一种高空气象雷达在气象领域的应用

一种高空气象雷达在气象领域的应用
摘要：
本文主要讲解了一种高空气象探测雷达在气象领域的应用，着重阐述了这种
高空气象探测雷达的主要组成、工作原理及各个分系统的功能，让大家对这种体
制的雷达进一步深入了解，了解气象雷达在气象领域的作用。

关键字：高空探测二次雷达圆锥扫描自动跟踪
正文
一、引言
高空气象探测雷达主要是测定大气各层高度上的温度（T）、湿度（U）、气
压（P）、风速（WS）、风向（WD）等气象要素，观测的主要方式有施放气球探测、无线电探测等。

这种类型高空气象探测雷达被广泛使用在国家气象业务网中。

二、系统的组成及原理
（一）、概述
高空气象探测雷达采用圆锥扫描跟踪、二次应答测距体制，主要用于探测高
空30km高度以下、距离200 km范围内的各层大气的气温、气压、湿度、风速和
风向等气象要素，并按照要求规范输出所需要的气象通报。

（二）、组成及工作原理
1．组成
雷达主体设备和辅助设备组成。

主体设备有天线装置、天馈线分系统、发射
分系统、接收分系统、测距分系统、天控分系统、自检译码分系统、测角分系统、数据采集处理分系统、电源分系统；辅助设备有探空仪基测箱。

2．工作原理
雷达采用二次方式(即信标工作方式)完成对目标(数字探空仪)的距离自动跟
踪及测量。

雷达发射机产生的高频发射脉冲经天线辐射并被探空仪接收后，探空
仪受触发而产生应答信号(即距离回波信号)，并由探空仪天线向空间辐射最终被
雷达天线捕获。

只要测出发射高频脉冲与接收到的探空仪应答信号之间的时间间
隔T，就可以计算出探空仪与雷达之间的距离。

雷达不间断地测定探空仪的球坐标数据（方位角、仰角、距离），并接收探
空仪发射的探空码信号。

送来的探空仪信号(中频)经接收支路的放大、变换、处
理后分成三路信号，第一路信号是气象信息数码，直接送至终端单元；第二路信
号是距离信号，该信号被送往测距板实施距离跟踪，；第三路信号是角度跟踪信号，该信号被送往天控分系统实施角度跟踪。

终端单元把上述气象信息码(温度、压力、湿度)和探空仪瞬时球坐标数据以串行方式送至数据处理分系统。

数据采集处理分系统将探空仪空中球坐标数据及气象数据送入计算机，计算
出风速、风向、温度、气压、湿度，并编制成气象报文、报表输出。

3．各个分系统功能
a)天线装置
天线装置采用数字化交流电机，该数字化交流电机作为方位、俯仰驱动源，
具有动态性能好、体积小、控制方便等优点。

且其内部植有微处理器，具有可靠
的参数检测及报警功能，大大减低了电机损坏的可能性。

天线装置在提高可靠性、稳定性的同时，采用模块化设计，电机、仰角同步
装置、仰角驱动装置以及天线装置基座内部的器件更换更加方便，维修性进一步
提升。

同时天线装置设置有方位和俯仰安全锁定装置、电限位装置，提高了系统
的安全性。

b)电源分系统
电源分机主要由开关电源，若干断路器、继电器、滤波器及滤波组件等组成。

电源分机的设计充分考虑设备用电的集中控制，开启总电源则主控分机、驱动分
机及天线装置随之上电。

电源分机内部均为可更换器件，便于设备维护。

c)天馈线分系统
天馈线分系统是高频能量的传输与转换系统。

发射时馈线将发射机的高频能
量传至天线，并通过天线把电磁波发射出去。

接收时馈线将天线接收的目标反射
信号和探空仪信号传输至接收机。

天馈线分系统中高频发射和高频接收共用一路馈线，中间通过环形器进行转换。

当天线用于发射时，从发射机磁控管送出高频脉冲波至环行器端口1入，经
过端口2送至馈线，经天线发射出去。

当天线用于接收时，从天线接收下来的回
波信号经馈线传至环行器端口2入，从端口3输出给限幅器至接收分系统，这样
就完成了收发作用。

天馈线系统框图如图1所示。

图1 天馈线分系统工作原理框图
d)接收分系统
接收分系统的主要功能是将来自天馈线分系统的探空仪信号进行放大、变频
和解调，从而产生距离跟踪信号和角度跟踪信号，分别送至测距分系统和天控分
系统，使气象雷达天线对目标（探空仪）实施跟踪，并解调出探空码信号（T、P、U）送至雷达自检译码分系统。

