氣象風(fēng)廓線雷達(dá)的裝備指揮車的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：本文圍繞著一款氣象風(fēng)廓線雷達(dá)，進(jìn)行該裝備指揮車的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。根據(jù)某氣象部門(mén)的實(shí)際要求，分析了該風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)特點(diǎn)后，利用某中型客車底盤(pán)，進(jìn)行指揮車的結(jié)構(gòu)布局與安裝，并對(duì)該風(fēng)廓線雷達(dá)的抗風(fēng)載能力進(jìn)行了計(jì)算，并得出計(jì)算結(jié)果。風(fēng)廓線雷達(dá)的裝備指揮車，在氣象部門(mén)的廣泛應(yīng)用，將極大地提高氣象部門(mén)的移動(dòng)應(yīng)急能力，有效地保障氣象部門(mén)的雷達(dá)探測(cè)任務(wù)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)廓線雷達(dá)；裝備車；指揮車；氣象雷達(dá)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：P412 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）05（a）-0000-00

1 引言

風(fēng)廓線雷達(dá)是一種新型大氣遙感設(shè)備，它的應(yīng)用是對(duì)傳統(tǒng)氣球測(cè)風(fēng)方法的一次革命。與有球測(cè)風(fēng)相比，風(fēng)廓線雷達(dá)除了具有可連續(xù)探測(cè)優(yōu)點(diǎn)外，還具有探測(cè)數(shù)據(jù)代表性好、時(shí)空分辨率高、無(wú)需施放探空氣球等特點(diǎn)。為了滿足氣象部門(mén)的要求，氣象雷達(dá)的應(yīng)用可以劃分為地面站式和移動(dòng)車載式，本就針對(duì)氣象風(fēng)廓線雷達(dá)的裝備指揮車，研究該指揮車的結(jié)構(gòu)布局以及雷達(dá)的安裝與工作內(nèi)容。

2 風(fēng)廓線雷達(dá)探測(cè)原理

風(fēng)廓線雷達(dá)的主要目標(biāo)是晴空大氣湍流，利用布拉格散射原理探測(cè)，隨風(fēng)飄動(dòng)的湍團(tuán)中大氣折射率指數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Cn2的變化，進(jìn)而導(dǎo)出大氣中風(fēng)向風(fēng)速的真實(shí)情況。大氣折射率取決于空氣中溫度、濕度和氣壓等因數(shù)的變化，而折射率的分布則決定于各種尺度的大氣運(yùn)動(dòng)。由于折射率的不均勻性，當(dāng)雷達(dá)發(fā)射出的電磁波照射到這樣的運(yùn)動(dòng)介質(zhì)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生散射。雷達(dá)接收機(jī)接收到已有多普勒頻移的后向散射信號(hào)，只不過(guò)這種信號(hào)極其微弱，單脈沖信噪比在-40dB～-50dB以下。通過(guò)天頂、偏東15°、偏西15°、偏南15°、偏北15°五個(gè)波束位置，在不同高度層的散射信號(hào)的積累和數(shù)據(jù)處理，可得到不同時(shí)刻的各高度層上的風(fēng)廓線數(shù)據(jù)，如圖1所示。

3 雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 風(fēng)廓線雷達(dá)組成

風(fēng)廓線雷達(dá)一般由相控陣列天線、天線控制單元、收發(fā)組件、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理單元四部分

組成。其中，1）相控陣列天線用于向天空發(fā)射無(wú)線電波和接收回波信號(hào)。2）天線控制單元接收來(lái)自收發(fā)組件的信號(hào)，分配到各路天線控制模塊，將信號(hào)功率放大后，經(jīng)過(guò)天線發(fā)射出去；接收來(lái)自天線陣列的回波信號(hào)；偵測(cè)天線陣列的溫度、功率狀況，對(duì)異常情況發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)天線系統(tǒng)的自檢。3）收發(fā)組件主要向天線控制單元中的激勵(lì)裝置傳送發(fā)射信號(hào)，對(duì)各波束進(jìn)行控制，從天線控制單元接收觀測(cè)信號(hào)，檢測(cè)信號(hào)的相位，對(duì)相位信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、脈沖壓縮、相干累積、FFT變換、非相干累積等處理后，得到多普勒系數(shù)，通過(guò)多普勒系數(shù)計(jì)算出風(fēng)速和風(fēng)向系數(shù)。4）數(shù)據(jù)處理單元接收、保存收發(fā)組件送來(lái)的數(shù)據(jù)，提供用戶與系統(tǒng)交互的界面，用戶可能通過(guò)該單元，設(shè)置風(fēng)廓線雷達(dá)工作參數(shù)等。

3.2 雷達(dá)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

風(fēng)廓線雷達(dá)的裝備指揮，系統(tǒng)組成如下圖2所示。它由固態(tài)有源相控陣列天線、發(fā)射前級(jí)、波束控制器、接收機(jī)、可編程定時(shí)器，雷達(dá)控制系統(tǒng)校準(zhǔn)與監(jiān)控、信號(hào)處理機(jī)、數(shù)據(jù)處理與顯示、打印、配電箱、通信接口等組成。

4 雷達(dá)指揮車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 指揮車布局

氣象風(fēng)廓線雷達(dá)的指揮車，其布局如圖3所示，該氣象雷達(dá)系統(tǒng)的載車采用底盤(pán)軸距為3310mm的中型客車，設(shè)計(jì)后該車的總體尺寸為：長(zhǎng)度5990mm×寬度2100mm×高度（雷達(dá)天線收起狀態(tài)）3100mm，具體的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)部分。

