天氣雷達(dá)天線運(yùn)行狀態(tài)在線檢測(cè)初探

秦建峰，蔡 宏，姚麗瓊

(1.武漢國(guó)家基本氣象觀測(cè)站，武漢 430040；2.湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心，武漢 430074)

0 引言

天氣雷達(dá)天線的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量有著重要影響。目前中國(guó)氣象局部署的各型號(hào)天氣雷達(dá)尚未實(shí)現(xiàn)天線運(yùn)行狀態(tài)的在線檢測(cè)和報(bào)警功能，研究雷達(dá)天線運(yùn)行狀態(tài)在線檢測(cè)方法并將其付諸應(yīng)用對(duì)于提升雷達(dá)性能在線監(jiān)測(cè)能力和提高雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量具有積極意義。在天氣雷達(dá)的運(yùn)行保障中，只能離線檢測(cè)天線定位誤差，天線運(yùn)行狀態(tài)在線檢測(cè)即在雷達(dá)運(yùn)行中對(duì)天線的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、異常識(shí)別和報(bào)警。周紅根[1]等研究了包括天氣雷達(dá)伺服控制性能的檢測(cè)和標(biāo)定技術(shù)；國(guó)內(nèi)一些專家學(xué)者研究了雷達(dá)空間定位誤差分析與診斷[2-4]，天線性能及運(yùn)行狀態(tài)的機(jī)外儀表檢測(cè)方法和手段[5-7]，以及天伺系統(tǒng)的故障分析與處理[8-10]；Rico-Ramirez[11]等利用高分辨率數(shù)字高程模型(分辨力不低于50 m)生成模擬地物回波場(chǎng)，用模擬地物回波場(chǎng)和實(shí)際地物回波場(chǎng)的交叉相關(guān)系數(shù)計(jì)算天線方位指向誤差，方位偏差在-0.1°～-0.3°變化；Huuskonen[12]等在其他學(xué)者研究基礎(chǔ)上提出了一種利用太陽輻射進(jìn)行雷達(dá)天線指向誤差在線檢測(cè)的方法，給出了包含大氣折射、大氣衰減、空氣濕度、太陽輻射功率等因子的計(jì)算方程，可計(jì)算出天線方位和仰角指向誤差，實(shí)驗(yàn)表明仰角偏差在0.1°～0.15°變化，方位偏差變化較仰角偏差更大一些；Altube[13]等改進(jìn)了太陽輻射功率識(shí)別和太陽輻射檢測(cè)模型，使太陽輻射校準(zhǔn)天線指向誤差的方法也適用于中程雷達(dá)(80～150 km)。文章根據(jù)天氣雷達(dá)天線運(yùn)行控制的特點(diǎn)，提出了一種基于雷達(dá)運(yùn)行日志的天線運(yùn)行狀態(tài)在線檢測(cè)方法，詳細(xì)介紹了檢測(cè)方法的基本原理及應(yīng)用中需要注意的問題。最后，利用武漢CINRAD/SA天氣雷達(dá)運(yùn)行日志數(shù)據(jù)對(duì)在線檢測(cè)方法進(jìn)行了應(yīng)用檢驗(yàn)。

1 天線運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)

天氣雷達(dá)的天線運(yùn)行狀態(tài)包括方位運(yùn)行狀態(tài)和俯仰運(yùn)行狀態(tài)，天線運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)包括方位運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)和俯仰運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)[14，15]。

1.1 天線方位運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)

天氣雷達(dá)運(yùn)行時(shí)，天線方位運(yùn)行控制為速度模式，即對(duì)天線的運(yùn)轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制，在各PPI掃描層控制天線以預(yù)定的速度作勻速運(yùn)動(dòng)，雷達(dá)觀測(cè)模式不同則天線運(yùn)轉(zhuǎn)速度不同。運(yùn)行中影響觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的在線檢測(cè)參數(shù)有掃描層方位平均速度vi、方位零點(diǎn)誤差σA0和方位角度野值個(gè)數(shù)Na及具體野值信息(Tn，Pn)。

