L波段高空气象探测系统原理及维护

前言—— L波段雷达的测距原理
L波段雷达的测距原理如图所示
雷达的“询问信号”即发射脉冲，从雷达天线 发射出去，按图中箭头所指方向到达探空气球悬挂 的探空仪， 探空仪上的“回答器”被激发随即产生一个应 答信号，并按原路返回，被雷达天线所接收。
只要我们知道无线电波从雷达天线到探空仪之 间的往返时间，然后用这个时间的一半去乘无线电 波的传播速度，就可以计算出探空气球与雷达之间 的距离。
1.67-1.11cm 11.1-7.5mm 7.5-4.0mm 4.0-2.7mm 2.7- 1.0mm 1.0-0.1mm
前言—— L波段探空系统的用途
L波段探空系统能够对从地面至30000米 大气层的气压、温度、湿度、风向和风速五 个气象要素进行综合探测，也可以进行风向 和风速的单独探测。 为气象预报和气候研究提供基础的气象 资料，服务于国家的经济、国防建设和满足 人民生活的需求。
前言
L 波段探空系统，是由南京大桥 机器厂生产的GFE（L）1 型二次测风 雷达和上海长望气象科技有限公司生 产的 GTS1型电子探空仪组成。
前言——二次雷达的定义
二次雷达是指雷达所追踪的目标 是有源的——具有发射无线电波的能 力。这种有源的目标物，被称作 ―无 线电回答器‖，简称“回答器”。
前言——二次雷达的定义
30-15cm
1680M
2700M
探空/风廓线/GPSS2-4G 厘米波 15-7.5cm
7.5-3.75cm 5600M
前言—— L波段的定义
微波 X 8-12 9000M 3cm天气雷达 Ku 12-18 VSAT卫星通信 K 18-27 Ka 27-40G 毫米波 8mm晴空雷达 V 40-75G 毫米波 W 75-110G 110-300G 300G-3T 亚毫米波 3.75-2.5cm 2.5-1.67cm
前言
L波段高空气象探测系统是我国自主 研制的新一代探空系统，它由二次测风雷 达和电子探空仪配合，可探测高空的风向 、风速、气温、气压、湿度等气象要素， 它具有探测精度高、采样速率快、使用方 便等特点，实现了高空气象探测仪器的数 字化和自动化，它的研制成功，缩短了与 世界先进水品的差距，是我国高空气象探 测装备的更新换代产品。
L波段雷达的测距原理如图所示
假设无线电波的传播速度为C，测定的时 间为Δt，则所求的距离D可用下式计算：
D = 1/2 （C· Δt）
无线电波在空间传播的速度相当于光速， 即C = 3×105公里/秒，Δt通常用微秒计算（ 1微秒 = 10-6秒），即每微秒的速度为C = 0.3公里/微秒， 则距离：D = 0.15Δt公里。
前言—— L波段雷达的测角跟踪原理
L波段雷达的天馈线由4个Ф0.8m抛物面天线、 和差环、调制环、馈线等组成。水平、垂直波瓣宽 度均不大于6°，而其中和差环则是完成假单脉冲 体制的关键。调制环由程序方波控制，将由和差环 获取的上、下、左、右误差信号调制在和信号上， 此信号经接收机放大、解调即可得出反映目标偏离 电轴的角误差信号（包括大小和方向）。利用垂直 面上的两个天线所获取的误差信号推动俯仰电机实 现仰角跟踪与测量。利用水平面上的天线所获取的 误差信号推动方位电机完成方位角的跟踪与测量。
工作时，回答器被雷达发射的“ 询问信号‖触发、立即发射出“回答 信号‖，又被雷达所接收作为回波信 号。这种一问一答的工作状态就是二 次雷达的基本特点，故称作——二次 雷达。
前言——二次雷达的定义
二次雷达与一次雷达不同之处是， 一次雷达所测定的目标是一个无源的反 射体（如飞机、舰船、反射靶等），是 靠目标反射电磁波被雷达所接收作为回 波信号。因此，二次雷达和一次雷达其 根本的区别，就在于所测目标物是有源 的还是无源的。
前言— L波段探空系统探测的基本原理
L 波段雷达与GTS1型数字式电子探空仪相 配合，实施高空气象探测，能够探测高空的风 向、风速、气温、气压、湿度等五个气象要素 。 在高空气象探测时， L波段雷达对探空气 球的运行轨迹，进行连续的跟踪、定位、测量 ，利用数学模型计算出测风数据；接收机不间 断地接收探空仪发射回来的探空码，经译码得 到探空数据。
前言—— L波段的定义
雷达波段划分及简称字母 雷达波段(radar frequency band) 雷达发 射电波的频率范围。其度量单位是赫兹 (Hz)或周/秒(C／S)。 大多数雷达工作在超短波及微波波段，其 频率范围在30~300000兆赫兹，相应波长为 10米至1毫米，包括了甚高频(VHF)、特高 频(UHF)、超高频(SHF)、极高频(EHF)4个 波段。
前言— L波段探空系统探测的基本原理
探空气球携带有无线电回答器（简称回 答器）升空，测量时；L波段雷达在地面向 它发出“询问信号”， “询问信号”触发 回答器对应地发回“回答信号”。根据每一 对询问与回答信号之间的时间之隔和回答信 号的来向，就可以测定每一瞬间探空气球在 空间的位置——即它距雷达的直线距离（斜 距）、方位角、仰角，然后根据高空风计算 公式，就可计算出各高度层的风向、风速。
