新一代天气雷达(CINRAD-CD)探测环境保护辩析

新一代天气雷达（CINRAD/CD）
探测环境保护计算方法
根据《气象探测环境保护和设施保护办法》第十一条和《贵州省气象条例》第九条（天气雷达站主要探测方向的遮挡仰角不得大于0.5°,孤立遮挡方位角不得大于0.5°；其他方向的遮挡仰角不得大于1°，孤立遮挡方位角不得大于1°，且总的遮挡方位角不得大于5°。

天气雷达站四周不得有对雷达接收产生干扰的干扰源）对天气雷达站探测环境保护的技术规定，结合CINRAD/CD型新一代天气雷达探测特性和指标，特制定CINRAD/CD型新一代天气雷达站探测环境保护算法。

具体算法如下：
一、雷达天线辐射电磁波场区划分
根据电磁辐射原理，将雷达天线周围的电磁场区划分为辐射近场区和辐射远场区。

如图1所示：辐射近场区的外边就是辐射远场区。

远场区的起始边界规定为R=（2D2 /λ）。

R是观察点到天线的距离，D是雷达天线直径，λ是雷达波长。

在近场区的0～（D2/2λ）起始部分为波束平行区，认为电磁辐射大体上是平行的；在R≥（D2 /2λ）的过渡区域内，场以半角为λ/ D弧度的锥形向外发散，R＝（D2 /2λ）处的天线孔径中心与边缘行程差为λ／４；在R≥（2D2/λ）处则是天
线的辐射远场区。

二、由于电磁场在近场区域内变化情况复杂，在电磁波形成区域内（近场区内）不允许有发生遮挡的障碍物，因此近场区内探测环境保护算法如下：
1、在图1中０～R＝（D2 /2λ）的平行波束区距离范围内，以雷达天线口下沿平行线为气象探测环境保护基准线。

障碍物允许高度计算方法如下：
如图２，“O”点为雷达天线中心点，A为雷达天线在0.5°仰角（∠ACB＝0.5°）扫描时平行波束区内障碍物最高点的限制海拔高度。

C为雷达天线口下沿点海拔高度，B与C处于同一水平面。

“L”为障碍物到雷达天线的最近水平距离。

障碍物最高点A的限制海拔高度计算公式如下：
A≤C＋L*tg(∠ACB), ∠ACB＝0.5°,L≤（D2 /2λ）；①
2、在非平行波束区的近场区内（图１中D2 /2λ到2D2 /λ之间的距离），以天线中心线以下λ/ D弧度边线为气象探测环境保护基准线。

障碍物允许高度计算方法如下：如图３，“O”点为雷达天线中心点,︱O︱为O点海拔高度，A为雷达天线在0.5°仰角扫描时障碍物最高限制点的海拔高度。

A与“O”处于同一水平面，海拔高度等同。

E为雷达站站址海拔。

障碍物最高点A的限制海拔高度计算如下：
A≤︱O︱，且（D2 /2λ）≤L≤（2D2 /λ）②
此时雷达天线在0.5°仰角扫描时，中心线以下λ/ D弧度边线（图3中波束边缘1）与天线中心水平线实际重合。

三、在R≥（2D2 /λ）的远场区外，以天线中心线为气象探测环境保护基准线。

此时可以允许障碍物对雷达电磁波束构成0.5°（主要探测方向）或１°（非主要探测方向）仰角的遮挡，但障碍物的遮挡条件必须受到限制，其高度与横向宽度计算方法如下：
如图4所示:图中“o”点为雷达天线中心点；“L”为孤立障碍物与雷达天线中心点的最近水平距离；“A”为雷达天线在1°仰角扫描时雷达波束受障碍物遮挡的最高点海拔高度；“B”为雷达天线在0.5°仰角扫描时雷达波束受障碍物遮挡的最高点海拔高度；“o”为雷达天线中心点海拔高度，与“C”点处于同一水平面；“E”为雷达站站址海拔高度。

“波束１”与“波束２”分别表示雷达天线在1°和0.5°仰角扫描时雷达波束的中心线。

1、当雷达波束受孤立障碍物遮挡时，障碍物最高点的限制海拔高度计算如下：
1.1“雷达站主要探测方向的遮挡仰角不得大于0.5°”条件下，孤立障碍物遮挡雷达波束在垂直方向上最高点“B”的限制海拔高度计算如下：
B≤C＋[tg（∠B o C）]＊L ,∠B o C=0.5°, L≥2D2 /λ③
1.2 “雷达站其它方向（非主要探测方向）的遮挡仰角不得大于１°”条件下，孤立障碍物遮挡雷达波束在垂直方向上最高点“A”的限制海拔高度计算如下：
A≤C＋[tg（∠A o C）]＊L,∠A o C=１°，L≥（2D2 /λ）④
2、当雷达波束受孤立障碍物遮挡时，障碍物遮挡方位横
向距
离计算方法：
如图5所示: 图中“o”为雷达天线中心点，“a”和“b”分别表示雷达波束在某一仰角环扫方位上受孤立障碍物遮挡后的水平横向距离限制点。

