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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

发布者:张岳   来源:   发布时间:2019/7/8 11:22:59   标签:   浏览次数:6181

項目編號GYHY201306075

研究周期2013年1月2015年12月

國撥經費333萬元

項目負責人吳豔鋒

項目骨幹成員張建雲、胡志群、劉強、虞海峰、張持岸、李佳、左申正、鍾濤、孫召平、崔劼、張垚、王硯舟、王瑤、張林、杜牧雲、勾亞斌、王紅豔

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單偏振天氣雷達爲基礎,開展了將其升級爲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。

项目以我国目前业务天气雷达网中典型型号CINRAD/SA单偏振天气雷达为基础,开展将其升级为具有国际先进水平的双线偏振雷达的研究工作。升级的内容包括標准化数字中频、信号处理及控制系统、机内机外标定方法和系统等,为提高对灾害天气的检测和预警能力提供了有力的技术支撑。主要成果如下:

1.適合新一代天氣雷達升級爲雙線偏振雷達系統的工程技術方案

广泛参考了国内外市场上双线偏振雷达技术方案,在充分吸收各方案优点的基础上,本着实现资金和设备效益最大化,显著提升我国天气雷达网防灾减灾能力的原则,设计出一套適合新一代天氣雷達升級爲雙線偏振雷達系統的工程技術方案。

1.1工作體制

双线偏振雷达工作體制主要分为交替发射/同时接收和同时发射/同时接收两种。交替发射/同时接收体制:发射时期,发射机的输出功率全部从一个通道发出;接收时期,两路接收机同时接收。优点是发射功率大。缺点是大功率有源极化开关寿命不长,开关转换期数据不正确,测速范围仅有同时发射/同时接收工作體制的一半,水平偏振波和垂直偏振波的观测对象不一致。同时发射/同时接收体制:发射时期,通常将一台发射机的输出功率由无源功分器将其进行功率等分后同时输出到水平和垂直发射通道;接收时期,两路接收机同时接收。优点是效率高,工程上容易实现,寿命长(未用大功率微波开关)。缺点是每个通道发射功率仅为发射机输出功率的一半,对雷达威力有所影响。基于两种双偏振雷达工作方式的优缺点,目前国内外所有业务双偏振雷达均采用同时发射/同时接收的工作體制。

1.2 關鍵技術

选用具有自主知识产权和国际先进水平,且可直接用于新一代天气雷达双线偏振升级的標准化数字中频/信号处理器。不仅能提高中国新一代天气雷达的技术水平,还可以避免国外厂商技术封锁带来的诸多弊端。

采用國際先進水平的自研雷達控制、信號采集、數據處理與産品算法軟件。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

升級後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産品的基礎上,增加了雙偏振雷達特有的氣象産品,爲精確預報提供了更加豐富和准確的數據資料。

1.4 系統布局

升級後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,爲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气雷达升级为双线偏振雷达的標准化数字中频、信号处理及控制系统

广泛参考了国内外市场上主流天气雷达信号处理产品,在充分吸收各个产品优点的基础上,本着通用性、標准化的思想,并结合最新的数字中频采样和下变频处理技术研制出新型信号处理系统。数字中频系统主要特性如下。

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爲一個模塊,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低噪聲抗幹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 更大的動態範圍

通过良好的A/D采集电路设计和饱和补偿算法,本系统可以得到95dB的大动态范围(@0.6MHz BW)。

2.3 靈活的接口設計

多样可配置的输入输出接口,符合通用接口电气標准,通过定制接口板可实现对不同型号雷达发射机和接收机的控制。

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後,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。

从系统主要性能參數的在线监测分析来看,相比升级前,双偏振系统性能指标的运行稳定性有一定的提高。新一代天气雷达修订参数的连续7天标定结果,稳定度比双线偏振升级前有了很大程度的提高,能有效的提高雷达系统反射率的精度,更准确的计算降水量。

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。標定後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值應爲0dB。標定後所得到的偏差即爲雷達系統ZDR偏差,標定後需要手動修改適配參數使得系統ZDR偏差爲0dB。

4.CINRAD/SA-D雙線偏振氣象産品算法軟件

基于本項目在雙線偏振氣象算法和産品方面的研究成果,在現有新一代天氣雷達氣象産品軟件的基礎上,增加了偏振降水估測産品QPE、雙偏振液態水含量産品VIL、滴譜反演産品粒子中值直徑D0和粒子濃度N0、零度層亮帶識別産品ML以及粒子相態識別産品HCL。這些基于雙偏振資料的二次産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.新一代天气雷达升级为双线偏振雷达系统的工程技术方案;新一代天气雷达升级为双线偏振雷达的標准化数字中频、信号处理及控制系统;業務化雙線偏振雷達機內機外標定方法和系統

项目的上述开发成果已在新一代天气雷达网中S波段、C波段和X波段共计37部双线偏振雷达系统中开展业务应用工作。应用结果表明:升级后的標准化数字中频、信号处理及控制系统系统运行稳定可靠,具备良好的数据处理性能、接口兼容性和可扩展性;升级后的双线偏振雷达系统运行稳定可靠,提高了天气雷达探测数据的准确性和可靠性,实现了预期目标。

2. CINRAD/SA-D雙線偏振氣象産品算法軟件

雙線偏振二次氣象産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後的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産品已經應用于天氣形勢分析和氣象預警預報服務中。

    随着未来新一代天气雷达双线偏振技术升级的进程,项目形成的双偏振软件算法和产品软件可逐步推广到更多的双线偏振天气雷达系统中,为改进和提高我国新一代天气雷达的应用水平发挥作用。

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