基于平流层飞艇灾害性天气雷达监测系统研究①

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　　摘   要：灾害性天气对人类具有极强的破坏性，准确监测和预报灾害性天气具有重要的意义。平流层飞艇是一种重要临近空间平台，在对地观测和防灾减灾方面具有独特的优势。在平流层飞艇上搭载多普勒天气雷达可以更加准确和及时的监测害性天气。本文介绍了基于平流层飞艇搭载多普勒天氣雷达的设计方案、性能指标以及系统特点，并对研制平流层飞艇载多普勒天气雷达的若干关键技术进行了讨论，为工程实践提供参考。
　　关键词：临近空间  灾害性天气  平流层飞艇  天气雷达
　　中图分类号：TN95                                  文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2019）09（b）-0128-03
　　中国是世界上遭受灾害性天气影响最严重的国家之一。气象灾害种类多、强度大、频率高，严重威胁人民生命财产安全，给国家和社会造成巨大损失。目前，我国主要灾害性天气包括台风、暴雨及突发天气等。对灾害性天气实施适应性观测，在敏感区进行连续追踪观测，将明显提高灾害性天气的监视和预测能力。
　　对于台风、暴雨、强对流等灾害性天气的研究要求高时空分辨率和高探测精度的大气参数信息，主要通过气象卫星资料和地面水文气象站资料两种途径获取[1]。地面水文气象站主要通过气象雷达以及探空仪等设备组成，这些设备对于突发性灾害的监测、预报和报警都具有重要的作用，是大气探测的重要手段之一。现有的水文气象站大部分设置在低山地带和平原城镇，并且站点分布极不均匀，观测范围有限、覆盖率较低，高山、高原上观测站点稀少，海洋上几乎没有探测资料，不能满足大流域降雨观测的需求，对高原和山区降水垂直规律以及灾害性天气的防治带来一定困难[2-5]。气象卫星图像资料的空间分辨率和时间分辨率都比较高，极大地改进对强台风以及暴雨等灾害性天气的监测预报能力，通过对卫星云图的分析是监测、预报暴雨等中尺度强对流灾害性天气系统的有效手段。使用卫星云图预测强对流云团时，在发展初期卫星云图上显示发展的对流云团比地面气象雷达回波早，但在强对流出现后，对流云部分遮蔽了活跃的对流视域，因此卫星云图获取天气现象的垂直结构具有一定的极限性。对灾害性天气的监测还可以采用星载降雨雷达的方式，典型的系统是美日联合研制的TRMM卫星搭载的降水雷达（Precipitation Radar）[6]，它可以在卫星平台上对星下观测区域内的降雨特性实现全天时、全天候的三维立体探测。降水雷达观测区受卫星轨迹的制约，另外卫星的发射和维护成本高。
　　大气探测技术的发展趋势是在空间采用主动遥感技术进行探测，而我国在大气探测中的机载以及星载的主动遥感探测领域发展相对落后。利用临近空间平台对大气进行探测，可以进行更为精细的探测，提高防灾减灾能力。基于平流层飞艇搭载的多普勒天气雷达（以下简称艇载天气雷达）是填补地基雷达观测和星载降水雷达探测之间的空白，是二者之外云雨大气探测的重要补充，是建立云雨探测星-机-地综合探测系统的重要组成部分。
　　1  雷达系统设计分析
　　艇载天气雷达工作方式与机载天气雷达和星载降水雷达有一定相似之处，如图1所示。雷达工作时，沿飞行方向对地面上空的大气进行大范围观测，如果发现灾害性天气现象，则可对目标进行垂直精细扫描，探求台风等灾害性天气的内部结构。雷达获得的数据经处理后通过下传链路传至地面，经地面人员采用数据处理算法获得灾害性天气的实时信息。
　　艇载天气雷达方案是参考地基天气雷达和星载降水雷达所提出来的，其参数设计的主要依据是雷达气象方程[1]，即
　　 （1）
　　其中，Pt、Pr分别是雷达发射功率与回波功率，G为雷达天线增益，c为光速，τ是雷达发射脉冲宽度，与分别是沿航向和垂直航向的波速宽度，m是散射粒子的复折射指数，r是散射粒子与雷达之间的距离，将上式中雷达本身参数和与气象要素相态有关的参数分开，并令
　　（2）
　　其中C为雷达常数，则（1）式简化为
　　（3）
　　这样由雷达回波功率就可以计算出雷达发射率因子，可以反演气象目标的强度等信息。由于艇载雷达是从临近空间向地面照射，因此对雷达反射率因子进行订正时要考虑地表的影响，与常规的地基气象雷达相比，订正方法更复杂。可以参考星载降雨雷达衰减因子的方法，采用HB算法和STR估计相结合的方法[6]。对于实用的艇载天气雷达，衰减订正方法是一个难点之一，需要认真研究。
　　根据以上分析，结合常规天气雷达设计，得到艇载天气雷达主要参数如表1所示。