1.1.1 掃描層方位平均速度vi

vi表示天線在每個(gè)PPI掃描層的平均速度，i表示PPI掃描層序號(hào)。圖1為單個(gè)PPI掃描層天線方位角度—采樣時(shí)間曲線示意圖，A點(diǎn)為天線啟動(dòng)位置，A-B區(qū)段為方位角度隨時(shí)間變化的曲線，C點(diǎn)為下一個(gè)掃描層啟動(dòng)位置。雷達(dá)在運(yùn)行過程中，對(duì)天線方位角度實(shí)時(shí)采樣，Pn和Tn分別表示方位角度值和采樣時(shí)刻，P1和T1分別表示掃描啟動(dòng)后的第1個(gè)方位角度值和第1個(gè)采樣時(shí)刻，PM和TM分別表示掃描層中的最后1個(gè)方位角度值和最后1個(gè)采樣時(shí)刻。

采樣間隔時(shí)間內(nèi)的天線轉(zhuǎn)速定義及計(jì)算見公式(1)。

(1)

掃描層的方位平均速度定義及計(jì)算見公式(2)。

(2)

圖1 單個(gè)掃描層天線方位角度-采樣時(shí)間曲線示意圖

1.1.2 方位零點(diǎn)誤差σA0

σA0表示天線在方位零點(diǎn)的定位誤差。方位為連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，只能確定天線方位零點(diǎn)位置的定位誤差，以反映方位控制的絕對(duì)誤差。雷達(dá)開始掃描時(shí)，天線停駐在方位零點(diǎn)附近位置，即圖1中的A點(diǎn)，記方位角度為PA，根據(jù)公式(3)計(jì)算σA0。

σA0=PA

(3)

1.1.3 方位角野值個(gè)數(shù)Na及具體野值信息

Na表示天線在運(yùn)轉(zhuǎn)中方位角碼值出現(xiàn)跳變的次數(shù)，以及各跳變值的具體信息(Tn，Pn)，其中，n=1，2，……，Na；Tn為出現(xiàn)跳變角碼值的采樣時(shí)間；Pn為跳變角碼值。Na及(Tn，Pn)可作為天線方位運(yùn)行故障識(shí)別與報(bào)警參數(shù)。在天氣雷達(dá)作體積掃描時(shí)，天線方位為順時(shí)針單向圓周運(yùn)轉(zhuǎn)，天線方位運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)包括停駐(抖動(dòng))、加速、減速和勻速。考慮到機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)慣性，在足夠短的采樣時(shí)間間隔內(nèi)，可認(rèn)為相鄰兩個(gè)采樣間隔時(shí)間內(nèi)天線方位轉(zhuǎn)速不會(huì)出現(xiàn)明顯變化。所以，可根據(jù)前一個(gè)采樣間隔時(shí)間內(nèi)的方位轉(zhuǎn)速預(yù)估下一個(gè)采樣時(shí)刻方位角度值范圍，作為方位角野值判斷的條件。

1)當(dāng)前采樣時(shí)刻方位角度范圍的確定

為了確定下一個(gè)采樣時(shí)刻方位角度值范圍，引入2個(gè)參量Δn和Δρ，設(shè)定當(dāng)前采樣時(shí)刻的方位角度范圍為Pn∈(Pn-1，Pn-1+Δn)∪(Pn-1-Δρ，Pn-1+Δρ)，n≥2，若超過此范圍則判斷Pn為方位角度野值。當(dāng)n≥3，Δn定義及計(jì)算見公式(4)，由公式(4)和公式(1)可得到公式(5)，Δρ由公式(6)計(jì)算。

Δn=k1×Vn-2×(Tn-Tn-1)

(4)

(5)

式中，Δn為根據(jù)前一個(gè)采樣間隔時(shí)間的方位轉(zhuǎn)速Vn-2預(yù)估當(dāng)前采樣時(shí)刻Tn的方位角度Pn相對(duì)前一個(gè)采樣時(shí)刻Tn-1的方位角度Pn-1的允許偏差；k1為比例系數(shù)，由天線轉(zhuǎn)速、運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和采樣周期等因素決定。Δn是以適應(yīng)天線動(dòng)態(tài)特性為主的參量。

Δρ=k2×ρ

(6)

式中，Δρ為根據(jù)天線的定位準(zhǔn)確度(由雷達(dá)設(shè)計(jì)所確定)確定的允許偏差；k2為比例系數(shù)，主要由天線運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性決定；ρ為方位定位準(zhǔn)確度，目前各型號(hào)天氣雷達(dá)均為0.1°。Δρ是以適應(yīng)天線靜態(tài)特性為主的參量。

