王美玲，丁美霞，牛睿平

(1. 江蘇省水文水資源勘測局,　南京 210029)(2. 水利部南京水利水文自動化研究所，　南京 210012)

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·總體工程·

面雨量監(jiān)測中的雷達(dá)技術(shù)

王美玲1，丁美霞1，牛睿平2

(1. 江蘇省水文水資源勘測局,南京 210029)(2. 水利部南京水利水文自動化研究所，南京 210012)

介紹了一種X波段多普勒體制雷達(dá)面雨量監(jiān)測系統(tǒng)。首先，著重闡述了該系統(tǒng)的工作原理、主要設(shè)備組成；其次，介紹了系統(tǒng)采用的高可靠性窄脈沖磁控發(fā)射機(jī)技術(shù)、DSU數(shù)字中頻信號處理器技術(shù)、大動態(tài)可變本振數(shù)字中頻接收機(jī)技術(shù)等；再次，介紹了該系統(tǒng)的功能，能自動、實時、連續(xù)、準(zhǔn)確探測區(qū)域內(nèi)降雨強(qiáng)度變化和位置、降雨分布、面降雨量；最后，介紹了對比觀測試驗的情況，并客觀分析了該系統(tǒng)的優(yōu)勢與不足，指出實際應(yīng)用中需要關(guān)注的問題。

面雨量監(jiān)測雷達(dá)；窄脈沖磁控發(fā)射；DSU數(shù)字中頻信號處理

0　引　言

面雨量是一定區(qū)域或流域單位面積上的平均降水量，是水文氣象中一個重要參數(shù)，是水文模型的初值。面雨量值的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到洪水預(yù)報、水量計算的精度，關(guān)系到洪水調(diào)度決策、水資源管理的科學(xué)性。傳統(tǒng)方法是在區(qū)域內(nèi)利用實測的點雨量數(shù)據(jù)，通過算術(shù)平均法、數(shù)值法、等值線法等方法來計算面雨量。在實際應(yīng)用中，受到監(jiān)測區(qū)域內(nèi)實測雨量站點密度的限制，同時由于降水空間分布的復(fù)雜性，如何準(zhǔn)確計算流域/區(qū)域面雨量一直是個科學(xué)難題[1]。在傳統(tǒng)監(jiān)測方法下要提高面雨量計算精度，通過在監(jiān)測區(qū)域增加雨量觀測點的密度就可以實現(xiàn)。但超過一定量的監(jiān)測點在投資上和技術(shù)上存在困難。

雷達(dá)作為一種主動遙感設(shè)備,可得到具有一定精

度的、大范圍高時空分辨率的實時降雨量信息，從20世紀(jì)60年代開始，國外與國內(nèi)都在研究利用雷達(dá)測雨，并取得了一定的成果[2-3]。近年來，利用X波段多普勒體制雷達(dá)進(jìn)行小區(qū)域(半徑小于40 km)內(nèi)的雨量監(jiān)測，收到了很好的應(yīng)用成果。該雷達(dá)能實時、連續(xù)、準(zhǔn)確探測區(qū)域內(nèi)降雨強(qiáng)度變化和位置、降雨分布、面降雨量及相應(yīng)風(fēng)場信息，并可結(jié)合其他設(shè)備組成相應(yīng)的面雨量監(jiān)測系統(tǒng)。已在云南、江西、江蘇等地取得很好的應(yīng)用成效，為洪水預(yù)報、防洪調(diào)度、水資源管理發(fā)揮重要作用。

1　系統(tǒng)組成

1.1雨量雷達(dá)系統(tǒng)

如圖1所示，雨量雷達(dá)系統(tǒng)主要有天線、饋線、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、數(shù)字中頻信號處理系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、終端及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。

