范大偉 祁珊 曹敦波

摘 ?要： 天線定位精度是天氣雷達(dá)的一個(gè)重要參數(shù)，根據(jù)要求每半年需要對該參數(shù)進(jìn)行一次測試。但是目前例行測試方法存在一定的局限性，為解決此問題開發(fā)了一套天線定位精度診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)以天氣雷達(dá)體掃基數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過獲取每個(gè)徑向的仰角和方位角信息，進(jìn)而得到雷達(dá)天線的運(yùn)行軌跡和相關(guān)數(shù)據(jù)，利用這些信息可以幫助維護(hù)人員準(zhǔn)確、快速的掌握雷達(dá)天線定位精度情況。

關(guān)鍵詞： 天線; 定位精度; 多普勒天氣雷達(dá); 體掃模式

中圖分類號：TP311.1 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1006-8228（2019）10-05-03

Abstract： Antenna positioning accuracy is an important parameter of weather radar， which needs to be tested every six months according to the requirement. However， there are some limitations in the current routine test methods. To solve this problem， a diagnostic system for antenna positioning accuracy is developed. According to the volume scan data， by acquiring the elevation and azimuth information of each radial direction， the system can obtain the trajectory of the radar antenna and relevant data， which can help the maintenance personnel to accurately and quickly grasp the positioning accuracy of the radar antenna.

Key words： antenna; positioning accuracy; Doppler weather radar; volume scanning pattern

0 引言

機(jī)場多普勒天氣雷達(dá)（以下簡稱ADWR）是由安徽四創(chuàng)電子股份有限公司設(shè)計(jì)、開發(fā)的新一代大型C波段全相參脈沖多普勒天氣雷達(dá)。它是警戒強(qiáng)對流天氣、分析中小尺度天氣系統(tǒng)，是制作短時(shí)天氣預(yù)報(bào)的強(qiáng)有力的工具，同時(shí)也是管制人員指揮飛機(jī)進(jìn)行雷雨繞飛的重要參考依據(jù)[1-2]。

天線定位精度是天氣雷達(dá)的一個(gè)重要參數(shù)，它的大小直接影響著雷達(dá)探測回波位置的準(zhǔn)確性，回波位置是否準(zhǔn)確直接影響飛行安全。根據(jù)規(guī)范[3]要求ADWR方位和俯仰的定位精度小于等于0.1°。根據(jù)本單位運(yùn)行手冊要求，每半年需要對ADWR進(jìn)行換季維護(hù)，維護(hù)的內(nèi)容之一就是對天線的定位精度進(jìn)行測試。具體的測試方法如下：①方位定位精度：通過控制終端設(shè)置指定的方位角（0°到330°每隔30°取一個(gè)方位角），執(zhí)行后記錄終端顯示器上角度指示值，檢驗(yàn)時(shí)以設(shè)置值與指示值的差值的均方根誤差表征方位定位精度;②俯仰定位精度：通過控制終端設(shè)置指定的仰角（0°到55°每隔5°取一個(gè)俯仰角），執(zhí)行后記錄終端顯示器上角度指示值，檢驗(yàn)時(shí)以設(shè)置值與指示值的差值的均方根誤差來表征俯仰定位精度，具體的測試表格如表1所示。

該方法通過測試24個(gè)固定點(diǎn)，利用這些固定點(diǎn)的測試情況，表征天線的定位精度，這種測試方法存在一定的局限性。因?yàn)槿粘＿\(yùn)行中ADWR都處于體掃模式，ADWR采用的是14個(gè)仰角的VCP11體掃模式，涉及到的點(diǎn)不少于6440個(gè)，換季維護(hù)中測得的仰角和方位角定位精度并不能完全表征體掃模式下的天線定位精度，因此非常有必要對體掃模式下的天線定位精度進(jìn)行定量的測量，以確保為預(yù)報(bào)員和管制員提供可靠的產(chǎn)品?；谏鲜龇治霰疚拈_發(fā)了一套機(jī)場多普勒天氣雷達(dá)天線定位精度診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)以ADWR體掃基數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過獲取每個(gè)徑向的仰角和方位角信息，利用這些信息得到天線的運(yùn)行軌跡（包括仰角和方位角）和相關(guān)數(shù)據(jù)，通過這些信息可以幫助維護(hù)人員準(zhǔn)確、快速的掌握天線定位精度情況。

