GFE―1型二次測風(fēng)雷達的工作原理及標(biāo)定

1、【摘要】gfe (l) -1型二次測風(fēng)雷達和gtsl型電子探空儀是我國近年來氣象業(yè)務(wù)中廣泛運 用的一種新一代高空探測系統(tǒng)，可探測從地面至30000 米高空的風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、氣壓、 濕度等氣象要素。它具有探測精度高、采樣速率快、使用方便等特點，實現(xiàn)了高空探測儀器 的數(shù)字化和自動化。該雷達在使用過程中，標(biāo)定工作是一項非常重要的工作，必不可少，且 要認真細致、精確無誤?！娟P(guān)鍵詞】 l 波段雷達;工作原理;標(biāo)定高空氣象探測的發(fā)展測量近地面層以上大氣的物理、化學(xué)特性的方法和技術(shù)，又稱高空觀測或高空探測。高 空氣象觀測以測定大氣各高度上的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速為主，其他還有一些特殊 項目，如大氣成

2、分、臭氧、輻射、大氣電場等。主要的觀測方法有氣球探測、無線電探測等。 自 18 世紀(jì)中葉以來，人們先后用風(fēng)箏、載人氣球攜帶儀器進行直接探測高空的試驗。19 世 紀(jì)末，法國、德國、美國發(fā)明和改進了探空氣象儀。1986 年在歐洲組織國際間的探空氣球探 測試驗，是高空氣象觀測站網(wǎng)的雛型。隨著光學(xué)經(jīng)緯儀的發(fā)展，逐步建立了小球經(jīng)緯儀測風(fēng) 的方法。20世紀(jì)2030年代末，在電報、編報、短波無線電技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，先后研制 成了無線電經(jīng)緯儀和測風(fēng)雷達等，為建立全球高空觀測站網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)。 40 年代，發(fā)展了氣 象火箭，探測高度可達100 公里以上。 60 年代以來，隨著氣象衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，促進了全天 候和全

3、球性的高空氣象探測的發(fā)展。大量利用無線電遙測、遙控技術(shù)和電子計算機微處理機 定量控制，實時處理，是當(dāng)前各高空觀測系統(tǒng)的技術(shù)特點。全球性高空站網(wǎng)的合理分布、新 技術(shù)方法的應(yīng)用和充分利用各種探測系統(tǒng)是構(gòu)成現(xiàn)代高空綜合觀測系統(tǒng)的特點。由各系統(tǒng)測 定和提供的大量高空氣象觀測數(shù)據(jù)，對揭示大氣的結(jié)構(gòu)、建立大氣科學(xué)的理論和提高天氣預(yù) 報的準(zhǔn)確率起了重要的作用。對于各種手段高空探測的一致性和資料的可比較性是 20 世紀(jì) 60 年代以來各國共同關(guān)心和努力解決的問題。到 90 年代中期，中國加快了基于電子探空儀 的高空探測系統(tǒng)的研制、應(yīng)用和推廣， gfe(l) -1 型二次測風(fēng)雷達和 gts1 型電子探空儀就 是

4、目前氣象業(yè)務(wù)中廣泛使用的一種自動高空探測系統(tǒng)?？s短了與世界先進水平的差距，也是 高空氣象探測設(shè)備的更新?lián)Q代產(chǎn)品。為氣象預(yù)報和氣候研究提供了基礎(chǔ)的氣象資料，在國民 經(jīng)濟發(fā)展和國防建設(shè)方面發(fā)揮著巨大作用。gfe(l) -1 型二次測風(fēng)雷達gfe (l) -1型二次測風(fēng)雷達(簡稱l波段雷達)是我國自主研制的新一代高空氣象自動 探測系統(tǒng)，它由二次測風(fēng)雷達和電子探空儀配合，可探測從地面至30000 米高空的風(fēng)向、風(fēng) 速、氣溫、氣壓、濕度等氣象要素。它具有抑制頻段干擾、探測精度高、采樣速率快、使用 方便等特點。由于采用了近程測距技術(shù)，使近程測距可達 100 米以內(nèi)，并利用現(xiàn)場放球視頻監(jiān)控系統(tǒng)， 有利于起始