图中ab之间的距离表示为圆周上的弦长。

︱ab︱为孤立障碍物的水平横向限制距离，即雷达天线在某一仰角向四周扫描时，从雷达天线中心处向障碍物扫描方向看去的水平横向距离。

“c”为雷达天线在0°仰角扫描
时中心波束线与孤立障碍障物的切点，与“o”点处于同一海拔高度。

“d”为雷达天线中心点到弦长ab的垂直距离交点。

∠aob 为雷达天线扫描方位角，∠boc为雷达天线扫描仰角。

︱od ︱为雷达天线中心到弦长︱ab︱的垂直距离。

2.1当“天气雷达站主要探测方向的遮挡仰角不得大于0.5°,孤立遮挡方位角不得大于0.5°”条件下，雷达波束受孤立障碍物遮挡的方位横向距离计算公式如下：
︱ab︱≤2*︱od︱*[tg（∠aob /2）]，∠aob=0.5°⑤此时∠boc=0.5°；
2.2 “天气雷达站其他方向（非主要探测方向）的遮挡仰角不得大于1°，孤立遮挡方位角不得大于1°”条件下，雷达波束受孤立障碍物遮挡的方位横向距离计算公式如下：
︱ab︱≤2*︱od︱*[tg（∠aob /2）]，∠aob=1°⑥
此时∠boc=1°；
3、“总的遮挡方位角不得大于5°”条件下，雷达波束在所有
方位允许受孤立障碍物遮挡的横向距离总和计算公式如下：∑︱ab︱≤2*︱od︱*[tg（∠aob /2）],∠aob=5°⑦
∑︱ab︱表示雷达波束在主要探测方向上和非主要探测方向上允许受孤立障碍物方位遮挡横向距离的总和。

四、结论
1、当障碍物位于雷达电磁辐射近场区内时，障碍物对雷达波束不能构成遮挡（以免破坏电磁波形成）。

障碍物在0～（D2 /2λ）距离范围内，其最高点限制海拔高度用公式①计算；障碍物在（D2/2λ）～（2D2/λ）距离范围内（非平行波束区），其最高点限制海拔高度用公式②进行计算。

２、当障碍物位于雷达电磁辐射远场区时（≥2D2 /λ），障碍物的高度与宽度限制条件分以下两种情况：
（1）当障碍物处于雷达主要探测方向，并对雷达波束构成遮挡时，障碍物的高度与宽度受以下四个条件限制：
①障碍物必须为孤立障碍物；
②障碍物遮挡雷达波束的仰角必须≤0.5°，即满足公式③的条件；
③障碍物遮挡雷达波束的方位角要≤0.5°，即满足公式⑤的条件；
④障碍物横向遮挡距离的总和与非主要探测方向障碍
物遮挡横向距离的总和要满足公式⑦的条件。

（2）当障碍物处于雷达非主要探测方向，并对雷达波束构成遮挡时，障碍物的高度与宽度受以下四个条件限制：
①障碍物必须为孤立障碍物；
②障碍物遮挡雷达波束的仰角必须≤1°，即满足公式④的条件；
③障碍物遮挡雷达波束的方位角要≤1°，即满足公式⑥的条件；
④障碍物横向遮挡距离的总和与主要探测方向障碍物横向遮挡距离的总和要满足公式⑦的条件。

五、计算用语与符号说明
１、雷达波束是指雷达天线发射的电磁波束，具有一定的波束宽度。

2、障碍物是指建筑、作物、树木等对雷达探测方向（雷达电磁波发射途径区域）有遮挡的物体。

3、孤立障碍物是指从雷达天线中心处，向障碍物方向看去，该障碍物与邻近障碍物的横向间距大于2个雷达波束宽度的障碍物。

即两障碍物的横向距离≥２＊tg（雷达波束宽度）*障碍物最近点与雷达天线的水平距离。

4、计算公式①、③、④、⑤、⑹、⑦中的“tg”为正切函数符号；“°”为度符号；“*”为乘法符号；“D”为雷达天线直径；“λ”为雷达波长；“≤”为小于等于符号。