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边界层风廓线雷达

1概述 HK-QF03边界层风廓线雷达是一种脉冲多普勒晴空探测雷达,可以连续、实时提供距离地面50-100m至2-3km各高度层大气水平风速、风向和垂直气流数据。与可选的无线电声探测系统(RASS)相结合,可以探测100m至1500m高度范围的大气虚温。主要用于: 大气风场的观测和数值预报; 临近气象预报; 污染扩散过程观测; 机场空域气流监测; 灾害性气象服务。 广泛应用在国家/省市气象局,环保局,机场等。 2主要技术特征 1)低空探测性能好 低副瓣天线使得风廓线雷达具有较好的低空探测性能,在大风天气条件下,低空也能测得比较好。 2)威力大、数据获取率高 风廓线雷达有较大的功率口径积,接收信号灵敏度优于-150dBm,具有较大的雷达威力,获取率较高,特别是在大风干燥季节,较大的功率口径积具有更高的获取率。 3)可靠性高 风廓线雷达采用以下措施,保证了系统的高可靠性: 全固态发射机模块 高集成度、减少器件数量 器件的筛选 冗余设计 良好的散热设计和三防设计 标准化批量生产。 4)产品丰富 除具有功能设计规范要求的数据产品外,我所研制的风廓线雷达还包括多种一次数据产品、图形产品和二次产品。 5)系统可扩展性 在设计上,无论从软件和硬件都留有扩展的余地。 6)操作简单,维护方便。 友好的软件界面,简化的操作步骤,齐全的状态监测,使得系统操作和维护简单方便。 7)自动化程度高 高智能化,实现停电自动关机,来电自动开机探测,真正做到无人职守。 3任务与编配 3.1 任务 雷达系统分室内、室外两部分。室外部分包括天线、天线围网、大围网,室内部分包括发射机、接收机、频综、信号处理器等组合安放在电子机柜里,以及终端计算机等。场地及设备布局示意图如图1所示。 天线与天线支架的连接做加强处理,保证天线固定强度和抗风要求。在雷达天线下方设置电缆走线管道,雷达天线的电缆通过管道实现工作机房内外互通,管道做密封和防水处理。 高频头收发模块可以置于天线的下方,确保馈线损耗最小。天线固定在天线支架上,结构结实坚固,具有符合要求的抗风能力。除天线、RASS声天线以外的雷达设备,均安放在室内,方舱内结构参见图2、3。 3.2 编配 固定式风廓线测风雷达操作简便,需1名操作人员。职责: a)设备加电、开机,修改工作参数; b)日常维护和定期保养。 4系统组成 4.1 系统组成 HK-QF03风廓线雷达产品组成如下: a)方舱:包括空调、机柜、配电盘、座椅、调平机构等。 b)雷达:包括雷达天线、波控组合、接收机组合、发射机功放组合、发射机电源组合,监控组合、信号处理组合、数据处理组合。 c)计算机网络通信 d)雷达配电:包括配电盘、油机、UPS电源组合、UPS电池组合、加电组件。 雷达系统组成见表1。雷达主要组成安装在两个30U标准机柜内,如图4所示。机柜安放在方舱内,天线安装在方舱顶端,如图5所示。 4.2 工作原理 边界层风廓线雷达原理框图由图6所示。 边界层风廓线雷达工作时,首先由主控计算机按照设置的工作模式控制频综产生高频探测脉冲信号,该信号经发射机放大后,经环行器由天馈系统辐射出去。根据Bragg散射原理,电磁波在空间传播过程中遇到尺度为其波长一半的大气湍流后将会产生散射作用,部分电磁波能量将会反射到风廓线雷达的天线处,天线接收后经高频头收发模块中的低噪声放大输出到高频接收系统中进行混频、滤波和中频放大,再以60MHz中频信号传输到数字化中频接收机,在数字化中频接收机中进行滤波、放大和混频并进行取样、模数转换、数字正交相检、数字滤波、数据抽取。在信号处理器中对回波信号进行视频积累、脉冲压缩、去直流、加窗处理、谱分析(FFT)和谱积累后形成湍流回波信号的功率谱。该功率谱经在计算机中进行零谱去除、半屏面对消和干扰谱剔除,并根据噪声功率电平形成自适应信号检测门限,进行风谱信号提取和风谱信号估值,求出风谱质心,计算相应的径向速度,并在计算机的控制下依次得到其它天线指向上的径向风速。在进行n次同样的探测后得到n组对应不同波束的径向风速,对这n组数据进行一致性检验和质量控制,剔除野值,最后根据以下关系计算各高度层上的风速、风向。 Vre= u sinθ+ w cosθ  (4-1) Vrn= v sinθ+ w cosθ  (4-2) Vrz= w                       (4-3)                 (4-4)              (4-5) 式中: Vrz、Vrn、Vre 为风速在三个波束指向上某高度的径向多普勒速度分量,u,v分别为风速在水平面上的投影的两个分量,w为垂直气流,θ是斜波束与法线方向的夹角。 在测量大气湍流Cn2值分布随时间变化时,首先利用测风同样的方法得到各高度层的回波信号信噪比值,然后根据气象雷达方程           (4-6) 反演出各高度层的大气湍流的结构常数Cn2随时间的变化值,并以图形的方式显示出来。 公式(4-6)中: Pr为接收到的大气回波功率 Pt为发射机峰值功率 ΔH=cτ/2为空间高度分辨单元长度,τ为发射脉宽 R为目标到雷达之间的距离 L为传输损耗,主要是雷达馈线损耗 5主要技术指标 a)频率               1320MHz(点频可选) b)波束指向           天顶、偏东、偏南、偏西、偏北五波束 c)天线增益           28dB d)波束宽度           ≤6º e)天线电特性尺寸     2.4m×2.4m f)第一旁瓣电平       ≤-20dB g)远瓣电平           ≤-40dB h)斜波束             偏离天顶方向约14.6º i)驻波系数           ≤1.3 j)发射馈线损耗       1.78dB k)接收馈线损耗       1.14dB l)极化方式           线极化 m)波瓣形式           笔形波束 n)波束转换方式       电控 o)屏蔽网             抑制地物杂波 6交付周期 12个月 7质保期 12个月

