王 會，王 旭，2

(1.成都信息工程學(xué)院電子工程學(xué)院，四川成都610225;2.中國氣象局大氣探測重點(diǎn)開放實驗室，四川成都610225)

0 引言

與現(xiàn)有的厘米波氣象雷達(dá)相比，毫米波雷達(dá)波長更短，與云中粒子的相互作用更強(qiáng)，對尺度小的云粒子而言，獲得后向散射更強(qiáng)，因而更適合非降水與弱降水云的遙感觀測[1]。毫米波雷達(dá)的發(fā)展最早開始于美國空軍，在20世紀(jì)50年代至70年代初著手開始研發(fā)的8.6 mm波長(Ka波段)毫米波測云雷達(dá)，其型號是TPQ-11[2]。1964年，Harper[3]利用 AN/7PQ-11 型號的毫米波雷達(dá)進(jìn)行云的垂直對空探測實驗，在70年代早期[4]，因雷達(dá)磁控管出錯頻繁，該型號雷達(dá)停止運(yùn)行，到70年代末期Hobbs等開發(fā)了新的元件使AN/7PQ-11恢復(fù)正常工作[5]。其后隨著技術(shù)的進(jìn)步，又相繼發(fā)展了具有多普勒和雙極化功能的Ka云雷達(dá)。中國毫米波測云雷達(dá)起步比較晚，對毫米波測云雷達(dá)研究還較少，首次用毫米波雷達(dá)做氣象探測是在1980年，由中國科學(xué)院大氣物理研究所同安徽井崗山機(jī)械廠協(xié)作研制成的雙波長雷達(dá)(波長為3.2 cm和8.2 mm)[6]。2006年空軍第七研究所和安徽四創(chuàng)電子有限公司協(xié)作研制成了一部毫米波測云雷達(dá)(波長8.6 mm)，主要用于監(jiān)測云內(nèi)的積水情況以利于飛機(jī)的安全飛行[7]。2007年中國氣象科學(xué)研究院與中國航天研究二院第二十三所聯(lián)合研發(fā)了具有多普勒和極化功能的測云雷達(dá)(波長為8.6 mm)[8]?，F(xiàn)在最常用的個毫米波雷達(dá)的波段為35 GHZ(8 mm)和95 GHZ(3 mm)。

云是研究大氣系統(tǒng)的重要要素，一方面因?qū)⒋髿忭攲拥奶柖滩ㄝ椛浞瓷浠卮髿庵卸鴮Φ貧庀到y(tǒng)起到了冷卻作用，另一方面要吸收來自地表和云之間的大氣長波輻射，又對地氣系統(tǒng)起到了增溫作用。地球表面以上的天空大約50%以上被云所遮蓋。所以對云的研究非常必要，云不僅對自然降水起到了很大的作用，更是人工降水的重要要素[9]。要根據(jù)毫米波雷達(dá)分析云的結(jié)構(gòu)(如云高、云厚、云內(nèi)液態(tài)含水量、粒子有效直徑等重要參數(shù))就必須先清楚毫米波雷達(dá)探測到的數(shù)據(jù)文件格式，以便于準(zhǔn)確地提取原始數(shù)據(jù)。2013年，楚志剛等[10]、顧松山等[11]分析了新一代天氣雷達(dá)格式，利用各個天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)各自的特征，不同格式之間存在的明顯差異，給每一種格式的基數(shù)據(jù)定義了一組判據(jù)，從而實現(xiàn)新一代天氣雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件格式的自動識別。目前國內(nèi)已有的不同型號的毫米波雷達(dá)較少，文中主要以3種較為常用的毫米波雷達(dá)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析研究，總結(jié)出這3種型號的雷達(dá)基數(shù)據(jù)判別方法，并用大量的基數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，結(jié)果表明文中給出的分析方法有效可行。

