摘 要：X波段雙線偏振天氣雷達(dá)是識(shí)別粒子相態(tài)、粒子尺度譜分布等信息的重要設(shè)備之一。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度介紹了雷達(dá)的基本原理、組成、技術(shù)特點(diǎn)。系統(tǒng)的收發(fā)前置設(shè)計(jì)，減少了回波信號(hào)在饋線系統(tǒng)中傳輸?shù)膿p耗，避免旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等器件的指標(biāo)起伏對(duì)雙線偏振參數(shù)的影響。

關(guān)鍵詞：天氣雷達(dá)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；收發(fā)前置；損耗

中圖分類(lèi)號(hào)：P415.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2018）01-0084-04

The Design of X-band Dual Polarization Weather Radar Based on the Transceiver Front

CHENG Zhangfan

（Anhui Sun Create Electronics Co.，Ltd.，Hefei 230088，China）

Abstract：X-band dual polarization weather radar is to identify the particle morphology and particle size distribution，one of the important equipment of information. The basic principle，composition and technical characteristics of radar are introduced from the perspective of system design. The system is designed to send and receive，reduce the loss of echo signal in the feeder system and avoid the influence of the indicator fluctuations of the rotating joint and other devices on the polarization parameters of the two lines.

Keywords：weather radar；system design；sending and receiving equipment front；loss

0 引 言

我國(guó)新一代天氣雷達(dá)建設(shè)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段，對(duì)各類(lèi)災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)能力大幅提升，對(duì)防災(zāi)減災(zāi)做出了重要貢獻(xiàn)。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各行業(yè)對(duì)氣象服務(wù)的需求日益增長(zhǎng)，其中短臨預(yù)報(bào)的服務(wù)尤為重要。為了進(jìn)一步提高災(zāi)害性天氣的臨近預(yù)報(bào)水平，有必要進(jìn)一步發(fā)展X波段雙線偏振氣象雷達(dá)。

X波段雙線偏振天氣雷達(dá)能夠彌補(bǔ)在低空探測(cè)存在的盲區(qū)，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的天氣系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)觀測(cè)，對(duì)0.01km-3km范圍低層大氣進(jìn)行高時(shí)空分辨率的精確掃描，為災(zāi)害天氣的精細(xì)化預(yù)報(bào)、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)提供有效支撐，提高精細(xì)化氣象預(yù)測(cè)預(yù)警水平。

1 概述

X波段雙線偏振全相參多普勒天氣雷達(dá)能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)300km以內(nèi)降雨區(qū)的發(fā)生發(fā)展變化，獲取150km范圍內(nèi)云、雨等天氣目標(biāo)的回波信息，實(shí)現(xiàn)天氣目標(biāo)的識(shí)別、跟蹤、分析，有效監(jiān)測(cè)預(yù)警危險(xiǎn)天氣，為氣象預(yù)報(bào)人員提供豐富全面的分析資料，有效提高氣象保障能力。

主要技術(shù)特點(diǎn)：

（1）饋線功分網(wǎng)絡(luò)前置，實(shí)現(xiàn)對(duì)稱性設(shè)計(jì)，確保發(fā)射通道幅相一致性。

（2）收發(fā)前置，信號(hào)傳輸無(wú)需旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，大幅提高偏振系統(tǒng)接收饋線的幅相一致性。

（3）基于服務(wù)器平臺(tái)實(shí)現(xiàn)全軟件化數(shù)字處理，可融合更多、更復(fù)雜的信號(hào)處理功能和算法，有助于實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、智能化探測(cè)，更好的滿足科研需求。

2 系統(tǒng)組成

X波段雷達(dá)系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)配置劃分為室外天饋單元、主機(jī)單元和終端單元，如圖1所示。

室外天饋單元配置在樓頂或塔頂，主要包括天線、室外饋線、轉(zhuǎn)臺(tái)及與俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)一體設(shè)計(jì)的發(fā)射系統(tǒng)。

