(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

星載降雨測量雷達可以克服地基雷達和衛(wèi)星被動遙感的缺陷,具有測量參數(shù)與降雨氣象粒子相態(tài)以及降雨強度直接相關、可提供降雨的垂直結(jié)構(gòu)信息、不受背景輻射特性的影響等優(yōu)點。星載降雨測量雷達用于全球降雨觀測有著不可替代的地位,為人類具備了解、預測以至利用氣象氣候的能力提供基石[1-4]。

能夠觀測全球降雨分布的唯一有效手段是衛(wèi)星探測,過去和現(xiàn)有的衛(wèi)星觀測手段大都采用被動遙感技術(shù),通常使用可見光頻段、紅外頻段和微波頻段?？梢姽夂图t外傳感器在全球的降雨探測中有很長的歷史,但它們無法獲取降雨空間結(jié)構(gòu)的垂直分布,且已有的可見光和紅外圖像估計降雨的多種算法在準確度上仍不能令人滿意。微波輻射計通過降雨區(qū)域的微波輻射進行測量,在背景輻射較低的海洋環(huán)境下,降雨的微波輻射能夠很好地指示降雨;但陸地背景是很好的微波輻射體,降雨和陸地之間的亮溫差異較小,因此在陸地背景下探測降雨非常困難。而微波主動探測雷達可穿透云、雨層進行成像,可以獲得云、雨等氣象目標的垂直結(jié)構(gòu)和內(nèi)部相態(tài)信息,是當今氣象探測發(fā)展的趨勢。

隨著星載降雨測量雷達TRMM/PR[5]和GPM/DPR[6]的成功發(fā)射和運行,星載降雨測量雷達開始進入實用階段,技術(shù)得到快速發(fā)展。美國和日本已開展星載雙頻段降雨測量雷達DPR的研制和第二代星載降雨測量雷達PR-2[7]的研究工作。目前,測雨雷達都分置在低軌道衛(wèi)星平臺上,尚不具備定點觀測能力。未來降雨雷達將朝著地球同步軌道方向發(fā)展,從而實現(xiàn)全球降雨的定點觀測。

本文主要針對軍事和民用對高精度定點降雨測量、氣象建模和預報的迫切需求,設計了一種地球同步軌道星載降雨測量雷達。該雷達工作于地球同步軌道,可實現(xiàn)全球降雨的定點觀測,獲得全球降雨的三維結(jié)構(gòu)和內(nèi)部相態(tài)信息。

1 星載降雨測量雷達原理

圖1給出了星載降雨測量雷達的工作原理示意圖。

圖1 星載降雨測量雷達工作原理示意圖

星載降雨測量雷達通過在空中測量大氣中的雨滴、冰晶、雪花等含水顆粒對雷達發(fā)射高頻信號的后向散射回波功率,推算降水的水含量、微物理參數(shù)和空間分布。

星載降雨測量雷達的天線面向平臺下方的大氣層,在脈沖體制下,每隔一定時間發(fā)射一定波束方向的高頻電磁波,脈沖經(jīng)降雨目標散射,同時也包括地表目標的反射后返回雷達天線。雷達通過定量測量接收信號的功率,反演雷達反射率因子以及地表的散射截面積,通過一定反演算法獲得降水量等信息。與地基天氣雷達相比,由于天線垂直向下觀測,因此可以獲得更好的降雨垂直廓線信息,并且隨著衛(wèi)星的運動,擁有更大的觀測范圍。

星載降雨測量雷達的水平分辨率由天線波束寬度決定,天線波束在垂直航向方向進行掃描一定的角度實現(xiàn)所需要的測繪帶觀測區(qū)域。

2 地球同步軌道降雨探測雷達設計

2.1 工作頻率與極化方式選擇

在大氣衰減方面,水汽分子在微波區(qū)(1～300 GHz)有兩條吸收譜線,其中心頻率分別為22.235 GHz和183.31 GHz,頻率高于300 GHz還有強吸收譜線;氧氣的吸收譜由許多分布在50～70 GHz范圍內(nèi)的吸收譜線和一條118.75 GHz的譜線組成。圖2[8-9]給出了毫米波以及太赫茲頻段的大氣吸收譜,從中可看出,高于100 GHz的頻段,大氣衰減率極大(?1 d B/km),低于100 GHz的頻段,在14 GHz(Ku)、35 GHz(Ka)和94 GHz(W)三個頻段存在“大氣窗口”,衰減率低于附近的頻段,因此星載測云、測雨雷達通常采用這三個頻段。本文選擇Ka頻段進行降雨探測。

