W波段测云雷达探测能力分析

W波段测云雷达探测能力分析【摘要】W波段测云雷达的研制在我国尚处于起步阶段，目前尚无W波段测云雷达产品的正式应用。笔者根据我国当前毫米波雷达研制能力及技术特点，通过相关计算和分析，从W波段测云雷达探测模式，包括波束扫描方式、雷达重复频率、脉冲积累数选择等，对雷达的探测能力做出分析。【关键词】测云雷达；W波段；探测能力；反射率因子1.引言自上世纪90年代起，美、英、日、德等国家相继研制了专门应用于大气科学探测的地基和机载Ka、W波段测云雷达，并广泛用于云雾目标分布及属性探测。近年来，我国已经研制出Ka波段测云雷达，包括固定式和车载式产品，但W波段测云雷达的研制尚属起步阶段。本文根据当前国际上典型W波段毫米波测云雷达技术参数，结合我国当前的研制能力，提出W波段测云雷达典型工作参数，并对其探测能力进行简单分析和说明，以作交流和讨论。2.毫米波雷达的特点及用途毫米波雷达通常具有以下特点：（1）可以用较小尺寸的天线获得较高的天线增益和较窄的波束，因而可得到较高的角分辨率。（2）毫米波（相对于微波）在细微粒子中具有较强的散射特性，利用毫米波雷达可以提高对云雾的探测能力，有利于提高对气象目标形成的微物理过程的认识。（3）系统体积小，重量轻，具有较低的使用和维护成本，特别适用于在车载、机载或星载等移动平台上探测。常规天气雷达一般工作在微波频段，主要波长在3cm～10cm之间，适于探测直径大于几百微米的云雨粒子，这些粒子通常是形成降水和风暴的主要成分。但是对云、雾等粒子直径更小的目标，探测能力及探测精度有限。细小的云雾粒子对短波长电磁波的散射特性较为明显，因此测云雷达常采用毫米波频段（选用在大气中传输衰减相对较小的“窗口频率”，例如波长8mm的Ka、波长3mm的W波段），由于W波段波长更短，对云雾的散射更为敏感，并且W波段雷达天线和发射机与Ka波段相比，更具有小型化轻量化特点，因此，本文主要讨论W波段测云雷达的探测性能。3.W波段测云雷达探测性能分析3.1测云雷达方程常见天气雷达方程见式（1）。表示复数模的平方，即，m为气象目标复折射指数，对于0℃液态水粒子，S波段和C波段，通常取0.93，对于Ka波段，取0.877对于W波段，取0.668。在雷达方程中，Pr为雷达接收机接收到的回波功率，对于确定的雷达系统，为实现对目标的有效探测，必须保证接收到的回波功率在接收灵敏度（最小可测功率）之上，如何提高回波功率和降低雷达系统最小可测功率都是是工程师们关注的重要问题。3.2探测能力分析从天气雷达方程可以看出，影响雷达探测能力的因素有很多，雷达系统接收到的回波功率除与气象目标特性（Z）有关外，还和发射功率、波束宽度、脉冲宽度等直接相关。此外，通过降低射频信号传输衰减、采用高灵敏度接收机并选择合适的信号处理方式，都能有效提高雷达系统探测性能。针对上述因素，分别讨论如下。发射功率：增大发射功率Pt是提高系统探测能力的有效手段之一。但是，大量级增加Pt也不太现实，不仅因为技术上实现难度大，而且随着功率增大，还可能出现波导打火、器件击穿等隐患。当前国际上W波段大功率发射管输出峰值功率已达2kW以上，主要是分布作用速调管（EIK），在地基及机载、星载测云雷达设备中已有成功应用。我国正在研制的W波段测云雷达系统所采用的发射管是从国外引进的峰值功率1.5kW的速调管，预计国内自行开发的W波段大功率发射管将在2～3年内正式推出。脉冲宽度：从雷达方程可看出，增大脉冲宽度可以直接提高回波功率，从而有效提高雷达系统探测能力。但脉冲宽度增大后，探测距离分辨率变差，不利于对云目标结构的精细探测。例如当脉宽为1us时，距离分辨率是150m，测云雷达一般要求距离分辨率在75m以下，即脉冲宽度为0.5us以内为宜。在毫米波测云雷达中，由于发射功率受到限制，常采用宽脉冲的“脉冲压缩”、“调频连续波”技术，在低发射功率下、利用宽发射脉冲来增大回波功率，并利用特殊的信号处理技术实现“脉冲压缩”，以保证距离分辨率要求。天线增益、波束宽度：从雷达方程可以看出，提高天线增益和波束宽度都可直接提高回波功率，但根据天线理论，当天线增益设计为较高时，其波束宽度必然变窄。波束变窄意味着电磁波辐射空间小，被同时照射的云、降水粒子数也少，雷达接收到的回波功率是由能同时在天线处产生回波能量的所有粒子的回波信号叠加，因此窄波束对提高回波功率并不利。