與常用的天氣雷達(dá)相比較，毫米波云雷達(dá)波長更短，其對于云這類小粒子更加的敏感且毫米波雷達(dá)空間和時間分辨率高，能夠獲得更加精細(xì)的云結(jié)構(gòu)[12]。對于毫米波雷達(dá)的系統(tǒng)以及對云的探測能力目前已經(jīng)有很多的相關(guān)研究。2011年王斌等[13]利用武漢暴雨所的SCRMP-03型號的毫米波雷達(dá)與雙偏振雷達(dá)置于同一個觀測地點(diǎn)，利用觀測得到的資料對云雷達(dá)的探測能力進(jìn)行分析，得出云雷達(dá)各種探測量對于反映不同類型云的宏觀和微觀特征中的表現(xiàn)以及可能用途。2014年謝蕾等[14]利用毫米波雷達(dá)與雨滴譜儀聯(lián)合觀測，得出毫米波雷達(dá)對于探測低層弱降水云得到的徑向速度、譜寬、歸一化功率譜具有一定的準(zhǔn)確性。2007年KolliAs等[15]概述毫米波雷達(dá)從最早開始到現(xiàn)在在云和降水方面的前沿研究，提出云雷達(dá)在探測云方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢，且云雷達(dá)和其他探測設(shè)備(如激光雷達(dá))的結(jié)合探測、云雷達(dá)的可移植性使其適合放在移動平臺上。

1 3種型號毫米波雷達(dá)簡介

SCRMP-03型毫米波雷達(dá)由安徽四創(chuàng)電子股份有限公司生產(chǎn)。主要用于非降水云和弱降水云的探測，可以實時獲取探測范圍內(nèi)云的分布、位置、強(qiáng)度、速度及譜寬等相關(guān)信息。通過對云探測到的數(shù)據(jù)信息，為氣象研究提供云底高、云厚、云的分布等結(jié)構(gòu)資料以及云的狀態(tài)屬性等以及云相態(tài)、云滴譜和云中氣流分布等氣象資料。還可以通過對探測數(shù)據(jù)反演研究云的微物理結(jié)構(gòu)。

GLC-64型毫米波測云雷達(dá)是由國?？萍脊旧a(chǎn)。主要用于觀測非降水云系和弱降水云的三維動態(tài)結(jié)構(gòu)，識別云內(nèi)相態(tài)、水成物含量、云內(nèi)氣流分布，進(jìn)而推斷云內(nèi)微物理結(jié)構(gòu)參數(shù)。系統(tǒng)采用單發(fā)雙收體制，具有固定式和移動式兩種工作平臺，其中移動式又具有方艙移動式、依維柯車載移動式兩種結(jié)構(gòu)方式。

成都784廠雷達(dá)研究所與成都遠(yuǎn)望科技有限責(zé)任公司聯(lián)合研制生產(chǎn)的毫米波測云雷達(dá)，目前在成都信息工程學(xué)院運(yùn)行的毫米波雷達(dá)就是其成功案例。T探測并保存了較多的基數(shù)據(jù)，可用于驗證文中研究的識別方法。表1列出這3種不同型號的毫米波雷達(dá)性能參數(shù)對比。

表1 3種型號毫米波云雷達(dá)參數(shù)對比

2 3種型號毫米波雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件格式分析

2.1 四創(chuàng)公司SCRMP-03型毫米波雷達(dá)

SCRMP-03毫米波測云雷達(dá)(工作頻率35 GHZ)，其原始數(shù)據(jù)文件的文件頭分為4個結(jié)構(gòu)體組成:站址情況、性能參數(shù)、觀測參數(shù)、其他信息如圖1所示。數(shù)據(jù)文件存儲格式如圖2所示，原始數(shù)據(jù)文件由文件標(biāo)識(12字節(jié))、文件頭(2048字節(jié))和數(shù)據(jù)紀(jì)錄塊組成。文件頭記載雷達(dá)站名、站址、雷達(dá)型號、主要參數(shù)、觀測時間、掃描類型、工作狀況等內(nèi)容。數(shù)據(jù)記錄以極坐標(biāo)方式排列。

圖1 SCMRP-03毫米波云雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件頭組成結(jié)構(gòu)

圖2 SCMRP-03毫米波雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件存儲格式

2.2 國睿公司GLC-64型毫米波測云雷達(dá)

GLC-64毫米波測云雷達(dá)的數(shù)據(jù)格式和SCRMP-03毫米波測云雷達(dá)的格式十分類似，數(shù)據(jù)文件分3部分組成:文件標(biāo)識(12個字節(jié))、文件頭信息(2048個字節(jié))、雷達(dá)原始數(shù)據(jù)塊。文件頭由4個結(jié)構(gòu)體組成:

(1)站址基本情況(共168個字節(jié));

(2)性能參數(shù)(共36個字節(jié));

(3)觀測參數(shù)(共1282個字節(jié))，其中包括一個層參數(shù)信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和3個變庫長數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);

