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行業專項成果綜述-雙線偏振技術業務化應用研究

發布者:張岳   來源:   發布時間:2019/7/8 11:22:59   標簽:   瀏覽次數:6390

項目編號GYHY201306075

研究周期2013年1月2015年12月

國撥經費333萬元

項目負責人吳艷鋒

項目骨干成員張建云、胡志群、劉強、虞海峰、張持岸、李佳、左申正、鐘濤、孫召平、崔劼、張垚、王硯舟、王瑤、張林、杜牧云、勾亞斌、王紅艷

項目承擔單位北京敏視達雷達有限公司

項目協作單位】中國氣象科學研究院

主要研究成果

本項目以我國目前業務天氣雷達網中的典型型號CINRAD/SA單偏振天氣雷達為基礎,開展了將其升級為具有國際先進水平雙線偏振天氣雷達的研究,提升了我國業務天氣雷達的技術水平,培養了一支雙線偏振雷達研究和業務應用的專業科研隊伍,提高了新一代天氣雷達對災害天氣的檢測和預警能力。

項目以我國目前業務天氣雷達網中典型型號CINRAD/SA單偏振天氣雷達為基礎,開展將其升級為具有國際先進水平的雙線偏振雷達的研究工作。升級的內容包括標準化數字中頻、信號處理及控制系統、機內機外標定方法和系統等,為提高對災害天氣的檢測和預警能力提供了有力的技術支撐。主要成果如下:

1.適合新一代天氣雷達升級為雙線偏振雷達系統的工程技術方案

廣泛參考了國內外市場上雙線偏振雷達技術方案,在充分吸收各方案優點的基礎上,本著實現資金和設備效益最大化,顯著提升我國天氣雷達網防災減災能力的原則,設計出一套適合新一代天氣雷達升級為雙線偏振雷達系統的工程技術方案。

1.1工作體制

雙線偏振雷達工作體制主要分為交替發射/同時接收和同時發射/同時接收兩種。交替發射/同時接收體制:發射時期,發射機的輸出功率全部從一個通道發出;接收時期,兩路接收機同時接收。優點是發射功率大。缺點是大功率有源極化開關壽命不長,開關轉換期數據不正確,測速范圍僅有同時發射/同時接收工作體制的一半,水平偏振波和垂直偏振波的觀測對象不一致。同時發射/同時接收體制:發射時期,通常將一臺發射機的輸出功率由無源功分器將其進行功率等分后同時輸出到水平和垂直發射通道;接收時期,兩路接收機同時接收。優點是效率高,工程上容易實現,壽命長(未用大功率微波開關)。缺點是每個通道發射功率僅為發射機輸出功率的一半,對雷達威力有所影響。基于兩種雙偏振雷達工作方式的優缺點,目前國內外所有業務雙偏振雷達均采用同時發射/同時接收的工作體制。

1.2 關鍵技術

選用具有自主知識產權和國際先進水平,且可直接用于新一代天氣雷達雙線偏振升級的標準化數字中頻/信號處理器。不僅能提高中國新一代天氣雷達的技術水平,還可以避免國外廠商技術封鎖帶來的諸多弊端。

采用國際先進水平的自研雷達控制、信號采集、數據處理與產品算法軟件。結合雙高斯譜處理和多階相關分析方法,設計更有效的天氣雷達噪聲和地物回波消除技術,提高雷達觀測的靈敏度和各物理量的觀測精度;發展雙偏振雷達物理量的最優估計方法,實現雙偏振量的精確估計;采用最優化理論,優化相位編碼和雙重頻處理方法,減輕速度和距離模糊問題。

1.3 性能參數

升級后的雙線偏振雷達系統在接收機、監控、發射機、天線等方面的技術指標和系統穩定性均有較大的提高。在保留了原單偏振氣象產品的基礎上,增加了雙偏振雷達特有的氣象產品,為精確預報提供了更加豐富和準確的數據資料。

1.4 系統布局

升級后的雙線偏振雷達系統接收機前端從天線罩內下移至機房內。機房內溫度恒定,為低噪聲放大器等敏感微波器件提供了更穩定的工作環境,可以有效提高雷達數據的穩定性,同時也提高的雷達的可維護性。

2.可直接用于新一代天氣雷達升級為雙線偏振雷達的標準化數字中頻、信號處理及控制系統

廣泛參考了國內外市場上主流天氣雷達信號處理產品,在充分吸收各個產品優點的基礎上,本著通用性、標準化的思想,并結合最新的數字中頻采樣和下變頻處理技術研制出新型信號處理系統。數字中頻系統主要特性如下。