2)通過Δn和Δρ確定角度允許偏差的說明

圖2為天線方位轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)方位角度允許偏差區(qū)間示意圖。Vmax為Vn-2的最大值，由公式(4)可知Vn-2=0對(duì)應(yīng)天線停駐狀態(tài)。當(dāng)天線處于停駐狀態(tài)(靜止、抖動(dòng))及|Vn-2|<|k2·ρ/(k1·tn-1)|的低速區(qū)(tn-1=Tn-Tn-1)，Pn的范圍由(Pn-1-Δρ，Pn-1+Δρ)確定，即圖2中的區(qū)間S1；當(dāng)天線處于運(yùn)轉(zhuǎn)(加速、勻速、減速)高速區(qū)|Vn-2|>|k2·ρ/(k1·tn-1)|，Pn的范圍由(Pn-1，Pn-1+Δn)∪(Pn-1-Δρ，Pn-1+Δρ)確定，順時(shí)針(上升)對(duì)應(yīng)圖2中的區(qū)間S2，逆時(shí)針(下降)對(duì)應(yīng)圖2中的區(qū)間S3；當(dāng)天線由停駐狀態(tài)向運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，隨著天線轉(zhuǎn)速不斷提高，Pn的范圍開始由S1確定，繼而由S2或S3確定。天線由運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)向停駐狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，則反之。

圖2 天線方位轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)方位角度允許偏差區(qū)間示意圖

當(dāng)n=1，第1個(gè)采樣時(shí)刻的采樣值P1不進(jìn)行野值判斷，且取Δ1=Δ2=0。在計(jì)算中野值應(yīng)該剔除，即不參加下一個(gè)方位角度范圍的計(jì)算。

1.2 天線俯仰運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)

天氣雷達(dá)運(yùn)行時(shí)，天線的俯仰運(yùn)行控制為位置模式，即控制天線精確定位，在各俯仰層控制天線準(zhǔn)確到達(dá)不同的預(yù)定仰角，雷達(dá)觀測(cè)模式不同則天線俯仰層數(shù)不同。運(yùn)行中影響觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的在線檢測(cè)參數(shù)有俯仰均方根誤差σi、俯仰平均誤差σE和俯仰角碼野值個(gè)數(shù)Ne及具體野值信息(Tn，Pn)。

1.2.1 俯仰均方根誤差σi

σi表示在不同俯仰層天線到達(dá)的實(shí)際仰角與預(yù)定仰角的均方根誤差，i表示俯仰層序號(hào)，σi表示各俯仰層定位誤差的離散情況。在天氣雷達(dá)進(jìn)行體積掃描時(shí)，天線俯仰停駐到預(yù)定的仰角位置后穩(wěn)定不變或抖動(dòng)，待方位掃描1圈或數(shù)圈后，再停駐到下一個(gè)仰角位置。圖3為單個(gè)體掃周期天線仰角—采樣時(shí)間曲線示意圖，A點(diǎn)為天線啟動(dòng)位置，橫線區(qū)段表示天線停駐位置，A-B區(qū)段為單個(gè)體掃周期仰角隨時(shí)間變化曲線，C點(diǎn)為下個(gè)體掃周期的啟動(dòng)位置。σi由公式(7)計(jì)算。

(7)

式中，Ei為天線所停駐到的不同俯仰層的預(yù)定仰角值；N為Ei對(duì)應(yīng)的實(shí)際仰角采樣值個(gè)數(shù)。

圖3 單個(gè)體掃周期天線仰角-采樣時(shí)間曲線示意圖

1.2.2 俯仰平均誤差σE

σE為所有σi的平均值，其大小反映俯仰運(yùn)行誤差的整體情況。σE由公式(8)計(jì)算。

(8)

式中，M為1個(gè)體掃周期內(nèi)預(yù)定停駐的仰角個(gè)數(shù)。

1.2.3 仰角野值個(gè)數(shù)Ne及具體野值信息

Ne表示天線在運(yùn)轉(zhuǎn)中仰角碼值出現(xiàn)跳變的次數(shù)，以及各跳變值的具體信息(Tn，Pn)，其中，n=1，2，……，Ne；Tn為出現(xiàn)跳變角碼值的采樣時(shí)間；Pn為跳變角碼值。Ne及(Tn，Pn)可作為天線俯仰運(yùn)行故障識(shí)別與報(bào)警參數(shù)。在天氣雷達(dá)進(jìn)行體積掃描時(shí)，天線俯仰運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)包括上升、停駐(抖動(dòng))、下降。仰角野值判斷方法同方位角野值判斷。

