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民航多普勒天气雷达应用现状的技术分析与研究

民航多普勒天气雷达应用现状的技术分析与研究. 中南空管局设备维修中心 吴翘 林光 林辉. 摘要. 从技术角度出发，以满足民航使用需求为目标，全方位分析和研究民航目前的多普勒天气雷达应用现状及优缺点，找出改进的要素和改善的空间，提出有依据的性能提高方案，力求阐明有民航特色的技术性能要点和运行模式，简要设计出吻合民航应用实际需求，突出民航特点的雷达新模型。. 主要内容. 一、 主流应用机型的种类、布局及主要 特点分析 二、 实测结果对比分析 三、 业务需求和应用现状的分析研究 四、 以民航业务需求为导向的天气雷达 性能改善方案.

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民航多普勒天气雷达应用现状的技术分析与研究

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  1. 民航多普勒天气雷达应用现状的技术分析与研究民航多普勒天气雷达应用现状的技术分析与研究 中南空管局设备维修中心 吴翘 林光 林辉

  2. 摘要 • 从技术角度出发，以满足民航使用需求为目标，全方位分析和研究民航目前的多普勒天气雷达应用现状及优缺点，找出改进的要素和改善的空间，提出有依据的性能提高方案，力求阐明有民航特色的技术性能要点和运行模式，简要设计出吻合民航应用实际需求，突出民航特点的雷达新模型。

  3. 主要内容 一、主流应用机型的种类、布局及主要 特点分析 二、实测结果对比分析 三、业务需求和应用现状的分析研究 四、以民航业务需求为导向的天气雷达 性能改善方案

  4. 一、主流应用机型的种类、布局及主要特点分析一、主流应用机型的种类、布局及主要特点分析 • 种类、布局 • 天线单元 • 发射机单元 • 接收机及信号处理单元 • 应用软件

  5. 主流应用机型的种类、布局 • METEOR系列 • 北京、上海、广州、汕头 • 714CD系列 • 长沙、重庆、沈阳、杭州、郑州 • ADWR系列 • 深圳、桂林、武汉、哈尔滨、长春、乌鲁木齐、昆明 • TDR系列 • 海口、三亚 以A、B、C、D作为代号进行对比分析

  6. 天线单元 • A系列 • 圆形正馈抛物面，旁瓣抑制能力一般； • 广州、北京采用直径8.5米、增益50dBi、波束宽度0.5度、液态润滑油润滑，适合长时间高速转动； • 其它均采用4.5米或以下天线，增益43dBi、波束宽度1度、固态润滑脂润滑适合长时间低速转动。 • B系列、C系列 • 圆形正馈抛物面，旁瓣抑制能力一般，直径4.5米，增益43dBi、波束宽度1度、固态润滑脂润滑适合长时间低速转动。 • D系列 • 椭圆形偏馈抛物面，较好的杂波抑制能力，直径4.5米，增益43dBi、波束宽度1度、固态润滑脂润滑适合长时间低速转动。

  7. 发射机-调制器 • A系列 • 固态调制器、刚性开关（IGBT）、中压调制、脉冲升压变压器、脉宽固定。 • B系列、 C系列 • 固态调制器、软性开关（人工线PFN）、中压调制、脉冲升压变压器、脉宽固定。 • D系列 • 三相六脉波整流、高压调制、脉宽连续可选，用户可根据需要配制最佳工作状态，这样更有利于对天气过程的探测。

  8. 发射机-速调管 • A系列、D系列 • CPII公司的VKC8387电磁式速调管及VYW8387聚焦线圈，寿命5万小时 • B系列 • KC4082型永磁式速调管、无聚焦线圈，寿命5千小时 • C系列 • KC4085A型电磁式速调管及KC4085型聚焦线圈，寿命5千小时