5、抓球。并采用了大量的微電腦數(shù)字處理技術(shù)，實現(xiàn)了高空探測儀器的數(shù)字化和自 動化。所謂二次雷達是指雷達所追蹤的目標(biāo)是有源的，目標(biāo)具有發(fā)射無線電波的能力。這種有 源的目標(biāo)物被稱作“無線電回答器”，簡稱“回答器”。運行時，雷達發(fā)射觸發(fā)信號，即“詢 問信號”，回答器被這個“詢問信號”所觸發(fā)，立即發(fā)射出“回答信號”，又被雷達所接收作 為回波信號。這種一問一答的工作狀態(tài)就是二次雷達的基本特點，故稱二次雷達。二次雷達 與一次雷達的不同之處就在于，二次雷達所追蹤的目標(biāo)是一個有源體，而一次雷達所追蹤的 目標(biāo)則是一個無源反射體，是靠目標(biāo)反射電磁波被雷達接收作為回波信號的。gfe(l) -1 型二次測風(fēng)雷達的工作原理

6、測距原理雷達發(fā)射的觸發(fā)信號，即“詢問信號”，從天線出發(fā)按圖1 中箭頭所指方向到達探空氣球 所懸掛的探空儀，探空儀中的回答系統(tǒng)被激發(fā)后，隨機產(chǎn)生一個“應(yīng)答信號”并按原路返回， 被雷達天線所接收。根據(jù)無線電波從雷達天線到達探空儀之間的往返時間，再用這個時間的 1/2乘以無線電波的傳播速度，即可算出探空儀與雷達之間距離。假設(shè)電波的傳播速度為c, 無線電波從雷達天線到達探空儀之間的往返時間為At,則所求距離d可用以下公式表示：d=1/2 (ct)無線電波在空間的傳播速度相當(dāng)于光速，即c=3X105公里/秒，如果At以微秒計算， 則1微秒=10-6秒，每微秒的速度則為：c=0.3公里/微秒。則距離：d=

7、0.15At公里圖1l波段雷達測距原理圖2 l波段雷達測角原理測角原理l波段雷達天饋系統(tǒng)由4個巾0.8m拋物面天線、和差環(huán)、調(diào)制環(huán)、饋線等組成。水平、 垂直波瓣寬度均不大于6。，其中的和差環(huán)是完成假單脈沖體制的關(guān)鍵，調(diào)制環(huán)由程序方波控 制，將由和差環(huán)獲取的上、下、左、右誤差信號調(diào)制到和信號上，此信號經(jīng)接收機放大、解 調(diào)而得出反應(yīng)目標(biāo)偏離電軸的角誤差信號(包括大小和方向)。利用垂直面上的兩個天線所獲 取的誤差信號推動仰俯電機實現(xiàn)仰角的跟蹤與測量，利用水平面上的兩個天線所獲取的誤差 信號推動方位電機實現(xiàn)方位角的跟蹤與測量。如圖2所示，假如天線電軸對著正東方，而探 空儀也在正東方，則由于射頻信號到達

8、左右天線所經(jīng)歷的路程相等，因而無相位差，角誤差 為零。如果電軸沒有對準(zhǔn)探空儀，而是偏南或偏北了一個角度，使得射頻信號到達左右天線 的時間出現(xiàn)了誤差，即出現(xiàn)了相位差，也就產(chǎn)生了角誤差信號。方位電機則根據(jù)這個誤差信 號來調(diào)整天線的向左或向右移動，使電軸重新回到正對探空儀的方向。測風(fēng)原理探空氣球攜帶著無線電回答器升空后，雷達在地面向它發(fā)出“詢問信號”，回答器被“詢 問信號”所觸發(fā)，向地面發(fā)回“回答信號”。根據(jù)每一組詢問與回答信號往返時間之間隔和回 答信號的來向，就可測出每一瞬間探空氣球在空間距地面雷達的直線距離(斜距)、方位角和 仰角，再根據(jù)高空風(fēng)計算公式，可得出個高度層的風(fēng)向、風(fēng)速。具體來說，探測