圖1　雷達(dá)系統(tǒng)整機(jī)框圖

1.2工作原理

雷達(dá)設(shè)備工作時，通過發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射一定功率的脈沖能量，經(jīng)過饋線部分到達(dá)天線，向空間定向輻射；天線定向輻射的電磁波能量遇到降水等目標(biāo)時，便會產(chǎn)生散射，其中后向散射的一部分形成回波信號被天線接收；天線接收到降水等目標(biāo)回波信號，經(jīng)過饋線部分傳輸?shù)浇邮障到y(tǒng)；接收系統(tǒng)將回波信號進(jìn)行放大、混頻、轉(zhuǎn)換等處理后送往信號處理系統(tǒng)；信號處理系統(tǒng)對回波信號作數(shù)字中頻信號(DSU)處理后形成I、Q正交信號，并對其作平均處理、地物對消濾波處理，得到反射率的估測值即強(qiáng)度Z，通過脈沖對處理(PPP)或快速傅里葉變換(FFT)處理，從而得到散射粒子群的平均徑向速度V和速度的平均起伏即速度譜寬W，通過處理雙極化數(shù)據(jù)得到差分反射率、差傳播相移、零滯后相關(guān)系數(shù)等雷達(dá)原始監(jiān)測信息。雨量雷達(dá)通過計算雷達(dá)回波信號強(qiáng)度來推算氣象目標(biāo)的實際物理狀況，通過雷達(dá)氣象方程，建立雷達(dá)平均接收功率Pr與雷達(dá)反射因子Z的關(guān)系，而Z與觀測區(qū)域內(nèi)的降水強(qiáng)度I存在一定的關(guān)系，因此可通過雨量雷達(dá)測量的回波信號強(qiáng)度推算出實際的降水強(qiáng)度。這種測量方法被稱為Z-I關(guān)系法，即應(yīng)用雷達(dá)氣象方程由測得的雷達(dá)回波功率算出雷達(dá)反射因子Z值，然后根據(jù)特定條件下的Z-I關(guān)系推算出降水強(qiáng)度I，從而得到實際的降水強(qiáng)度與降水量[2]。

1.3設(shè)備主要組成部分

1)天饋線。天饋線采用1.3m圓口徑拋物面天線，水平極化方式，增益≥38 dB。

2)發(fā)射機(jī)。發(fā)射機(jī)采用自激振蕩式小型化磁控管發(fā)射機(jī)，工作頻率9 375 MHz±30 MHz；輸出脈沖功率≥20 kW，占空比1‰。

3)接收機(jī)。接收機(jī)采用中頻相參體制，超外差式一次變頻的數(shù)字中頻接收處理方式。具有故障監(jiān)測能力，對接收機(jī)的關(guān)鍵部位，如接收通道、本振、各類電源進(jìn)行實時監(jiān)測、指示，并送出故障信息，便于終端進(jìn)行處理。

接收機(jī)工作頻率為9 375 MHz±30 MHz；接收機(jī)靈敏度為-105 dBm (0.6 μs)，-102 dBm (0.2 μs)；動態(tài)范圍≥85dB；噪聲系數(shù)≤3dB；中頻輸出為30MHz±8 MHz；頻率跟蹤范圍為±8 MHz ，跟蹤精度為±50 kHz。

4)數(shù)字中頻信號處理器。數(shù)字中頻信號處理器包括數(shù)字中頻接收機(jī)和多普勒天氣雷達(dá)信號處理器，除完成常規(guī)信號處理外，還要處理速度、譜寬、地雜波抑制等多普勒參數(shù)。

5)伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)包括天線方位伺服系統(tǒng)和天線俯仰伺服系統(tǒng)兩個分系統(tǒng)，各自獨立工作，互不影響。

天線方位伺服系統(tǒng)的作用是用計算機(jī)操縱天線，將天線方位角調(diào)定在0～360°內(nèi)的任意給定角度位置上，也能實現(xiàn)天線方位1 r/min～3 r/min自動環(huán)掃(PPI狀態(tài))，通過計算機(jī)可改變天線方位自動環(huán)掃的轉(zhuǎn)速。