  9. 接收机及信号处理器 • A系列 • 有模拟、有数字接收机性能比较全面、稳定，弱信号处理细节较好 • B系列 • RVP8、RVP9，性能比较全面、稳定，弱信号处理细节较好 • C系列 • 自主开发的数字接收机及信号处理器，前期产品质量不够成熟，各方面性能相对不够完善 • D系列 • 模拟接收机，RVP6，早期产品，性能稍差

  10. 立体扫描强度三维还原图

  11. 应用软件 • A系列 • Ravis和Rainbow系列设备维护和预报用户软件，功能齐全、性能较好。 • B系列 • 实时显示、采集、显示、二次产品四个软件，功能有所欠缺。 • C系列 • 数据采集和二次产品软件，功能欠缺，性能较差。 • D系列 • SCAMP和IRIS/OPEN设备维护和预报用户软件，较早期产品，功能齐全、性能稍差。

  12. 二、实测结果对比分析 • 收发损耗 • 发射脉冲包络波形 • 接收机最小可测信号（MDS） • 应用软件

  13. 短路板 馈源 俯仰旋转铰链 方位旋转铰链 四端环流器 功率计 信号源 接收机 发射机速调管 收发损耗 • 一般收发通路上的损耗差别不大 • 射频段用到的电缆、射频切换开关等损耗差别较大 • 主要在于传输电缆长短、使用材料的差别引起。 • C系列雷达使用超过1米的软性同轴电缆，损耗最大。 • D系列雷达使用短距离刚性 • 波导，损耗最小。

  14. 发射脉冲包络波形-1μs波形 A系列 B系列 D系列 C系列

  15. 发射脉冲包络 • A、B、C均为刚更换新速调管后的测量结果(比更换前的波形好些)，D的速调管使用超过8年，由此看出D系列雷达的波形最好，脉冲顶部最为平坦，顶部沉降最小。 • 使用电磁式速调管发射机的波形好于永磁式。 • 使用固态刚性调制器的波形好于固态软性调制器。 • 使用高压调制技术的波形好于中压调制。

  16. 最小可测信号（MDS） • 各雷达之间MDS值差别不大，基本都在-110dBm左右（连续波模式注入测试信号）。 • 但在脉冲调制模式下测量MDS值时，差别就相当大了，高性能接收机及信号处理器两种情况下的MDS差别不大，而低性能的差别达20 dBm以上，在终端显示时脉冲回波的完整性较差。 • 综合两种测量模式的结果，可以看出， B系列性能最好。

  17. 应用软件 • 转速 • 各雷达均标称天线转速可达6转/分钟，但实际上B、C系列软件中天线最高转速都只能达到3转/分钟。 • 定时任务 • A、D系列软件功能较为完善，用户可以任意配置开机及产品任务，系统自动提示用户任务配置是否合理； • B、C系列任务配置较为简单，离航空用户的使用要求比较远。 • 二次回波产品 • B、C系列没有最强回波（MAX）产品输出，不利于航空用户快速直观了解空间回波的结构及分布。 • 操作系统 • A、D系列预报软件均使用基于UNIX的操作系统，系统可靠性较好，硬件要求高，操作系统复杂。而B、C系列应用软件都基于Windows的操作系统，硬件通用性好。 • A、B、D系列软件功能丰富，配置参数较多，有利于用户对雷达进行优化调整。C系列雷达软件功能简单，缺少部分重要参数的配置功能，用户无法对雷达进行优化调整。

  18. 三、业务需求和应用现状的分析研究 • 强度回波在实际应用中存在的几个问题 • 速度回波在实际应用中存在的几个问题 • 雷达应用产品满足用户需求的问题

  19. 强度回波-存在的几个问题 • 回波强度的标定问题 • 没有考虑距离路径上存在多强的水态粒子分布 • C波段衰减及强度回波后沿梯度失真问题 • 强度回波图主用产品的优选问题 • — PPI、CAPPI、MAX

