天氣雷達(dá)雙頻率接收天線技術(shù)的研究

張博

摘 要：本文基于天氣雷達(dá)探測(cè)原理，對(duì)天氣雷達(dá)接收天線參數(shù)進(jìn)行了分析，對(duì)雙頻率接收天線技術(shù)進(jìn)行探討，并分析了天氣雷達(dá)雙頻率接收天線技術(shù)在觀測(cè)上的應(yīng)用中回波功率變化及變頻率回波的相關(guān)值與相位變化等。

關(guān)鍵詞：雙頻率技術(shù)；濾波器；接收天線；雷達(dá)脈波；大氣層狀結(jié)構(gòu)；天氣雷達(dá)

0 引言

基于物理學(xué)中多普勒效應(yīng)，我國研制出新一代天氣雷達(dá)，并將其應(yīng)用于大氣探測(cè)中，對(duì)降水區(qū)域的內(nèi)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)、大氣垂直速度以及強(qiáng)對(duì)流天氣風(fēng)場(chǎng)特征等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1 雷達(dá)接收天線

新一代多普勒天氣雷達(dá)是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，在工作過程中極易受到作用于雷達(dá)系統(tǒng)的任何干擾力的影響，風(fēng)載荷是對(duì)天氣雷達(dá)影響最大的因素。為減少干擾力影響，天氣雷達(dá)配備了大型天線，其中超高頻段雷達(dá)天線陣尺度較高，長達(dá)30～200m，是運(yùn)用半波或八木振子陣以相控方式實(shí)現(xiàn)波束掃描；超高頻段雷達(dá)為可動(dòng)的拋物面天線，直徑長達(dá)幾十米，發(fā)射功率在幾百千瓦至兩兆瓦之間。為獲取高靈敏度及高空間分辨率，天氣雷達(dá)在脈沖發(fā)射體制及回波數(shù)據(jù)處理方面采用相應(yīng)的技術(shù)措施。天氣雷達(dá)雙頻率接收天線的參數(shù)為：

①增益。指的是實(shí)際天線和理想的輻射單元在輸入功率相等的條件下于同一點(diǎn)處產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。增益受雷達(dá)天線方向圖影響，當(dāng)雷達(dá)天線增益方向圖越窄，其產(chǎn)生的副瓣就越小，雷達(dá)天線對(duì)應(yīng)方向的增益就越大，所以在一定距離位置有信號(hào)時(shí)，采用定向天線發(fā)射，增益為13dB，輸入功率為5W，同樣若采用理想無方向性的電源發(fā)射，則需要輸入功率100W，可見雷達(dá)天線最大輻射方向的輻射效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理想電源的輻射效果。

②波瓣寬度。在雷達(dá)天線方向圖上，可看到兩個(gè)或兩個(gè)以上的，將輻射強(qiáng)度最強(qiáng)的瓣作為主瓣，其余的瓣作為副瓣或旁瓣。以主瓣最大輻射方向兩側(cè)的輻射強(qiáng)度降低3dB的兩點(diǎn)之間的夾角作為波瓣寬度，當(dāng)波瓣寬度越窄，說明雷達(dá)天線方向性越好，天線作用距離就越遠(yuǎn)，且天線的抗干擾能力越強(qiáng)。

③前后比。在雷達(dá)天線方向圖上，前后瓣最大值之間的比值就是前后比，即F/B，計(jì)算公式為F/B=10Lg，當(dāng)天線前后比有要求時(shí)，F(xiàn)/B的典型值通常為18～30dB，特殊情況下應(yīng)達(dá)到35～40dB。前后比越大，雷達(dá)天線的后向輻射就越小。

④極化方式。雷達(dá)天線在某個(gè)方向的極化，就是天線在該方向所輻射電波的極化，也可以認(rèn)為是在天線接收獲得的最大接收功率時(shí)入射平面波的極化。空間方向?qū)μ炀€極化有一定的影響，一般情況下，天線在最大輻射方向或最大接收方向上的極化為單極化天線，分為垂直和水平極化兩種。如果在發(fā)射極化方向與接收天線的極化方向未達(dá)到一致狀態(tài)時(shí)，天線接收功率就會(huì)損失，進(jìn)而接收到的信號(hào)就變小，這就是極化損失；當(dāng)接收天線極化與發(fā)射極化方式完全正交，如運(yùn)用右旋圓接收天線接收到了左旋圓極化來波，或是水平的極化天線接收到了垂直極化來波，此時(shí)雷達(dá)天線接收不到任何能量，稱為極化完全隔離。

2 雙頻率接收天線技術(shù)

雙頻率觀測(cè)是同時(shí)發(fā)射兩個(gè)相近載頻的脈波用于偵測(cè)大氣并接收其回波的方式。如果雷達(dá)體積內(nèi)存在不規(guī)則體層狀結(jié)構(gòu)，接收到的兩組回波做歸一化“相互分析”，就能獲得該層狀結(jié)構(gòu)的平均位置和厚度等參數(shù)，相互分析公式為：