9、氣球在凈舉 力的作用下，以一定的速度做垂直上升時，同時也在風(fēng)的作用下作水平運動，由于氣球的體 積很大，質(zhì)量卻很小，在隨風(fēng)飄移運動中的慣性也很小，因此，可將氣球的運動看作是空氣 質(zhì)點在空中的運動。氣球在水平方向上的運動，完全可以代表空氣質(zhì)點的水平移動。將氣球 每分鐘在空中的位置垂直投影到水平面上，可得到氣球的水平位移。由水平位移的大小和方 向，即可得到探測氣球所經(jīng)過氣層的平均風(fēng)速和風(fēng)向。這就是l波段雷達測風(fēng)的基本原理。壓、溫、濕探測原理l 波段雷達對空中各高度層上大氣的壓、溫、濕三個氣象要素的探測，是利用升空氣球 攜帶的探空儀來完成的。探空儀由壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器及轉(zhuǎn)換電路、編碼

10、電路和回答器所組成，各傳感器的電參量隨高空的壓力、溫度、濕度的變化而變化。轉(zhuǎn)換電 路則對變化的電參量進行采集、編碼而形成探空碼，然后用此探空碼去控制回答器，再由回 答器將探空碼發(fā)回地面。雷達接收機把它接收下來，經(jīng)解碼軟件進行解碼，就得到了高空中 不同高度的壓力、溫度和濕度三個氣象要素數(shù)據(jù)。gfe(l) -1 型二次測風(fēng)雷達的標(biāo)定水平調(diào)整水平調(diào)整的目的是為了讓雷達的天線主軸垂直于水平面，消除在不同的方位產(chǎn)生的仰角 誤差。如果水平?jīng)]有調(diào)整好，當(dāng)仰角接近90。時還會造成方位誤差。所以，水平的調(diào)整不但 要在安裝時需要調(diào)整，在日常的工作中也要經(jīng)常檢查、調(diào)整，特別是在雨季和地基尚不牢固 的新建站更要注意。

11、在進行雷達水平調(diào)整前，首先要安裝、調(diào)整好主軸水準(zhǔn)器，只有調(diào)整好主軸水準(zhǔn)器，才 能利用它進行雷達的水平調(diào)整。主軸水準(zhǔn)器是用于調(diào)整主軸與水平面垂直的。第一步：調(diào)整時需二人配合進行，一人在值班室工作臺前操作，開啟雷達控制天線轉(zhuǎn)動。 另一人在雷達天線裝置處，二人利用雷達配用的通信耳機進行通話。先轉(zhuǎn)動方位角，使主軸 上某一個水準(zhǔn)器正好停在和某兩個千斤頂連線相平行的位置上，調(diào)整其中一個千斤頂使水準(zhǔn) 器的氣泡正好停在橫線中央，在調(diào)整第三個千斤頂使另一個水準(zhǔn)器的氣泡也正好停在橫線中 央。第二步:將天線的方位角旋轉(zhuǎn)180。,這時如果氣泡仍在橫線中央，說明水準(zhǔn)器安裝正確。 如果氣泡不在橫線中央而是有一個差值，說明

12、水準(zhǔn)器不在正確位置，需要進行校正。這時用 調(diào)水準(zhǔn)器的專用工具調(diào)整水準(zhǔn)器兩端螺母使氣泡向橫線中央移動差值的一半，再用千斤頂修 正差值的一半。然后再用上述方法重新檢查、校正，直至差值為零。兩個水準(zhǔn)器最好分別進 行調(diào)整，校好后將水準(zhǔn)器兩端的螺母緊固。仰角零度的標(biāo)定仰角零度的標(biāo)定，其目的是當(dāng)天線仰角在真實零度時，數(shù)據(jù)終端所讀取、顯示的仰角數(shù) 據(jù)應(yīng)同為零度。由于該雷達天線陣的邊距較小，故采用經(jīng)緯儀法比較適用。在距天線數(shù)十米處架一經(jīng)緯儀并調(diào)好水平，利用經(jīng)緯儀內(nèi)的十字線觀察天線桁架邊緣線 是否垂直，若基本垂直，說明天線仰角處于水平位置;若不垂直，說明天線仰角不在水平位置， 這時應(yīng)根據(jù)經(jīng)緯儀的觀察，微微轉(zhuǎn)動天

