L波段高空氣象探測系統(tǒng)原理及使用方法

石顏青

[摘要]L波段高空氣象探測系統(tǒng)（或稱L波段雷達）在我國氣象探空工作中發(fā)揮著重要作用。正確的使用與操作是獲得高精度探測數(shù)據(jù)的前提。本文探討了L波段氣象探空系統(tǒng)的原理，介紹了利用該系統(tǒng)進行氣象探測的使用方法，列舉了使用過程中的常見問題及解決方案，能夠為該系統(tǒng)的使用者提供有益的參考。

[關(guān)鍵詞]L波段高空氣象探測系統(tǒng) 二次測風(fēng)雷達 使用操作 常見問題

[中圖分類號] P412.2 [文獻碼] B [文章編號] 1000-405X（2015）-3-368-1

L波段高空氣象探測系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的新一代探空系統(tǒng)，主要由二次測風(fēng)雷達和電子探空儀兩部分組成，可用于探測從地面至30000米大氣層的風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、氣壓、濕度等氣象要素。其中，電子探空儀安裝在氫氣球上，探測時將氣球釋放到高空。二次測風(fēng)雷達主要用于跟蹤氣球的軌跡，并據(jù)此計算出測風(fēng)數(shù)據(jù)。接收機實時接收電子探空儀發(fā)射回來的探空碼，經(jīng)解碼后就可以得到溫度、濕度和氣象等氣象要素。

1雷達跟蹤氣球軌跡的原理

普通一次雷達所追蹤的目標是無源的反射體，如飛機和導(dǎo)彈等，依靠目標反射的雷達波來確定其軌跡。二次雷達與一次雷達不同，它所追蹤的目標是有源的。這種有源的目標物，被稱作“無線電應(yīng)答器”。在雷達波段中，L波段表示1-2GHz，波長30-15cm，而二次測風(fēng)雷達的實際使用頻率為1.675GHz，實際波長為17.9104cm。

進行探測時，探空氣球攜帶無線電應(yīng)答器和電子探空儀升空。同時二次測風(fēng)雷達在地面發(fā)出“詢問信號”，觸發(fā)應(yīng)答器發(fā)回“回答信號”，并被雷達天線接收。根據(jù)無線電波從雷達天線到探空氣球之間的往返時間，就可以計算出二者之間的距離。計算公式為：

D=■（c△t）

式中D為雷達天線與探空氣球之間的距離， △t為無線電波的往返時間，c為光速，c=3×108m/s 。影響測距精度的兩個重要因素分別為△t的測定精度以及應(yīng)答器的觸發(fā)延時。

為了測量氣球的方位角度，二次測風(fēng)雷達的天線設(shè)計為4個 φ0.8m的拋物面天線，發(fā)送的水平、垂直波瓣寬度均不大于6°。當天線電軸對準目標時，射頻信號到達各個天線的路程相等，無相位差。在顯示器上表現(xiàn)為四根亮線一樣長的。若電軸沒有對準目標，則顯示器上的亮線不一樣齊。因此在高空探測中，只要轉(zhuǎn)動天線，使顯示器上的亮線始終兩兩對齊，就表示雷達天線對準了目標，根據(jù)雷達方位角度就可以知道氣球的方位角度。根據(jù)雷達測距和測角的數(shù)據(jù)，就可以計算出探空氣球在空中飄移的速度和方向，也就得到了風(fēng)速與風(fēng)向。

在測量過程中需要用到以下公式：

式中：z為目標海拔幾何高度，z0為測站海拔幾何高度，R為地球平均半徑，r為目標物的距離，E為目標物的仰角。

H=■·■；式中：H為目標的海拔位勢高度，gφ表示緯度為φ海平面處的重力加速度，g0為標準重力加速度。

2 L波段高空氣象探測系統(tǒng)操作

2.1開機

由于二次測風(fēng)雷達整機是經(jīng)UPS整機供電的，因此首先要打開UPS電源。然后打開微機電源，運行接收控制軟件。再依次打開主控箱上的總電源、發(fā)射機電源、驅(qū)動向的電源及示波器電源。調(diào)整示波器上的相關(guān)旋鈕，使之能正常顯示四條亮線。最后打開近程發(fā)射機。

