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行业专项成果综述-双线偏振技术业务化应用研究

发布者:张岳   来源:   发布时间:2019/7/8 11:22:59   标签:   浏览次数:4765

项目编号GYHY201306075

研究周期2013年1月2015年12月

国拨经费333万元

项目负责人吴艳锋

项目骨干成员张建云、胡志群、刘强、虞海峰、张持岸、李佳、左申正、钟涛、孙召平、崔劼、张垚、王砚舟、王瑶、张林、杜牧云、勾亚斌、王红艳

项目承担单位北京敏视达雷达有限公司

项目协作单位】中国气象科学研究院

主要研究成果

本项目以我国目前业务天气雷达网中的典型型号CINRAD/SA单偏振天气雷达为基础,开展了将其升级为具有国际先进水平双线偏振天气雷达的研究,提升了我国业务天气雷达的技术水平,培养了一支双线偏振雷达研究和业务应用的专业科研队伍,提高了新一代天气雷达对灾害天气的检测和预警能力。

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。升级的内容包括标准化数字中频、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.适合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

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,设计出一套适合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。

1.1工作体制

双线偏振雷达工作体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/同时接收工作体制的一半,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/同时接收的工作体制。

1.2 关键技术

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标准化数字中频/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。

采用国际先进水平的自研雷达控制、信号采集、数据处理与产品算法软件。结合双高斯谱处理和多阶相关分析方法,设计更有效的天气雷达噪声和地物回波消除技术,提高雷达观测的灵敏度和各物理量的观测精度;发展双偏振雷达物理量的最优估计方法,实现双偏振量的精确估计;采用最优化理论,优化相位编码和双重频处理方法,减轻速度和距离模糊问题。

1.3 性能参数

升级后的双线偏振雷达系统在接收机、监控、发射机、天线等方面的技术指标和系统稳定性均有较大的提高。在保留了原单偏振气象产品的基础上,增加了双偏振雷达特有的气象产品,为精确预报提供了更加丰富和准确的数据资料。

1.4 系统布局

升级后的双线偏振雷达系统接收机前端从天线罩内下移至机房内。机房内温度恒定,为低噪声放大器等敏感微波器件提供了更稳定的工作环境,可以有效提高雷达数据的稳定性,同时也提高的雷达的可维护性。

2.可直接用于新一代天气雷达升级为双线偏振雷达的标准化数字中频、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、标准化的思想,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高度集成化的设计

将现有系统的数个独立模块:A/D中频信号采集、下变频、时序控制、IQ数据生成和传输集成为一个模块,提高了集成度和可靠性,降低了故障率,在性能提升的同时降低了模块功耗。系统采用双通道高速16位宽A/D采集芯片,辅以最新的PCB低噪声抗干扰滤波技术而研制的A/D采集器,能够采集和输出高质量的IQ数据。

2.2 更大的动态范围

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 灵活的接口设计

多样可配置的输入输出接口,符合通用接口电气标准,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.业务化双线偏振雷达机内机外标定方法和系统

双线偏振雷达在技术升级后,继承和完善了新一代天气雷达的自动在线和人工离线相结合的标定和检查功能。在双偏振标定方面,重点增加了双接收通道幅度和相位差在线检查功能。

双偏振系统的在线标定和检查项目主要包括:发射机功率检查、强度和速度检查、相位噪声检查、噪声电平检查、噪声温度检查、双接收通道增益差和相位差检查。

从系统主要性能参数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。

机外全雷达系统标定标校方法和系统主要包括太阳法和小雨法。太阳法通过将雷达系统实际检测到的太阳中心位置与理论计算位置相比较,检查雷达天线指向在方位和俯仰上的误差。标定后的天线指向精度可以达到0.1°以内,如图3所示。小雨法是业务化雷达站可以在小雨无风的天气环境下,将天线指向俯仰90°,此时降落雨滴的水平和垂直极化的分量近似相同。理论上雷达获取的ZDR值应为0dB。标定后所得到的偏差即为雷达系统ZDR偏差,标定后需要手动修改适配参数使得系统ZDR偏差为0dB。

4.CINRAD/SA-D双线偏振气象产品算法软件

基于本项目在双线偏振气象算法和产品方面的研究成果,在现有新一代天气雷达气象产品软件的基础上,增加了偏振降水估测产品QPE、双偏振液态水含量产品VIL、滴谱反演产品粒子中值直径D0和粒子浓度N0、零度层亮带识别产品ML以及粒子相态识别产品HCL。这些基于双偏振资料的二次产品能够在提高降水估测精度、消除非气象回波的影响、固态降水的识别以及人工影响天气分析等方面带来效益。

 

成果应用情况

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标准化数字中频、信号处理及控制系统;业务化双线偏振雷达机内机外标定方法和系统

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:升级后的标准化数字中频、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双线偏振气象产品算法软件

双线偏振二次气象产品的软件包已经运行在广东、福建、安徽等双线偏振技术升级改造后的CINRAD/SA-D型双线偏振雷达上业务试运行,生成的多种双线偏振气象产品已经应用于天气形势分析和气象预警预报服务中。

    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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