(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司,安徽合肥230088)

0 引言

工作頻率在30～300 GHz(波長為10～1 mm)范圍內(nèi)的雷達(dá),常稱為毫米波雷達(dá)。毫米波在細(xì)微粒子中具有較強(qiáng)的散射特性[1],利用這一特性可以提高對(duì)云霧的探測能力,有利于提高對(duì)氣象目標(biāo)形成的微物理過程的認(rèn)識(shí),因此測云雷達(dá)常采用毫米波頻段(例如Ka,W波段[2]),毫米波設(shè)備具有體積小、重量輕等特點(diǎn)。機(jī)載毫米波測云雷達(dá)以高機(jī)動(dòng)的飛機(jī)作為搭載平臺(tái),直接進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)大范圍的云霧探測。

國際上,毫米波測云雷達(dá)的研制和試驗(yàn)已進(jìn)入成熟階段,車載和機(jī)載毫米波測云雷達(dá)均有多種型號(hào),在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上,脈沖壓縮、調(diào)頻連續(xù)波、多極化、雙頻段等技術(shù)都有應(yīng)用,而且載有W波段測云雷達(dá)的衛(wèi)星已于2005年送上軌道,用以測量全球云垂直分布。

近年來,我國已經(jīng)研制出Ka波段、W波段測云雷達(dá),包括固定式、車載式、機(jī)載式產(chǎn)品。本文根據(jù)當(dāng)前國際上典型機(jī)載毫米波測云雷達(dá)技術(shù)參數(shù),結(jié)合我國采用載機(jī)的特點(diǎn),探討機(jī)載測云雷達(dá)探測模式,并進(jìn)行簡單分析和說明。

1 機(jī)載測云雷達(dá)主要參數(shù)

根據(jù)我國毫米波雷達(dá)現(xiàn)有技術(shù)水平和研制能力,并參考國外同類雷達(dá)的工作參數(shù),筆者認(rèn)為:我國首部機(jī)載測云雷達(dá)樣機(jī)宜采用全相參多普勒體制,選擇國產(chǎn)運(yùn)-7飛機(jī)為搭載平臺(tái),雷達(dá)工作頻率為W波段(波長3 mm),通過發(fā)射水平極化電磁波,同時(shí)接收回波信號(hào)的水平和垂直極化分量,用以估測云反射率因子Z、線性退極化比LDR、徑向速度V、譜寬W等基本參數(shù),以便提供云分布、云的狀態(tài)屬性,以及云相態(tài)和云中氣流分布等分析資料。

雷達(dá)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)暫定為:

工作頻率:W波段(94～95 GHz)

探測范圍:距離0.2～20 km

強(qiáng)度:-50～+20 d Bz

速度:-17～+17m/s(9k Hz/

6k Hz雙PRF模式)

譜寬:0～8 m/s

退極化比:-5～-30d B

波束掃描:在飛行方向垂直面內(nèi)作扇形掃描,掃描范圍60°

掃描速度:10°/s、20°/s、40°/s、60°/s可選

天線增益:≥47 dB

波束寬度:≤0.7°

發(fā)射功率:≥1.5 k W(峰值)

脈沖寬度:0.25μs,0.5μs(可選)

重復(fù)頻率:2～12 k Hz

載機(jī)飛行速度:120 m/s(典型)

飛行高度:5 000 m(典型)

2 探測模式和相關(guān)計(jì)算

2.1 波束掃描方式

國外機(jī)載測云雷達(dá)的載機(jī)最大飛行高度一般比較高,例如美國NASA(美國宇航局)的哥達(dá)德宇航中心(Goddard Space Flight Center)研制的機(jī)載W波段測云雷達(dá)系統(tǒng)(CRS)裝載于NASA的ER-2型高空飛機(jī)上,其飛行高度可達(dá)20 km。而云的高度主要在12 km以下,因此CRS主要在云的上方向下探測。

