張建云 張垚
(1 中國華云氣象科技集團公司,北京 100081;2 北京敏視達(dá)雷達(dá)有限公司,北京 100094)
新一代天氣雷達(dá)在國內(nèi)經(jīng)過多年應(yīng)用,在臺風(fēng)[1]、龍卷風(fēng)[2]、輸電線路山火[3]等重大天氣的監(jiān)控、預(yù)警以及防災(zāi)減災(zāi)方面發(fā)揮了巨大作用。天線指向準(zhǔn)確性是天氣雷達(dá)發(fā)揮效益的基礎(chǔ)。目前大部分國內(nèi)外業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)指向精度為0.1°,通過定期執(zhí)行一種基于太陽為輻射源的掃描方法來檢測天線指向誤差。該方法將太陽作為輻射源,太陽位置作為絕對參考點用于檢測天線實際指向精度(以下簡稱“太陽法”)。雖然太陽法得到了國內(nèi)外的廣泛認(rèn)可,但存在兩個限制條件:1)用太陽法檢測天線指向精度時雷達(dá)停止正常的業(yè)務(wù)運行;2)為了保證檢測的精度,太陽法僅在晴天且太陽高度角適度的條件下有效并且需要精確時間。就天線指向精度要求而言,Asko等[4]提出在俯仰方向上,天氣雷達(dá)可接受的天線指向角度誤差是0.1°;而在方位方向上,一個有著200 km范圍精確探測的天氣雷達(dá)天線指向誤差小于0.3°就夠了??傊?,俯仰較方位方向上的天線指向誤差對天氣雷達(dá)系統(tǒng)影響大,尤其是對雷達(dá)低仰角掃描影響更為嚴(yán)重。如0.2°的天線指向誤差在200 km處會產(chǎn)生大約700 m的位移。波束高度誤差對降水估測產(chǎn)生較大影響[5];用于冰雹概率評估的回波高度計算[6]、地形束阻塞校正[7]等也與俯仰高度相關(guān)聯(lián)。此外,天氣雷達(dá)使用不精確的時間進行太陽法標(biāo)定,會造成地物回波中包含云的回波和超折射回波現(xiàn)象[8]。
隨著電子科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,電子器件不斷升級換代,先進的技術(shù)和器件使雷達(dá)探測技術(shù)得以提升、雷達(dá)穩(wěn)定性和可靠性得到進一步改善。在國內(nèi)外天氣雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域,業(yè)務(wù)中的雷達(dá)均以太陽法作為天線指向的絕對檢測方法,雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)沒有用于檢測天線指向的在線自動相對檢測方法。因此,天氣雷達(dá)天線指向角度的系統(tǒng)誤差即便已經(jīng)超出允許范圍,用戶并不知情,且雷達(dá)系統(tǒng)仍然處于工作狀態(tài),但觀測的雷達(dá)數(shù)據(jù)已不滿足業(yè)務(wù)需求,有時會造成較為嚴(yán)重后果和影響。為了進一步提升天氣雷達(dá)的數(shù)據(jù)質(zhì)量和應(yīng)用效益,對于7×24 h自動無人值守的業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)需要天氣雷達(dá)系統(tǒng)具有自動在線檢測天線指向精度的功能,用于在線檢測雷達(dá)天線角度的誤差是否超過允許的范疇。本文提出一種基于先進的激光探測器,通過在雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置參考位置,自動實時在線檢測雷達(dá)天線指向誤差的方法。
