陳素娟 王小偉

摘要? 結(jié)合隴南市氣象局開(kāi)展高空探測(cè)的實(shí)際，介紹L波段高空氣象探測(cè)原理，分析高空探測(cè)雷達(dá)丟球現(xiàn)象及原因，針對(duì)丟球問(wèn)題提出有針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施，為今后提升高空氣象探測(cè)質(zhì)量提供參考。

關(guān)鍵詞 高空探測(cè);雷達(dá);丟球;應(yīng)對(duì)措施

中圖分類(lèi)號(hào)：P412.25 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3305（2019）01-078-02

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.01.030

L band High Altitude Sounding Radar Ball dropping Phenomenon and Countermeasures

CHEN Su-juan? et al（Longnan Meteorological Bureau， Longnan， Gansu 746000）

Abstract Based on the practice of high altitude sounding carried out by Longnan Meteorological Bureau， the principle of L？鄄band high altitude meteorological sounding was introduced， and the phenomenon and reason of high altitude sounding radar ball？鄄dropping were analyzed. In order to improve the quality of high altitude meteorological detection in the future， some countermeasures were put forward.

Key words? ?High altitude detection; Radar; Ball dropping; Countermeasures

由我國(guó)獨(dú)立自主研發(fā)的L波段高空氣候探測(cè)雷達(dá)，在自動(dòng)追蹤角度、自行處理監(jiān)控高度及處理觀測(cè)數(shù)據(jù)信息時(shí)借助假單脈沖的二次雷達(dá)，具備探測(cè)精度和自動(dòng)化程度高、采樣速度快、體積小、能耗少等優(yōu)勢(shì)，可以生成不同種類(lèi)的氣象產(chǎn)品，還能對(duì)高空中溫度、濕度、風(fēng)向風(fēng)速、氣壓等氣象要素?cái)?shù)據(jù)開(kāi)展探測(cè)。自甘肅隴南市氣象局運(yùn)用L波段雷達(dá)探測(cè)開(kāi)展高空觀測(cè)以來(lái)，提升了高空氣象探測(cè)自動(dòng)化程度，由于探測(cè)雷達(dá)的測(cè)距和測(cè)角精確度水平較高，使得雷達(dá)脈沖寬度和波瓣寬度較窄，降低雷達(dá)定向和自動(dòng)跟蹤性能，在采集信號(hào)的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)諸如飛點(diǎn)、沒(méi)有信號(hào)、亂碼、凹口不齊等問(wèn)題，還會(huì)有丟球和旁瓣抓球等現(xiàn)象。

1 L波段高空探測(cè)雷達(dá)工作原理

高空氣象探測(cè)用到L波段雷達(dá)時(shí)，需要同時(shí)配備GTSI型數(shù)字式電子探空儀，兩者結(jié)合起來(lái)進(jìn)行探測(cè)，對(duì)高空中的溫/濕度、風(fēng)向風(fēng)速以及氣壓等氣象要素的數(shù)據(jù)和變化規(guī)律都可以獲取。L波段高空探測(cè)雷達(dá)進(jìn)行高空探測(cè)時(shí)，可以連續(xù)跟蹤、定位、測(cè)量探空氣球運(yùn)行軌跡，并在數(shù)學(xué)模型的幫助下計(jì)算出高空中的氣象情報(bào)信息;并連續(xù)不間斷地從探空儀上接收探空碼，這些探空碼通過(guò)譯碼器的翻譯得出探空數(shù)據(jù)。探空氣球在升空時(shí)，上面配備有無(wú)線電回答器，當(dāng)探空氣球升入高空，在工作之前會(huì)發(fā)布給地面“詢(xún)問(wèn)”的信號(hào)，而地面配有回答器，當(dāng)詢(xún)問(wèn)信號(hào)觸發(fā)至地面，收到來(lái)自地面的回答信號(hào)，然后可以通過(guò)詢(xún)問(wèn)信號(hào)到回答信號(hào)間相隔的時(shí)間、回答信號(hào)方向和位置，從而計(jì)算出探空氣球和雷達(dá)間的距離、方位角及仰角，根據(jù)公式得出對(duì)應(yīng)高度層風(fēng)向及速度。

利用探空氣球攜帶的探空儀對(duì)高空中大氣溫濕度、氣壓值數(shù)據(jù)開(kāi)展觀測(cè)。探空儀器主要由氣壓、溫度、濕度反應(yīng)靈敏的感應(yīng)元件和轉(zhuǎn)換電路組成，當(dāng)大氣的溫、濕度和氣壓有所變化時(shí)，電參量數(shù)據(jù)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。電參量采樣需要變換時(shí)，要結(jié)合轉(zhuǎn)換電路，利用探空碼來(lái)控制回答器?；卮鹌鹘邮盏降奶娇沾a被雷達(dá)接收機(jī)接收到，在相關(guān)方面的軟件作用下破解探空儀，此時(shí)就能獲取到高空中溫濕度、氣壓氣象要素?cái)?shù)據(jù)。

