天气雷达双频率接收天线技术的研究

张博

摘 要：本文基于天气雷达探测原理，对天气雷达接收天线参数进行了分析，对双频率接收天线技术进行探讨，并分析了天气雷达双频率接收天线技术在观测上的应用中回波功率变化及变频率回波的相关值与相位变化等。

关键词：双频率技术；滤波器；接收天线；雷达脉波；大气层状结构；天气雷达

0 引言

基于物理学中多普勒效应，我国研制出新一代天气雷达，并将其应用于大气探测中，对降水区域的内风场结构、大气垂直速度以及强对流天气风场特征等进行监测。

1 雷达接收天线

新一代多普勒天气雷达是一个较为复杂的系统，在工作过程中极易受到作用于雷达系统的任何干扰力的影响，风载荷是对天气雷达影响最大的因素。为减少干扰力影响，天气雷达配备了大型天线，其中超高频段雷达天线阵尺度较高，长达30～200m，是运用半波或八木振子阵以相控方式实现波束扫描；超高频段雷达为可动的抛物面天线，直径长达几十米，发射功率在几百千瓦至两兆瓦之间。为获取高灵敏度及高空间分辨率，天气雷达在脉冲发射体制及回波数据处理方面采用相应的技术措施。天气雷达双频率接收天线的参数为：

①增益。指的是实际天线和理想的辐射单元在输入功率相等的条件下于同一点处产生的信号的功率密度之比。增益受雷达天线方向图影响，当雷达天线增益方向图越窄，其产生的副瓣就越小，雷达天线对应方向的增益就越大，所以在一定距离位置有信号时，采用定向天线发射，增益为13dB，输入功率为5W，同样若采用理想无方向性的电源发射，则需要输入功率100W，可见雷达天线最大辐射方向的辐射效果远远大于理想电源的辐射效果。

②波瓣宽度。在雷达天线方向图上，可看到两个或两个以上的，将辐射强度最强的瓣作为主瓣，其余的瓣作为副瓣或旁瓣。以主瓣最大辐射方向两侧的辐射强度降低3dB的两点之间的夹角作为波瓣宽度，当波瓣宽度越窄，说明雷达天线方向性越好，天线作用距离就越远，且天线的抗干扰能力越强。

③前后比。在雷达天线方向图上，前后瓣最大值之间的比值就是前后比，即F/B，计算公式为F/B=10Lg，当天线前后比有要求时，F/B的典型值通常为18～30dB，特殊情况下应达到35～40dB。前后比越大，雷达天线的后向辐射就越小。

④极化方式。雷达天线在某个方向的极化，就是天线在该方向所辐射电波的极化，也可以认为是在天线接收获得的最大接收功率时入射平面波的极化。空间方向对天线极化有一定的影响，一般情况下，天线在最大辐射方向或最大接收方向上的极化为单极化天线，分为垂直和水平极化两种。如果在发射极化方向与接收天线的极化方向未达到一致状态时，天线接收功率就会损失，进而接收到的信号就变小，这就是极化损失；当接收天线极化与发射极化方式完全正交，如运用右旋圆接收天线接收到了左旋圆极化来波，或是水平的极化天线接收到了垂直极化来波，此时雷达天线接收不到任何能量，称为极化完全隔离。

2 双频率接收天线技术

双频率观测是同时发射两个相近载频的脉波用于侦测大气并接收其回波的方式。如果雷达体积内存在不规则体层状结构，接收到的两组回波做归一化“相互分析”，就能获得该层状结构的平均位置和厚度等参数，相互分析公式为：

其中V1、V2分别表示两个载频之间的额回拨电压振幅，<>代表族群平均，*代表复数共轭，|S12|为相关值，￠为相位。垂直发射的雷达波束和一垂直向高斯分布的水平层状结构，回波电压振幅可近似的表示为

其中V代表雷达体积；C为雷达发射功率、天线增益、系统内电阻和载波波数等参数的常数；W（z）和fΘ（ρ）型式；△n表示折射指数扰动量；r为目标物和接收天线之间的距离；zl和σ1分别为层状结构中心位置和厚度，k0代表脉波载频波数。进而推算出以下公式：

其公式中k1、k2为脉波载频f1、f2对应的波数；Δk=k2-k1；z0表示雷达接收天线的垂直向座标；lz和lt表示折射指数不规则体垂直与水平相关尺度。在实际分析过程中，应先计算出观测资料S12值，然后反推层状结构的位置与厚度，预期层状结构回波功率与其位置具有关联性，关联性数式为：

其中σz=σr=0.35cτ/2，当层结构很薄时，上述公式可近似于exp，此时回波功率随着Zl的变化就是距离权重函数二次方的翻版。

3 天气雷达双频率接收天线技术在观测中的应用

3.1 回波功率变化

由回波功率与层状结构位置的相关性可知，当层状结构位置处于雷达体积中心附近时，回波功率就较大，这种现象符合理论分析。由于层状结构自身的变化也会影响回波强度，因此观测到的回波功率最大值未必会出现在零米处，而且，实际应用与理论推导也存在着一定的出入，如不对称结构、比较平滑或陡峭边缘的层状结构等，还有的是来自雷达系统的影响，如回波讯号接收延迟等，这些因素对于推算的层状结构位置和回波功率都存在一些影响。

3.2 变频率回波的相关值与相位变化

①不同雷达脉波长的观测。根据双频率相关分析的相关值与相位统计分布得出，不同雷达脉波长的观测存在着差异。不同脉波长使用的双频率对比一样，其中1、2、4μs的脉波所使用的双频率差值分别为1、0.5、0.25MHz，这样的频率差值说明相位在每一取样层里均为2π范围内的变化，使得层状结构位置的推算不会产生相位混淆的困扰。

②不同接收滤波器的观测。使用不同的滤波器接收回波讯号各约1min，得出结论，相关值的分布和滤波器频宽相关，较小的频宽产生较偏低的相关值。使用不同滤波器所得到的相位分布差异很大，非匹配滤波器可导致相位严重偏离预期情形。其中1000kHz频宽滤波器的相位峰值位于180°右边的300°附近，而且分布与高斯形状差异很大，除了不对称外，峰谷落差也较大；相反，使用250kHz频宽的滤波器的相位峰值在180°左边的160°附近，且分布较平均。

参考文献

[1]莫月琴，刘黎平，徐宝祥等.双基地多普勒天气雷达探测能力分析[J].气象学报，2005，63（6）：994-1005.

[2]沈法华，孙东松，刘成林等.基于单Fabry-Perot标准具的双频率多普勒激光雷达数据反演技术[J].物理学报，2013，62（22）：220702.

（作者单位：1.南京信息工程大学；2.葫芦岛市气象局）