1 基數(shù)據(jù)解碼

ADWR的基數(shù)據(jù)文件由文件標(biāo)識、頭文件和雷達(dá)數(shù)據(jù)記錄塊組成，其中文件標(biāo)識和頭文件總計(jì)2060個(gè)字節(jié)，雷達(dá)數(shù)據(jù)記錄塊以徑向數(shù)據(jù)為單位，每個(gè)徑向數(shù)據(jù)占4011個(gè)字節(jié)。本系統(tǒng)所需的每個(gè)徑向的仰角和方位信息就存在徑向數(shù)據(jù)的前四個(gè)字節(jié)當(dāng)中，第一和第二個(gè)字節(jié)代表仰角信息，第三和第四個(gè)字節(jié)代表方位角信息。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以基數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用MATLAB圖形界面設(shè)計(jì)思路來實(shí)現(xiàn)。MATLAB是由美國Mathworks公司發(fā)布的面向科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境[4]。MATLAB作為強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算軟件，提供了圖形用戶界面的設(shè)計(jì)和開發(fā)功能，圖形用戶界面的設(shè)計(jì)需要遵從一定的原則和步驟，具體可參考文獻(xiàn)[5]。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟如下：

⑴ 在MATLAB命令窗口輸入guide命令，根據(jù)提示創(chuàng)建一個(gè)新的Blank GUI;

⑵ 在新界面中加入所需要的坐標(biāo)、文本框、編輯框、按鈕等;

⑶ 通過Tools下的Toolbar Editer向新界面中添加放大功能鍵、縮小功能鍵和數(shù)據(jù)光標(biāo)鍵;

⑷ 編寫回調(diào)函數(shù)，回調(diào)函數(shù)的主要功能為讀取基數(shù)據(jù)中的仰角和方位角信息，并利用這些信息畫出天線的運(yùn)行軌跡，同時(shí)計(jì)算得出相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)組成及對比分析

表2為2017年10月12日ADWR換季維護(hù)時(shí)天線定位精度的測試數(shù)據(jù)，從表中可以得出天線的定位精度比較好，所有的差值都比較小，經(jīng)過計(jì)算方位角均方根誤差為0.045，仰角均方根誤差為0.044，均在標(biāo)準(zhǔn)0.1°以內(nèi)，利用這些數(shù)據(jù)可以推斷天線定位精度比較準(zhǔn)確，滿足規(guī)范要求。

圖1機(jī)為機(jī)場勒天氣雷達(dá)天線定位精度診斷系統(tǒng)界面，該系統(tǒng)主要由圖形顯示區(qū)域、數(shù)據(jù)顯示區(qū)域和工具欄三部分組成，所使用的數(shù)據(jù)為2017年10月8日11時(shí)25分ADWR基數(shù)據(jù)。

圖型顯示區(qū)域，橫坐標(biāo)代表徑向數(shù)（體掃第一個(gè)仰角的第一個(gè)徑向數(shù)據(jù)為0，以此類推），縱坐標(biāo)代表度數(shù)（°）。紅色曲線代表天線仰角的運(yùn)行軌跡;黑色曲線代表天線方位運(yùn)行軌跡，方位范圍0°-360°，為了便于將方位運(yùn)行軌跡與俯仰運(yùn)行軌跡放在同一個(gè)坐標(biāo)下進(jìn)行顯示，這里所有的方位數(shù)值都縮小100倍;藍(lán)色曲線代表當(dāng)前徑向的方位角與上一個(gè)徑向的方位角的差值。

數(shù)據(jù)顯示區(qū)主要有四列數(shù)據(jù)：第一列為標(biāo)準(zhǔn)仰角數(shù)據(jù);第二列為實(shí)測仰角數(shù)據(jù);第三列為每一個(gè)仰角層中包含的徑向個(gè)數(shù)，這里需要說明每層的徑向個(gè)數(shù)不一樣是正常的;第四列為每個(gè)仰角層中前后兩個(gè)方位角差值超過1.4°的個(gè)數(shù)。