天線俯仰伺服系統(tǒng)的作用是用計算機(jī)操縱天線，將天線俯仰角調(diào)定在0～90°內(nèi)的任意給定角度位置上，也能實現(xiàn)天線俯仰12(°)/s在0～90°內(nèi)自動俯仰，通過計算機(jī)可改變自動俯仰的速度及掃描范圍。

6)監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)在終端計算機(jī)的控制下，根據(jù)雷達(dá)天線的方位和俯仰產(chǎn)生對雷達(dá)天線方位和俯仰控制的誤差電壓，實現(xiàn)對雷達(dá)天線工作狀態(tài)和工作姿態(tài)的控制操作；實現(xiàn)對伺服系統(tǒng)工作狀態(tài)的控制操作；實現(xiàn)對接收系統(tǒng)工作狀態(tài)和故障狀態(tài)的實時監(jiān)測，并對接收系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行控制操作；實現(xiàn)對發(fā)射系統(tǒng)的全功能監(jiān)控，其中包括對發(fā)射系統(tǒng)的工作狀態(tài)和故障狀態(tài)的實時監(jiān)測，以及對發(fā)射系統(tǒng)工作狀態(tài)的遙控操作；與計算機(jī)終端連接，接收終端的命令并給予回復(fù)；為信號處理系統(tǒng)提供差分轉(zhuǎn)換單元。

7)監(jiān)控軟件和終端顯示。雷達(dá)設(shè)備配套終端計算機(jī)設(shè)備一套，在計算機(jī)上安裝雷達(dá)系統(tǒng)監(jiān)控軟件一套，該軟件完成對雷達(dá)整機(jī)的控制和監(jiān)測、采集信號處理器輸出的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)、并根據(jù)當(dāng)前的工作狀態(tài)對雷達(dá)回波進(jìn)行顯示和存儲。自動實現(xiàn)監(jiān)測信息的采集、處理、存儲、傳輸、應(yīng)用等功能，以及雷達(dá)整機(jī)控制、雷達(dá)狀態(tài)監(jiān)測和雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)測試等功能。操作人員在操作監(jiān)控軟件能完成雷達(dá)設(shè)備的整體操作，實時監(jiān)視雷達(dá)工作狀態(tài)、工作參數(shù)和故障情況。

2　關(guān)鍵技術(shù)

1)高可靠性、窄脈沖磁控發(fā)射機(jī)技術(shù)。該發(fā)射機(jī)為自激振蕩式發(fā)射機(jī)。其調(diào)制器采用全固態(tài)剛性調(diào)制器，調(diào)制器電源采用開關(guān)電源。通過嚴(yán)格的電路設(shè)計使之能夠提供兩種高頻穩(wěn)定脈沖，其最窄脈沖寬度達(dá)到0.2。

2)帶DSU功能的數(shù)字中頻信號處理器技術(shù)。數(shù)字中頻信號處理器利用AD對發(fā)射脈沖樣本進(jìn)行取樣，然后用該取樣值和回波信號進(jìn)行相關(guān)或卷積，實現(xiàn)相位校正，達(dá)到消除磁控管的發(fā)射脈沖的初相是隨機(jī)的目的，從而得到更多的目標(biāo)信息如速度、譜寬等。

3)大動態(tài)可變本振數(shù)字中頻接收機(jī)技術(shù)。取消了帶通濾波器、線性中放、對數(shù)中放和視放等窄帶高增益模擬線路，提高了整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性，克服了傳統(tǒng)模擬正交I、Q通道由于中頻移相器精度誤差和相位檢波器兩路不平衡以及模擬電路隨溫度變化等帶來的誤差，提高了雷達(dá)系統(tǒng)的相位檢測精度。