2.1高度集成化的設計

將現有系統的數個獨立模塊:A/D中頻信號采集、下變頻、時序控制、IQ數據生成和傳輸集成為一個模塊,提高了集成度和可靠性,降低了故障率,在性能提升的同時降低了模塊功耗。系統采用雙通道高速16位寬A/D采集芯片,輔以最新的PCB低噪聲抗干擾濾波技術而研制的A/D采集器,能夠采集和輸出高質量的IQ數據。

2.2 更大的動態范圍

通過良好的A/D采集電路設計和飽和補償算法,本系統可以得到95dB的大動態范圍(@0.6MHz BW)。

2.3 靈活的接口設計

多樣可配置的輸入輸出接口,符合通用接口電氣標準,通過定制接口板可實現對不同型號雷達發射機和接收機的控制。

3.業務化雙線偏振雷達機內機外標定方法和系統

雙線偏振雷達在技術升級后,繼承和完善了新一代天氣雷達的自動在線和人工離線相結合的標定和檢查功能。在雙偏振標定方面,重點增加了雙接收通道幅度和相位差在線檢查功能。

雙偏振系統的在線標定和檢查項目主要包括:發射機功率檢查、強度和速度檢查、相位噪聲檢查、噪聲電平檢查、噪聲溫度檢查、雙接收通道增益差和相位差檢查。

從系統主要性能參數的在線監測分析來看,相比升級前,雙偏振系統性能指標的運行穩定性有一定的提高。新一代天氣雷達修訂參數的連續7天標定結果,穩定度比雙線偏振升級前有了很大程度的提高,能有效的提高雷達系統反射率的精度,更準確的計算降水量。

機外全雷達系統標定標校方法和系統主要包括太陽法和小雨法。太陽法通過將雷達系統實際檢測到的太陽中心位置與理論計算位置相比較,檢查雷達天線指向在方位和俯仰上的誤差。標定后的天線指向精度可以達到0.1°以內,如圖3所示。小雨法是業務化雷達站可以在小雨無風的天氣環境下,將天線指向俯仰90°,此時降落雨滴的水平和垂直極化的分量近似相同。理論上雷達獲取的ZDR值應為0dB。標定后所得到的偏差即為雷達系統ZDR偏差,標定后需要手動修改適配參數使得系統ZDR偏差為0dB。

4.CINRAD/SA-D雙線偏振氣象產品算法軟件

基于本項目在雙線偏振氣象算法和產品方面的研究成果,在現有新一代天氣雷達氣象產品軟件的基礎上,增加了偏振降水估測產品QPE、雙偏振液態水含量產品VIL、滴譜反演產品粒子中值直徑D0和粒子濃度N0、零度層亮帶識別產品ML以及粒子相態識別產品HCL。這些基于雙偏振資料的二次產品能夠在提高降水估測精度、消除非氣象回波的影響、固態降水的識別以及人工影響天氣分析等方面帶來效益。

 

成果應用情況

1.新一代天氣雷達升級為雙線偏振雷達系統的工程技術方案;新一代天氣雷達升級為雙線偏振雷達的標準化數字中頻、信號處理及控制系統;業務化雙線偏振雷達機內機外標定方法和系統

項目的上述開發成果已在新一代天氣雷達網中S波段、C波段和X波段共計37部雙線偏振雷達系統中開展業務應用工作。應用結果表明:升級后的標準化數字中頻、信號處理及控制系統系統運行穩定可靠,具備良好的數據處理性能、接口兼容性和可擴展性;升級后的雙線偏振雷達系統運行穩定可靠,提高了天氣雷達探測數據的準確性和可靠性,實現了預期目標。

2. CINRAD/SA-D雙線偏振氣象產品算法軟件

雙線偏振二次氣象產品的軟件包已經運行在廣東、福建、安徽等雙線偏振技術升級改造后的CINRAD/SA-D型雙線偏振雷達上業務試運行,生成的多種雙線偏振氣象產品已經應用于天氣形勢分析和氣象預警預報服務中。

    隨著未來新一代天氣雷達雙線偏振技術升級的進程,項目形成的雙偏振軟件算法和產品軟件可逐步推廣到更多的雙線偏振天氣雷達系統中,為改進和提高我國新一代天氣雷達的應用水平發揮作用。

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