太陽法是目前國際上多數(shù)天氣雷達(dá)采用的主要天線指向檢測方法,該方法以離線的方式應(yīng)用于天氣雷達(dá)日常的技術(shù)維護中,其主要特點是,可靠、精度高,但費時費力。理論上,將太陽視為一個可靠且全球可用的外大氣層目標(biāo)作為雷達(dá)天線指向檢測的絕對參考。太陽法以雷達(dá)掃描太陽噪聲功率作為理論基礎(chǔ),將太陽噪聲輪廓(圖像輪廓)等效為一個太陽光盤,光盤中心的噪聲功率(或信噪比)值最大。實際應(yīng)用中,使用太陽法時雷達(dá)發(fā)射機不發(fā)射功率,雷達(dá)以被動方式接收太陽能輻射能量。首先用雷達(dá)站點的經(jīng)緯度和當(dāng)前時間計算出理論的太陽位置,控制天線運動到理論的太陽位置。然后控制天線圍繞太陽先后執(zhí)行從左到右和從上到下的掃描,在掃描的同時程序記錄下太陽對應(yīng)的天線角度和太陽噪聲功率值,從而獲得峰值太陽噪聲功率(或太陽圖像寬度)的估計值。通過比較太陽噪聲最大功率位置(或太陽圖像中心位置)的天線角度和得到理論太陽位置角度修正值——水平方向掃描得到方位角度的修正值,垂直方向掃描得到俯仰角度的修正值。在算法實施過程中,也有采用丟棄在峰值太陽功率下3 dB或更大信噪比值數(shù)據(jù),以縮小太陽功率輪廓尺寸的方式減小算法誤差。
太陽法一般有兩個要求:1)太陽處于低仰角8°~60°的位置,即限定上午或下午的某些時間段;2)執(zhí)行太陽法的計算機系統(tǒng)時間至少要精確到1 s以內(nèi),以獲得精確的太陽理論參照位置。Patricia等[9]發(fā)現(xiàn)該方法不易受到降水和非氣象回波的影響,在方位和俯仰兩個方向上均可實現(xiàn)0.05°~0.1°的精度;實際使用中還發(fā)現(xiàn)執(zhí)行太陽法天線指向檢測的時間對精度也有影響,譬如上午時段的測量誤差較下午要小,且一般上午時段為下午時段實際應(yīng)用誤差的80%左右。例如,C波段天氣雷達(dá)使用太陽法檢測指向精度,上午約為0.05°,下午約為0.1°。
太陽法能夠幫助雷達(dá)定北,實現(xiàn)雷達(dá)天線較高的角度定位精度,并且擁有不易受降水和非氣象回波影響等諸多優(yōu)勢,使其得到廣泛的應(yīng)用。但由于該檢測方法不能實時自動檢測,因此國內(nèi)外天氣雷達(dá)的技術(shù)人員一直在探索在線檢測方法。
地物在線天線指向檢測方法,是以雷達(dá)地物作為參考的檢測方法。天氣雷達(dá)完成安裝架設(shè)調(diào)試后,地形較高的山地、建筑物等,其經(jīng)緯度參數(shù)、高度參數(shù)和外形輪廓是相對固定的,雷達(dá)在低仰角掃描得到的地面雜波位置也是固定的。利用這一特征,使用高分辨率的數(shù)字地面高程模型(Digital elevation model,DEM)[10]數(shù)據(jù)和天氣雷達(dá)地物雜波數(shù)據(jù)進行對比檢查,通過判定方位角滯后量的方式得出天線指向在方位上的角度誤差?;诘匚餀z驗天線指向的方法[11],可實現(xiàn)0.1°~0.3°的雷達(dá)方位角檢測精度,但在雷達(dá)俯仰角度上檢測能力較差。另外,該類算法是基于晴空和標(biāo)準(zhǔn)大氣傳播條件理論模型實現(xiàn)的技術(shù),容易受到降水、大氣異常傳播的影響。因此,地物在線天線指向檢測方法,在應(yīng)用中仍然有眾多局限性。
太陽回波在線天線指向檢測方法,是以太陽信號功率理論模型為基礎(chǔ),其技術(shù)路線與太陽法類似。通過雷達(dá)掃描時自動檢測反射率數(shù)據(jù)中來自太陽的輻射(太陽干擾),使用峰值太陽功率和太陽圖像掃描寬度的估計值反演出太陽的方位角和俯仰角,用天線位置讀數(shù)和太陽回波等效光盤中心之間位置的相對位移計算出方位角和仰角的天線指向偏差[12-14]。這種方法與太陽法的核心差異在于發(fā)射機是否發(fā)射電磁波,太陽干擾夾雜在雷達(dá)回波中。一般太陽干擾回波出現(xiàn)在日出或日落時分,雷達(dá)天線仰角處于0.6°~8°范圍,而通常這些回波會被作為非氣象回波而被質(zhì)量控制算法濾除。該方法在一定程度上會受到降水和非氣象回波的影響,大氣異常傳播也可導(dǎo)致太陽相對于天線的定位不準(zhǔn)確。實際上,在業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)運行條件下接收到太陽輻射還是比較困難的,因此該太陽干擾法實用性有待提高。