对于天气雷达，采用窄波束的好处主要有两点：一是可以提高角度定位精度和角度分辨率，另外，如果反过来说采用宽波束，则由于照射空间变大，因此照射体积内不一定能够全充塞降水粒子（尤其在远距离处），这必然严重影响云反射率探测的准确性。根据以上分析，对于测云雷达，应尽可能采用高增益、窄波束天线，但考虑到W波段天线加工精度、形变要求等技术难度，采用口径1m以下的后馈式卡塞格伦天线是一种较好的选择。例如某地基W波段测云雷达采用口径800mm卡塞格伦天线，其波束宽度为0.35°，天线增益约53dB。接收灵敏度：灵敏度是表示接收机接收微弱信号的能力。灵敏度越高，表示接收微弱信号的能力越强。雷达接收机的灵敏度通常用最小可辨信号功率Prmin表示，如果雷达系统接收到的回波功率低于Prmin，即说明回波信号淹没在噪声信号之中，接收机难以检测出所需要的回波信号。因此，在接收机的增益足够高的条件下，噪声电平能否降低，是灵敏度能否提高的主要原因。雷达接收灵敏度可表示为：式（2）中，K为玻尔兹曼常数，即1.38×10-23J/K，T为温度，以绝对温度计量，对于室温取T=290K，B为等效噪声通频带，约等于接收机通频带宽，Fn是接收机的噪声系数，D是识别系数，是指雷达系统从噪声背景中刚能识别信号时，接收机输出端的信号噪声功率比，通常取D=1，即表示至少信号功率与噪声功率相等时，方可检测出回波信号。从（2）式可看出，为得到更好的接收灵敏度（即降低Prmin值），可从以下几点着手：①在雷达接收机中采用低噪声放大器，使噪声系数尽可能低。当前W波段接收机噪声系数可以达到5dB以下。②接收机通频带宽应尽可能小。减小接收机通频带宽，可降低系统噪声功率，但通频带宽不易过小，否则会引起回波信号滤波损失。通常雷达接收机中频放大器采用“匹配滤波”，其通频带宽约为雷达发射脉冲宽度的倒数，例如，当发射脉宽为0.5us时，接收机通频带宽可设计为2.0～2.2MHz左右。③利用积累效应降低识别系数。测云雷达在实际工作中都不是靠一个回波脉冲来进行信号检测，而是对一串脉冲进行积累后来判断的，对来自目标所有有用的回波累加的过程叫做积累。通过积累可以有效提高信号检测能力。现代天气雷达都采用了数字视频积分器（DVIP），使得回波信号功率即使低于噪声功率也可以被识别出来，即允许识别系数D1，这就是说，视频积分器的应用相当于改善了接收机灵敏度，当独立取样积累次数K大于10时，DVIP对接收机灵敏度的改善可近似表示为（单位：分贝）：例如，假设在信号处理过程中，其总的有效积累次数K为32，则可计算出：⊿D=-3.67dB。这相当于DVIP使雷达的接收灵敏度改善了3.67dB。4.计算某W波段测云雷达最小可测反射率因子根据以上描述及分析，下面根据W波段测云雷达典型工作参数，计算其在给定距离处最小可测反射率因子。雷达方程式（1）可改写为：式（4）中各参数采用的是国际标准单位，如果改用天气雷达常用的“习惯单位”，即λ、Pt、τ、θ、φ、G、Pr、R、单位分别采用cm、kW、μs、度（°）、度（°）、dB、dBm、km、则有：假设雷达参数取值如表1所示，可计算出接收灵敏度为：回波功率Pr应不低于接收灵敏度Prmin以实现有效检测，如果以Prmin=-102.55dBm代替（7）式的Pr，则可计算出在指定距离处雷达系统可探测的最小反射率因子如表2所示。以上计算仅为理论值，没有考虑脉冲积累效应，而且也没有考虑W波段雷达的馈线损耗、电磁波在大气中的传播衰减等因素。从表2可看出，对于1km处，W波段测云雷达可探测到-40dBz以下的弱回波，这正是毫米波雷达的优势所在，而常规的厘米波雷达是无能为力的。5.小结如何提高测云雷达探测能力是雷达设计师关心的重要问题，不但要求雷达系统采用最合适的技术体制、最佳工作参数和信号处理方式，以期达到最理想的探测效果，同时还要求有最优化的气象产品反演算法，以提高雷达系统的综合探测能力；此外为保证探测精度，还需要有“自动标校”设计，以校准因系统工作参数不稳定引起的探测误差。参考文献[1]张培昌，杜秉玉，戴铁丕编著.雷达气象学[M].北京：气象出版社，2000，11.[2]向敬成，张明有编著.毫米波雷达及其应用[M].北京：国防工业出版社，2005，1.范亚驹（1990—），男，安徽芜湖人，大学本科，学士，现供职于安徽四创电子股份有限公司。