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[摘要]L波段高空气象探测系统(或称L波段雷达)在我国气象探空工作中发挥着重要作用。正确的使用与操作是获得高精度探测数据的前提。本文探讨了L波段气象探空系统的原理,介绍了利用该系统进行气象探测的使用方法,列举了使用过程中的常见问题及解决方案,能够为该系统的使用者提供有益的参考。
[关键词]L波段高空气象探测系统 二次测风雷达 使用操作 常见问题
[中图分类号] P412.2 [文献码] B [文章编号] 1000-405X(2015)-3-368-1
L波段高空气象探测系统是我国自主研发的新一代探空系统,主要由二次测风雷达和电子探空仪两部分组成,可用于探测从地面至30000米大气层的风向、风速、气温、气压、湿度等气象要素。其中,电子探空仪安装在氢气球上,探测时将气球释放到高空。二次测风雷达主要用于跟踪气球的轨迹,并据此计算出测风数据。接收机实时接收电子探空仪发射回来的探空码,经解码后就可以得到温度、湿度和气象等气象要素。
1雷达跟踪气球轨迹的原理
普通一次雷达所追踪的目标是无源的反射体,如飞机和导弹等,依靠目标反射的雷达波来确定其轨迹。二次雷达与一次雷达不同,它所追踪的目标是有源的。这种有源的目标物,被称作“无线电应答器”。在雷达波段中,L波段表示1-2GHz,波长30-15cm,而二次测风雷达的实际使用频率为1.675GHz,实际波长为17.9104cm。
进行探测时,探空气球携带无线电应答器和电子探空仪升空。同时二次测风雷达在地面发出“询问信号”,触发应答器发回“回答信号”,并被雷达天线接收。根据无线电波从雷达天线到探空气球之间的往返时间,就可以计算出二者之间的距离。计算公式为:
D=■(c△t)
式中D为雷达天线与探空气球之间的距离, △t为无线电波的往返时间,c为光速,c=3×108m/s 。影响测距精度的两个重要因素分别为△t的测定精度以及应答器的触发延时。
为了测量气球的方位角度,二次测风雷达的天线设计为4个 φ0.8m的抛物面天线,发送的水平、垂直波瓣宽度均不大于6°。当天线电轴对准目标时,射频信号到达各个天线的路程相等,无相位差。在显示器上表现为四根亮线一样长的。若电轴没有对准目标,则显示器上的亮线不一样齐。因此在高空探测中,只要转动天线,使显示器上的亮线始终两两对齐,就表示雷达天线对准了目标,根据雷达方位角度就可以知道气球的方位角度。根据雷达测距和测角的数据,就可以计算出探空气球在空中飘移的速度和方向,也就得到了风速与风向。
在测量过程中需要用到以下公式:
式中:z为目标海拔几何高度,z0为测站海拔几何高度,R为地球平均半径,r为目标物的距离,E为目标物的仰角。
H=■·■;式中:H为目标的海拔位势高度,gφ表示纬度为φ海平面处的重力加速度,g0为标准重力加速度。
2 L波段高空气象探测系统操作
2.1开机
由于二次测风雷达整机是经UPS整机供电的,因此首先要打开UPS电源。然后打开微机电源,运行接收控制软件。再依次打开主控箱上的总电源、发射机电源、驱动向的电源及示波器电源。调整示波器上的相关旋钮,使之能正常显示四条亮线。最后打开近程发射机。
2.2放球
调整接收机频率,使之与应答信号相匹配。检查应答信号“凹口”的形状,若“凹口”较浅将无法进行自动跟踪。此时应调整应答器的“凹口”调整电位器,使“凹口”达到一定深度。放球前需测量地面的风向与风速。为确保起始自动抓球成功,尽量选在下风方向放球。如果遇到大风,必须要事先估计气球释放后的运动轨迹,以便在自动抓球失败的情况下,能够进行手动抓球。当气球升到距离天线30米以上时,将天线调整到气球方向,允许偏离一定小角度。此时天线应当能够自动对准气球。如果信号太强造成天线跟踪不好,可适当增大放球点的距离。
2.3关机