基于激光探測器的天線指向檢測方法是通過在雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置角度參考,以對比預(yù)設(shè)參考位置與天線實際位置的差異來檢測雷達(dá)天線指向偏差。用于設(shè)置角度參考的位置傳感器是一種以激光為檢測媒介的激光收發(fā)探測器。傳感器選用單色準(zhǔn)直較好收發(fā)一體的激光收發(fā)器,激光收發(fā)端幾乎重疊可按同一點進行分析和處理。在雷達(dá)天線上固定一反射體,該反射體可實現(xiàn)來自90°以內(nèi)任意角度的激光反射回歸到接收端,實現(xiàn)發(fā)射出的激光原路返回,由此可判定反射體與激光在同一直線上。另外,該激光對金屬、普通鏡面等均不會產(chǎn)生有效反射,從而保障該反射體的有效性和唯一性。該方法還具有體積小、重量輕、功耗低、不干擾天氣雷達(dá)等特點,且已獲得知識產(chǎn)權(quán)[15]。
圖1為激光探測器天線指向角度誤差檢測電路實現(xiàn)方案。在雷達(dá)天線罩內(nèi)的天線掃描覆蓋空間內(nèi)精確牢固安裝激光探測器,該位置在天線角度上的參考信息可準(zhǔn)確獲得且不變化,分別安裝方位激光探測器和俯仰激光探測器。角度誤差檢測單元一邊實時獲取來自伺服控制系統(tǒng)的天線位置角碼數(shù)據(jù),一邊獲取來自方位和俯仰激光探測器的角度數(shù)據(jù)。然后將天線角碼數(shù)據(jù)和該參考位置角度數(shù)據(jù)進行對比,從而計算出相對差值,當(dāng)差值超過方位或俯仰角度誤差允許范圍時給出報警信號。報警信號發(fā)給雷達(dá)數(shù)據(jù)獲?。≧adar data acquisition,RDA)計算機,并由RDA計算機向用戶發(fā)出請求維護信息,雷達(dá)維護人員應(yīng)采用太陽法或地物在線等方法對雷達(dá)進行天線指向檢測和標(biāo)定。該激光探測角度檢測誤差,主要由天線掃描時轉(zhuǎn)動到當(dāng)前位置觸發(fā)激光探測器的角度位置位移決定,精度可達(dá)0.05°。
圖1 天線指向誤差探測原理框圖Fig. 1 Block diagram of the detection system of antenna pointing errors
圖2為方位角探測器誤差檢測示意圖。在雷達(dá)運行掃描某一有效仰角上,選取方位角內(nèi)某一固定位置,安裝一激光探測器。當(dāng)天線運行到此位置時,得到一個位置信號。與此同時,天線伺服控制系統(tǒng)也會獲取到一個位置的角度信息。將兩個角度信息進行對比,激光探測器的角度值是固定值,天線伺服控制系統(tǒng)測量到的角度是天線實際運行的角度位置值。當(dāng)兩者差值超過允許誤差的時候,給雷達(dá)控制計算機發(fā)出報警信號,提示系統(tǒng)角度誤差已經(jīng)影響數(shù)據(jù)質(zhì)量,需要維護雷達(dá)。
圖2 天線罩內(nèi)方位角探測器示意圖Fig. 2 Diagram of azimuth error detector inside the radome