（1）車頂布局：從前向后加裝一臺(tái)頂置空調(diào)，以保障車艙內(nèi)環(huán)境溫度；車頂中后部安裝雷達(dá)的天線單元，天線單位的下面通過(guò)一套舉升機(jī)構(gòu)連接到車底盤(pán)，該舉升機(jī)構(gòu)可以將雷達(dá)天線舉升至5m左右的高度。

（2）車身外部布局：車外底盤(pán)下安裝4個(gè)支撐腿，根據(jù)地面平整度選擇適合數(shù)量的墊木墊在調(diào)平支撐腿下方，調(diào)節(jié)位居雷達(dá)載車中間部位的左右兩個(gè)支撐腿，直到車輛前后方向的水泡居中間位置，調(diào)節(jié)車尾部左右兩側(cè)的兩個(gè)支撐腿至有效支撐狀態(tài)。此外，車身兩側(cè)按照氣象部門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行噴涂，噴字為“氣象局應(yīng)急中心”。

（3）車艙內(nèi)部布局：車艙內(nèi)部主要為指揮桌、指揮椅、設(shè)備機(jī)柜、操作端與顯示端、供電設(shè)備、保障設(shè)備等組成，如圖4所示，通過(guò)機(jī)柜中的設(shè)備，對(duì)雷達(dá)裝備進(jìn)行操作。

4.2 雷達(dá)抗風(fēng)載計(jì)算

本系統(tǒng)是一臺(tái)機(jī)動(dòng)式的雷達(dá)。雷達(dá)工作時(shí)，天線轉(zhuǎn)臺(tái)豎起，天線轉(zhuǎn)臺(tái)與雷達(dá)車固定在一起，因此雷達(dá)車和天線倒伏機(jī)構(gòu)是天線座的基礎(chǔ)。有必要增大雷達(dá)車和天線轉(zhuǎn)臺(tái)的剛度，減小變形，保持測(cè)角精度的穩(wěn)定性。同時(shí)天線升高，受風(fēng)負(fù)荷的作用，有必要對(duì)系統(tǒng)抗傾覆能力和抗平移能力進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算風(fēng)速為10級(jí)風(fēng)速。該雷達(dá)可以簡(jiǎn)化成雷達(dá)艙與汽車為一個(gè)整體進(jìn)行系統(tǒng)抗傾覆能力計(jì)算。

（1）雷達(dá)抗傾覆能力計(jì)算

雷達(dá)天線的迎風(fēng)投影面積S雷達(dá)天線：1.12m2

光電設(shè)備的迎風(fēng)投影面積S光電：0.57m2

雷達(dá)車迎風(fēng)投影面積S雷達(dá)艙：6 m2

汽車的迎風(fēng)面積S汽車：3.4 m2

雷達(dá)天線受力中心高h(yuǎn)雷達(dá)天線：4.5m

光電設(shè)備受力中心高h(yuǎn)光電：4.5m

雷達(dá)艙受力中心高雷達(dá)艙：2.45m

汽車受力中心高h(yuǎn)汽車：1.4m

（2）雷達(dá)抗風(fēng)載平移能力計(jì)算

本雷達(dá)在8級(jí)風(fēng)有足夠的穩(wěn)定性，10級(jí)風(fēng)也不會(huì)傾覆，現(xiàn)校核在10級(jí)風(fēng)時(shí)，雷達(dá)會(huì)不會(huì)發(fā)生平移。由上述分析可只在側(cè)向時(shí)受到力較大，因此只需校核在側(cè)向時(shí)是否會(huì)發(fā)生移動(dòng)。雷達(dá)受到的平移風(fēng)力是天線受到風(fēng)力、汽車受到風(fēng)力的合力，即：P合= 9768.1N雷達(dá)支撐腿與枕木靜摩擦系數(shù)f=0.3即靜摩擦力F=G·f=88984N 0.3= 26695.2 N合，因此雷達(dá)在10級(jí)風(fēng)時(shí)不會(huì)移動(dòng)。

4.3 安裝效果與應(yīng)用

通過(guò)以上的設(shè)計(jì)，將該寬風(fēng)廓線氣象雷達(dá)安裝在某載車上，實(shí)際應(yīng)用的圖片如圖5所表示，為雷達(dá)指揮車的外部與內(nèi)部圖片。雷達(dá)載車系統(tǒng)由載車、空調(diào)、通信接口等組成，全機(jī)雷達(dá)（包括載車）重為3.6噸。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，本文設(shè)計(jì)與研究的氣象風(fēng)廓線雷達(dá)指揮車，根據(jù)某氣象部門(mén)的實(shí)際要求，分析了該風(fēng)廓線雷達(dá)的探測(cè)特點(diǎn)后，利用某中型客車底盤(pán)，進(jìn)行指揮車的結(jié)構(gòu)布局與安裝，并對(duì)該風(fēng)廓線雷達(dá)的抗風(fēng)載能力進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表面該雷達(dá)安裝方式，可抗風(fēng)的最大級(jí)別為10級(jí)。風(fēng)廓線雷達(dá)的裝備指揮車，在氣象部門(mén)的廣泛應(yīng)用，將極大地提高氣象部門(mén)的移動(dòng)應(yīng)急能力，有效地保障了氣象部門(mén)的雷達(dá)探測(cè)任務(wù)要求。

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