3　主要功能

(1)雨量雷達(dá)能實時提供回波強(qiáng)度、平均徑向速度和速度譜寬等原始產(chǎn)品圖像分布信息。按用戶設(shè)置好的時間和雷達(dá)工作方式，自動定時的按順序執(zhí)行雷達(dá)掃描。(2)雨量雷達(dá)能實時提供監(jiān)測區(qū)域內(nèi)高時空分辨率的面雨量數(shù)據(jù)，探測半徑為36 km，空間分辨率為60 m×60 m。(3)雷達(dá)系統(tǒng)具有完善的在線強(qiáng)度、速度和空間位置自動定標(biāo)裝置，并建立充分的冗余以確保在用戶規(guī)定的工作環(huán)境內(nèi)24 h連續(xù)不間斷地運行。(4)雷達(dá)系統(tǒng)具有本地控制和遠(yuǎn)程遙控兩種工作方式，能完成功能相同的交互控制、測試、維護(hù)能力。(5)雷達(dá)系統(tǒng)具有在線檢測設(shè)備，能隨時監(jiān)測雷達(dá)各分系統(tǒng)的主要工作參數(shù)和工作狀態(tài)，在監(jiān)控及終端系統(tǒng)的顯示器上顯示并記錄監(jiān)測信息。在發(fā)射、伺服分系統(tǒng)的重要部位還設(shè)置了故障自保裝置，以防損壞。一旦發(fā)現(xiàn)故障，立即報警，并將故障定位到可更換單元(LRU)。(6)雷達(dá)系統(tǒng)能夠在復(fù)位后自動初始化，恢復(fù)系統(tǒng)的運行參數(shù)。當(dāng)打開電源和停電后恢復(fù)電源，雷達(dá)主系統(tǒng)能夠在無操作員的干預(yù)下正確運行，當(dāng)停電和隨后恢復(fù)供電時所有的設(shè)置和缺省參數(shù)均不會改變。

4　對比觀測試驗

4.1南京雨量雷達(dá)試驗

江蘇省水文水資源勘測局與水利部南京水利水文自動化研究所共同進(jìn)行了雨量雷達(dá)對比觀測試驗。2014年12月在南京完成雷達(dá)面雨量自動監(jiān)測系統(tǒng)的安裝、調(diào)試等工作，開始試驗數(shù)據(jù)的采集。圖2為該試驗點雨量雷達(dá)的監(jiān)測范圍與監(jiān)測區(qū)域自動雨量站的分布情況。

雨量雷達(dá)設(shè)備安裝在南京市雨花臺區(qū)，安裝坐標(biāo)為東經(jīng)118.772°，北緯31.966°，海拔約39.0 m，距南京市區(qū)約10 km，雷達(dá)監(jiān)測范圍內(nèi)共有17個自動雨量站，3個雨滴譜儀(“★”) 。

圖2　南京試驗點監(jiān)測區(qū)域與自動雨量站的分布情況

4.2對比試驗基本情況

2015年南京雷達(dá)面雨量試驗點進(jìn)行了完整運行，設(shè)備總體較穩(wěn)定，并采集了多次完整的降雨天氣過程。包括層狀云降水、對流云降水(居多)和混合云降水，其中有6 h左右的短時降雨，也有持續(xù)時間超過48 h的持續(xù)性降水。以2015年7月7日8時-7月9日8時累計雨量對比為例，如圖3、圖4所示，得出表1的評估結(jié)果。

圖3　雷達(dá)累計雨量

圖4　雷達(dá)累計雨量與自動雨量站雨量對比

雷達(dá)測雨評估各評估參數(shù)比率絕對值相對誤差雷達(dá)雨量評估1.03112.55%

從全年數(shù)據(jù)對比分析中可以發(fā)現(xiàn)，雨量雷達(dá)測量數(shù)據(jù)與自動雨量站的數(shù)據(jù)在整體上趨勢保持一致，在單場次累計雨量超過10 mm的情況下，雙方數(shù)據(jù)對比誤差約為20%。但個別場次降雨誤差隨機(jī)性偏大，最大接近60%，初步分析誤差原因主要來自于降雨類型的影響和環(huán)境氣候(如大風(fēng)、雨夾雪等)的影響。今后將在試驗中進(jìn)一步分對比析，爭取通過率定的方式提高雨量雷達(dá)測雨精度。