主機(jī)單元配置北斗授時(shí)/GPS定位系統(tǒng)、交換機(jī)、伺服分機(jī)、通風(fēng)單元和遙控配電分機(jī)等。

終端單元配置在雷達(dá)操作室，包括監(jiān)控終端、產(chǎn)品終端及配套的UPS電源等設(shè)備。

3 基本原理

X波段雙線偏振全相參多普勒工作原理如圖2所示。激勵(lì)信號(hào)送至固態(tài)發(fā)射機(jī)進(jìn)行功率放大，產(chǎn)生峰值功率大于200W的發(fā)射信號(hào)，經(jīng)過(guò)饋線功分網(wǎng)絡(luò)、天線發(fā)射出去；兩路回波信號(hào)經(jīng)過(guò)正交模耦合器，再經(jīng)過(guò)環(huán)行器、PIN開(kāi)關(guān)等器件，進(jìn)入雙通道接收機(jī)，變頻后形成140MHz中頻回波信號(hào)，經(jīng)數(shù)字中頻處理后形成I/Q數(shù)據(jù)，I/Q數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)光纖/千兆網(wǎng)送入服務(wù)器，最終輸出反射率因子、速度、譜寬、差分反射率因子、差分傳播相移和相關(guān)系數(shù)，以標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議發(fā)送至給數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用分系統(tǒng)，由其完成參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)以及各種氣象產(chǎn)品的生成。

4 收發(fā)前置實(shí)現(xiàn)

4.1 接收機(jī)前置設(shè)計(jì)

接收機(jī)在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式上采用一體化、輕量化設(shè)計(jì)，極大提高系統(tǒng)組件的集成化設(shè)計(jì)，提升整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的緊湊性和集成度。

整個(gè)接收機(jī)部分包括中頻數(shù)字接收機(jī)、信號(hào)處理、上變頻通道、頻率源、波形產(chǎn)生、接收通道和調(diào)制功放。各個(gè)模塊分別設(shè)計(jì)獨(dú)立的殼體，并且根據(jù)器件的發(fā)熱情況布置各個(gè)器件。發(fā)熱量大的器件安裝在靠近殼體側(cè)壁的位置，發(fā)熱量大的模塊安裝在靠近散熱風(fēng)道的位置，接收機(jī)示意圖如圖3所示。

4.2 發(fā)射機(jī)前置設(shè)計(jì)

由于固態(tài)發(fā)射機(jī)體積小、重量輕、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性好，因此將發(fā)射機(jī)與天饋系統(tǒng)直接連接，同步轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣既可省去兩路俯仰鉸鏈，還能減少功率損耗，保證幅相一致性。發(fā)射機(jī)組合了發(fā)射電源、射頻開(kāi)關(guān)、同軸轉(zhuǎn)換和散熱風(fēng)扇等，發(fā)射機(jī)示意圖如圖4所示。

4.3 實(shí)際效果

收發(fā)前置與俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)一體式設(shè)計(jì)，減少發(fā)射信號(hào)在系統(tǒng)中傳輸?shù)膿p耗和回波信號(hào)在饋線系統(tǒng)中傳輸?shù)膿p耗，經(jīng)過(guò)儀表，結(jié)果表明H/V兩路收發(fā)損耗相差0.04dB，且總損耗不到2dB，比常規(guī)雷達(dá)損耗小2～3dB，可提升系統(tǒng)靈敏度。

2017年10月～12月，在廣東省中山市紫馬嶺國(guó)家氣象觀測(cè)站進(jìn)行觀察實(shí)驗(yàn)，雷達(dá)連續(xù)不間斷開(kāi)機(jī)觀測(cè)2個(gè)月，雷達(dá)性能穩(wěn)定、可靠。

取得多次降水過(guò)程探測(cè)數(shù)據(jù)。如圖5所示，避免旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等器件的指標(biāo)起伏對(duì)雙線偏振參數(shù)的影響，雙線偏振探測(cè)精度高。

5 結(jié) 論

基于收發(fā)一體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所有設(shè)備高度集成，設(shè)備量少、重量輕，可適應(yīng)固定式、車(chē)載式、便攜式等陣地安裝，可為局地災(zāi)害性天氣短時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)提供有效手段。

結(jié)合國(guó)家氣象局X波段雙線偏振天雷達(dá)組網(wǎng)綜合探測(cè)建設(shè)，采用雷達(dá)組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行協(xié)同觀測(cè)，形成技術(shù)先進(jìn)、重點(diǎn)區(qū)域覆蓋的低空天氣雷達(dá)探測(cè)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的短時(shí)暴雨、冰雹、雷暴大風(fēng)等災(zāi)害性天氣的精細(xì)化實(shí)時(shí)探測(cè)、識(shí)別、跟蹤和短時(shí)臨近預(yù)警，提升對(duì)天氣災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)能力和應(yīng)急響應(yīng)能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張培昌，杜秉玉，戴鐵丕.雷達(dá)氣象學(xué) [M].北京：氣象出版社，2000.

[2] 焦中生，等.氣象雷達(dá)原理 [M].北京：氣象出版社，2005.

作者簡(jiǎn)介：程張凡（1984-），男，碩士，工程師。主要從事氣象雷達(dá)系統(tǒng)研究。