ITU-R M.1849建议书 - 地面气象雷达的技术和操作问题

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1 ITU-R M.1849 建 议 书 (04/2010) 地 面 气 象 雷 达 的 技 术 和 操 作 问 题 M 系 列 移 动 无 线 电 测 定 业 余 和 相 关 卫 星 业 务

2 ii ITU-R M.1849 建 议 书 前 言 无 线 电 通 信 部 门 的 职 责 是 确 保 卫 星 业 务 等 所 有 无 线 电 通 信 业 务 合 理 平 等 有 效 经 济 地 使 用 无 线 电 频 谱, 不 受 频 率 范 围 限 制 地 开 展 研 究 并 在 此 基 础 上 通 过 建 议 书 无 线 电 通 信 部 门 的 规 则 和 政 策 职 能 由 世 界 或 区 域 无 线 电 通 信 大 会 以 及 无 线 电 通 信 全 会 在 研 究 组 的 支 持 下 履 行 知 识 产 权 政 策 (IPR) ITU-R 的 IPR 政 策 述 于 ITU-R 第 1 号 决 议 的 附 件 1 中 所 参 引 的 ITU-T/ITU-R/ISO/IEC 的 通 用 专 利 政 策 专 利 持 有 人 用 于 提 交 专 利 声 明 和 许 可 声 明 的 表 格 可 从 获 得, 在 此 处 也 可 获 取 ITU-T/ITU-R/ISO/IEC 的 通 用 专 利 政 策 实 施 指 南 和 ITU-R 专 利 信 息 数 据 库 ITU-R 系 列 建 议 书 ( 也 可 在 线 查 询 系 列 标 题 BO 卫 星 传 送 BR 用 于 制 作 存 档 和 播 出 的 录 制 ; 电 视 电 影 BS 广 播 业 务 ( 声 音 ) BT 广 播 业 务 ( 电 视 ) F 固 定 业 务 M 移 动 无 线 电 定 位 业 余 和 相 关 卫 星 业 务 P 无 线 电 波 传 播 RA 射 电 天 文 RS 遥 感 系 统 S 卫 星 固 定 业 务 SA 空 间 应 用 和 气 象 SF 卫 星 固 定 业 务 和 固 定 业 务 系 统 间 的 频 率 共 用 和 协 调 SM 频 谱 管 理 SNG 卫 星 新 闻 采 集 TF 时 间 信 号 和 频 率 标 准 发 射 V 词 汇 和 相 关 问 题 说 明 : 该 ITU-R 建 议 书 的 英 文 版 本 根 据 ITU-R 第 1 号 决 议 详 述 的 程 序 予 以 批 准 电 子 出 版 2011 年, 日 内 瓦 ITU 2011 版 权 所 有 未 经 国 际 电 联 书 面 许 可, 不 得 以 任 何 手 段 复 制 本 出 版 物 的 任 何 部 分