5　結(jié)束語

雨量雷達(dá)優(yōu)勢：(1)在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，雨量雷達(dá)測量的降雨在空間上是連續(xù)的。連續(xù)的空間雨量可以使用戶直觀得到區(qū)域內(nèi)雨量的實際分布效果，而且可以方便地獲得區(qū)域內(nèi)的降雨量極值，如暴雨中心、區(qū)域內(nèi)最大雨強(qiáng)值等。(2)在記錄單次降雨發(fā)生過程中，相比傳統(tǒng)雨量計，雨量雷達(dá)獲取的空間連續(xù)降雨數(shù)據(jù)能更直觀地反映單次降雨的演進(jìn)變化過程。(3)雨量雷達(dá)在小雨測量上更敏感。(4)雨量雷達(dá)在數(shù)據(jù)監(jiān)測密度上大大優(yōu)于傳統(tǒng)雨量計。

雨量雷達(dá)主要問題：(1)雨量雷達(dá)測量降雨的方法為推算法，計算結(jié)果主要受降雨類型影響，測量的結(jié)果需要率定。(2)單套雷達(dá)設(shè)備建設(shè)投資較大。(3)雨量雷達(dá)測量數(shù)據(jù)在資料方面與現(xiàn)行國家水文標(biāo)準(zhǔn)存在銜接問題。

[1]張培昌，杜秉玉，戴鐵丕. 雷達(dá)氣象[M]. 2版. 北京：氣象出版社，2000: 171-210.

ZHANG Peichang, DU Bingyu, DAI Tiepi. Radar meteorology[M]. 2nd ed. Beijing: China Meteorological Press, 2000: 171-210.

[2]ALLEGRETTI M, BERTOLDO S, PRATO A, et al. X-band mini radar for observing and monitoring rainfall events[J]. Atmospheric and Climate Science，2012(2): 290-297.

[3]CHANDRASEKAR V, WANG Y, CHEN H. The CASA quantitative precipitation estimation system:a five year validation[J]. Natural Hazards and Earth System Science, 2012(12): 2811-2820.

王美玲女，1969年生，碩士，高級工程師。研究方向為水文自動化、水利信息化、信息安全。

丁美霞女，1968年生。研究方向為計算機(jī)技術(shù)。

牛睿平男，1973年生，碩士，高級工程師。研究方向為計算機(jī)軟件設(shè)計、工程項目管理、技術(shù)方案咨詢等。

Radar Technology in Areal Rainfall Monitoring

WANG Meiling1，DING Meixia1，NIU Ruiping2

(1. Hydrology and Water Resources Investigation Bureau of Jiangsu Province,Nanjing 210029, China)(2. Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology,Ministry of Water Resources,Nanjing 210012, China)

An X-band Doppler radar system for areal rainfall monitoring is described in this paper. First of all, the working principle and the main equipment of the system is expoanded. Secondly, the key technologies adopted in the system are introduced such as high reliability and narrow pulse magnetron transmitter technology，DSU digital IF signal processor technology, and large dynamic variable LO digital IF receiver technology. Thirdly, the function of the system is expatiated on automatical, real-time, continuous, accurate detection of regional rainfall intensity change and location, rainfall distribution, areal rainfall. Finally, based on the situation of comparative observation experiment, the advantages and disadvantages of the system are analysed objectively and the problems that need to be paid attention to in practical application are pointed out.

radar system for areal rainfall monitoring; narrow pulse magnetron transmitter; DSU digital IF signal processor

王美玲Email：13913889936@139.com

2016-01-23

2016-03-28

TN959

A

1004-7859(2016)06-0009-04

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.06.003