2 L波段高空探測(cè)雷達(dá)常見(jiàn)的丟球現(xiàn)象

2.1 過(guò)頂丟球

在地面或氣球升空一段時(shí)間后易出現(xiàn)過(guò)頂丟球。當(dāng)L波段高空探測(cè)雷達(dá)跟蹤目標(biāo)探空氣球時(shí)，恰逢探空氣球處于雷達(dá)上空，和天線比較接近，此時(shí)，受到方位角轉(zhuǎn)速和仰角活動(dòng)范圍的共同限制，雷達(dá)通過(guò)各種手段均識(shí)別不到探空氣球路徑，無(wú)法探查到探空氣球，造成丟球現(xiàn)象。通過(guò)一系列試驗(yàn)結(jié)果均表明，施放的探空氣球接近于L波段高空探測(cè)雷達(dá)時(shí)，天線監(jiān)控出現(xiàn)死角，容易出現(xiàn)丟球現(xiàn)象。

2.2 旁瓣抓球

在對(duì)高空氣象進(jìn)行探測(cè)時(shí)，目標(biāo)會(huì)定義主瓣為真定向，定義旁瓣為假定向。當(dāng)旁瓣抓球時(shí)，出現(xiàn)雷達(dá)所探測(cè)到的距離大幅度減少，而接收信號(hào)范圍也隨之減少，在測(cè)試中，監(jiān)測(cè)到的角度會(huì)有≥8°的誤差。當(dāng)L波段高空探測(cè)雷達(dá)天線波段寬度不大于6°時(shí)，夜間或大霧天氣能見(jiàn)度比較差，此條件下進(jìn)行手動(dòng)抓球，如果出現(xiàn)失誤的指揮操作，很容易出現(xiàn)旁瓣抓球。L波段高空探測(cè)雷達(dá)的天線仰角在正常的工作范圍內(nèi)時(shí)，臺(tái)站低空處以靜風(fēng)或微風(fēng)天氣為主，結(jié)合GTS1型探空儀特征，再對(duì)該時(shí)刻L波段信號(hào)最弱時(shí)刻進(jìn)行判斷，易出現(xiàn)旁瓣抓球。

2.3 信號(hào)干擾丟球

L波段高空探測(cè)雷達(dá)工作時(shí)，主信號(hào)以外其他信號(hào)會(huì)對(duì)其產(chǎn)生干擾作用，對(duì)于L波段高空探測(cè)雷達(dá)接收信號(hào)接收工作造成嚴(yán)重影響，輕則會(huì)導(dǎo)致氣象要素?cái)?shù)據(jù)異常，重則需要進(jìn)行重放球操作。特別是在雷雨天氣出現(xiàn)過(guò)程中，雷電中強(qiáng)電磁會(huì)對(duì)探空氣球信號(hào)造成干擾，跟蹤信號(hào)和探空信號(hào)極易失去響應(yīng)，在強(qiáng)電磁干擾影響下L波段高空探測(cè)雷達(dá)出現(xiàn)丟球現(xiàn)象。

2.4 頻率漂移丟球

當(dāng)探空儀出現(xiàn)性能下降時(shí)，會(huì)導(dǎo)致頻率漂移丟球的現(xiàn)象發(fā)生。L波段高空探測(cè)雷達(dá)運(yùn)行時(shí)頻率為1 669～1 981 MHz，運(yùn)行頻率范圍廣泛，但對(duì)自身工作頻率卻不能進(jìn)行控制。當(dāng)探空氣球從地面施放到高空后，在所預(yù)定位置上發(fā)生爆炸，這個(gè)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致大氣層中溫度超過(guò)120℃。溫度急劇變化會(huì)影響回答器的頻率出現(xiàn)漂移，當(dāng)這個(gè)頻率變化高出L波段雷達(dá)所能夠接收范圍時(shí)，高空探測(cè)雷達(dá)就不能準(zhǔn)確接收到信息，當(dāng)信號(hào)無(wú)法響應(yīng)時(shí)，L波段雷達(dá)接收頻率和探空氣球間發(fā)生頻率漂移，從而出現(xiàn)丟球。

3 不同丟球問(wèn)題應(yīng)對(duì)措施

3.1 過(guò)頂丟球應(yīng)對(duì)