3 ITU-R M.1849 建 议 书 1 ITU-R M.1849 建 议 书 地 面 气 象 雷 达 的 技 术 和 操 作 问 题 (2009 年 ) 范 围 本 建 议 书 论 述 气 象 雷 达 的 重 要 的 技 术 和 操 作 特 性, 介 绍 所 提 供 的 相 关 产 品, 着 重 介 绍 它 们 的 技 术 规 格, 讨 论 干 扰 对 气 象 雷 达 的 效 应 和 制 定 有 关 干 扰 的 保 护 标 准 本 文 局 限 于 地 面 气 象 雷 达 的 问 题, 不 包 括 风 廓 线 雷 达 风 廓 线 雷 达 也 用 于 气 象 用 途, 它 在 单 独 的 ITU-R 建 议 书 中 涉 及 国 际 电 联 无 线 电 通 信 全 会, 考 虑 到 a) 某 些 频 带 对 雷 达 实 现 它 们 的 功 能 的 天 线 信 号 传 播 目 标 检 测 和 大 的 必 要 带 宽 的 特 性 是 最 有 利 的 ; b) 为 了 确 定 把 新 型 的 系 统 引 进 到 气 象 雷 达 所 工 作 的 频 带 的 可 行 性, 需 要 有 代 表 性 的 气 象 雷 达 的 技 术 和 操 作 特 性 ; c) 为 了 分 析 气 象 雷 达 和 其 它 业 务 中 的 各 系 统 之 间 的 兼 容 性, 需 要 许 多 程 序 和 方 法 论 ; d) 与 其 它 类 型 的 雷 达 相 比 较, 气 象 雷 达 的 技 术 和 操 作 特 性 是 特 殊 的, 因 而 制 定 一 个 单 独 的 建 议 书 比 较 恰 当 ; e) 气 象 雷 达 主 要 工 作 于 MHz MHz 和 MHz 频 带 中 ; f) 气 象 雷 达 是 用 于 气 象 观 测 和 环 境 监 视 的 主 观 测 站 ; g) 在 发 布 即 将 来 临 的 恶 劣 气 象 条 件 的 警 报 方 面, 如 发 布 可 能 危 及 居 民 安 全 和 毁 坏 要 害 的 经 济 基 础 设 施 的 洪 水 飓 风 和 龙 卷 风 警 报 方 面, 气 象 雷 达 起 着 至 关 重 要 的 作 用 ; h) 应 用 保 护 标 准 需 要 同 时 考 虑 标 准 的 统 计 特 性 和 完 成 兼 容 研 究 所 需 要 的 其 它 气 象 要 素 ( 例 如 天 线 扫 描 和 传 播 路 径 损 耗 ) 可 以 适 时 将 这 些 统 计 上 的 考 虑 事 项 的 进 一 步 研 究 纳 入 本 建 议 书 将 来 的 修 订 文 本 中 应 提 请 世 界 气 象 组 织 (WMO) 注 意 本 建 议 书

4 2 ITU-R M.1849 建 议 书 认 识 到 a) 无 线 电 规 则 (RR) 第 款 规 定, 批 准 在 MHz 频 带 中, 地 面 气 象 雷 达 与 航 空 无 线 电 导 航 业 务 的 电 台 在 平 等 的 基 础 上 工 作 ; b) 无 线 电 规 则 第 款 规 定, 批 准 在 MHz 频 带 中, 地 面 气 象 雷 达 与 海 事 无 线 电 导 航 业 务 的 电 台 在 平 等 的 基 础 上 工 作 ; c) 无 线 电 规 则 第 5.475B 款 规 定, 在 MHz 频 带 中 的 地 面 气 象 雷 达 比 其 它 无 线 电 定 位 应 用 有 优 先 权, 注 意 到 a) ITU-R M.1461 建 议 书 也 用 作 分 析 在 雷 达 和 其 它 业 务 中 的 系 统 之 间 的 兼 容 性 的 指 导 方 针 ; b) 雷 达 保 护 标 准 取 决 于 具 体 的 干 扰 信 号 类 型, 如 在 附 件 1 中 所 描 述 的 那 些 干 扰 类 型 ; 建 议 1 当 进 行 频 率 共 用 研 究 时, 应 该 考 虑 附 件 1 中 所 描 述 的 气 象 雷 达 的 技 术 和 操 作 问 题 和 附 件 2 中 规 定 的 特 性 ; 2 气 象 雷 达 的 保 护 标 准 应 该 依 据 附 件 1, 特 别 是 8.5, 以 便 评 估 与 来 自 其 它 业 务 和 应 用 的 各 种 干 扰 信 号 类 型 的 兼 容 性 若 存 在 多 个 干 扰 源, 这 些 标 准 代 表 了 综 合 保 护 电 平 附 件 1 地 面 气 象 雷 达 的 技 术 和 操 作 问 题 1 引 言 地 面 气 象 雷 达 用 于 运 行 气 象 学 和 气 象 预 报 大 气 研 究 以 及 航 空 和 海 事 导 航, 它 们 在 即 时 的 气 象 和 水 文 警 报 处 理 中 起 着 至 关 重 要 的 作 用 这 些 雷 达 也 是 每 天 24 小 时 连 续 工 作 气 象 雷 达 网 络 代 表 了 检 测 出 可 能 造 成 生 命 和 财 产 损 失 的 气 候 和 山 洪 暴 发 或 严 重 的 暴 风 雨 事 件 的 最 后 一 道 防 线 气 象 雷 达 所 生 成 的 工 作 理 论 和 产 品 与 其 它 雷 达 有 显 著 差 别 当 评 估 气 象 雷 达 和 其 它 无 线 电 业 务 之 间 的 兼 容 性 时, 理 解 这 些 差 别 是 很 重 要 的 气 象 雷 达 的 技 术 和 操 作 特 性 导 致 在 与 其 它 雷 达 系 统 做 比 较 时, 对 可 容 许 干 扰 的 不 同 效 应