圖2 毫米波及太赫茲頻段大氣吸收曲線

大尺寸的雨粒子,尤其冰雪和降雨不是球形的而是扁球形的,如圖3所示。這種粒子的形狀特征和它們在空間中的取向可通過雙線性極化探測。差分反射率ZDR是水平極化反射率與垂直極化反射率之比,反映了降雨粒子偏離球形的程度和在水平與垂直方向上的優(yōu)勢取向程度。因此,ZDR對反演降雨粒子相態(tài)特別有用,且不依賴于粒子的總體密度,只與各種尺度間粒子的密度分布相關。

圖3 雨粒子的扁度隨其直徑的變化

由于穿過包含扁平雨滴區(qū)域的水平極化波速度比垂直極化波的速度慢,導致水平極化回波的相位ΦH逐漸落后于垂直極化回波的相位ΦV,故差分相位ΦDP=ΦV-ΦH隨著距離而逐漸增加。差分傳播相移KDP是ΦDP與距離變化的比值,即垂直和水平極化波之間單位長度的傳播相移差。KDP和ZDR相比與降雨強度有著更好的線性相關性。

線性退極化比(LDR)是交叉極化與同極化回波散射強度比,反映了降雨粒子對入射波正交分量散射能量的大小。LDR主要與水凝物形狀、不規(guī)則程度、熱力學相態(tài)、介電常數(shù)、在極化平面的傾斜角,以及水凝物空間取向等有關。LDR依賴于粒子下落的方式,是云融化層的極好指示,可用來檢測亮帶,同時也可用來指示濕冰。

因此,采用雙線性極化方式進行降雨探測。

2.2 分辨率與脈寬設計

地球同步軌道星載降雨測量雷達的空間分辨率應能夠滿足典型降雨的觀測需求,可分辨降雨的空間變化,保證空間采樣不發(fā)生混疊。

表1[10]給出了典型應用對降雨測量空間分辨率需求,從表中可以看出,這些應用的水平分辨率需求基本上在20 km以上水平,僅在“熱帶氣旋”和“雷暴-洪水”應用上需要最高1 km的水平分辨率,綜合考慮天線孔徑限制,10 km的水平分辨率可滿足降雨測量要求;在垂直分辨率方面,300 m的分辨率可滿足需求。

表1 降雨測量的空間分辨率要求

本文選擇非脈沖壓縮雷達體制,雷達脈沖寬度τ與垂直分辨率ρP的關系為

雷達的垂直分辨率設計為300 m,則雷達系統(tǒng)的脈沖寬度設計為2μs。

2.3 地雜波、觀測帶寬度分析

雷達不掃描工作時,其觀測帶寬為波束覆蓋寬度,也即10 km。為了提高衛(wèi)星的觀測效率,縮短重訪時間,雷達采用掃描模式,以實現(xiàn)較大的觀測帶寬。

然而,對于星載降雨測量雷達而言,探測區(qū)域幾乎貼在地球表面,地表的后向散射回波要比雨水回波強得多,因而星載降雨測量雷達和機載降雨測量雷達相比,星載降雨測量雷達一個很重要的問題是地雜波抑制問題。雷達天線垂直于航向交軌掃描,此時不僅主瓣回波含有地表雜波,副瓣雜波也可能強于云雨回波進入雷達天線,而且在距離上無法和有用回波區(qū)分開。星載降雨測量雷達掃描不同角度時降雨目標探測的信雜比分布如圖4所示。從圖中可以看出,在掃描0°～1°時,所有高度分布的降雨均不受地雜波的干擾,隨著掃描角度的增大,其受地雜波干擾的降雨越多,在8.5°以上時,所有降雨目標均受到地雜波的干擾,探測性能迅速惡化。

圖4 不同掃描角度下的降雨探測信雜比分布圖

掃描角度不僅會影響降雨探測信雜比,還會影響系統(tǒng)靈敏度和測速精度。雷達在不掃描、掃描±4°和掃描±8°下系統(tǒng)靈敏度、測速精度的性能對比仿真如圖5所示。從圖中可以看出,掃描范圍越大,系統(tǒng)的測繪帶寬越寬,但系統(tǒng)的靈敏度和測速精度性能均下降。折中考慮,在保證觀測靈敏度和信雜比的情況下,雷達掃描范圍設置為±4°。

