmax之間的關系為F=4（k－1）Vmax/λ0. 顯然，無論在單重復頻率還是雙重復頻率的情況下，利用Vmax/λ0的數(shù)值很容易確定F的數(shù)值。

2.3.2確定天線旋轉頻率n和脈沖采樣數(shù)m

確定天線旋轉頻率n和脈沖采樣數(shù)m，利用平面圖解的方法方便、直觀。

確定天線旋轉頻率n和脈沖采樣數(shù)m，先要配置天線掃描旋轉頻率n，就是根據對雷達觀測資料時間分辨率的需求（記錄強對流天氣過程，對時間分辨率要求顯然較高）來選擇、確定其數(shù)值。顯然，n的數(shù)值在其允許的范圍內選得越大，時間分辨率就越高。當脈沖重復頻率和天線掃描頻率都選擇完畢之后，脈沖采樣數(shù)m的選擇將被制約，不能獨立地任意配置。針對單重復頻率和雙重復頻率，舉出一個例子來說明配置方法。

在F=600 Hz，n=2 r/min（SA型天氣雷達天線掃描頻率）的情況下，m的配置步驟為：①過縱坐標F=600 Hz作橫軸平行線，該線與圖2中n=N0（r/min），n=2 r/min對應的兩線段依次交于A，C兩點。②以A，C兩點的橫坐標作為端點在橫軸上可確定一個閉區(qū)間。該區(qū)間內的整數(shù)構成一個整數(shù)子集{32，33，34，35，…，45}，該集合內的元素都可以作為m的數(shù)值來選擇，一般應該取其最大數(shù)值45，以獲得較高質量的多普勒處理結果。

圖1m－n－F空間 圖2F－m－n合理配置圖解

3結論與討論

3.1合理選擇天線掃描速度

新一代天氣雷達觀測參數(shù)的合理配置，會直接影響到所獲取基數(shù)據的數(shù)據質量。在本文討論的3個最常用的觀測參數(shù)中，天線掃描旋轉頻率的大小對基數(shù)據質量的影響最大。如果該參數(shù)選擇大于其上限數(shù)值，則其他兩個參數(shù)無論怎樣選擇，都不能確?；鶖?shù)據的數(shù)據質量。

3.2 提高CINRAD/SA型雷達“體掃”數(shù)據質量

在PPI，RHI兩種掃描工作模式下，天氣雷達用戶可以自行配置F，m，n這3個觀測參數(shù)，以保證構成比較合理的參數(shù)配置方案。但如果處在“體掃”模式下，則天氣雷達是按照“實時控制軟件”的固定設置自動進行工作。雖然用戶只可以通過雷達終端和數(shù)據采集器的操作自行選定n，m這2個觀測參數(shù)，但是，在一個“體掃”過程中，m這個觀測參數(shù)不能自動進行動態(tài)調整來適應F的變化。

通過本文分析可知，在F，m，n三個參數(shù)中固定F后，另外兩個參數(shù)必須相互適應，否則基數(shù)據質量必定下降。而在目前CINRAD/SA型天氣雷達“體掃”模式工作的過程中，脈沖采樣數(shù)m和天線掃描轉速n的數(shù)值由使用者選定后，它們在整個“體掃”過程中一直固定不變，而脈沖重復頻率F卻在400 Hz、600 Hz兩數(shù)值之間不斷改變，導致觀測參數(shù)組合點規(guī)律性地落在“數(shù)據保質區(qū)域”以外，致使“體掃”基數(shù)據質量下降。因此，建議CINRAD/SA“實時控制軟件”的內部功能進一步完善，以消除觀測參數(shù)組合點落在“數(shù)據保質區(qū)域”以外。

4結束語

綜上所述，SA型雷達系統(tǒng)是中國新一代天氣雷達網的重要組成部分，是我國目前采用的具有高穩(wěn)定度、高頻譜純度的全相參體制的數(shù)字化天氣雷達。它可以提供穩(wěn)定、可靠的基數(shù)據，可保證新一代天氣雷達不斷滿足氣象業(yè)務的要求，并在災害性天氣監(jiān)測預警中發(fā)揮其作用。

參考文獻

［1］江源.天氣雷達觀測資料質量控制方法研究及其應用［D］.北京：中國氣象科學研究院，2013.

［2］楚志剛，銀燕，顧松山.新一代天氣雷達基數(shù)據文件格式自動識別方法研究［J］.計算機與現(xiàn)代化，2013（07）.

〔編輯：白潔〕

A New Generation of Weather Radar Base Data Quality Analysis

Chen Jiazhi, Huang Weidong

Abstract: For a new generation of CINRAD/SA-type weather radar base data quality analysis, elaborated weather radar configuration parameters theoretical basis for the antenna rotation speed n, the number of samples m pulses and pulse repetition frequency F made a reasonable allocation rule system analysis, and conclusions are discussed, in order to provide a reference for requiring the parties concerned.

Key words: weather radar; theory; configuration; quality analysis

當n＞N0時，所獲取的基數(shù)據的數(shù)據質量問題需要具體分析。

2.3配置方法

先要確定的是脈沖重復頻率F（包括雙重復頻率），主要根據對最大不模糊速度和最大不模糊距離來進行。然后根據探測目的或探測對象的不同，確定天線旋轉頻率n，之后確定脈沖采樣數(shù)目m.如果探測目的是跟蹤快速移動、迅速演變的氣象目標，這時需要較高的時間分辨率，需要選擇較高的天線旋轉頻率n，但是不能大于其上限閾值N0.