(4)其他信息參數(shù)(共562個字節(jié))。

其原始數(shù)據(jù)文件中數(shù)據(jù)存放的順序和格式如圖3所示。

2.3 784廠毫米波測云雷達(dá)

成都784所產(chǎn)的35 GHZ毫米波云雷達(dá)的存儲格式如圖4所示，數(shù)據(jù)是由于N個基數(shù)據(jù)包組成的(N為正整數(shù)由掃描方式和工作參數(shù)決定)。每個基數(shù)據(jù)包由3個部分組成:基數(shù)據(jù)頭、雷達(dá)數(shù)據(jù)RVW、尾標(biāo)記。掃描方式有3種:方位掃描、俯仰掃描、時間掃描。時間掃描方式是存放一天的數(shù)據(jù)，因而基數(shù)據(jù)包的個數(shù)由實際的工作參數(shù)決定。俯仰掃描保存的是從最高點(diǎn)到最低點(diǎn)或者從最低點(diǎn)到最高點(diǎn)的一個半程掃描的數(shù)據(jù)。方位掃描時，一個文件存放的是掃描一圈的數(shù)據(jù)，文件中包含N個徑向的數(shù)據(jù)。

圖4 784毫米波雷達(dá)基數(shù)據(jù)存儲格式

圖5 一個基數(shù)據(jù)包tagCDRBaseData結(jié)構(gòu)圖

一個基數(shù)據(jù)包代表掃描一個徑向的數(shù)據(jù)?；鶖?shù)據(jù)包的定義如下:

其中Data數(shù)組的大小為MAXBINS*MAXPRONUM，MAXBINS的大小定義為1280，MAXPRONUM 的大小為3。基數(shù)據(jù)頭Head里面存放了記錄數(shù)據(jù)的相關(guān)信息，如記錄數(shù)據(jù)開始與結(jié)束的時間、以及雷達(dá)的狀態(tài)參數(shù)。這些都可以作為分析數(shù)據(jù)格式的依據(jù)。Data[]數(shù)組里面存放了反射率、速度、譜寬3種數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)為16位有符號數(shù)。最后的是一個基數(shù)據(jù)包的尾標(biāo)識，存放固定的信息，這也是識別的一個重要依據(jù)。一個基數(shù)據(jù)包tagCDRBaseData的結(jié)構(gòu)如圖5所示，每個徑向的距離庫數(shù)為600(400個對應(yīng)距離為30 km)。

3 基數(shù)據(jù)文件識別方法

文中介紹的3種毫米波測云雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件格式有明顯的差異，如固定的參數(shù)信息，數(shù)據(jù)長度等變化的信息等。利用這些差異，為3種雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件格式定義了5組判據(jù)，通過這些判據(jù)識別，如果一個數(shù)據(jù)文件屬于某種型號的毫米波雷達(dá)，那么此文件一定同時滿足這5個判據(jù)，否則不是這種型號雷達(dá)的基數(shù)據(jù)文件。

3.1 SCRMP-03基數(shù)據(jù)文件格式判別

(2)文件頭FileHeaderLength的值為2048，在文件的[8～11]字節(jié)處。

(3)雷達(dá)型號 RadarType的值為“SCRMP-03”，在文件的[112～131]字節(jié)處。

(4)觀測開始的時間在正確的范圍內(nèi)(1999＜Year＜2050、1＜ Month＜12、1＜ Day＜31、0＜Hour＜23、0＜Min＜ 59、0＜Sec＜59)，依次存放在文件的[217～224]字節(jié)處，其中Year占兩個字節(jié)，其余占一個字節(jié)。

(5)雷達(dá)掃描的徑向個數(shù)RecordNumber一定等于(FileLength-2060)/2411。

3.2 GLC-64基數(shù)據(jù)文件格式判別

(1)文件頭長度FileHeaderLength為2048個字節(jié)，在文件的[0～3]字節(jié)處。

(2)文件標(biāo)識和文件頭長度共為2060，原始數(shù)據(jù)的一個基數(shù)據(jù)包大小為8011個字節(jié)，因此文件必滿足(FileLength-2060)/8011為整數(shù)。掃描的徑向個數(shù)為RecordNumber=(FileLength-2060)/8011。

(3)雷達(dá)型號 RadarType[] =“GLC-64”，在文件的[112～131]個字節(jié)處。

(4)時間在正確的變化范圍內(nèi)(1999＜Year＜2050、1＜ Month＜ 12、1＜ Day＜31、0＜Hour＜23、0＜Min＜59、0＜Sec＜59)，依次存放在在文件的[1364～1370]字節(jié)處，其中Year占兩個字節(jié)，其余占一個字節(jié)。