2.2放球

調(diào)整接收機頻率，使之與應(yīng)答信號相匹配。檢查應(yīng)答信號“凹口”的形狀，若“凹口”較淺將無法進行自動跟蹤。此時應(yīng)調(diào)整應(yīng)答器的“凹口”調(diào)整電位器，使“凹口”達到一定深度。放球前需測量地面的風(fēng)向與風(fēng)速。為確保起始自動抓球成功，盡量選在下風(fēng)方向放球。如果遇到大風(fēng)，必須要事先估計氣球釋放后的運動軌跡，以便在自動抓球失敗的情況下，能夠進行手動抓球。當氣球升到距離天線30米以上時，將天線調(diào)整到氣球方向，允許偏離一定小角度。此時天線應(yīng)當能夠自動對準氣球。如果信號太強造成天線跟蹤不好，可適當增大放球點的距離。

2.3關(guān)機

點擊控制軟件界面中的遠程發(fā)射機的高壓開關(guān)，將發(fā)射機關(guān)閉。然后將雷達天線的仰角調(diào)整到85○，并關(guān)閉驅(qū)動箱電源。依次關(guān)閉主控箱的發(fā)射機電源、總電源和示波器。最后推出應(yīng)用程序，關(guān)閉微機及UPS。

3使用過程中的常見問題及解決方法

3.1放球過程中丟球

這種情況下要進行手動抓球。通常出現(xiàn)丟球一般是在地面或球升空時間不長，正常時接收增益一般較小，指示值為100左右（旁瓣抓球，增益值一般很大大約在150～160之間），如果可以看到斜距，根據(jù)高度可以很精確地計算出仰角值，然后根據(jù)該仰角值進行搜索抓球。無法計算出仰角值時，根據(jù)經(jīng)驗估測一個仰角值，方位進行360度掃描，若未抓到球，改變仰角（10度左右）再進行掃描，直到抓到球為止。

手動抓球時，可以通過四條亮線判斷是否抓到球了。判斷方法如下：（1）要看4條亮線是否穩(wěn)定，跳躍是否整齊，測距凹口跟蹤是否正常（氣壓飛點及時刪除），再看雷達高度、氣壓高度、估高數(shù)據(jù)是否一致，如符合以上條件則判斷抓住球了。（2）可以直接根據(jù)增益大小的變化規(guī)律進行判斷，天控打自動后再結(jié)合扇掃功能，確定是否抓到球了。

3.2天線在自動跟蹤過程中方位發(fā)生死位現(xiàn)象

天線在自動跟蹤過程中方位角、仰角出現(xiàn)死位現(xiàn)象，主要有以下幾個原因（1）天線座的匯流環(huán)有問題，應(yīng)經(jīng)常用酒精對匯流環(huán)及其碳刷進行清洗；（2）驅(qū)動箱內(nèi)編碼器的插頭接觸不良，應(yīng)重新插拔連接；（3）發(fā)射機對方位角驅(qū)動電機的編碼器信號產(chǎn)生干擾，應(yīng)做好驅(qū)動電機上兩根電纜的屏蔽防護。

結(jié)語：L波段高空氣象探測系統(tǒng)作為一種自動化程度較高的新型探空系統(tǒng)，其給氣象工作帶來了極大的方便。但是該系統(tǒng)對操作人員的要求較高，如果操作不合理容易得不到準確的數(shù)據(jù)或出現(xiàn)丟球的現(xiàn)象。因此操作人員必須要懂得系統(tǒng)的工作原理，熟悉系統(tǒng)的操作流程及使用方法，掌握排除問題與故障的能力，為民眾提供更準確的氣象資料。

參考文獻

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