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摘要：灾害性天气对人类具有极强的破坏性，本文介绍了基于平流层飞艇搭载多普勒天氣雷达的设计方案、性能指标以及系统特点，并对研制平流层飞艇载多普勒天气雷达的若干关键技术进行了讨论，为工程实践提供参考。
关键词：临近空间;灾害性天气;平流层飞艇;天气雷达
0灾害性天气的监测
对于台风、暴雨、强对流等灾害性天气的研究要求高时空分辨率和高探测精度的大气参数信息，主要通过气象卫星资料和地面水文气象站资料两种途径获取。地面水文气象站主要通过气象雷达以及探空仪等设备组成，这些设备对于突发性灾害的监测、预报和报警都具有重要的作用，是大气探测的重要手段之一。现有的水文气象站大部分设置在低山地带和平原城镇，并且站点分布极不均匀，观测范围有限、覆盖率较低，高山、高原上观测站点稀少，海洋上几乎没有探测资料，不能满足大流域降雨观测的需求，对高原和山区降水垂直规律以及灾害性天气的防治带来一定困难。
对灾害性天气的监测还可以采用星载降雨雷达的方式，典型的系统是美日联合研制的TRMM卫星搭载的降水雷达，它可以在卫星平台上对星下观测区域内的降雨特性实现全天时、全天候的三维立体探测。降水雷达观测区受卫星轨迹的制约，另外卫星的发射和维护成本高。利用临近空间平台对大气进行探测，可以进行更为精细的探测，提高防灾减灾能力。基于平流层飞艇搭载的多普勒天气雷达是填补地基雷达观测和星载降水雷达探测之间的空白，是二者之外云雨大气探测的重要补充，是建立云雨探测星-机-地综合探测系统的重要组成部分。
1雷达系统设计分析
艇载天气雷达工作方式与机载天气雷达和星载降水雷达有一定相似之处。雷达工作时，沿飞行方向对地面上空的大气进行大范围观测，如果发现灾害性天气现象，则可对目标进行垂直精细扫描，探求台风等灾害性天气的内部结构。雷达获得的数据经处理后通过下传链路传至地面，经地面人员采用数据处理算法获得灾害性天气的实时信息。
艇载天气雷达方案是参考地基天气雷达和星载降水雷达所提出来的，其参数设计的主要依據是雷达气象方程。由于艇载雷达是从临近空间向地面照射，因此对雷达反射率因子进行订正时要考虑地表的影响，与常规的地基气象雷达相比，订正方法更复杂。可以参考星载降雨雷达衰减因子的方法，采用HB算法和STR估计相结合的方法。
根据以上分析，结合常规天气雷达设计，得到艇载天气雷达主要参数。设计的艇载天气雷达采用发射线形调频脉冲信号，接收端采用脉冲压缩技术通过脉冲间的相参积累来提高系统的增益并提高检测精度，为了实现雷达既能覆盖较大观测面积又能实现较高的水平分辨率，设计宽口径、双频率、可以二维扫描的相控阵天线并配以自适应扫描方案。
2关键技术
2.1 实时低副瓣脉冲压缩处理技术
艇载天气雷达采用脉冲压缩技术来获得比较高的系统增益并提高检测精度，但是与地基雷达不同，艇载天气雷达对地进行观测，这样，地表杂波也会从距离旁瓣进入而干扰降雨的测量，尤其在低频段则更为明显。根据仿真结果，将距离旁瓣压到-60dB甚至更低才能有效抑制距离旁瓣杂波。从理论上讲，若采用常规频域或时域处理的方法，脉冲压缩的旁瓣在不加窗的情况下只能做到-13dB;采用常用的泰勒或汉明窗，也只能到-40dB左右。所以，如何采用特殊的窗进行压缩而达到-60dB旁瓣，而同时又满足实时高速处理的需求是工程实践必须着重加以研究。随着数字处理技术的发展，采用高速并行DSP处理技术可以实现时域-60dB的脉冲压缩。
2.2 定标技术