圖3為俯仰角探測器誤差檢測示意圖。由于俯仰方向上的天線指向誤差對雷達(dá)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響較方位方向上更大,該指向誤差控制精度要求更高。如我國新一代天氣雷達(dá)業(yè)務(wù)運行模式,天線在俯仰方向上通常處于0.5°~19.5°。如果只在角度范圍邊緣檢測,那么俯仰角度誤差的判定可以更加簡單一些,也更加準(zhǔn)確一些。工作掃描的最小仰角為0.5°,當(dāng)天線在俯仰方向的指向誤差超過±0.1°的允許范圍時,天線的實際最小仰角要么高于0.6°,要么低于0.4°?;谏鲜銮闆r,在0.4°和0.6°各設(shè)置一個激光探測器。正常情況下,雷達(dá)天線指向不在誤差門限附近,此時天線在俯仰方向上是不能到達(dá)0.4°位置的。因此,如果0.4°位置處得到一個激光信號,說明天線的俯仰角度已經(jīng)超出誤差允許的下限。誤差允許的上限為另一種情況,正常情況天線在每個掃描周期都會回到最低仰角0.5°位置,當(dāng)然也會經(jīng)過0.6°的位置。但是,如果超過誤差運行上限時會使得天線不能回到0.6°的位置。那么只需要判斷在一個掃描周期的時間內(nèi)檢測不到0.6°位置的激光探測信號,即可確定俯仰方向的角度已經(jīng)偏離誤差運行上限。
圖3 天線罩內(nèi)俯仰角探測器示意圖Fig. 3 Diagram of elevation error detectors inside the radome
上述激光探測器角度檢測誤差與激光探測器在安裝位置的模糊位移有關(guān),就此對激光的模糊位移進行詳細(xì)分析。表1為S,C,X三個波段天氣雷達(dá)的天線罩參數(shù)和天線指向0.05°和0.1°誤差在天線罩半徑距離處的位移距離。以S波段天氣雷達(dá)為例,對天線指向誤差檢驗技術(shù)指標(biāo)進行分析,計算天線指向誤差對應(yīng)激光反射允許的模糊位移。天線罩直徑11.9 m,如在其半徑位置安裝激光探測器,則0.05°天線指向誤差在天線罩半徑的位移為5.19 mm,0.1°天線指向誤差位移為10.38 mm。激光探測器在天線罩半徑5.95 m處的可感知激光光斑尺寸約為表2中的13.91 mm,在進入反射體5.19 mm以內(nèi)發(fā)出對準(zhǔn)信號,即實現(xiàn)0.05°的檢測誤差。
表1 天線罩半徑處的誤差位移Table 1 Error displacements at the radius of the radome
表2 探測器模糊位移測試Table 2 Fuzzy displacements of laser detectors
圖4 激光運動模糊誤差示意圖Fig. 4 Diagram of the laser motion fuzzy error
激光光斑和反射體,一個固定,另一個運動,兩者是相對運動的位置關(guān)系。假定激光按圖4示意中由上向下運動時,以激光光斑的下邊緣為探測起點,以進入反射體發(fā)生感知信號的縱向深度為探測靈敏度。在S波段天氣雷達(dá)中,只要該深度值(模糊位移)小于5.19 mm就能保障0.05°的角度檢測誤差。
激光探測器檢測能力測試評估方法具體如下:首先,分別固定激光探測器和反射體,其中反射體安裝于可水平移動帶有游標(biāo)卡尺刻度的平臺上;然后,微調(diào)反射體使其進入傳感器發(fā)射的激光光斑面積區(qū)域,以進入光斑可觸發(fā)激光傳感器產(chǎn)生可感知信號的移動距離作為模糊位移;最后,反復(fù)測量,確定模糊位移并計算對應(yīng)半徑內(nèi)的模糊角度。表2是根據(jù)不同頻段天氣雷達(dá)天線參數(shù),在天線罩半徑處測得的探測器模糊位移和角度數(shù)據(jù)。由此模糊角度數(shù)據(jù)可知,在俯仰方向上通過該探測器進行限位,可以實現(xiàn)0.05°以內(nèi)角度誤差檢測。