圖5 不同測繪帶寬下系統(tǒng)靈敏度、測速精度性能對比

在天線僅具備±4°的掃描能力下,為了實現(xiàn)大的測繪帶定點觀測,采用螺旋掃描方式,如圖6所示。采用螺旋掃描模式,可實現(xiàn)5 000 km直徑的圓覆蓋。雷達在星下點處的水平分辨率為10 km,±4°邊緣掃描角處的水平分辨率為12 km。

圖6 螺旋掃描方式

2.4 系統(tǒng)靈敏度分析

降雨測量雷達觀測的主要目標為雨,因此降雨的雷達反射率因子的分布是設計系統(tǒng)靈敏度的參考標準。最小可測反射率因子(系統(tǒng)靈敏度)決定了星載降雨測量雷達系統(tǒng)所能探測目標的分布范圍的下限,也就決定了系統(tǒng)的探測能力。

氣象雷達系統(tǒng)靈敏度為

式中,θ和φ分別為雷達波束的方位和俯仰寬度,c為光速,τ為雷達脈沖寬度,Pt為發(fā)射功率,G為天線系統(tǒng)增益,λ為波長,R為到點目標的距離,B為接收機帶寬,F為接收機系統(tǒng)噪聲系數(shù),k為玻耳茲曼常數(shù),T為接收機系統(tǒng)噪聲溫度,Loss為雷達系統(tǒng)雙程損耗,|K|2為復反射率因子,也即

式中,m為氣象目標復折射指數(shù)。由于星載降雨測量雷達選擇Ka頻段進行探測,因此|K|2按經(jīng)驗取為0.85。

由于雷達的星下點水平分辨率為10 km,因此天線的口徑設計為35 m,增益為78 dB、3 dB波束寬度為0.016°、雷達的峰值發(fā)射功率為1 000 W、接收機帶寬為0.6 MHz、損耗為5 dB、系統(tǒng)噪聲系數(shù)為5 dB。雷達在各掃描角處的系統(tǒng)靈敏度如圖7所示?？梢钥闯?地球同步軌道星載降雨測量雷達的系統(tǒng)靈敏度優(yōu)于15 dBz,可實現(xiàn)0.3 mm/h以上強度的降雨探測。

圖7 不同掃描角處的系統(tǒng)靈敏度

2.5 PRF選擇

星載氣象雷達的脈沖重復頻率(PRF)的約束條件[11]為:

1)氣象目標的后向散射回波應落在一個脈沖重復周期內(nèi);

2)氣象目標的后向散射回波應與星下點回波避開;

3)避開發(fā)射干擾并考慮發(fā)射和接收之間的時間切換;

4)保證采樣間獨立性,PRF選擇需要滿足奈奎斯特采樣率。

PRF選取示意圖如圖8所示。

圖8 PRF選擇示意圖

因此,脈沖重復頻率(PRF)約束條件如下:

式中,PRF為發(fā)射脈沖重復頻率,τ為脈沖寬度,Tm為發(fā)射與接收切換時間,vs為載荷運動速度,D為反射面天線口徑尺寸,Tnear和Tfar分別為接收到觀測區(qū)域內(nèi)最近與最遠距離回波所需的時間,Tnear1和Tfar1分別為接收到最邊緣波束覆蓋區(qū)域內(nèi)最近與最遠距離回波所需的時間,Tnadir為星下點回波時間。

不同掃描角處的PRF值如圖9所示。經(jīng)計算,PRF選擇范圍為:3 370～3 540 Hz。

圖9 不同掃描角處PRF值

3 系統(tǒng)設計指標及探測性能

經(jīng)過上述論證,地球同步軌道星載降雨測量雷達的系統(tǒng)指標設計如表2所示。

4 結(jié)束語

根據(jù)應用需求、國外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢,本文提出了一種基于Ka頻段雙極化體制的地球同步軌道星載降雨測量雷達系統(tǒng)設計方案。該雷達采用Ka頻段、雙極化工作方式,雙極化可提高雷達對不同類型降雨粒子的辨別能力,實現(xiàn)了0.3 mm/h以上強度的降雨探測能力。同時,雷達運行于地球同步軌道,天線具備±4°二維掃描能力,可以實現(xiàn)5 000 km直徑圓形區(qū)域的定點觀測。該雷達在軍事戰(zhàn)場作戰(zhàn)環(huán)境綜合探測方面具有很好的應用價值。

表2 地球同步軌道星載降雨測量雷達系統(tǒng)指標

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