摘要：災害性天氣對人類具有極強的破壞性，本文介紹了基于平流層飛艇搭載多普勒天氣雷達的設計方案、性能指標以及系統(tǒng)特點，并對研制平流層飛艇載多普勒天氣雷達的若干關(guān)鍵技術(shù)進行了討論，為工程實踐提供參考。

關(guān)鍵詞：臨近空間;災害性天氣;平流層飛艇;天氣雷達

0災害性天氣的監(jiān)測

對于臺風、暴雨、強對流等災害性天氣的研究要求高時空分辨率和高探測精度的大氣參數(shù)信息，主要通過氣象衛(wèi)星資料和地面水文氣象站資料兩種途徑獲取。地面水文氣象站主要通過氣象雷達以及探空儀等設備組成，這些設備對于突發(fā)性災害的監(jiān)測、預報和報警都具有重要的作用，是大氣探測的重要手段之一?，F(xiàn)有的水文氣象站大部分設置在低山地帶和平原城鎮(zhèn)，并且站點分布極不均勻，觀測范圍有限、覆蓋率較低，高山、高原上觀測站點稀少，海洋上幾乎沒有探測資料，不能滿足大流域降雨觀測的需求，對高原和山區(qū)降水垂直規(guī)律以及災害性天氣的防治帶來一定困難。

對災害性天氣的監(jiān)測還可以采用星載降雨雷達的方式，典型的系統(tǒng)是美日聯(lián)合研制的TRMM衛(wèi)星搭載的降水雷達，它可以在衛(wèi)星平臺上對星下觀測區(qū)域內(nèi)的降雨特性實現(xiàn)全天時、全天候的三維立體探測。降水雷達觀測區(qū)受衛(wèi)星軌跡的制約，另外衛(wèi)星的發(fā)射和維護成本高。利用臨近空間平臺對大氣進行探測，可以進行更為精細的探測，提高防災減災能力?；谄搅鲗语w艇搭載的多普勒天氣雷達是填補地基雷達觀測和星載降水雷達探測之間的空白，是二者之外云雨大氣探測的重要補充，是建立云雨探測星-機-地綜合探測系統(tǒng)的重要組成部分。

1雷達系統(tǒng)設計分析

艇載天氣雷達工作方式與機載天氣雷達和星載降水雷達有一定相似之處。雷達工作時，沿飛行方向?qū)Φ孛嫔峡盏拇髿膺M行大范圍觀測，如果發(fā)現(xiàn)災害性天氣現(xiàn)象，則可對目標進行垂直精細掃描，探求臺風等災害性天氣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。雷達獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后通過下傳鏈路傳至地面，經(jīng)地面人員采用數(shù)據(jù)處理算法獲得災害性天氣的實時信息。

艇載天氣雷達方案是參考地基天氣雷達和星載降水雷達所提出來的，其參數(shù)設計的主要依據(jù)是雷達氣象方程。由于艇載雷達是從臨近空間向地面照射，因此對雷達反射率因子進行訂正時要考慮地表的影響，與常規(guī)的地基氣象雷達相比，訂正方法更復雜?？梢詤⒖夹禽d降雨雷達衰減因子的方法，采用HB算法和STR估計相結(jié)合的方法。

根據(jù)以上分析，結(jié)合常規(guī)天氣雷達設計，得到艇載天氣雷達主要參數(shù)。設計的艇載天氣雷達采用發(fā)射線形調(diào)頻脈沖信號，接收端采用脈沖壓縮技術(shù)通過脈沖間的相參積累來提高系統(tǒng)的增益并提高檢測精度，為了實現(xiàn)雷達既能覆蓋較大觀測面積又能實現(xiàn)較高的水平分辨率，設計寬口徑、雙頻率、可以二維掃描的相控陣天線并配以自適應掃描方案。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1 實時低副瓣脈沖壓縮處理技術(shù)

艇載天氣雷達采用脈沖壓縮技術(shù)來獲得比較高的系統(tǒng)增益并提高檢測精度，但是與地基雷達不同，艇載天氣雷達對地進行觀測，這樣，地表雜波也會從距離旁瓣進入而干擾降雨的測量，尤其在低頻段則更為明顯。根據(jù)仿真結(jié)果，將距離旁瓣壓到-60dB甚至更低才能有效抑制距離旁瓣雜波。從理論上講，若采用常規(guī)頻域或時域處理的方法，脈沖壓縮的旁瓣在不加窗的情況下只能做到-13dB;采用常用的泰勒或漢明窗，也只能到-40dB左右。所以，如何采用特殊的窗進行壓縮而達到-60dB旁瓣，而同時又滿足實時高速處理的需求是工程實踐必須著重加以研究。隨著數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，采用高速并行DSP處理技術(shù)可以實現(xiàn)時域-60dB的脈沖壓縮。

2.2 定標技術(shù)

定標技術(shù)是雷達進行定量測量的基礎，由于雷達參數(shù)和成像參數(shù)之間的不確定性，以及電磁波在傳播過程中由于大氣作用產(chǎn)生的能量衰減、信號路徑的改變、電磁波極化特性的改變等因素給雷達測量帶來很多不確定性，使得雷達測量的重復性差，并且不能精確反應實際目標特性。作為一種定量測量降雨反射信號功率的微波遙感器，艇載天氣雷達定標技術(shù)就是通過各種措施測量出影響回波功率的各個因素大小，并從雷達回波中去除以上因素的影響，從而建立雷達回波功率與災害性天氣要素之間的精確關(guān)系。只有經(jīng)過了嚴格精確的定標技術(shù)，艇載天氣雷達才能將精確的信號功率提供給用戶去反演降雨量。

2.3 地雜波抑制技術(shù)

為了保證一定的距離分辨率，艇載天氣雷達的掃描方式通常設計為在垂直于飛行方向的圓錐掃描，以下視的方式觀測大氣層內(nèi)的降水分布。所以，雷達天線的波束必然要直射地面，這就導致艇載天氣雷達可能會在某一距離單元同時接收到較弱的降水粒子回波和較強的地雜波。理論上，只有天線完全垂直地面，此時才可以通過時間上將降雨回波和表面雜波區(qū)分開，而在偏離這一掃描位置的任何時刻，主波束照射的回波都會伴隨著同近距離的旁瓣地表雜波同時到達接收系統(tǒng)，這在時間上是無法區(qū)分的。由于氣象目標回波屬于弱反射，而地表雜波的回波功率更強，因此為了能從強雜波中測量弱反射的氣象目標回波，需研究各種雜波抑制方法。

3結(jié)語

平流層飛艇攜帶多普勒天氣雷達，可對大氣環(huán)境進行極高的高分辨率、連續(xù)定點觀測，建立高精度大氣模型，提高大氣和氣象研究水平，尤其可以提高短期氣象預報準確率，提高對臺風和暴雨等氣象災害的監(jiān)視和預報能力。

參考文獻

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作者簡介：楊繁?。?986.9—）高級工，安徽合肥人，主要從事浮空器全工藝流程及加工制作方法研究

（中國電子科技集團公司第三十八研究所 安徽 合肥 230031）