定标技术是雷达进行定量测量的基础，由于雷达参数和成像参数之间的不确定性，以及电磁波在传播过程中由于大气作用产生的能量衰减、信号路径的改变、电磁波极化特性的改变等因素给雷达测量带来很多不确定性，使得雷达测量的重复性差，并且不能精确反应实际目标特性。作为一种定量测量降雨反射信号功率的微波遥感器，艇载天气雷达定标技术就是通过各种措施测量出影响回波功率的各个因素大小，并从雷达回波中去除以上因素的影响，从而建立雷达回波功率与灾害性天气要素之间的精确关系。只有经过了严格精确的定标技术，艇载天气雷达才能将精确的信号功率提供给用户去反演降雨量。
2.3 地杂波抑制技术
为了保证一定的距离分辨率，艇载天气雷达的扫描方式通常设计为在垂直于飞行方向的圆锥扫描，以下视的方式观测大气层内的降水分布。所以，雷达天线的波束必然要直射地面，这就导致艇载天气雷达可能会在某一距离单元同时接收到较弱的降水粒子回波和较强的地杂波。理论上，只有天线完全垂直地面，此时才可以通过时间上将降雨回波和表面杂波区分开，而在偏离这一扫描位置的任何时刻，主波束照射的回波都会伴随着同近距离的旁瓣地表杂波同时到达接收系统，这在时间上是无法区分的。由于气象目标回波属于弱反射，而地表杂波的回波功率更强，因此为了能从强杂波中测量弱反射的气象目标回波，需研究各种杂波抑制方法。
3结语
平流层飞艇携带多普勒天气雷达，可对大气环境进行极高的高分辨率、连续定点观测，建立高精度大气模型，提高大气和气象研究水平，尤其可以提高短期气象预报准确率，提高对台风和暴雨等气象灾害的监视和预报能力。
参考文献
[1]张培昌.雷达气象学[M].北京：气象出版社，2021.
[2]商建.新一代星载云雨测量雷达系统技术研究[J].安徽农业科学，2019.6
[3]陈汉清.GPM降水产品评估研究综述[J].水資源保护，2019.4
作者简介：杨繁俊（1986.9—）高级工，安徽合肥人，主要从事浮空器全工艺流程及加工制作方法研究
（中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽 合肥 230031）
关键词：临近空间;灾害性天气;平流层飞艇;天气雷达
0灾害性天气的监测
对于台风、暴雨、强对流等灾害性天气的研究要求高时空分辨率和高探测精度的大气参数信息，主要通过气象卫星资料和地面水文气象站资料两种途径获取。地面水文气象站主要通过气象雷达以及探空仪等设备组成，这些设备对于突发性灾害的监测、预报和报警都具有重要的作用，是大气探测的重要手段之一。现有的水文气象站大部分设置在低山地带和平原城镇，并且站点分布极不均匀，观测范围有限、覆盖率较低，高山、高原上观测站点稀少，海洋上几乎没有探测资料，不能满足大流域降雨观测的需求，对高原和山区降水垂直规律以及灾害性天气的防治带来一定困难。
对灾害性天气的监测还可以采用星载降雨雷达的方式，典型的系统是美日联合研制的TRMM卫星搭载的降水雷达，它可以在卫星平台上对星下观测区域内的降雨特性实现全天时、全天候的三维立体探测。降水雷达观测区受卫星轨迹的制约，另外卫星的发射和维护成本高。利用临近空间平台对大气进行探测，可以进行更为精细的探测，提高防灾减灾能力。基于平流层飞艇搭载的多普勒天气雷达是填补地基雷达观测和星载降水雷达探测之间的空白，是二者之外云雨大气探测的重要补充，是建立云雨探测星-机-地综合探测系统的重要组成部分。
1雷达系统设计分析
艇载天气雷达工作方式与机载天气雷达和星载降水雷达有一定相似之处。雷达工作时，沿飞行方向对地面上空的大气进行大范围观测，如果发现灾害性天气现象，则可对目标进行垂直精细扫描，探求台风等灾害性天气的内部结构。雷达获得的数据经处理后通过下传链路传至地面，经地面人员采用数据处理算法获得灾害性天气的实时信息。
