GFEL1型二次测风雷达的工作原理及标定共10页文档.docx

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GFEL1型二次测风雷达的工作原理及标定共10页文档

GFE（L）―1型二次测风雷达的工作原理及标定

　　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1L波段雷达测距原理图2L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，才能利用它进行雷达的水平调整。

主轴水准器是用于调整主轴与水平面垂直的。

　　第一步：

调整时需二人配合进行，一人在值班室工作台前操作，开启雷达控制天线转动。

另一人在雷达天线装置处，二人利用雷达配用的通信耳机进行通话。

先转动方位角，使主轴上某一个水准器正好停在和某两个千斤顶连线相平行的位置上，调整其中一个千斤顶使水准器的气泡正好停在横线中央，在调整第三个千斤顶使另一个水准器的气泡也正好停在横线中央。

　　第二步：

将天线的方位角旋转180O，这时如果气泡仍在横线中央，说明水准器安装正确。

如果气泡不在横线中央而是有一个差值，说明水准器不在正确位置，需要进行校正。

这时用调水准器的专用工具调整水准器两端螺母使气泡向横线中央移动差值的一半，再用千斤顶修正差值的一半。

然后再用上述方法重新检查、校正，直至差值为零。

两个水准器最好分别进行调整，校好后将水准器两端的螺母紧固。

　　4.2仰角零度的标定

　　仰角零度的标定，其目的是当天线仰角在真实零度时，数据终端所读取、显示的仰角数据应同为零度。

由于该雷达天线阵的边距较小，故采用经纬仪法比较适用。

　　在距天线数十米处架一经纬仪并调好水平，利用经纬仪内的十字线观察天线桁架边缘线是否垂直，若基本垂直，说明天线仰角处于水平位置;若不垂直，说明天线仰角不在水平位置，这时应根据经纬仪的观察，微微转动天线仰角使其垂直，而后将主控箱俯仰角测量板上的标定孔对地短路。