由上面的讨论可知，测距的关键是计 时。测距是否精确取决于计时是否精准。 由于要测定的时间Δt 非常短，而且又要 非常精确，因此对计时电路有非常高的要 求。 在L波段雷达中，这个计时的任务是 由计数器来完成的。
计数器在发射脉冲的起始时（即发射脉 冲的前沿）开始计数，在目标回波到达雷达 时停止计数，所得的计数值乘以被计脉冲的 周期——即得需要测定的Δt。根据测定的 Δt，可直接计算出回波的距离（探空仪到 雷达的距离）。
前言—— L波段探空系统
前言—— L波段雷达的特点
采用国际气象组织规定的气象频段— L 波段，符合国际电联和我国无线电频率划分 ，有利于频段保护、抑制通讯频段干扰； 采用了比相假单脉冲技术，相对机械旋 转圆锥扫描体制，误差提取时间快，抗起伏 干扰性能好，跟踪精度高； 采用二次测风体制及大规模集成电路， 使整机体积小、重量轻、耗电少，作用威力 远；
前言—— L波段的定义
二次世界大战期间，为了保密， 用大写英文字母表示雷达波段。 字母“L‖表示的雷达波段是：1～2GHz GFE（L）1型二次测风雷达使用的频率 是：1.675GHz 以频率划分简称为：L波段雷达。
前言—— L波段的定义
无线电波
低频 中频
高频
LF MF
HF
<300K
长波
>1km 1000-100m
前言—— L波段雷达的测角跟踪原理
前言—— L波段雷达的测角与跟踪原理
下面以测方位角为例子，来说明测角原 理。如图所示，如果天线电轴对着正东方， 且目标亦在正东方，则由于射频信号到达左 右天线所经历的路程相等，因而无相位差， 即角误差为零，这样在显示器上分别显示出 来的两根亮线也就一样长。如果电轴没有对 准目标（如电轴方向偏南或偏北了一个角度 ），这样因到达左右两个单元天线的射频信 号有相位差，所以就有角误差信号产生，在 显示器上两根亮线就不一样齐。

前言
一． L波段雷达的组成及安装 二． L波段雷达的使用 三． L波段雷达使用中需注意的几个事项
四． L波段雷达系统组成
五． L波段雷达系统基本原理及功能检查
目录
六． L波段雷达的标定 七． L波段雷达的定期维护 八． L波段雷达常见故障分析及排除 方法 九． GTS1型探空仪的组成及其工作原 理简述
水平距离：即空中探空仪的水平投影点与观 测点之间的距离； 水平位移：即相邻两计算分钟水平投影点之 间的距离； 要确定测风气球在空间某一时刻的唯一 位置，至少需要三个参数，即气球某一时刻 的仰角、方位角、斜距或高度。
前言—— L波段探空系统的探空原理
空中各高度上大气的温、压、湿三个气 象资料，是利用气球携带的探空仪来完成的。 探空仪由对温、压、湿反应灵敏的感应元件 （传感器）及转换电路、编码电路和回答器所组 成，感应元件的电参量随着空气中温、压、湿度 的变化而变化。而转换电路则对变化的电参量进 行采样、编码并形成探空码，然后用此探空码去 控制回答器，再由回答器将探空码发回地面，雷 达接收机把它接收下来，经过软件解码，就得到 了空中温、压、湿三个气象要素。
前言—— L波段雷达测风原理
将每分钟气球在空间的位置垂直投影到水 平面上，可分别得到气球的水平位移，即 某一时段在水平面上的投影距离。由水平 位移的大小和方向，即可得到该时段探测 气球所经过气层的平均风速和风向，这就 是单站测风的基本原理。
前言—— L波段雷达测风原理
几个常用参数： 方位角：即观测点的正北线与水平距离沿顺 时针方向的夹角； 仰角：即观测点的视线与水平距离的夹角； 斜距：气球在空间的位置与观测点之间的 距离； 高度：气球在空间的位置与水平投影点之间 的距离；
前言—— L波段雷达测风原理
测风雷达跟踪探测气球的运动轨迹，得 到高空风随高度的分布情况。 原理：探测气球在净举力的作用下，以 一定的垂直速度上升时，同时也在风的作用 下作水平运动。由于充灌氢气后的气球体积 较大，质量很小，在随风漂移运动中的惯性 也很小，因此，我们可将气球的运动看作是 空气质点的运动，气球在水平方向上的移动 ，完全可以代表空气质点的水平移动。
前言— L波段探空系统探测的基本原理
空中各高度上，大气的温、压、湿三个气 象要素，是利用探空气球携带的探空仪来完成 的。探空仪是由对温、压、湿反应灵敏的感应 元件（传感器）及转换电路所组成，感应元件 的电参量随着空气中温、压、湿度的变化而变 化。而转换电路则对变化的电参量进行采样， 并经编码形成探空码，然后用此探空码去控制 回答器，再由回答器将探空码发回地面，雷达 接收机把它接收下来，经过软件解码，就得到 了空中温、压、湿三个气象要素。
L波段雷达就是利用这个原理来测定 方位角和仰角的。 在高空探测中，只要转动天线，使显 示器上的四条亮线始终两两对齐（上和下 、左和右分别对齐）就表示雷达天线对准 了目标，实际上本雷达的角度跟踪已实现 了自动化，只有在恶劣的天气下造成起始 抓球失败时才需手动搜索。