5 ITU-R M.1849 建 议 书 3 2 概 述 气 象 雷 达 被 用 来 检 测 大 气 条 件, 供 常 规 气 象 预 报 恶 劣 气 候 的 检 测 风 和 降 水 检 测 降 水 估 计 飞 行 器 冰 情 条 件 的 检 测 和 导 航 绕 过 恶 劣 气 候 区 使 用 气 象 雷 达 发 射 水 平 极 化 脉 冲, 测 出 云 ( 云 水 和 云 冰 ) 和 降 水 ( 雪 冰 丸 冰 雹 和 雨 滴 ) 的 水 平 方 向 上 的 尺 寸 偏 振 测 定 雷 达 ( 也 称 为 双 极 化 雷 达 ) 发 射 水 平 和 垂 直 两 种 极 化 的 脉 冲 与 非 偏 振 测 定 雷 达 系 统 相 比, 这 些 雷 达 在 降 雨 量 估 计 降 水 分 类 数 据 质 量 和 有 害 气 候 探 测 等 方 面 有 显 著 的 改 进 在 ITU-R 内 部, 气 象 雷 达 不 是 一 种 独 立 的 无 线 电 业 务, 而 在 无 线 电 规 则 中, 它 被 归 入 无 线 电 定 位 和 / 或 无 线 电 导 航 业 务 项 目 下 面 确 定 是 否 应 用 无 线 电 定 位 和 / 或 无 线 电 导 航 取 决 于 如 何 使 用 特 定 的 雷 达 用 于 大 气 研 究 或 气 象 预 报 的 地 面 气 象 雷 达 将 在 无 线 电 定 位 业 务 项 目 下 工 作 商 业 航 空 器 上 的 机 载 气 象 雷 达 将 在 无 线 电 导 航 业 务 项 目 下 工 作 地 面 气 象 雷 达 也 可 以 在 无 线 电 导 航 业 务 项 目 下 工 作, 例 如, 如 果 在 恶 劣 气 候 条 件 下, 空 中 交 通 管 制 使 用 气 象 雷 达 来 给 飞 机 确 定 航 线, 就 属 于 这 种 情 况 因 而, 只 要 使 用 方 法 与 无 线 电 业 务 的 定 义 相 一 致, 气 象 雷 达 可 以 在 许 多 所 分 配 的 无 线 电 定 位 和 无 线 电 导 航 的 频 带 中 工 作 在 频 率 划 分 表 中, 无 线 电 规 则 对 气 象 雷 达 有 三 个 专 门 的 附 注 三 个 附 注 包 含 在 与 频 带 MHz ( 无 线 电 规 则 第 款 ) MHz( 无 线 电 规 则 第 款 ) 和 MHz( 无 线 电 规 则 第 款 ) 相 关 的 脚 注 中 2.1 单 目 标 的 雷 达 公 式 1 气 象 雷 达 不 跟 踪 点 目 标 然 而, 可 以 使 雷 达 公 式 适 合 于 气 象 雷 达 使 用 根 据 从 气 象 雷 达 所 完 成 的 体 积 扫 描 所 返 回 的 功 率 量 来 确 定 气 候 现 象 是 否 将 是 可 以 探 测 的 雷 达 距 离 公 式 表 示 在 从 目 标 返 回 的 功 率 和 特 定 目 标 及 发 射 雷 达 的 特 性 之 间 的 关 系 典 型 的 点 目 标 将 有 如 下 雷 达 公 式 变 量 : P R : 雷 达 接 收 到 的 功 率 P T : 雷 达 峰 值 发 射 功 率 A T : 目 标 的 面 积 R: 目 标 离 雷 达 的 距 离 G: 发 射 天 线 增 益 这 些 变 量 组 合 在 一 起, 以 组 成 通 用 的 点 目 标 的 雷 达 公 式 : 2 2 PT G λ PR = A 3 4 T (4 π) r 1 这 些 小 节 中 公 式 的 信 息 和 推 导 在 YAU,M.K 和 ROGERS,R.R 1989 年 1 月 1 日 所 著 的 A Short Course in Cloud Physics, 第 11 章 中 可 以 找 到