13、線仰角使其垂直，而后將主控箱俯仰角測量板上的標(biāo) 定孔對地短路。此時，數(shù)據(jù)終端上顯示的仰角數(shù)值應(yīng)為零度，仰角零度的標(biāo)定工作就此完成。三軸一致性的檢查與校正 所謂三軸，即:光軸、機械軸和電軸。光軸是指瞄準(zhǔn)鏡在正常工作時，其物鏡中的十字線交點所對方向的射線;機械軸是指天線中心（方位軸和仰角軸的交點）向天線所指方向的射 線;電軸是指波瓣交點所指方向的射線。根據(jù)雷達測角原理，雷達的測角是電軸對準(zhǔn)目標(biāo)物，而方位角、仰角的度數(shù)卻是天線所 處位置的方位角、仰角的數(shù)值。所以，電軸與機械軸必須一致。要把電軸與機械軸調(diào)整一致， 必須借助光軸。同時，機械軸的方位角、仰角的準(zhǔn)確數(shù)值也是用光軸標(biāo)定的。因此，只有光 軸、電

14、軸、機械軸三軸一致，其讀數(shù)才能真正表示目標(biāo)物所處位置的方位角和仰角。三軸一 致性的檢查與校正分兩步進行，即:光軸與機械軸的校正、光軸與電軸的校正。光軸與機械軸一致的校正光軸與天線仰角轉(zhuǎn)軸垂直的檢查和調(diào)整第一、把天線仰角轉(zhuǎn)到0。 位置，將瞄準(zhǔn)鏡從正常工作位置取下，反時針方向旋轉(zhuǎn)90。， 再裝好。第二、轉(zhuǎn)動天線方位，使瞄準(zhǔn)鏡對準(zhǔn)2 公里外的一個目標(biāo)。第三、保持方位不動， 將天線仰角由0。調(diào)整到90。，同時觀察瞄準(zhǔn)鏡的瞄準(zhǔn)點相對于目標(biāo)的移動軌跡。若光軸與仰 角轉(zhuǎn)軸垂直，則軌跡是一個“點”;若軌跡是一個90。的圓弧，則需要調(diào)整。調(diào)整方法:用扳手先將瞄準(zhǔn)鏡架三角鐵板上的三顆固定螺母松開然后調(diào)節(jié)三角鐵板上

15、的 調(diào)節(jié)螺釘，使瞄準(zhǔn)鏡的十字線中心向目標(biāo)移動原來偏移距離的一半即可。光軸與機械軸的檢查和調(diào)整第一、將瞄準(zhǔn)鏡裝回正常工作位置。第二、將天線仰角轉(zhuǎn)到0。，調(diào)整方位，使瞄準(zhǔn)鏡十 字線中心對準(zhǔn)一個適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)。第三、將瞄準(zhǔn)鏡的物鏡反轉(zhuǎn) 180。，插入瞄準(zhǔn)鏡的架內(nèi);把天 線方位也轉(zhuǎn)動180。，仰角保持在0。，若目標(biāo)仍在十字線的中心，說明光軸與水平面平行。若 目標(biāo)偏離十字線中心的距離小于三分之一小格，為合格;若大于三分之一小格，則需要調(diào)整。調(diào)整方法:先用起子把蝶形螺母對面的兩個固定螺釘松開，然后用扳手調(diào)整下部的兩個 螺釘，調(diào)整光軸的俯仰，使目標(biāo)離瞄準(zhǔn)鏡十字線中心的距離為上述偏差的一半即可。光軸與電軸一致的調(diào)