产品详情

1概述

HK-QF03边界层风廓线雷达是一种脉冲多普勒晴空探测雷达,可以连续、实时提供距离地面50-100m至2-3km各高度层大气水平风速、风向和垂直气流数据。与可选的无线电声探测系统(RASS)相结合,可以探测100m至1500m高度范围的大气虚温。主要用于:

大气风场的观测和数值预报;

临近气象预报;

污染扩散过程观测;

机场空域气流监测;

灾害性气象服务。

广泛应用在国家/省市气象局,环保局,机场等。

2主要技术特征

1)低空探测性能好

低副瓣天线使得风廓线雷达具有较好的低空探测性能,在大风天气条件下,低空也能测得比较好。

2)威力大、数据获取率高

风廓线雷达有较大的功率口径积,接收信号灵敏度优于-150dBm,具有较大的雷达威力,获取率较高,特别是在大风干燥季节,较大的功率口径积具有更高的获取率。

3)可靠性高

风廓线雷达采用以下措施,保证了系统的高可靠性:

全固态发射机模块

高集成度、减少器件数量

器件的筛选

冗余设计

良好的散热设计和三防设计

标准化批量生产。

4)产品丰富

除具有功能设计规范要求的数据产品外,我所研制的风廓线雷达还包括多种一次数据产品、图形产品和二次产品。

5)系统可扩展性

在设计上,无论从软件和硬件都留有扩展的余地。

6)操作简单,维护方便。

友好的软件界面,简化的操作步骤,齐全的状态监测,使得系统操作和维护简单方便。

7)自动化程度高

高智能化,实现停电自动关机,来电自动开机探测,真正做到无人职守。


3任务与编配

3.1 任务

雷达系统分室内、室外两部分。室外部分包括天线、天线围网、大围网,室内部分包括发射机、接收机、频综、信号处理器等组合安放在电子机柜里,以及终端计算机等。场地及设备布局示意图如图1所示。