6 4 ITU-R M.1849 建 议 书 上 列 公 式 假 设 辐 射 和 散 射 都 是 各 向 同 性 的 然 而, 大 多 数 目 标 不 是 各 向 同 性 地 散 射 入 射 的 辐 射, 因 而, 有 必 要 引 入 目 标 的 反 向 散 射 横 截 面 σ: 2 2 PT G λ PR = σ 3 4 (4π) r 2.2 气 象 雷 达 公 式 有 了 所 导 出 的 单 点 目 标 的 公 式, 下 一 步 是 将 上 面 的 那 个 公 式 进 行 编 辑, 以 解 决 气 象 雷 达 目 标 的 问 题 雨 滴 雪 花 和 云 的 小 水 滴 是 重 要 的 雷 达 目 标 种 类 的 例 子, 常 称 为 分 布 式 目 标 入 射 的 雷 达 脉 冲 同 时 照 射 包 含 气 候 质 点 的 体 积, 产 生 气 象 雷 达 的 发 射 分 辨 体 积 所 接 收 到 的 来 自 气 象 目 标 的 平 均 功 率 导 出 下 面 的 公 式, 其 中 Σσ 是 在 该 分 辨 体 积 内 的 所 有 质 点 的 反 向 散 射 横 截 面 之 和 2 2 PT G λ PR = σ 3 4 (4π) r n 因 为 雷 达 射 束 的 体 积 随 着 距 离 增 加 而 不 断 扩 大, 雷 达 射 束 包 含 的 目 标 越 来 越 多 所 定 义 的 雷 达 射 束 的 体 积 等 于 : V r θ h = π 其 中 h = cτ 是 脉 冲 长 度, 而 θ 是 天 线 射 束 宽 度 将 通 用 的 雷 达 公 式 和 该 雷 达 射 束 的 体 积 组 合 在 一 起, 所 返 回 的 平 均 功 率 变 为 : PT G λ r θ h π 3 4 PR = η (4π) r 2 2 其 中 η 代 表 每 个 单 位 体 积 的 雷 达 反 射 率 然 而 上 列 公 式 假 设 在 它 的 3 db 的 范 围 以 内, 天 线 增 益 是 均 匀 的, 但 这 是 不 真 实 的 假 设 呈 现 高 斯 射 束 辐 射 图, 则 在 雷 达 射 束 辐 射 图 内, 而 不 是 仅 在 3 db 的 范 围 以 内 确 定 有 效 体 积 更 合 适 一 些 使 用 高 斯 射 束 辐 射 图, 返 回 的 平 均 功 率 变 为 下 式 : P R = PT G λ θ h η π 1n(2) r 考 虑 到 单 个 球 形 质 点 要 比 雷 达 的 波 长 小, 可 以 用 σ=64π 5 /λ 4 K 2 r o 2 代 表 反 向 散 射 横 截 面, 其 中 K 是 复 折 射 指 数, 而 r o 代 表 球 半 径 对 应 用 瑞 利 散 射 定 律 而 言, 气 候 质 点 已 足 够 小 了, 可 以 把 它 称 为 瑞 利 散 射 当 雷 达 波 长 在 5 cm 到 10 cm 之 间 时, 把 雨 滴 和 雪 花 近 似 准 确 地 看 作