(5)雷達(dá)掃描的徑向個數(shù)RadarCoutNum=(File-Length-2060)/8011，存放在觀測參數(shù)結(jié)構(gòu)體中。

3.3 成都784廠毫米波雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件格式判別

(1)文件長度FileLength是基數(shù)據(jù)包大小BaseSize的整數(shù)倍，BaseSize在文件(i*BaseSize+4～i*Base-Size+7)字節(jié)處，由4 個字節(jié)位置存放。i為 0，1，2，3，…RadarCoutNum。RadarCoutNum為雷達(dá)掃描總徑向個數(shù):RadarCoutNum=FileLength/BaseSi-ze。

(2)文件頭標(biāo)記為恒定值0xa5a54321，在文件(i*BaseSize～i*BaseSize+3)字節(jié)處。

(3)年月日時分秒必須在正確的范圍內(nèi)(1999＜Year＜2050、1＜Month＜12、1＜Day＜ 31、0＜Hour＜23、0＜ Min＜59、0＜ Sec＜ 59)，這6個參數(shù)分別占四個字節(jié)，依次存放在文件的(i*BaseSize+12～i*BaseSize+35)字節(jié)位置處。

(4)版本號Version的值為1，在文件(i*BaseSize+8～i*BaseSize+11)字節(jié)處。

(5)尾標(biāo)記EndFlag為恒定值0x5a5a1234，存放在文件[i*BaseSize+BaseSize-4]位置。

4 軟件實現(xiàn)流程圖

利用VC2010工具編寫自動識別3種型號毫米波雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件的軟件。軟件的基本流程圖如圖6所示。軟件設(shè)計是以文中所研究的3種型號毫米波測云雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件自動識別判據(jù)為依據(jù)。每種型號的雷達(dá)都有5組判據(jù)。程序就是根據(jù)每個型號雷達(dá)的判據(jù)之間的差異實現(xiàn)基數(shù)據(jù)文件的自動識別。給每種型號的雷達(dá)定義一個識別變量SBID，SCRMP-03型毫米波雷達(dá)(SBID=1)、GLC-64型毫米波雷達(dá)(SBID=2)、成都784廠毫米波雷達(dá)(SBID=3)、其它(SBID=4)。通過流程圖(圖6)可以看出程序主要分為3個重要部分。

第一部分是對784廠毫米波雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件的識別。首先是判斷文件的長度FileLength是否是基數(shù)據(jù)包BaseSize的整數(shù)倍，如果滿足則進(jìn)入徑向循環(huán)，通過上面的判別，在文件的指定位置讀取出相應(yīng)的變量值，因為雷達(dá)數(shù)據(jù)是有N個徑向組成，那么每個徑向都必須滿足5組判別條件。如果每個徑向都同時滿足5組判據(jù)條件，那么循環(huán)結(jié)束并給SBID賦值為1，否則SBID為4。

圖6 毫米波基數(shù)據(jù)文件自動識別軟件設(shè)計流程圖

第二部分是對SCRMP-03型毫米波測云雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件的識別。同樣地，首先是計算出文件長度File-Length并判斷式子(FileLength-2060)/2411的結(jié)果是否為整數(shù)，若成立則繼續(xù)用其他4組判據(jù)條件驗證文件。如果文件同時滿足5組判別條件則此文件為SCRMP-03型毫米波測云雷達(dá)的基數(shù)據(jù)文件并給SBID賦值為2，否則給SBID賦值為4。

第三部分是對國睿公司GLC-64型毫米波雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件的識別。判斷(FileLength-2060)/8011是否為整數(shù)，如果為整數(shù)則繼續(xù)用其他4個判別條件驗證文件是否滿足。若文件同時滿足5組判據(jù)則此文件為GLC-64型毫米波雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件并給SBID賦值為3，否則給SBID賦值為4。

最后，根據(jù)SBID中的值來判別文件格式類型，若SBID=1，文件為成都784廠毫米波雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件;若SBID=2，文件為四創(chuàng)公司SCRMP-03型毫米波雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件;若 SBID=3，則此文件為國睿公司GLC-64型毫米波雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件;若SBID=4，文件為其他未知文件。