國外機(jī)載毫米波測云雷達(dá)大多數(shù)沒有波束掃描功能,但由于飛行高度較高,容易實(shí)現(xiàn)對(duì)高云的探測,而國內(nèi)運(yùn)-7飛機(jī)的飛行高度為5 km左右,對(duì)于高層云探測,需要將波束向上調(diào)整,因此雷達(dá)天線波束需具有掃描功能,對(duì)于大多數(shù)情況,可采用“側(cè)掃”方式,雷達(dá)波束透過吊艙的側(cè)窗向側(cè)面發(fā)射,并上下掃描;如果需要對(duì)飛機(jī)下部的云層作重點(diǎn)探測,可采用“下掃”方式,雷達(dá)波束透過下窗向下發(fā)射,并作左右掃描?！皞?cè)掃”和“下掃”如圖1所示。

圖1 波束掃描示意圖

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)該保證不論側(cè)掃還是下掃狀態(tài),雷達(dá)波束均與飛行方向垂直,因此,飛機(jī)航行引起的多普勒頻率可以忽略。

側(cè)掃:雷達(dá)波束在飛行方向的垂直面內(nèi)俯仰掃描,掃描范圍-30°～+30°,掃描中心線(軸線)即為透波窗法線方向,當(dāng)飛機(jī)以平穩(wěn)姿態(tài)飛行時(shí),掃描軸線平行于地面(即仰角0°)。

下掃:雷達(dá)波束在飛行方向的垂直內(nèi)俯仰掃描,掃描范圍-60°～-120°,當(dāng)飛機(jī)以平穩(wěn)姿態(tài)飛行時(shí),掃描軸線垂直于地面(即仰角-90°)。

定向:雷達(dá)波束在飛行方向的垂直面上固定指向于仰角范圍-30°～+30°內(nèi)的某一位置,或-120°～-60°范圍內(nèi)某一位置。

2.2 相關(guān)計(jì)算和分析

1)探測幅寬和縱向間隔

圖2為機(jī)載W波段測云雷達(dá)波束掃描示意圖。假設(shè)工作狀態(tài)是對(duì)飛機(jī)下方L處的云層左右掃描,掃描幅度為左右各30°,掃描軸線垂直向下,很顯然,對(duì)于距離飛機(jī)L處,探測幅寬為

探測幅寬W與距離L對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

圖2 下視探測

表1 探測幅寬與距離對(duì)應(yīng)關(guān)系

從圖2可看出,飛行探測時(shí),波束掃描線之間的縱向間隔S與飛機(jī)飛行速度v、波束掃描速度r有關(guān),即

假設(shè)飛行速度v=120 m/s,由上式可計(jì)算出縱向間隔S與掃描速度r之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 縱向間隔與掃描速度對(duì)應(yīng)關(guān)系(飛行速度=120 m/s)

從表2可以看出,在飛行速度一定的情況下,波束掃描速度越快,縱向間隔S越小,也就是說在飛行方向上的探測密度越大,這當(dāng)然是我們所希望的,但另一方面,隨著波束掃描速度的加快,雷達(dá)波束對(duì)目標(biāo)樣本的照射時(shí)間變短,也就是樣本回波的脈沖數(shù)變少,探測精度變差。所以在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)探測要求合理選擇波束掃描速度。

2)脈沖樣本數(shù)(脈沖積累數(shù)設(shè)置)

氣象雷達(dá)作回波信號(hào)處理時(shí)需要對(duì)目標(biāo)回波的多個(gè)脈沖樣本進(jìn)行積累平均,以提高估值精度,例如一般天氣雷達(dá)對(duì)脈沖樣本積累數(shù)通常取32以上。顯然對(duì)于機(jī)載測云雷達(dá),有效的脈沖積累數(shù)不僅與波束掃描速度、雷達(dá)重復(fù)頻率有關(guān),還要受到飛機(jī)飛行速度的限制,以下根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)提出對(duì)本雷達(dá)脈沖積累數(shù)的合理設(shè)置。