同理，為了確定下個(gè)采樣時(shí)刻仰角范圍，引入2個(gè)參量Δn和Δρ，設(shè)定當(dāng)前采樣時(shí)刻的仰角范圍為Pn∈(Pn-1，Pn-1+Δn)∪(Pn-1-Δρ，Pn-1+Δρ)，n≥2，若超過此范圍則判斷Pn為仰角野值。

天線俯仰運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)與仰角允許偏差區(qū)間對(duì)應(yīng)關(guān)系同天線方位。

當(dāng)n=1，第1個(gè)采樣時(shí)刻的采樣值P1不進(jìn)行野值判斷，且取Δ1=Δ2=0。在計(jì)算中野值應(yīng)該剔除，即不參加下一個(gè)仰角范圍的計(jì)算。

2 需要注意的問題

2.1 角度過零處理

在天線運(yùn)行狀態(tài)在線檢測(cè)方法的實(shí)現(xiàn)中，天線方位角和仰角存在過零問題，即天線在運(yùn)轉(zhuǎn)或停駐時(shí)，角度經(jīng)過零點(diǎn)位置，則需要根據(jù)角度分布進(jìn)行判別和角度轉(zhuǎn)換處理。若公式(5)中Pn-2和Pn-1分別位于0°左、右，則需采用Pn-2-360轉(zhuǎn)換為負(fù)值計(jì)算。區(qū)間(Pn-1，Pn-1+Δn)及(Pn-1-Δρ，Pn-1+Δρ)如果存在過零，也需要將0°左側(cè)的角度轉(zhuǎn)換為負(fù)值處理。比如，Pn-2=359.50°，Pn-1=0.50°，Δn=1.50°，Δρ=1.50°，則應(yīng)將Pn-2轉(zhuǎn)換為負(fù)值即Pn-2=-0.50°，則(Pn-1，Pn-1+Δn)及(Pn-1-Δρ，Pn-1+Δρ)為(0.50，2.00)及(-1.00，2.00)。

2.2 參數(shù)檢測(cè)時(shí)間

應(yīng)根據(jù)天氣雷達(dá)的掃描特性確定各參數(shù)的檢測(cè)時(shí)間。按照目前天氣雷達(dá)廣泛采用的體掃模式，方位零點(diǎn)誤差σA0可在每次啟動(dòng)掃描時(shí)檢測(cè)1次；掃描層方位平均速度vi、方位角野值個(gè)數(shù)Na及具體野值信息(Tn，Pn)，俯仰均方根誤差σi、俯仰平均誤差σE、仰角野值個(gè)數(shù)Ne及具體野值信息(Tn，Pn)，均可在每次體掃結(jié)束后檢測(cè)1次。

2.3 天線角度2次采樣

天線角度是雷達(dá)掃描徑向數(shù)據(jù)的重要組成部分，需要以高速采樣率(如采樣周期為毫秒級(jí))進(jìn)行角度采樣，以滿足探測(cè)要求，所以天線角度數(shù)據(jù)量很大。在實(shí)踐中可根據(jù)天線運(yùn)轉(zhuǎn)速度等特性，以合適的采樣率對(duì)高速采樣的角度數(shù)據(jù)進(jìn)行2次采樣，2次采樣率應(yīng)滿足相鄰的兩個(gè)采樣間隔時(shí)間內(nèi)天線運(yùn)轉(zhuǎn)速度無明顯變化。

2.4 PA的選值

公式(3)中PA選值應(yīng)為方位旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)前方位角度的采樣值，以反映天線停駐在方位零點(diǎn)位置的誤差。