16、整第一、選擇一個地面風(fēng)速較小且天氣晴朗的白天，在正式施放探空氣球的過程中，當(dāng)仰 角升到大于15o,斜距大于500米.或者放球約lOmim信號穩(wěn)定后，進行檢查調(diào)整。第二、分別用雷達和瞄準(zhǔn)鏡同時觀察探空氣球，室內(nèi)觀測員觀察示波器的四條亮線，當(dāng) 四條亮線兩兩對齊（上下對齊、左右對齊）的瞬間，立即通知瞄準(zhǔn)鏡觀測員，觀察回答器在 瞄準(zhǔn)鏡中的位置，并記下回答器偏離瞄準(zhǔn)鏡十字線中心的數(shù)值。經(jīng)過15至20次的讀數(shù)，若 回答器偏離十字線中心小于0.1。，為合格。若大于0.1。，則需要調(diào)整。第三、調(diào)整時，先打開天線裝置中的和差箱蓋板，然后調(diào)整移相器的長短。方位角零度的標(biāo)定方位角零度的標(biāo)定是在天線水平調(diào)整完成后，瞄

17、準(zhǔn)鏡安裝正確（即光軸與機械軸一致） 的情況下進行的。其方法有兩種：第一種：距雷達數(shù)十米外的一高處，架一經(jīng)緯儀（高度比瞄準(zhǔn)鏡高），用磁針標(biāo)定好方位 （注意在標(biāo)定時應(yīng)將當(dāng)?shù)氐拇牌怯嬎阍趦?nèi)）。轉(zhuǎn)動雷達天線和經(jīng)緯儀，使兩者相互瞄準(zhǔn)，然 后讀經(jīng)緯儀的方位角a 0,雷達方位角a 1,搖動天線使雷達方位角在a 1的基礎(chǔ)上在增加 （180-a 0），保持仰角為零度。將方位軸角板上的標(biāo)定孔對地短路，方位讀數(shù)為零。第二種：在天氣晴朗的夜間，利用雷達瞄準(zhǔn)鏡對準(zhǔn)北極星來標(biāo)定零點，由于北極星在一 夜之間也有所變化，要使標(biāo)定更加準(zhǔn)確，可以向天文部門查對天文年歷進行校正。也可以每 隔一定時間（如2 小時）瞄準(zhǔn)北極星測一次

18、方位角，共測三到四次，最終取觀測記錄的平均 值來標(biāo)定。然后將主控箱俯方位角測量板上的標(biāo)定孔對地短路，此時數(shù)據(jù)終端上顯示的方位 角數(shù)值應(yīng)為零度，方位角零度標(biāo)定到此完成。注意：標(biāo)定方位角、仰角后，最好在不同的方向上找?guī)讉€不同的近距離固定目標(biāo)，用瞄 準(zhǔn)鏡記下它們的方位角、仰角讀數(shù)，以備參考。距離零點的標(biāo)定gfe（l） -1 雷達的測距采用了自動跟蹤回答信號的數(shù)字測距法，其標(biāo)定可以采用已知距 離法。將探空儀放在距離雷達100-200米左右的地方并精確測出探空儀距離雷達天線的直線 距離。由于探空儀回答延時有一定差異，用不同的探空儀來標(biāo)定則會出現(xiàn)較大的誤差，因此， 應(yīng)選 2-3 只探空儀，取其平均值。具體標(biāo)定方法如下：將探空儀放于距雷達一定的距離（如 200m ）處，用鼠標(biāo)點擊控制畫面上距離手/自動按鈕，置“手動”狀態(tài)，再點擊距離“前進” 或“后退”按鈕，使距離顯示值在200m左右處，這時應(yīng)能看到距離顯示屏上回波的位置，撥 動測距板上的撥碼開關(guān)（S1）,使回波回到顯示2km掃描線上的兩個暗點之間，再把距離手/ 自動按鈕