2.3.1確定脈沖重復頻率F

對于SA型天氣雷達來說，由于距離退模糊采用隨機相位方式獨立完成，所以，其脈沖重復頻率數(shù)值的選擇僅依賴于對最大不模糊速度的要求。在已知雷達射頻波長λ0的條件下，單脈沖重復頻率F與最大不模糊速度Vmax之間的關系為F=4Vmax/λ0，而雙脈沖重復頻率F，F(xiàn)/k（2＞k＞1，例如k=3/2）與最大不模糊速度Vmax之間的關系為F=4（k－1）Vmax/λ0. 顯然，無論在單重復頻率還是雙重復頻率的情況下，利用Vmax/λ0的數(shù)值很容易確定F的數(shù)值。

2.3.2確定天線旋轉頻率n和脈沖采樣數(shù)m

確定天線旋轉頻率n和脈沖采樣數(shù)m，利用平面圖解的方法方便、直觀。

確定天線旋轉頻率n和脈沖采樣數(shù)m，先要配置天線掃描旋轉頻率n，就是根據對雷達觀測資料時間分辨率的需求（記錄強對流天氣過程，對時間分辨率要求顯然較高）來選擇、確定其數(shù)值。顯然，n的數(shù)值在其允許的范圍內選得越大，時間分辨率就越高。當脈沖重復頻率和天線掃描頻率都選擇完畢之后，脈沖采樣數(shù)m的選擇將被制約，不能獨立地任意配置。針對單重復頻率和雙重復頻率，舉出一個例子來說明配置方法。

在F=600 Hz，n=2 r/min（SA型天氣雷達天線掃描頻率）的情況下，m的配置步驟為：①過縱坐標F=600 Hz作橫軸平行線，該線與圖2中n=N0（r/min），n=2 r/min對應的兩線段依次交于A，C兩點。②以A，C兩點的橫坐標作為端點在橫軸上可確定一個閉區(qū)間。該區(qū)間內的整數(shù)構成一個整數(shù)子集{32，33，34，35，…，45}，該集合內的元素都可以作為m的數(shù)值來選擇，一般應該取其最大數(shù)值45，以獲得較高質量的多普勒處理結果。

圖1m－n－F空間 圖2F－m－n合理配置圖解

3結論與討論

3.1合理選擇天線掃描速度

新一代天氣雷達觀測參數(shù)的合理配置，會直接影響到所獲取基數(shù)據的數(shù)據質量。在本文討論的3個最常用的觀測參數(shù)中，天線掃描旋轉頻率的大小對基數(shù)據質量的影響最大。如果該參數(shù)選擇大于其上限數(shù)值，則其他兩個參數(shù)無論怎樣選擇，都不能確保基數(shù)據的數(shù)據質量。

3.2 提高CINRAD/SA型雷達“體掃”數(shù)據質量

在PPI，RHI兩種掃描工作模式下，天氣雷達用戶可以自行配置F，m，n這3個觀測參數(shù)，以保證構成比較合理的參數(shù)配置方案。但如果處在“體掃”模式下，則天氣雷達是按照“實時控制軟件”的固定設置自動進行工作。雖然用戶只可以通過雷達終端和數(shù)據采集器的操作自行選定n，m這2個觀測參數(shù)，但是，在一個“體掃”過程中，m這個觀測參數(shù)不能自動進行動態(tài)調整來適應F的變化。

通過本文分析可知，在F，m，n三個參數(shù)中固定F后，另外兩個參數(shù)必須相互適應，否則基數(shù)據質量必定下降。而在目前CINRAD/SA型天氣雷達“體掃”模式工作的過程中，脈沖采樣數(shù)m和天線掃描轉速n的數(shù)值由使用者選定后，它們在整個“體掃”過程中一直固定不變，而脈沖重復頻率F卻在400 Hz、600 Hz兩數(shù)值之間不斷改變，導致觀測參數(shù)組合點規(guī)律性地落在“數(shù)據保質區(qū)域”以外，致使“體掃”基數(shù)據質量下降。因此，建議CINRAD/SA“實時控制軟件”的內部功能進一步完善，以消除觀測參數(shù)組合點落在“數(shù)據保質區(qū)域”以外。

4結束語

綜上所述，SA型雷達系統(tǒng)是中國新一代天氣雷達網的重要組成部分，是我國目前采用的具有高穩(wěn)定度、高頻譜純度的全相參體制的數(shù)字化天氣雷達。它可以提供穩(wěn)定、可靠的基數(shù)據，可保證新一代天氣雷達不斷滿足氣象業(yè)務的要求，并在災害性天氣監(jiān)測預警中發(fā)揮其作用。

參考文獻

［1］江源.天氣雷達觀測資料質量控制方法研究及其應用［D］.北京：中國氣象科學研究院，2013.

［2］楚志剛，銀燕，顧松山.新一代天氣雷達基數(shù)據文件格式自動識別方法研究［J］.計算機與現(xiàn)代化，2013（07）.

〔編輯：白潔〕

A New Generation of Weather Radar Base Data Quality Analysis

Chen Jiazhi, Huang Weidong

Abstract: For a new generation of CINRAD/SA-type weather radar base data quality analysis, elaborated weather radar configuration parameters theoretical basis for the antenna rotation speed n, the number of samples m pulses and pulse repetition frequency F made a reasonable allocation rule system analysis, and conclusions are discussed, in order to provide a reference for requiring the parties concerned.

Key words: weather radar; theory; configuration; quality analysis