点击控制软件界面中的远程发射机的高压开关,将发射机关闭。然后将雷达天线的仰角调整到85○,并关闭驱动箱电源。依次关闭主控箱的发射机电源、总电源和示波器。最后推出应用程序,关闭微机及UPS。
3使用过程中的常见问题及解决方法
3.1放球过程中丢球
这种情况下要进行手动抓球。通常出现丢球一般是在地面或球升空时间不长,正常时接收增益一般较小,指示值为100左右(旁瓣抓球,增益值一般很大大约在150~160之间),如果可以看到斜距,根据高度可以很精确地计算出仰角值,然后根据该仰角值进行搜索抓球。无法计算出仰角值时,根据经验估测一个仰角值,方位进行360度扫描,若未抓到球,改变仰角(10度左右)再进行扫描,直到抓到球为止。
手动抓球时,可以通过四条亮线判断是否抓到球了。判断方法如下:(1)要看4条亮线是否稳定,跳跃是否整齐,测距凹口跟踪是否正常(气压飞点及时删除),再看雷达高度、气压高度、估高数据是否一致,如符合以上条件则判断抓住球了。(2)可以直接根据增益大小的变化规律进行判断,天控打自动后再结合扇扫功能,确定是否抓到球了。
3.2天线在自动跟踪过程中方位发生死位现象
天线在自动跟踪过程中方位角、仰角出现死位现象,主要有以下几个原因(1)天线座的汇流环有问题,应经常用酒精对汇流环及其碳刷进行清洗;(2)驱动箱内编码器的插头接触不良,应重新插拔连接;(3)发射机对方位角驱动电机的编码器信号产生干扰,应做好驱动电机上两根电缆的屏蔽防护。
结语:L波段高空气象探测系统作为一种自动化程度较高的新型探空系统,其给气象工作带来了极大的方便。但是该系统对操作人员的要求较高,如果操作不合理容易得不到准确的数据或出现丢球的现象。因此操作人员必须要懂得系统的工作原理,熟悉系统的操作流程及使用方法,掌握排除问题与故障的能力,为民众提供更准确的气象资料。
参考文献
[1]覃晓玲,徐嘉宁,韦丽英,梁建平.L波段探空雷达常见故障分析和检修方法[J].气象研究与应用,2010(01).
[2]白富强.GFE(L)波段雷达常见故障分析和维修维护[J].赤峰学院学报(自然科学版),2010(04).
[3]吴月友.L波段雷达工作原理及维修保养方法[J].气象水文海洋仪器,2014(01).
[关键词]L波段高空气象探测系统 二次测风雷达 使用操作 常见问题
[中图分类号] P412.2 [文献码] B [文章编号] 1000-405X(2015)-3-368-1
L波段高空气象探测系统是我国自主研发的新一代探空系统,主要由二次测风雷达和电子探空仪两部分组成,可用于探测从地面至30000米大气层的风向、风速、气温、气压、湿度等气象要素。其中,电子探空仪安装在氢气球上,探测时将气球释放到高空。二次测风雷达主要用于跟踪气球的轨迹,并据此计算出测风数据。接收机实时接收电子探空仪发射回来的探空码,经解码后就可以得到温度、湿度和气象等气象要素。
1雷达跟踪气球轨迹的原理
普通一次雷达所追踪的目标是无源的反射体,如飞机和导弹等,依靠目标反射的雷达波来确定其轨迹。二次雷达与一次雷达不同,它所追踪的目标是有源的。这种有源的目标物,被称作“无线电应答器”。在雷达波段中,L波段表示1-2GHz,波长30-15cm,而二次测风雷达的实际使用频率为1.675GHz,实际波长为17.9104cm。
进行探测时,探空气球携带无线电应答器和电子探空仪升空。同时二次测风雷达在地面发出“询问信号”,触发应答器发回“回答信号”,并被雷达天线接收。根据无线电波从雷达天线到探空气球之间的往返时间,就可以计算出二者之间的距离。计算公式为:
D=■(c△t)
式中D为雷达天线与探空气球之间的距离, △t为无线电波的往返时间,c为光速,c=3×108m/s 。影响测距精度的两个重要因素分别为△t的测定精度以及应答器的触发延时。