雷達(dá)波束掃描示意圖如圖3所示,假設(shè):

雷達(dá)波束寬度0.7°,波束掃描速度0°/s(固定指向),10°/s,20°/s,40°/s,60°/s可選,飛機(jī)飛行速度典型值v=120 m/s(即430 km/h)。

圖3 波束掃描示意圖

假設(shè)所關(guān)注的是400 m以外的云目標(biāo),如圖4所示,對(duì)于400 m處,雷達(dá)波束照射區(qū)直徑為

圖4 波束照射區(qū)直徑

① 固定指向(波束不掃描)

當(dāng)波束為固定指向時(shí),波束駐留時(shí)間[3]為

如果取雷達(dá)重復(fù)頻率為10 k Hz,當(dāng)雷達(dá)波束為固定指向時(shí),對(duì)于400 m以外的云目標(biāo),則脈沖積累數(shù)最大可設(shè)置為0.04 s×重復(fù)頻率=400。表3給出了在不同重復(fù)頻率時(shí),脈沖積累數(shù)典型設(shè)置值。

表3 脈沖積累的典型取值(波束為固定指向,飛行速度120m/s)

以上計(jì)算是針對(duì)400 m以外的云目標(biāo),對(duì)于200～400 m的近目標(biāo),顯然駐留時(shí)間要短些,嚴(yán)格說來,脈沖積累數(shù)的設(shè)置值應(yīng)該比表3數(shù)據(jù)低,因此按表3設(shè)置脈沖積累數(shù)。盡管對(duì)于400 m以內(nèi)的近目標(biāo)并非合理,但對(duì)于機(jī)載測云雷達(dá)來說,更為關(guān)注的應(yīng)該是400 m以外或更遠(yuǎn)處的云目標(biāo),因此按表3設(shè)置脈沖積累數(shù)是可以接受的。

② 扇掃(±30°側(cè)掃或下掃)

如果假設(shè)飛機(jī)在空中是靜止的(飛行速度為0),在這種“理想”情況下,波束掃描過程中對(duì)點(diǎn)目標(biāo)駐留時(shí)間僅取決于波束掃描速度,即駐留時(shí)間t1≈波束寬度/掃描速度,如表4所示。

表4 波束駐留時(shí)間(假設(shè)飛機(jī)靜止,波束±30°扇掃)

表4是假設(shè)飛機(jī)飛行速度為0(空中靜止)的情況,實(shí)際上飛機(jī)是以120 m/s速度在飛行中,因此實(shí)際駐留時(shí)間應(yīng)該比表4的短。綜合表3和表4數(shù)據(jù),可以近似認(rèn)為:當(dāng)飛行速度為120 m/s,在扇掃(±30°)情況下,各種掃描速度下駐留時(shí)間近似值如表5所示。

表5 波束駐留時(shí)間(飛機(jī)速度120m/s,波束±30°扇掃)

通過以上對(duì)駐留時(shí)間計(jì)算和分析,機(jī)載測云雷達(dá)信號(hào)處理器在脈沖積累數(shù)設(shè)置上可以參考表6進(jìn)行。

表6 脈沖積累數(shù)典型設(shè)置

2.3 典型探測模式

根據(jù)云目標(biāo)分布特性,機(jī)載測云雷達(dá)探測模式[4]主要有以下兩種。

1)探測模式—側(cè)掃

主要是針對(duì)運(yùn)-7飛機(jī)飛行高度以上的云探測,例如高積云、卷云、卷積云等,如圖5所示。重點(diǎn)關(guān)注云的分布,探測要素主要是云反射率和線性退極化比、徑向速度和譜寬。采用寬脈沖(0.5μs)發(fā)射,以提高靈敏度。為保證20 km探測范圍,雷達(dá)重復(fù)頻率相對(duì)較低,一般在6 k Hz以下。

雷達(dá)系統(tǒng)工作參數(shù)典型配置如下:

