GFE(L)―1型二次测风雷达的工作原理及标定

【摘要】gfe（l）-1型二次测风雷达和gts1型电子探空仪是我国近年来气象业务中广泛运用的一种新一代高空探测系统，可探测从地面至30000米高空的风向、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，实现了高空探测仪器的数字化和自动化。该雷达在使用过程中，标定工作是一项非常重要的工作，必不可少，且要认真细致、精确无误。

【关键词】l波段雷达;工作原理;标定

1.高空气象探测的发展

测量近地面层以上大气的物理、化学特性的方法和技术，又称高空观测或高空探测。高空气象观测以测定大气各高度上的温度、湿度、气压、风向、风速为主，其他还有一些特殊项目，如大气成分、臭氧、辐射、大气电场等。主要的观测方法有气球探测、无线电探测等。自18世纪中叶以来，人们先后用风筝、载人气球携带仪器进行直接探测高空的试验。19世纪末，法国、德国、美国发明和改进了探空气象仪。1986年在欧洲组织国际间的探空气球探测试验，是高空气象观测站网的雏型。随着光学经纬仪的发展，逐步建立了小球经纬仪测风的方法。20世纪20～30年代末，在电报、编报、短波无线电技术发展的基础上，先后研制成了无线电经纬仪和测风雷达等，为建立全球高空观测站网奠定了基础。40年代，发展了气象火箭，探测高度可达100公里以上。60年代以来，随着气象卫星技术的发展，促进了全天候和全球性的高空气象探测的发展。大量利用无线电遥测、遥控技术和电子计算机微处理机定量控制，实时处理，是当前各高空观测系统的技术特点。全球性高空站网的合理分布、新技术方法的应用和充分利用各种探测系统是构成现代高空综合观测系统的特点。由各系统测定和提供的大量高空气象观测数据，对揭示大气的结构、建立大气科学的理论和提高天气预报的准确率起了重要的作用。对于各种手段高空探测的一致性和资料的可比较性是20世纪60年代以来各国共同关心和努力解决的问题。到90年代中期，中国加快了基于电子探空仪的高空探测系统的研制、应用和推广，gfe（l）-1型二次测风雷达和gts1型电子探空仪就是目前气象业务中广泛使用的一种自动高空探测系统。缩短了与世界先进水平的差距，也是高空气象探测设备的更新换代产品。为气象预报和气候研究提供了基础的气象资料，在国民经济发展和国防建设方面发挥着巨大作用。

2.gfe（l）-1型二次测风雷达

gfe（l）-1型二次测风雷达（简称l波段雷达）是我国自主研制的新一代高空气象自动探测系统，它由二次测风雷达和电子探空仪配合，可探测从地面至30000米高空的风向、风速、气温、气压、湿度等气象要素。它具有抑制频段干扰、探测精度高、采样速率快、使用方便等特点。

由于采用了近程测距技术，使近程测距可达100米以内，并利用现场放球视频监控系统，有利于起始抓球。并采用了大量的微电脑数字处理技术，实现了高空探测仪器的数字化和自动化。

所谓二次雷达是指雷达所追踪的目标是有源的，目标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”。运行时，雷达发射触发信号，即“询问信号”，回答器被这个“询问信号”所触发，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，故称二次雷达。二次雷达与一次雷达的不同之处就在于，二次雷达所追踪的目标是一个有源体，而一次雷达所追踪的目标则是一个无源反射体，是靠目标反射电磁波被雷达接收作为回波信号的。

3.gfe（l）-1型二次测风雷达的工作原理

3.1 测距原理

雷达发射的触发信号，即“询问信号”，从天线出发按图1中箭头所指方向到达探空气球

所悬挂的探空仪，探空仪中的回答系统被激发后，随机产生一个“应答信号”并按原路返回，被雷达天线所接收。根据无线电波从雷达天线到达探空仪之间的往返时间，再用这个时间的1/2乘以无线电波的传播速度，即可算出探空仪与雷达之间距离。假设电波的传播速度为c，无线电波从雷达天线到达探空仪之间的往返时间为△t，则所求距离d可用以下公式表示：d=1/2（c×△t）

无线电波在空间的传播速度相当于光速，即c=3×105公里/秒，如果△t以微秒计算，则1微秒=10-6秒，每微秒的速度则为：c=0.3公里/微秒。

则距离：d=0.15△t公里

图1 l波段雷达测距原理图2 l波段雷达测角原理

3.2 测角原理

l波段雷达天馈系统由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6o，其中的和差环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、右误差信号调制到和信号上，此信号经接收机放大、解调而得出反应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仰俯电机实现仰角的跟踪与测量，利用水平面上的两个天线所获取的误差信号推动方位电机实现方位角的跟踪与测量。如图2所示，假如天线电轴对着正东方，而探空仪也在正东方，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，角误差为零。如果电轴没有对准探空仪，而是偏南或偏北了一个角度，使得射频信号到达左右天线的时间出现了误差，即出现了相位差，也就产生了角误差信号。方位电机则根据这个误差信号来调整天线的向左或向右移动，使电轴重新回到正对探空仪的方向。

3.3 测风原理

探空气球携带着无线电回答器升空后，雷达在地面向它发出“询问信号”，回答器被“询问信号”所触发，向地面发回“回答信号”。根据每一组询问与回答信号往返时间之间隔和回答信号的来向，就可测出每一瞬间探空气球在空间距地面雷达的直线距离（斜距）、方位角和仰角，再根据高空风计算公式，可得出个高度层的风向、风速。具体来说，探测气球在净举力的作用下，以一定的速度做垂直上升时，同时也在风的作用下作水平运动，由于气球的体积很大，质量却很小，在随风飘移运动中的惯性也很小，因此，可将气球的运动看作是空气质点在空中的运动。气球在水平方向上的运动，完全可以代表空气质点的水平移动。将气球每分钟在空中的位置垂直投影到水平面上，可得到气球的水平位移。由水平位移的大小和方向，即可得到探测气球所经过气层的平均风速和风向。这就是l波段雷达测风的基本原理。

3.4 压、温、湿探测原理

l波段雷达对空中各高度层上大气的压、温、湿三个气象要素的探测，是利用升空气球携带的探空仪来完成的。探空仪由压力传感器、温度传感器、湿度传感器及转换电路、编码电路和回答器所组成，各传感器的电参量随高空的压力、温度、湿度的变化而变化。转换电路则对变化的电参量进行采集、编码而形成探空码，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，经解码软件进行解码，就得到了高空中不同高度的压力、温度和湿度三个气象要素数据。

4.gfe（l）-1型二次测风雷达的标定

4.1 水平调整

水平调整的目的是为了让雷达的天线主轴垂直于水平面，消除在不同的方位产生的仰角误差。如果水平没有调整好，当仰角接近90o时还会造成方位误差。所以，水平的调整不但要在安装时需要调整，在日常的工作中也要经常检查、调整，特别是在雨季和地基尚不牢固的新建站更要注意。

在进行雷达水平调整前，首先要安装、调整好主轴水准器，只有调整好主轴水准器，才