工具欄包括三個(gè)工具，放大、縮小和數(shù)據(jù)光標(biāo)，這三個(gè)工具主要用于圖形的放大、縮小以及顯示圖像上具體點(diǎn)的具體數(shù)值。

從俯仰軌跡可以看出，每一個(gè)仰角的初始階段都存在一定的抖動(dòng)情況，這是因?yàn)樘炀€在完成一個(gè)仰角的掃描后往上提升時(shí)存在一定的過沖，伺服系統(tǒng)為了防止天線運(yùn)行中出現(xiàn)過大的過沖，通常都有控制校正。從圖中可以看出過沖控制的比較好，運(yùn)行軌跡比較平穩(wěn)，但是從實(shí)測仰角（實(shí)測仰角計(jì)算中已將過沖部分的數(shù)據(jù)去除）可以看出有些仰角的數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)值相比有一定的差距，最大的已經(jīng)超過了0.2°，這在一定程度上反映俯仰齒輪已經(jīng)存在間隙大的問題。

方位差值軌跡理論上是一條縱坐標(biāo)為0.78°左右的直線，這是因?yàn)槊總€(gè)仰角的徑向數(shù)據(jù)基本上是在460個(gè)左右，而且方位角的范圍是0°到360°，[360460≈0.78]。但是通過方位差值軌跡可以發(fā)現(xiàn)，還是存在一些“毛刺”（明顯偏離0.78的點(diǎn)），這些“毛刺”的存在，涉及到終端軟件系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)，說明這些分系統(tǒng)在產(chǎn)生、傳輸和處理角碼過程可能存在一定的問題，比如丟幀情況，但是由于“毛刺”所占的比例不足1%，而且都是孤立存在，對產(chǎn)品的影響可以忽略不計(jì)。

利用該系統(tǒng)得出的數(shù)據(jù)可以看出目前ADWR的俯仰定位精度存在一定的偏差，最大差值已經(jīng)超過0.2°，接近0.3°，一旦超過0.3°，探測數(shù)據(jù)將會(huì)丟失，因此目前存在一定的安全隱患;方位定位精度比較準(zhǔn)確，盡管存在“毛刺”現(xiàn)象，但是“毛刺”所占的比例不足1%，在可接受的范圍內(nèi)。相比于換季進(jìn)行的天線定位精度測試，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對體掃模式下天線定位精度的測量，而且更容易發(fā)現(xiàn)問題，比如利用該系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)俯仰定位精度變差的問題（2017年10月廠家巡檢時(shí)證實(shí)存在此問題）。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對ADWR體掃模式下天線定位精度的診斷，通過該系統(tǒng)可以得到天線的運(yùn)行軌跡以及相關(guān)數(shù)據(jù)，利用這些信息可以幫助維護(hù)人會(huì)員更加準(zhǔn)確、快速定量地分析天線的定位精度，確保雷達(dá)提供產(chǎn)品的準(zhǔn)確性。經(jīng)測試，該系統(tǒng)可作為ADWR天線定位精度例行測試方法的有效補(bǔ)充。目前該系統(tǒng)已成功用于民航新疆空管局氣象中心多普勒天氣雷達(dá)換季維護(hù)中，使用效果良好。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 胡忠文. ADWR雷達(dá)速調(diào)管故障分析處理[J]. 氣象水文海洋儀器，2012.1：87-91

[2] 范大偉，張利平，張茜，等. 機(jī)場多普勒天氣雷達(dá)三維顯示系統(tǒng)[J]. 氣象水文海洋儀器，2018.35（3）：55-60

[3] 中國民用航空局空管辦. 民用機(jī)場多普勒天氣雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范，2012：11

[4] 張濤，齊永奇. MATLAB圖像處理編程與應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[5] 周品. MATLAB圖像處理與圖形用戶界面設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社，2013.