雷达接收分系统包括：高频组件，角跟踪支路中放单元、距离支路中放单元、探空通道单元。

高频组件
对来自天馈线分系统的微弱高频信号进行放大、变频，变成f1MHz中频信号，送给控制分机。

距离支路中频单元
对来自高频组件的中频信号进一步放大，经检波和视频放大，作为距离信号
送至测距分系统进行距离跟踪和测量。

角跟踪中放支路
高频组件送出的中频信号经距离支路中放盒的功分器送至角支路中放盒。

另
一路输出信号为角信号，用于输出到探空通道板提取气象码与角度跟踪；还有一
路信号用于提取自动频率微调电压。

探空码解调单元
从角信号中提取气象码，并把角信号进行谐振放大后输出探空仪角度跟踪信号，送往天控分系统。

e)发射分系统
发射分系统主要将测距分系统送来的触发脉冲，经脉冲整形转换成雷达系统
所用的重复频率f0的脉冲波形，并经过调制器后将脉冲波形叠加到磁控管振荡器
产生的高频发射脉冲上，然后通过天线向探空仪发射具有一定功率的超高频脉冲
信号，使探空仪产生距离“回答信号”。

f)测距分系统
测距分系统的功能是对探空仪的回答器信号进行自动和手动距离跟踪，以完
成对探空仪距离的测定，并将距离数据送往数据终端。

同时本系统还产生一系列
时间上相关的脉冲作为基准送往其它分系统，以协调全机的工作。

g)天控分系统
天控分系统主要是使气象雷达天线对空中目标进行精确的角度跟踪，以确保
回波信号和探空信号的正常接收以及目标角度坐标（方位角、仰角）的测定。

天
控分系统根据天馈线分系统和接收分系统送来的包含有角误差信息的信号（角支
路信号）提取角度跟踪信号（方位角跟踪信号、仰角跟踪信号）控制雷达天线向
减小角度误差的方向运动，从而实现角度（方位角和仰角）自动跟踪。

h)测角分系统
测角分系统主要用于测量天线方位实时角度和仰角实时角度。

方位测角模块板的功能是根据方位角粗、精同步机输出的三相电压幅度计算
出方位角角度值；仰角测角模块板的功能是根据仰角粗、精同步机输出的三相电
压计算出仰角角度数值。

i)自检译码分系统
自检译码分系统主要将来自天控分系统的功放电源、方位、仰角基准电压、
过荷电压和测距系统的发射脉冲、距离脉冲，共多种信号进行较比、转换、处理，送至终端分系统进行检测。

同时从接收机送来的气象码信号，经整形处理，由单
片机录取，转换成数字信号再送至数据采集处理分系统。

j)数据采集处理分系统
主要完成对雷达整机的监控、数据传输，协调各系统正常工作，并提供人机
界面。

通过处理软件计算出风速、风向、温度、气压、湿度，并编制成气象报文、报表，由打印机打印输出。

k)探空仪基测箱
探空仪基测箱主要用于测试雷达配套的探空仪的温度、湿度、气压的数值是
否正确。

三、设计要点分析
a)数字化交流伺服驱动技术
雷达天线伺服系统方案采用交流伺服系统，伺服分系统主要由位置环、速度环、电流环、伺服驱动器和驱动电机等部分，可以提高雷达跟踪的稳定性和跟踪
精度，雷达天线伺服系统位置环路采用积分分离PID控制算法。

该算法已在为某型号雷达的批量生产中得到了验证，证明可以提高系统的角
跟踪精度。

b)天线锥扫装置一体化设计技术
早期的天线锥扫装置采用交流马达，通过后置减速齿轮，带动馈源反射体转动，完成天线波束在空中的扫描。

由于交流马达采用的是高转速马达，通过齿轮
箱减速，其磨损严重、噪声大，特别是在冬天低温工作时，启动困难，可靠性相
对较差。

为了解决这一问题，公司通过多年的努力，研发中心与外协单位一并投入资
金研制出低速空心电机。

该电机转速低，无需减速装置；噪声小、结构简单、可
靠性高，在后期的同型号产品的批量生产中得到了验证。

c)锥扫体制的结构设计保证
为了使非对称反射罩可以绕天线轴旋转而形成天线波束圆锥扫描，在结构上
将馈源设计为:内层的半波振子固定不动，以保持天线的辐射/接收垂直极化波；
外层的外壳体固定不动，用于将馈源固定在反射体上；中间的旋转轴与非对称反
射罩相连。

这种内外层不动，中间层转动的馈源结构方式，就保证了发射/接收
垂直极化波和波束圆锥扫描的设计要
求。

四、结论
此型号的高空气象雷达已在于我公司批量生产，技术成熟可靠，智能化程度高，已大量应用于中国国家气象局、各个军种的气象台站。

为我国建立数值模式
网络发展、气象预报预测等方面的服务提供了可靠的不间断的实时气象观测数据，在中国气象事业发展方面做出了不小的贡献。

参考文献：
[1]《L型高空气象探测雷达原理与维修》陈家清
[2]《气象雷达原理》焦中生，沈超玲。