艇载天气雷达方案是参考地基天气雷达和星载降水雷达所提出来的，其参数设计的主要依據是雷达气象方程。由于艇载雷达是从临近空间向地面照射，因此对雷达反射率因子进行订正时要考虑地表的影响，与常规的地基气象雷达相比，订正方法更复杂。可以参考星载降雨雷达衰减因子的方法，采用HB算法和STR估计相结合的方法。
根据以上分析，结合常规天气雷达设计，得到艇载天气雷达主要参数。设计的艇载天气雷达采用发射线形调频脉冲信号，接收端采用脉冲压缩技术通过脉冲间的相参积累来提高系统的增益并提高检测精度，为了实现雷达既能覆盖较大观测面积又能实现较高的水平分辨率，设计宽口径、双频率、可以二维扫描的相控阵天线并配以自适应扫描方案。
2关键技术
2.1 实时低副瓣脉冲压缩处理技术
艇载天气雷达采用脉冲压缩技术来获得比较高的系统增益并提高检测精度，但是与地基雷达不同，艇载天气雷达对地进行观测，这样，地表杂波也会从距离旁瓣进入而干扰降雨的测量，尤其在低频段则更为明显。根据仿真结果，将距离旁瓣压到-60dB甚至更低才能有效抑制距离旁瓣杂波。从理论上讲，若采用常规频域或时域处理的方法，脉冲压缩的旁瓣在不加窗的情况下只能做到-13dB;采用常用的泰勒或汉明窗，也只能到-40dB左右。所以，如何采用特殊的窗进行压缩而达到-60dB旁瓣，而同时又满足实时高速处理的需求是工程实践必须着重加以研究。随着数字处理技术的发展，采用高速并行DSP处理技术可以实现时域-60dB的脉冲压缩。
2.2 定标技术
定标技术是雷达进行定量测量的基础，由于雷达参数和成像参数之间的不确定性，以及电磁波在传播过程中由于大气作用产生的能量衰减、信号路径的改变、电磁波极化特性的改变等因素给雷达测量带来很多不确定性，使得雷达测量的重复性差，并且不能精确反应实际目标特性。作为一种定量测量降雨反射信号功率的微波遥感器，艇载天气雷达定标技术就是通过各种措施测量出影响回波功率的各个因素大小，并从雷达回波中去除以上因素的影响，从而建立雷达回波功率与灾害性天气要素之间的精确关系。只有经过了严格精确的定标技术，艇载天气雷达才能将精确的信号功率提供给用户去反演降雨量。
2.3 地杂波抑制技术
为了保证一定的距离分辨率，艇载天气雷达的扫描方式通常设计为在垂直于飞行方向的圆锥扫描，以下视的方式观测大气层内的降水分布。所以，雷达天线的波束必然要直射地面，这就导致艇载天气雷达可能会在某一距离单元同时接收到较弱的降水粒子回波和较强的地杂波。理论上，只有天线完全垂直地面，此时才可以通过时间上将降雨回波和表面杂波区分开，而在偏离这一扫描位置的任何时刻，主波束照射的回波都会伴随着同近距离的旁瓣地表杂波同时到达接收系统，这在时间上是无法区分的。由于气象目标回波属于弱反射，而地表杂波的回波功率更强，因此为了能从强杂波中测量弱反射的气象目标回波，需研究各种杂波抑制方法。
3结语
平流层飞艇携带多普勒天气雷达，可对大气环境进行极高的高分辨率、连续定点观测，建立高精度大气模型，提高大气和气象研究水平，尤其可以提高短期气象预报准确率，提高对台风和暴雨等气象灾害的监视和预报能力。
参考文献
[1]张培昌.雷达气象学[M].北京：气象出版社，2021.
[2]商建.新一代星载云雨测量雷达系统技术研究[J].安徽农业科学，2019.6
[3]陈汉清.GPM降水产品评估研究综述[J].水資源保护，2019.4
作者简介：杨繁俊（1986.9—）高级工，安徽合肥人，主要从事浮空器全工艺流程及加工制作方法研究
（中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽 合肥 230031）