其中V1、V2分別表示兩個(gè)載頻之間的額回?fù)茈妷赫穹?>代表族群平均，*代表復(fù)數(shù)共軛，|S12|為相關(guān)值，￠為相位。垂直發(fā)射的雷達(dá)波束和一垂直向高斯分布的水平層狀結(jié)構(gòu)，回波電壓振幅可近似的表示為

其中V代表雷達(dá)體積；C為雷達(dá)發(fā)射功率、天線增益、系統(tǒng)內(nèi)電阻和載波波數(shù)等參數(shù)的常數(shù)；W（z）和fΘ（ρ）型式；△n表示折射指數(shù)擾動(dòng)量；r為目標(biāo)物和接收天線之間的距離；zl和σ1分別為層狀結(jié)構(gòu)中心位置和厚度，k0代表脈波載頻波數(shù)。進(jìn)而推算出以下公式：

其公式中k1、k2為脈波載頻f1、f2對(duì)應(yīng)的波數(shù)；Δk=k2-k1；z0表示雷達(dá)接收天線的垂直向座標(biāo)；lz和lt表示折射指數(shù)不規(guī)則體垂直與水平相關(guān)尺度。在實(shí)際分析過程中，應(yīng)先計(jì)算出觀測(cè)資料S12值，然后反推層狀結(jié)構(gòu)的位置與厚度，預(yù)期層狀結(jié)構(gòu)回波功率與其位置具有關(guān)聯(lián)性，關(guān)聯(lián)性數(shù)式為：

其中σz=σr=0.35cτ/2，當(dāng)層結(jié)構(gòu)很薄時(shí)，上述公式可近似于exp，此時(shí)回波功率隨著Zl的變化就是距離權(quán)重函數(shù)二次方的翻版。

3 天氣雷達(dá)雙頻率接收天線技術(shù)在觀測(cè)中的應(yīng)用

3.1 回波功率變化

由回波功率與層狀結(jié)構(gòu)位置的相關(guān)性可知，當(dāng)層狀結(jié)構(gòu)位置處于雷達(dá)體積中心附近時(shí)，回波功率就較大，這種現(xiàn)象符合理論分析。由于層狀結(jié)構(gòu)自身的變化也會(huì)影響回波強(qiáng)度，因此觀測(cè)到的回波功率最大值未必會(huì)出現(xiàn)在零米處，而且，實(shí)際應(yīng)用與理論推導(dǎo)也存在著一定的出入，如不對(duì)稱結(jié)構(gòu)、比較平滑或陡峭邊緣的層狀結(jié)構(gòu)等，還有的是來自雷達(dá)系統(tǒng)的影響，如回波訊號(hào)接收延遲等，這些因素對(duì)于推算的層狀結(jié)構(gòu)位置和回波功率都存在一些影響。

3.2 變頻率回波的相關(guān)值與相位變化

①不同雷達(dá)脈波長的觀測(cè)。根據(jù)雙頻率相關(guān)分析的相關(guān)值與相位統(tǒng)計(jì)分布得出，不同雷達(dá)脈波長的觀測(cè)存在著差異。不同脈波長使用的雙頻率對(duì)比一樣，其中1、2、4μs的脈波所使用的雙頻率差值分別為1、0.5、0.25MHz，這樣的頻率差值說明相位在每一取樣層里均為2π范圍內(nèi)的變化，使得層狀結(jié)構(gòu)位置的推算不會(huì)產(chǎn)生相位混淆的困擾。

②不同接收濾波器的觀測(cè)。使用不同的濾波器接收回波訊號(hào)各約1min，得出結(jié)論，相關(guān)值的分布和濾波器頻寬相關(guān)，較小的頻寬產(chǎn)生較偏低的相關(guān)值。使用不同濾波器所得到的相位分布差異很大，非匹配濾波器可導(dǎo)致相位嚴(yán)重偏離預(yù)期情形。其中1000kHz頻寬濾波器的相位峰值位于180°右邊的300°附近，而且分布與高斯形狀差異很大，除了不對(duì)稱外，峰谷落差也較大；相反，使用250kHz頻寬的濾波器的相位峰值在180°左邊的160°附近，且分布較平均。

參考文獻(xiàn)

[1]莫月琴，劉黎平，徐寶祥等.雙基地多普勒天氣雷達(dá)探測(cè)能力分析[J].氣象學(xué)報(bào)，2005，63（6）：994-1005.

[2]沈法華，孫東松，劉成林等.基于單Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的雙頻率多普勒激光雷達(dá)數(shù)據(jù)反演技術(shù)[J].物理學(xué)報(bào)，2013，62（22）：220702.

（作者單位：1.南京信息工程大學(xué)；2.葫蘆島市氣象局）