为了测量气球的方位角度,二次测风雷达的天线设计为4个 φ0.8m的抛物面天线,发送的水平、垂直波瓣宽度均不大于6°。当天线电轴对准目标时,射频信号到达各个天线的路程相等,无相位差。在显示器上表现为四根亮线一样长的。若电轴没有对准目标,则显示器上的亮线不一样齐。因此在高空探测中,只要转动天线,使显示器上的亮线始终两两对齐,就表示雷达天线对准了目标,根据雷达方位角度就可以知道气球的方位角度。根据雷达测距和测角的数据,就可以计算出探空气球在空中飘移的速度和方向,也就得到了风速与风向。
在测量过程中需要用到以下公式:
式中:z为目标海拔几何高度,z0为测站海拔几何高度,R为地球平均半径,r为目标物的距离,E为目标物的仰角。
H=■·■;式中:H为目标的海拔位势高度,gφ表示纬度为φ海平面处的重力加速度,g0为标准重力加速度。
2 L波段高空气象探测系统操作
2.1开机
由于二次测风雷达整机是经UPS整机供电的,因此首先要打开UPS电源。然后打开微机电源,运行接收控制软件。再依次打开主控箱上的总电源、发射机电源、驱动向的电源及示波器电源。调整示波器上的相关旋钮,使之能正常显示四条亮线。最后打开近程发射机。
2.2放球
调整接收机频率,使之与应答信号相匹配。检查应答信号“凹口”的形状,若“凹口”较浅将无法进行自动跟踪。此时应调整应答器的“凹口”调整电位器,使“凹口”达到一定深度。放球前需测量地面的风向与风速。为确保起始自动抓球成功,尽量选在下风方向放球。如果遇到大风,必须要事先估计气球释放后的运动轨迹,以便在自动抓球失败的情况下,能够进行手动抓球。当气球升到距离天线30米以上时,将天线调整到气球方向,允许偏离一定小角度。此时天线应当能够自动对准气球。如果信号太强造成天线跟踪不好,可适当增大放球点的距离。
2.3关机
点击控制软件界面中的远程发射机的高压开关,将发射机关闭。然后将雷达天线的仰角调整到85○,并关闭驱动箱电源。依次关闭主控箱的发射机电源、总电源和示波器。最后推出应用程序,关闭微机及UPS。
3使用过程中的常见问题及解决方法
3.1放球过程中丢球
这种情况下要进行手动抓球。通常出现丢球一般是在地面或球升空时间不长,正常时接收增益一般较小,指示值为100左右(旁瓣抓球,增益值一般很大大约在150~160之间),如果可以看到斜距,根据高度可以很精确地计算出仰角值,然后根据该仰角值进行搜索抓球。无法计算出仰角值时,根据经验估测一个仰角值,方位进行360度扫描,若未抓到球,改变仰角(10度左右)再进行扫描,直到抓到球为止。
手动抓球时,可以通过四条亮线判断是否抓到球了。判断方法如下:(1)要看4条亮线是否稳定,跳跃是否整齐,测距凹口跟踪是否正常(气压飞点及时删除),再看雷达高度、气压高度、估高数据是否一致,如符合以上条件则判断抓住球了。(2)可以直接根据增益大小的变化规律进行判断,天控打自动后再结合扇扫功能,确定是否抓到球了。
3.2天线在自动跟踪过程中方位发生死位现象
天线在自动跟踪过程中方位角、仰角出现死位现象,主要有以下几个原因(1)天线座的汇流环有问题,应经常用酒精对汇流环及其碳刷进行清洗;(2)驱动箱内编码器的插头接触不良,应重新插拔连接;(3)发射机对方位角驱动电机的编码器信号产生干扰,应做好驱动电机上两根电缆的屏蔽防护。
结语:L波段高空气象探测系统作为一种自动化程度较高的新型探空系统,其给气象工作带来了极大的方便。但是该系统对操作人员的要求较高,如果操作不合理容易得不到准确的数据或出现丢球的现象。因此操作人员必须要懂得系统的工作原理,熟悉系统的操作流程及使用方法,掌握排除问题与故障的能力,为民众提供更准确的气象资料。
参考文献
[1]覃晓玲,徐嘉宁,韦丽英,梁建平.L波段探空雷达常见故障分析和检修方法[J].气象研究与应用,2010(01).
[2]白富强.GFE(L)波段雷达常见故障分析和维修维护[J].赤峰学院学报(自然科学版),2010(04).
[3]吴月友.L波段雷达工作原理及维修保养方法[J].气象水文海洋仪器,2014(01).