　　设计中的艇载天气雷达采用发射线形调频脉冲信号，接收端采用脉冲压缩技术通过脉冲间的相参积累来提高系统的增益并提高检测精度，为了实现雷达既能覆盖较大观测面积又能实现较高的水平分辨率，设计宽口径、双频率、可以二维扫描的相控阵天线并配以自适应扫描方案。艇载测雨雷达与一般脉冲压缩体制雷达组成基本相同，其中波导裂缝平面阵天线，数字阵列模块、校正分机以及频率源均位于天线阵后部，伺服驱动、波束控制和信号处理板置于小型分机内。由于采用双频全极化模式，因此天线的结构比较复杂，另外对于气象目标的处理上，需要研究专门的算法用以检测气象目标强度、径向速度和谱宽信息。
　　2  关键技术
　　在原理上，艇载天气雷达并不复杂，但由于平台的特殊性，给工程应用带来许多难点，以下问题必须解决。
　　2.1 实时低副瓣脉冲压缩处理技术 　　如前所述，艇载天气雷达采用脉冲压缩技术来获得比较高的系统增益并提高检测精度，但是与地基雷达不同，艇载天气雷达对地进行观测，这样，地表杂波也会从距离旁瓣进入而干扰降雨的测量，尤其在低频段则更为明显。根据仿真结果，将距离旁瓣压到-60dB甚至更低才能有效抑制距离旁瓣杂波[7]。从理论上讲，若采用常规频域或时域处理的方法，脉冲压缩的旁瓣在不加窗的情况下只能做到-13dB;采用常用的泰勒或汉明窗，也只能到-40dB左右。所以，如何采用特殊的窗进行压缩而达到-60dB旁瓣，而同时又满足实时高速处理的需求是工程实践必须着重加以研究。随着数字处理技术的发展，采用高速并行DSP处理技术可以实现时域-60dB的脉冲压缩。
　　2.2 定标技术
　　定标技术是雷达进行定量测量的基础，由于雷达参数和成像参数之间的不确定性，以及电磁波在传播过程中由于大气作用产生的能量衰减、信号路径的改变、电磁波极化特性的改变等因素给雷达测量带来很多不确定性，使得雷达测量的重复性差，并且不能精确反应实际目标特性。作为一种定量测量降雨反射信号功率的微波遥感器，艇载天气雷达定标技术就是通过各种措施测量出影响回波功率的各个因素大小，并从雷达回波中去除以上因素的影响，从而建立雷达回波功率与灾害性天气要素之间的精确关系。只有经过了严格精确的定标技术，艇载天气雷达才能将精确的信号功率提供给用户去反演降雨量。
　　2.3 地杂波抑制技术
　　为了保证一定的距离分辨率，艇载天气雷达的扫描方式通常设计为在垂直于飞行方向的圆锥扫描，以下视的方式观测大气层内的降水分布。所以，雷达天线的波束必然要直射地面，这就导致艇载天气雷达可能会在某一距离单元同时接收到较弱的降水粒子回波和较强的地杂波。理论上，只有天线完全垂直地面，此时才可以通过时间上将降雨回波和表面杂波区分开，而在偏离这一扫描位置的任何时刻，主波束照射的回波都会伴随着同近距离的旁瓣地表杂波同时到达接收系统，这在时间上是无法区分的。由于气象目标回波属于弱反射，而地表杂波的回波功率更强，因此为了能从强杂波中测量弱反射的气象目标回波，需研究各种杂波抑制方法[8]。艇载天气雷达地杂波抑制技术从两个方面入手，在硬件方面研究超低旁瓣天线，降低天线副瓣电平可以明显提高副瓣杂波区的信杂比，副瓣杂波的计算也是确定天线副瓣电平指标的依据之一;另一方面在雷达信号处理器中拟采用数字滤波器技术抑制地杂波，滤波器的特性将根据地面杂波的谱特征进行设计，并采用谱补偿技术订正滤波器对气象目标频谱的影响，提高艇载天气雷达监测弱目标的能力。
　　2.4 平台本身技术
　　艇载天气雷达能正常工作的一个前提条件是飞艇这这个平台的稳定可靠，这涉及到总体、气动、结构、能源、动力等多个专业学科，包含重浮力平衡、热量平衡、能源平衡以及动力平衡等多项内在联系[9]。必须解决的关键技术包括：平流层飞艇总体综合优化设计技术，平流层飞艇快速升降技术，平台载荷一体化集成、测试技术等等。
　　3  结语
　　临近空间具有巨大的应用潜能，国内外都在积极研究临近空间的开发应用，而平流层飞艇作为一种实用的临近空间平台，多个国家竞相启动相关的研究项目。平流层飞艇搭载天气雷达相比于地基天气雷达具有很多独特的优势，既能成为灾害性天气预警系统，又可以为日后发展星载降水雷达提供数据和技术支持。平流层飞艇携带多普勒天气雷达，可对大气环境进行极高的高分辨率、连续定点观测，建立高精度大气模型，提高大气和气象研究水平，尤其可以提高短期气象预报准确率，提高对台风和暴雨等气象灾害的监视和预报能力。
　　参考文献
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　　[9] 赵达， 刘东旭.平流层飞艇研制现状、技术难点及发展趋势[J]. 航空学报， 2016 37（1）：45-56.
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