重復(fù)頻率:6 k Hz(不模糊測速范圍:±4.7 m/s)

脈沖寬度:0.5μs

波束掃描范圍:±30°

掃描速度:40°/s(掃描速度可選或定向)

脈沖積累數(shù):64

在飛行探測試驗(yàn)過程當(dāng)中,在側(cè)掃模式下采用了定向和掃描兩種探測方式來探測云反射率和線性退極化比、徑向速度和譜寬,取得的飛行探測數(shù)據(jù)基本驗(yàn)證了本文對(duì)典型探測模式的分析是基本正確的,飛行探測數(shù)據(jù)[5]如圖6和圖7所示。

2)探測模式—下掃

下掃主要是針對(duì)運(yùn)-7飛機(jī)飛行高度以下的云探測,如雨層云、積雨云等。由于載機(jī)飛行高度在5 000 m左右,因此對(duì)中低云探測可采用下掃方式,如圖8所示,這種探測模式對(duì)探測云內(nèi)上升、下沉氣流區(qū)比較有利,由于探測距離并不大,因此可選用較高的重復(fù)頻率,脈沖寬度采用0.5μs,雷達(dá)系統(tǒng)工作參數(shù)典型配置如下:

重復(fù)頻率:1 2 k H z(不模糊測速范圍:±9.5 m/s)

脈沖寬度:0.5μs

波束掃描范圍:±30°

掃描速度:40°/s(速度可選或定向)

脈沖積累數(shù):128

在飛行探測試驗(yàn)過程當(dāng)中,在下掃模式時(shí)采用了定向探測方式來探測云反射率和線性退極化比、徑向速度和譜寬,取得的飛行探測數(shù)據(jù)基本驗(yàn)證了本文對(duì)典型探測模式分析是基本正確的,飛行探測數(shù)據(jù)如圖9所示。

以上給出了兩種典型的探測模式,每種模式都對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)工作參數(shù)作出了明確規(guī)定,但在試驗(yàn)中為便于比較,還可能需要選擇其他參數(shù),具體參數(shù)匹配原則可參考表6。

圖6 探測模式:側(cè)掃定向方式

圖7 探測模式:側(cè)掃掃描方式

圖8 探測模式—下掃

3 結(jié)束語

以上分析中沒有考慮地形變化、天線旁瓣引起的地物回波等因素,實(shí)際上,在確定機(jī)載多普勒探測模式時(shí)(重復(fù)周期、脈沖積累數(shù)、掃描速度等),還應(yīng)考慮飛機(jī)抖動(dòng)、姿態(tài)變化等因素對(duì)探測效果的影響,因此雷達(dá)最佳探測模式需要綜合多種因素進(jìn)行調(diào)整,本文提出的探測模式僅供相關(guān)人員參考。

圖9 探測模式:下掃定向方式

[1]向敬成,張明友.毫米波雷達(dá)及其應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005:29.

[2]SKOLNIK M I.雷達(dá)手冊(cè)[M].2版.南京電子技術(shù)研究所,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2003:12-14.

[3]張培昌,杜秉玉,戴鐵丕.雷達(dá)氣象學(xué)[M].北京:氣象出版社,2001:159.

[4]蘇濤,高仲輝,黃興玉.94 GHz機(jī)載測云雷達(dá)總體技術(shù)研究[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2013,11(6):574-577,582.SU Tao,GAO Zhonghui,HUANG Xingyu.Research on Airborne Cloud Radar System[J].Radar Science and Technology,2013,11(6):574-577,582.(in Chinese)

[5]高仲輝,黃興玉,魏鳴,等.機(jī)載W波段雙線偏振測云雷達(dá)回波分析[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2014,12(5):561-568.GAO Zhonghui,HUANG Xingyu,WEI Ming,et al.Analysis of Cloud Echo Observed by Airborne W-Band Dual-Linear Polarization Cloud Radar[J].Radar Science and Technology,2014,12(5):561-568.(in Chinese)