此时，数据终端上显示的仰角数值应为零度，仰角零度的标定工作就此完成。

　　4.3三轴一致性的检查与校正

　　所谓三轴，即：

光轴、机械轴和电轴。

光轴是指瞄准镜在正常工作时，其物镜中的十字线交点所对方向的射线;机械轴是指天线中心（方位轴和仰角轴的交点）向天线所指方向的射线;电轴是指波瓣交点所指方向的射线。

　　根据雷达测角原理，雷达的测角是电轴对准目标物，而方位角、仰角的度数却是天线所处位置的方位角、仰角的数值。

所以，电轴与机械轴必须一致。

要把电轴与机械轴调整一致，必须借助光轴。

同时，机械轴的方位角、仰角的准确数值也是用光轴标定的。

因此，只有光轴、电轴、机械轴三轴一致，其读数才能真正表示目标物所处位置的方位角和仰角。

三轴一致性的检查与校正分两步进行，即：

光轴与机械轴的校正、光轴与电轴的校正。

　　4.3.1光轴与机械轴一致的校正

　　4.3.1.1光轴与天线仰角转轴垂直的检查和调整

　　第一、把天线仰角转到0o位置，将瞄准镜从正常工作位置取下，反时针方向旋转90o，再装好。

第二、转动天线方位，使瞄准镜对准2公里外的一个目标。

第三、保持方位不动，将天线仰角由0o调整到90o，同时观察瞄准镜的瞄准点相对于目标的移动轨迹。

若光轴与仰角转轴垂直，则轨迹是一个“点”;若轨迹是一个90o的圆弧，则需要调整。

　　调整方法：

用扳手先将瞄准镜架三角铁板上的三颗固定螺母松开然后调节三角铁板上的调节螺钉，使瞄准镜的十字线中心向目标移动原来偏移距离的一半即可。

　　4.3.1.2光轴与机械轴的检查和调整

　　第一、将瞄准镜装回正常工作位置。

第二、将天线仰角转到0o，调整方位，使瞄准镜十字线中心对准一个适当的目标。

第三、将瞄准镜的物镜反转180o，插入瞄准镜的架内;把天线方位也转动180o，仰角保持在0o，若目标仍在十字线的中心，说明光轴与水平面平行。

若目标偏离十字线中心的距离小于三分之一小格，为合格;若大于三分之一小格，则需要调整。

　　调整方法：

先用起子把蝶形螺母对面的两个固定螺钉松开，然后用扳手调整下部的两个螺钉，调整光轴的俯仰，使目标离瞄准镜十字线中心的距离为上述偏差的一半即可。

　　4.3.2光轴与电轴一致的调整

　　第一、选择一个地面风速较小且天气晴朗的白天，在正式施放探空气球的过程中，当仰角升到大于15o，斜距大于500米.或者放球约10mim信号稳定后，进行检查调整。

　　第二、分别用雷达和瞄准镜同时观察探空气球，室内观测员观察示波器的四条亮线，当四条亮线两两对齐（上下对齐、左右对齐）的瞬间，立即通知瞄准镜观测员，观察回答器在瞄准镜中的位置，并记下回答器偏离瞄准镜十字线中心的数值。

经过15至20次的读数，若回答器偏离十字线中心小于0.1o，为合格。

若大于0.1o，则需要调整。

　　第三、调整时，先打开天线装置中的和差箱盖板，然后调整移相器的长短。

　　4.4方位角零度的标定

　　方位角零度的标定是在天线水平调整完成后，瞄准镜安装正确（即光轴与机械轴一致）的情况下进行的。

其方法有两种：

　　第一种：

距雷达数十米外的一高处，架一经纬仪（高度比瞄准镜高），用磁针标定好方位（注意在标定时应将当地的磁偏角计算在内）。

转动雷达天线和经纬仪，使两者相互瞄准，然后读经纬仪的方位角α0，雷达方位角α1，摇动天线使雷达方位角在α1的基础上在增加（180-α0），保持仰角为零度。

　　将方位轴角板上的标定孔对地短路，方位读数为零。

　　第二种：

在天气晴朗的夜间，利用雷达瞄准镜对准北极星来标定零点，由于北极星在一夜之间也有所变化，要使标定更加准确，可以向天文部门查对天文年历进行校正。

也可以每隔一定时间（如2小时）瞄准北极星测一次方位角，共测三到四次，最终取观测记录的平均值来标定。

然后将主控箱俯方位角测量板上的标定孔对地短路，此时数据终端上显示的方位角数值应为零度，方位角零度标定到此完成。

　　注意：

标定方位角、仰角后，最好在不同的方向上找几个不同的近距离固定目标，用瞄准镜记下它们的方位角、仰角读数，以备参考。

　　4.5距离零点的标定

　　GFE（L）-1雷达的测距采用了自动跟踪回答信号的数字测距法，其标定可以采用已知距离法。

将探空仪放在距离雷达100-200米左右的地方并精确测出探空仪距离雷达天线的直线距离。

由于探空仪回答延时有一定差异，用不同的探空仪来标定则会出现较大的误差，因此，应选2-3只探空仪，取其平均值。

具体标定方法如下：

将探空仪放于距雷达一定的距离（如200m）处，用鼠标点击控制画面上距离手/自动按钮，置“手动”状态，再点击距离“前进”或“后退”按钮，使距离显示值在200m左右处，这时应能看到距离显示屏上回波的位置，拨动测距板上的拨码开关（S1），使回波回到显示2Km扫描线上的两个暗点之间，再把距离手/自动按钮置“自动”状态，观察控制画面上的距离显示值，是否在200m左右处跳动，反复上述过程，即达到标定的目的。

　　注意：

在距离零点标定完成后，最好找几个比较孤立的地物回波，记下它们的方位角、仰角和距离，以备参考。

　　5.结束语

　　雷达的标定是一项非常细致的工作，精度要求很高，标定中的任何差错都会影响观测记录的准确性。

所以，对雷达进行标定时必须认真细致、严格要求、反复验证。

希望以上资料对你有所帮助，附励志名言3条：

1、有志者自有千计万计，无志者只感千难万难。

2、实现自己既定的目标，必须能耐得住寂寞单干。

3、世界会向那些有目标和远见的人让路。