天线与天线支架的连接做加强处理,保证天线固定强度和抗风要求。在雷达天线下方设置电缆走线管道,雷达天线的电缆通过管道实现工作机房内外互通,管道做密封和防水处理。

高频头收发模块可以置于天线的下方,确保馈线损耗最小。天线固定在天线支架上,结构结实坚固,具有符合要求的抗风能力。除天线、RASS声天线以外的雷达设备,均安放在室内,方舱内结构参见图2、3。

3.2 编配

固定式风廓线测风雷达操作简便,需1名操作人员。职责:

a)设备加电、开机,修改工作参数;

b)日常维护和定期保养。

4系统组成

4.1 系统组成

HK-QF03风廓线雷达产品组成如下:

a)方舱:包括空调、机柜、配电盘、座椅、调平机构等。

b)雷达:包括雷达天线、波控组合、接收机组合、发射机功放组合、发射机电源组合,监控组合、信号处理组合、数据处理组合。

c)计算机网络通信

d)雷达配电:包括配电盘、油机、UPS电源组合、UPS电池组合、加电组件。

雷达系统组成见表1。雷达主要组成安装在两个30U标准机柜内,如图4所示。机柜安放在方舱内,天线安装在方舱顶端,如图5所示。

4.2 工作原理

边界层风廓线雷达原理框图由图6所示。

边界层风廓线雷达工作时,首先由主控计算机按照设置的工作模式控制频综产生高频探测脉冲信号,该信号经发射机放大后,经环行器由天馈系统辐射出去。根据Bragg散射原理,电磁波在空间传播过程中遇到尺度为其波长一半的大气湍流后将会产生散射作用,部分电磁波能量将会反射到风廓线雷达的天线处,天线接收后经高频头收发模块中的低噪声放大输出到高频接收系统中进行混频、滤波和中频放大,再以60MHz中频信号传输到数字化中频接收机,在数字化中频接收机中进行滤波、放大和混频并进行取样、模数转换、数字正交相检、数字滤波、数据抽取。在信号处理器中对回波信号进行视频积累、脉冲压缩、去直流、加窗处理、谱分析(FFT)和谱积累后形成湍流回波信号的功率谱。该功率谱经在计算机中进行零谱去除、半屏面对消和干扰谱剔除,并根据噪声功率电平形成自适应信号检测门限,进行风谱信号提取和风谱信号估值,求出风谱质心,计算相应的径向速度,并在计算机的控制下依次得到其它天线指向上的径向风速。在进行n次同样的探测后得到n组对应不同波束的径向风速,对这n组数据进行一致性检验和质量控制,剔除野值,最后根据以下关系计算各高度层上的风速、风向。

Vre= u sinθ+ w cosθ  (4-1)

Vrn= v sinθ+ w cosθ  (4-2)

Vrz= w                       (4-3)

                (4-4)

             (4-5)

式中:

Vrz、Vrn、Vre 为风速在三个波束指向上某高度的径向多普勒速度分量,u,v分别为风速在水平面上的投影的两个分量,w为垂直气流,θ是斜波束与法线方向的夹角。

在测量大气湍流Cn2值分布随时间变化时,首先利用测风同样的方法得到各高度层的回波信号信噪比值,然后根据气象雷达方程

          (4-6)

反演出各高度层的大气湍流的结构常数Cn2随时间的变化值,并以图形的方式显示出来。

公式(4-6)中:

Pr为接收到的大气回波功率

Pt为发射机峰值功率

ΔH=cτ/2为空间高度分辨单元长度,τ为发射脉宽

R为目标到雷达之间的距离

L为传输损耗,主要是雷达馈线损耗


5主要技术指标

a)频率               1320MHz(点频可选)

b)波束指向           天顶、偏东、偏南、偏西、偏北五波束

c)天线增益           28dB

d)波束宽度           ≤6º

e)天线电特性尺寸     2.4m×2.4m

f)第一旁瓣电平       ≤-20dB

g)远瓣电平           ≤-40dB

h)斜波束             偏离天顶方向约14.6º

i)驻波系数           ≤1.3

j)发射馈线损耗       1.78dB

k)接收馈线损耗       1.14dB

l)极化方式           线极化

m)波瓣形式           笔形波束

n)波束转换方式       电控

o)屏蔽网             抑制地物杂波


6交付周期

12个月

7质保期

12个月