2.5 k1和k2值的確定

公式(4)、(5)、(6)中引入了比例系數(shù)k1和k2，以調(diào)節(jié)方位角和仰角允許誤差，以不出現(xiàn)虛假角度野值為原則。k1和k2值的確定應(yīng)考慮天線的控制特性，滿足天線控制性能優(yōu)良，天線運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，過沖或抖動(dòng)小，所以k1和k2值應(yīng)取相對(duì)小值。反之，則k1和k2值應(yīng)取相對(duì)大值。另外，由圖2中允許偏差區(qū)間分界點(diǎn)|Vn-2|=|k2·ρ/(k1·tn-1)|可知，速度大小及采樣間隔時(shí)間也決定了k1和k2的選取。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，方位角和仰角出現(xiàn)野值時(shí)通常為大幅度角碼跳變，所以k1和k2值取相對(duì)大值更便于實(shí)現(xiàn)。

3 天線運(yùn)行狀態(tài)在線檢測(cè)方法檢驗(yàn)

文章根據(jù)天氣雷達(dá)天線運(yùn)行控制的特點(diǎn)，給出了8項(xiàng)天線運(yùn)行狀態(tài)在線檢測(cè)參數(shù)及參數(shù)值計(jì)算和異常判別方法(表1)，利用武漢CINRAD/SA天氣雷達(dá)的運(yùn)行日志數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。

表1 天線運(yùn)行狀態(tài)在線檢測(cè)參數(shù)

3.1 方位零點(diǎn)誤差σA0

從日志數(shù)據(jù)中得到PA=0.04°，則σA0=0.04°。

3.2 掃描層方位平均速度vi

根據(jù)日志數(shù)據(jù)中的角度數(shù)據(jù)和采樣時(shí)間可以計(jì)算出vi。方位結(jié)束角為方位起始角所在PPI掃描圈的下一個(gè)PPI掃描圈中的角度。

3.3 俯仰均方根誤差σi和俯仰平均誤差σE

根據(jù)日志數(shù)據(jù)中的角度數(shù)據(jù)和采樣時(shí)間可以計(jì)算出σi和σE。

3.4 方位角和仰角野值判斷

根據(jù)公式(5)和公式(6)計(jì)算得到Δn、Δρ、-Δρ和ΔPn(歸零)曲線。由公式(5)可知，在采樣間隔時(shí)間基本均勻的情況下，Δn主要由相鄰采樣時(shí)刻的角度差決定。所以方位角度允許誤差控制曲線在于反應(yīng)Δn隨實(shí)際ΔPn的變化關(guān)系。因此，為了避免因方位角度范圍大導(dǎo)致各曲線間位置關(guān)系的細(xì)節(jié)顯示不清，對(duì)日志文件中的實(shí)際方位角度數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸零處理，ΔPn(歸零)=Pn-Pn-1，且ΔP1=0。從表1可見方位速度較大，則采樣間隔時(shí)間取為0.20 s，k1=2.5，k2=6.0。采樣時(shí)刻1、采樣時(shí)刻2為天線停駐狀態(tài)，采樣時(shí)刻3天線已啟動(dòng)，前3個(gè)采樣時(shí)刻允許誤差由-Δρ和Δρ決定，隨著天線轉(zhuǎn)速不斷增大至勻速，允許誤差由Δn和Δρ共同決定。ΔPn(歸零)始終處于允許誤差范圍內(nèi)，說明未出現(xiàn)方位角野值。

根據(jù)公式(5)和公式(6)計(jì)算得到Δn、Δρ、-Δρ和ΔPn(歸零)曲線。ΔPn(歸零)曲線反映出天線俯仰從停駐到下降、停駐到上升、上升到停駐多個(gè)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。采樣間隔時(shí)間取0.25 s，k1=2.3，k2=5.0。天線在上升、下降運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的允許誤差主要由Δn決定，停駐狀態(tài)的允許誤差主要由Δρ決定。

4 結(jié)束語

文章根據(jù)天氣雷達(dá)天線運(yùn)行控制的特點(diǎn)，給出了8項(xiàng)天線運(yùn)行狀態(tài)在線檢測(cè)參數(shù)及參數(shù)值計(jì)算和異常判別方法。利用武漢CINRAD/SA天氣雷達(dá)運(yùn)行日志數(shù)據(jù)對(duì)在線檢測(cè)方法進(jìn)行了應(yīng)用檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果表明在線檢測(cè)方法可準(zhǔn)確量化表征天氣雷達(dá)天線運(yùn)行狀態(tài)，且便于在各型號(hào)天氣雷達(dá)中實(shí)施。