將相應(yīng)的基數(shù)據(jù)文件識別后，利用matlab工具編寫相應(yīng)的繪圖程序。改繪圖軟件可以同時兼容3種型號雷達(dá)對應(yīng)的產(chǎn)品。

5 驗證與應(yīng)用

5.1 自動識別

圖7 自動識別界面

根據(jù)以上判別方法結(jié)合VC編寫一個MFC對話框應(yīng)用軟件來識別以上3種毫米波雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件。隨機(jī)選取200個未知數(shù)據(jù)文件(包括文中介紹的3種型號的毫米波雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件)來驗證。自動識別的軟件界面如圖7所示，其中的顯示結(jié)果是識別的SCRMP-03型毫米波雷達(dá)的基數(shù)據(jù)文件，界面顯示了文件里面的基本參數(shù)信息、掃描的時間信息、文件長度等。

5.2 產(chǎn)品顯示

通過對3種型號云雷達(dá)基數(shù)據(jù)文件的識別結(jié)果，利用Matlab工具編寫顯示軟件，該軟件可以顯示出3種不同型號雷達(dá)的反射率、速度、譜寬、退極化比4種產(chǎn)品以及4種不同的掃描方式(垂直定點(diǎn)掃描、平面PPI掃描、RHI掃描)。下面選取3種雷達(dá)不同掃描方式下產(chǎn)品的回波圖。

雷達(dá)反射率被定義為單位體積內(nèi)全部降水粒子的雷達(dá)截面之和，其大小在一定程度上反映云、雨粒子群的情況。速度譜寬是對一個距離庫中速度離散度的度量，其與距離庫內(nèi)各個反射體的運(yùn)動方向和速度差別成正比[15]，譜寬數(shù)據(jù)[16]在對一些災(zāi)害性天氣方面具有較好的預(yù)警作用。多普勒徑向速度是指探測粒子對于雷達(dá)發(fā)射波束發(fā)生相對運(yùn)動時利用多普勒效應(yīng)原理所測得的散射體相對于雷達(dá)的速度。退極化比是由探測目標(biāo)后向散射功率的垂直和水平分量的到的，與目標(biāo)粒子的形狀、大小、介電質(zhì)、取向等有關(guān)，通過LDR值可以判斷雷達(dá)探測到粒子的形狀和相態(tài)。

毫米波雷達(dá)有多種掃描模式，其中模式有:平面掃描(PPI)、垂直定點(diǎn)掃描、俯仰掃描(RHI)、體掃模式，文中設(shè)計的繪圖軟件，實現(xiàn)對這4種掃描方式得到的反射率、速度、譜寬、退極化比產(chǎn)品的顯示。

圖8(a)～(f)是利用所設(shè)計的繪圖軟件顯示相應(yīng)產(chǎn)品回波圖，其中圖8(a)、(b)、(c)是2013年7月7日由784廠毫米波雷達(dá)所垂直定點(diǎn)掃描得到反射率、速度、譜寬回波圖，該型號雷達(dá)垂直探測盲區(qū)是375 m，因此圖中0到375 m區(qū)域是空白。圖8(d)是GLC-64型號雷達(dá)2010年7月21垂直定點(diǎn)掃描探測的退極化比回波圖。圖8(e)、(f)是由SCRMP-03型號雷達(dá)的兩種掃描方式得到反射率回波圖，其中圖8(e)為RHI掃描，圖的橫軸為水平探測距離，縱軸為垂直探測距離。圖8(f)為平面PPI掃描，圖中心點(diǎn)代表雷達(dá)所在位置。6個圓圈代表探測距離，最外圈為最大探測距離30 km，每一圈代

6 結(jié)束語

毫米測云雷達(dá)對于云的觀測十分重要，通過編寫自動識別3種毫米波雷達(dá)的基數(shù)據(jù)文件的軟件以及同時兼容這3種不同型號雷達(dá)產(chǎn)品的顯示軟件，節(jié)省了顯示軟件的開發(fā)，有助于更好的對比分析這3種不同毫米波雷達(dá)產(chǎn)品。對于后續(xù)的有關(guān)研究是十分必要的，因此對于毫米波雷達(dá)的基數(shù)據(jù)文件格式分析是十分必要的。還有很多的不足，如由于目前國內(nèi)毫米波雷達(dá)處于起步階段，因此文中分析的種類偏少，后續(xù)工作將繼續(xù)努力完善。

圖8 3種型號雷達(dá)不同掃描模式下反射率、速度、譜寬、退極化比4種產(chǎn)品回波圖

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