只要探測器得到的位置角度數(shù)據(jù)與天線伺服得到的角碼數(shù)據(jù)時間上一致,就能確保角度對比是有效的。國內(nèi)CINRAD/SA、CA、X波段天氣雷達(dá)的交流伺服控制系統(tǒng)采用14位量化360°角度碼,最小分辨率為0.022°;直流伺服采用13位量化,電機控制精度0.044°。量化過程中小于1個有效位(Least significant bit,LSB)的角碼按照一定的規(guī)則入位或舍棄,產(chǎn)生量化誤差。該量化誤差屬于原理性誤差,均小于0.05°。因此,伺服控制天線位置會產(chǎn)生小于0.05°的量化誤差。目前天氣雷達(dá)伺服控制角度傳輸間隔為45和11.25 ms兩種模式,角度分辨率交流0.022°和直流0.044°。天線的角速度范圍0°~36°/s,伺服控制系統(tǒng)的天線角碼最小傳輸時間間隔為11.25 ms。因此只需在0.05°~0.1°誤差角度范圍內(nèi),同時得到天線角碼數(shù)據(jù)和探測器位置角度數(shù)據(jù),就可判定兩者在方位角上的位置差值。經(jīng)過計算,0.05°的角速度為4.44°/s,0.1°的角速度為8.89°/s。因此,在雷達(dá)體掃特定仰角(Plan position indicator,PPI)的掃描中,即可實現(xiàn)在方位上的對應(yīng)天線指向誤差的在線檢測。同理可得在俯仰方向上也能實現(xiàn)天線指向誤差的在線檢測。
選取CINRAD/SA雷達(dá)為試驗平臺,該雷達(dá)使用交流伺服控制系統(tǒng),14位量化角碼,角碼最小分辨率為0.022°。激光探測器安裝在天線罩內(nèi),通過RHI和PPI掃描對上述探測方法進行實際檢驗。按圖3示意圖方式,激光探測器1安裝在任意選取方位角(本次試驗隨機選取的方位角為10.8°)和俯仰角0.6°共同確定的位置;激光探測器2安裝在俯仰角為0.4°且在方位上與探測器1相差1.8°的位置。探測器1用于檢驗方位角方向和俯仰角0.6°位置的指向偏差;探測器2僅用于檢驗俯仰角0.4°的指向偏差,對其具體方位角位置不關(guān)注。另外,探測器1和探測器2在方位上1.8°的間隔實測距離約為100 mm,用于防止兩激光光斑的邊緣重疊造成互相干擾。為了在試驗中便于調(diào)節(jié)激光反射體位置,將激光反射體粘貼在天線旋轉(zhuǎn)拋物面底部最低位置的邊緣。在保持方位角不變的情況下通過RDA計算機設(shè)置并轉(zhuǎn)動到天線俯仰角為0.6°的位置,然后人工推天線使激光反射體與激光探測器正對時,測得激光探測器1與激光反射體之間的距離約為3.25 m。經(jīng)過RDA計算機RHI控制天線分別置于俯仰角0.4°和0.6°位置,測得激光反射體在兩位置間垂直距離約為30 mm。而激光反射體的有效反射區(qū)域大小為14 mm×14 mm,該邊長小于俯仰角0.4°和0.6°位置之間垂直距離,因此可以確保激光探測器1和2用于檢測俯仰位置的有效性。
俯仰方向天線指向誤差檢測,試驗第一步采用RHI控制使天線處于俯仰角0.6°位置,然后PPI掃描,實測每圈掃描激光探測器1有對正響應(yīng),激光探測器2無響應(yīng);試驗第二步RHI使天線處于俯仰角0.4°位置,然后PPI掃描,實測每圈激光探測器1無響應(yīng),激光探測器2有對正響應(yīng)。表明俯仰角0.4°和0.6°位置激光探測器已正常發(fā)揮作用。
CINRAD/SA雷達(dá)的體掃模式VCP21(Volume coverage pattern 21)在俯仰角6°以下低仰角掃描角速度介于11°~12°/s。因此試驗中采用俯仰角固定在0.6°天線做角速度為12°/s和8.8°/s的PPI掃描,其中8.8°/s掃描作為對比參照。表3為天線固定在0.6°俯仰位置做角速度分別為8.8°和12°/s的PPI掃描測得的俯仰角實測值。理論上每圈掃描測得的俯仰角應(yīng)保持為0.6°,但是由于角度的14位數(shù)字量化和±0.022°的最小測量精度的原因?qū)е聦崪y的俯仰角有0.57°和0.62°兩個。另外,伺服角碼精確到小數(shù)點后兩位導(dǎo)致14位數(shù)字量化后±1位LSB的±0.022°量化誤差會由小數(shù)點后第3位進位舍位造成0.02°~0.03°的測量模糊,但同一角度測量值的大小值之間的差值應(yīng)不大于0.05°(0.022×2=0.044)。同理,方位角測量值也存在最大、最小值差值不超過0.05°的測量數(shù)據(jù)模糊。因此,PPI掃描每圈天線上激光反射體運行到激光器1位置時,如果得到的方位角數(shù)據(jù)最小、最大值之間差在0.05°以內(nèi),則表明測量值是有效合理的。