  20. 速度回波-存在的几个问题 • 在天气目标的移向移速判断方面的优势问题 • 在辐散辐合趋势判断方面的优势问题 • 在风场探测和风切变预警方面的优势问题 多普勒雷达的优势没有发挥出来

  21. 雷达应用产品满足用户需求的问题 整机整体性能的提升 PPI扫描、优化体扫任务、第二部天气雷达 天气雷达与航管雷达信号融合显示系统 提供终端区附近晴空高分辨率的测风资料 • 高可靠性 • 快速资料更新 • 对雷雨分布感兴趣 • 对终端区附近风场分布感兴趣

  22. 四、以民航业务需求为导向的天气雷达性能改善方案四、以民航业务需求为导向的天气雷达性能改善方案 • 目前存在问题的制约因素及改善方法 • 以民航业务需求为导向的天气雷达性能改善的总体设计方案

  23. 目前存在问题的制约因素 • C波段路径雨衰过大，导致回波偏弱和轮廓失真，制约了回波的探测精度 • 天线转速慢，制约了资料更新速度，影响民航用户的服务质量 • 速度回波的局部模糊和不可用，制约了速度回波自动快速判断的实现，大大降低了临场应用效果

  24. 强降雨过站前 强降雨过站引起严重“弱视”现象

  25. 改善方法 二次产品软件回波补偿法 调大常规计算的雷达常数值 提高发射功率 提高整个雷达系统性能，采用大天线、高增益、高灵敏度和具有优质的数字中频接收机及信号处理器，同时还要设计消除二次回程回波的方案，全面提升速度回波的质量，以达到快速自动检测和及时报警的程度。

  26. 性能改善的总体设计方案 • 沿用C波段设计 • 一分为二设计

  27. 沿用C波段设计 强度回波改善方面考虑： • 雷达常数调整法，根据实际使用地的常年最大雨强情况，用优化调整的思路作经验性补偿调整，以经验值的雨强中间值为参考调整目标。 • 寻找一种切实可行的补偿方法，从硬件和软件上配合补偿，能做到动态补偿更好，这是以后努力的其中一个方向。

  28. 沿用C波段设计 从速度回波改善方向考虑： • 加强弱回波有效探测能力—提高信杂比 • 全自动快速检测报警 • 国产雷达天线—长时间、高速转动 • 雷达的选址问题—从测速需求去考虑 C波段天气雷达兼顾了测雨和测风的两种需求，而实际应用表明，有“两头不到岸”的遗憾

  29. 一分为二设计 分为测雨和测风两部专业雷达 • 测雨雷达——选用S波段小功 率近程雷达 • 测风雷达——选用X波段大功 率晴空风近场探 测雷达

  30. S波段小功率近程测雨雷达 • S波段小功率近程测雨雷达按360°全方位扫描模式工作，短程用高PRF可以提高天线扫描速度，优化仰角组合来获得更快的资料更新速率。S波段雨衰很小，无需补偿措施，回波质量高。 • 此时的S波段小雷达已不必采用全相参多普勒方案，成本很低的接收机相参方案已足够保证强度回波的质量，在国家气象局布网资料能快速送到民航使用部门时，作为近程、快速更新的补充使用措施，是一个性价比很高的好选择。

  31. X波段大功率晴空风近场探测雷达 • X波段对弱回波的探测灵敏度优于C波段，更容易获得更好的信杂比，在同功率的情况下，比C波段更能测到极弱回波，这种晴空回波不仅能还原机场近场的风场分布，也可能是探测小尺度微下击暴流、跑道大侧风、风切变等灾害性天气的有力工具。 • 其测风能力是全天候的，既能在晴天下测风，又能在雷雨天气中测风，测风范围可覆盖机场30公里，远远超越风廓线雷达的小柱状范围。扇形扫描大大节省扫描时间，中低空的立体采样更新率可达1分钟量级，大大提高了提前预警的可能，也是民航最有特色的雷达特点。

  32. 汇报完毕谢谢！

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