通常來(lái)說(shuō)，L波段雷達(dá)在抓球時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)太大變化的接收增益。當(dāng)高空探測(cè)時(shí)，出現(xiàn)過(guò)頂丟球現(xiàn)象，應(yīng)該結(jié)合正常跟蹤時(shí)仰角位置，采取手動(dòng)方式操縱雷達(dá)在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行掃描，時(shí)刻注意示波器中4根亮線運(yùn)動(dòng)情況和數(shù)據(jù)量增益變化。若示波器上4根亮線處于合適位置且增益值變化幅度不大，需調(diào)整天控開(kāi)關(guān)到手動(dòng)位置處，啟用雷達(dá)的扇形掃描功能;如果發(fā)生了過(guò)頂丟球，探空氣球和雷達(dá)間直線距離還能夠顯示出來(lái)，此時(shí)可以根據(jù)探空氣球的高度，利用反三角函數(shù)來(lái)計(jì)算出探空氣球和雷達(dá)天線間的仰角;當(dāng)丟球時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或不能計(jì)算出仰角數(shù)值時(shí)，可以先對(duì)仰角數(shù)值預(yù)估，繼而全方位進(jìn)行方位角掃描;當(dāng)出現(xiàn)抓球失敗的現(xiàn)象時(shí)，需要改仰角為10°的數(shù)值，掃描左右方向，使示波器的低層4條亮線處于平行的狀態(tài)。抓球工作完畢后，檢查示波器4根亮線是否穩(wěn)定、跳躍是否整齊，查看雷達(dá)高度、氣壓高度數(shù)值是否一致，與上述條件基本一致說(shuō)明抓球成功。

3.2 旁瓣抓球應(yīng)對(duì)

當(dāng)發(fā)生旁瓣抓球現(xiàn)象后，探測(cè)人員應(yīng)及時(shí)地按下L波段雷達(dá)扇形掃描天線設(shè)置按鈕，按照設(shè)置好的程序，雷達(dá)天線即會(huì)展開(kāi)自動(dòng)搜索。如果發(fā)生假定向現(xiàn)象，那么，L波段雷達(dá)天線經(jīng)過(guò)搜索后會(huì)歸位到主瓣;如果天線在初始位置，那么是真定向;如果通過(guò)扇形掃描，發(fā)現(xiàn)L波段高空探測(cè)雷達(dá)天線的仰角和位置都出現(xiàn)了較大變化，就要重新再一次進(jìn)行扇形掃描，發(fā)現(xiàn)天線仰角和方位變化不大，此時(shí)說(shuō)明是正定向抓球;如果仍然沒(méi)有抓到球，就應(yīng)啟用手動(dòng)抓球。

3.3 信號(hào)干擾丟球應(yīng)對(duì)

如果因?yàn)樵馐苄盘?hào)干擾引發(fā)L波段雷達(dá)出現(xiàn)丟球，可以調(diào)節(jié)天控開(kāi)關(guān)為手動(dòng)的狀態(tài)，讓雷達(dá)處于1 678 MHz左右的頻率，在進(jìn)行自動(dòng)跟蹤時(shí)，可以有效地避免干擾信號(hào)。隨后結(jié)合丟球前仰角和方位角讀數(shù)，對(duì)調(diào)L波段雷達(dá)天線位置進(jìn)行調(diào)整，把天控開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)成自動(dòng)狀態(tài)，然后通過(guò)扇形掃描，根據(jù)探空氣球的飛行時(shí)間和變化規(guī)律判斷丟球是否找回。若探空氣球未找回，重復(fù)上面的操作直到找出探空氣球?yàn)橹埂?/p>

3.4 頻率漂移丟球應(yīng)對(duì)

因頻率漂移引發(fā)丟球，分別將頻率與天線控制調(diào)整到手動(dòng)狀態(tài)，使L波段雷達(dá)工作頻率保持在1 673～1 675 MHz。調(diào)節(jié)天控開(kāi)關(guān)成為手動(dòng)狀態(tài)，讀出來(lái)發(fā)生在丟球前的仰角和方位角，把雷達(dá)天線調(diào)轉(zhuǎn)到合適位置上，然后再把手動(dòng)狀態(tài)設(shè)置為自動(dòng)狀態(tài)，查看雷達(dá)自動(dòng)跟蹤是否異常。若雷達(dá)未恢復(fù)到自動(dòng)跟蹤狀態(tài)，需再次將天控開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)成手動(dòng)，適當(dāng)偏離原仰角和方位角，再將天控開(kāi)關(guān)設(shè)置為自動(dòng)，這樣就能保證雷達(dá)對(duì)探空儀進(jìn)行自動(dòng)跟蹤。

參考文獻(xiàn)

[1] 張陽(yáng)，高玉巖，劉俊昌.高空探測(cè)L波段雷達(dá)丟球原因及應(yīng)對(duì)方法[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2014（20）：235，239.

[2] 張紅軍，張娜娜，張潔新. L波段高空氣象探測(cè)雷達(dá)丟球的原因分析及應(yīng)對(duì)[J]. 北京農(nóng)業(yè)，2015（25）：147-148.