表3 PPI掃描俯仰角0.6°的實測值Table 3 Measured elevation angles at the elevation of 0.6° in PPI scanning
表4為角度誤差檢測單元在PPI掃描時,獲取到的天線伺服角碼數(shù)據(jù)和激光探測器的傳感器與激光反射體對正時刻的時間測量參數(shù)。角度誤差檢測單元給獲取到的每個伺服角碼數(shù)據(jù)和激光探測器正對數(shù)據(jù)打印時間戳,時間戳的最小單位精確到0.06 μs,計數(shù)器量程為0~25.6 s,計數(shù)溢出后循環(huán)。由于正常PPI掃描時激光探測器對正時刻的數(shù)據(jù)一定是介于兩個伺服角碼數(shù)據(jù)之間,因此激光探測器正對時刻與獲取到當(dāng)前位置伺服角碼兩者的時間差極限值僅為幾十毫秒。如果該時間差超過1 s,角度誤差檢測單元可以判定雷達(dá)處于非正常工作狀態(tài),此時角度檢測報警無效。
表4記錄了俯仰角固定在0.6°分別以不同角速度進行PPI掃描時,激光探測器與激光反射體對正時刻時間和鄰近時刻的天線角碼的獲取時間。表中方位角表示激光反射體與激光探測器正對時刻獲取的方位角角度值;方位角時間為獲得該方位角的時間戳;激光傳感器正對時間為激光反射體與激光探測器正對時刻的時間戳。激光探測器安裝在10.8°,當(dāng)天線運行到激光探測器位置時測得的方位角為10.81°和10.85°。本次測量先得到方位角位置信息,后得到激光探測器對正的時間,通過天線的角速度和時間差參數(shù)對方位角修正,修正后的方位角為激光探測器所在的方位角位置——表4中的修正方位角。在天線為12°/s角速度時,激光探測器的修正方位角位置分別為10.83°,10.85°和10.86°,最大、最小值差為0.03°;在天線為8.8°/s角速度時,激光探測器的修正方位角位置分別為10.83°和10.86°,最大、最小值差為0.03°。該最大最、小值差的0.03°與1個LSB進位后的量化誤差一致,表明激光探測器位置測量非常準(zhǔn)確。由于最初預(yù)設(shè)10.8°位置并沒有精確到小數(shù)點后2位,因此可將表4中修正方位角的平均值10.85°作為參考點,一旦雷達(dá)配置VCP在0.6°低仰角掃描時出現(xiàn)超過±0.05°偏差的數(shù)據(jù)(10.79°和10.91°),則表明天線的方位指向偏差較大,并RDA計算機向用戶請求太陽法標(biāo)定。
激光探測器天線角度檢測方法,不受自然界的干擾和影響。其方法實現(xiàn)簡潔明了、較為可靠,有較好的業(yè)務(wù)實用性。經(jīng)過在CINRAD/SA雷達(dá)上實測檢驗,激光探測器不僅在天線俯仰方向上對指向超限限定位置檢測響應(yīng)較為靈敏,而且對天線的方位角可以實現(xiàn)0.05°以內(nèi)精度的位置定位,位置檢測較為準(zhǔn)確。該方法可適用于CINRAD/SA、CA等多個帶有天線罩的業(yè)務(wù)天氣雷達(dá)型號,在體掃中自動實時監(jiān)控天線方位和俯仰方向上同時實現(xiàn)0.1°以內(nèi)的天線指向精度檢測,解決了現(xiàn)有業(yè)務(wù)雷達(dá)不能在線檢測指向偏差的問題。
表4 PPI掃描時方位角與激光探測器的測量參數(shù)Table 4 Parameters of azimuth angle and laser detector in PPI scanning
Advances in Meteorological Science and Technology2018年6期