7 ITU-R M.1849 建 议 书 5 所 测 量 的 瑞 利 散 射 体 气 象 雷 达 的 工 作 波 长 一 般 就 在 这 一 范 围 之 内, 波 长 为 3 cm 时, 近 似 散 射 仍 然 可 以 使 用, 但 精 确 度 稍 差 一 点 对 于 比 雷 达 波 长 小 的 一 组 球 形 雨 滴 而 言, 平 均 回 波 功 率 变 为 下 式 : 其 中 Σ 是 每 一 球 形 散 射 体 的 球 半 径 之 和 考 虑 到 (D/2) 6 等 于 r o 6, 用 球 形 散 射 体 的 雨 滴 直 径 就 可 能 得 到 返 回 的 平 均 功 率, 用 下 式 表 示 : 所 以, 对 于 与 雷 达 波 长 相 比 要 小 的 球 形 散 射 体 而 言, 气 象 雷 达 所 接 收 到 的 平 均 功 率 由 雷 达 的 特 性 距 离 散 射 体 的 折 射 指 数 ( K 2 ) 和 散 射 体 的 直 径 (D 6 ) 所 决 定 最 后, 可 以 引 入 目 标 反 射 率 指 数 Z, 它 表 示 为 Z=Σ V D 6 6 = NDD ( ) dd, 其 中 Σ V 是 单 位 体 积 上 6 的 总 和, 而 NDD ( ) 是 每 一 单 位 体 积 内 的 散 射 体 数 气 象 雷 达 的 第 一 个 雷 达 公 式 的 最 终 形 式 ( 包 括 前 面 为 了 表 示 高 斯 射 束 图 所 作 的 各 项 修 正 在 内 ) 就 成 为 下 面 的 公 式 : P R P 2 T G λ π 6 PR = ( K ) r 4 o r λ n ( 4π) 2 5 PT G π 2 6 PR = K D r λ n ( 4π) 2 Z ( K ) π c PT G θ τ = n(2) 2 λ r 2 3 气 象 雷 达 的 一 般 原 理 气 象 雷 达 主 要 完 成 下 面 两 种 测 量 : 降 水 测 量 ; 风 的 测 量 在 许 多 像 素 网 格 上 完 成 这 些 测 量, 这 使 得 有 可 能 提 供 上 述 气 象 事 件 的 地 图 GHz 频 带 中 的 气 象 雷 达 工 作 的 例 子 附 件 2 表 1 中 的 雷 达 1 是 在 2.8 GHz 附 近 频 率 上 工 作 的 一 个 有 代 表 性 的 气 象 雷 达 系 统 在 200 km 的 距 离 上, 这 一 雷 达 的 0 dbz 曲 线 与 接 收 机 噪 声 电 平 ( 113 dbm) 相 交 降 水 量 估 计 为 了 进 行 降 水 量 估 计, 在 2.8 GHz 上 工 作 的 典 型 雷 达 使 用 了 多 种 反 射 率 距 离 (Z-R) 和 反 射 率 降 雨 强 度 (Z-S) 的 公 式 干 扰 对 工 作 范 围 的 效 应 可 能 由 于 具 体 算 法 不 同 而 变 化 在 5.6 GHz 频 带 中 工 作 的 气 象 雷 达 的 例 子 典 型 数 据 是 若 像 素 分 辨 力 为 1 km 1 km, 则 雷 达 覆 盖 范 围 可 延 伸 到 200 km 在 某 些 情 况 下, 更 精 细 的 网 格 是 按 250 m 250 m 的 像 素 来 表 示 的

8 6 ITU-R M.1849 建 议 书 对 每 一 像 素, 在 与 这 一 像 素 相 应 的 所 有 脉 冲 响 应 上, 即 对 每 一 对 脉 冲 和 每 一 距 离 波 门 计 算 雷 达 测 量 结 果, 然 后 直 接 将 结 果 画 在 直 角 坐 标 网 格 上 ( 见 图 1) 图 1 脉 冲 对 和 距 离 波 门 的 直 角 坐 标 图 因 而, 每 一 像 素 的 估 计 数 目 随 距 离 变 化 这 些 数 目 与 平 均 脉 冲 重 复 频 率 (PRF) 和 天 线 旋 转 速 度 有 关 平 均 来 看, 天 线 的 典 型 旋 转 速 度 为 每 秒 钟 6 度, 平 均 脉 冲 重 复 频 率 (PRF) 为 333 Hz, 距 离 波 门 间 距 为 240 m, 对 1 km 2 的 像 素, 这 将 导 致 在 10 km 和 100 km 处 分 别 约 为 和 100 个 估 计 数 图 2 提 供 了 像 素 大 小 为 250 m 250 m 和 1 km 1 km 两 种 情 况 下 的 这 样 的 估 计 数 值 与 距 离 关 系 的 计 算 结 果 这 一 计 算 结 果 证 实 了 距 离 越 远 和 像 素 越 小, 雷 达 测 量 越 灵 敏 图 2 像 素 估 计 与 距 离 的 关 系

9 ITU-R M.1849 建 议 书 降 水 测 量 原 理 气 象 雷 达 完 成 降 水 测 量, 测 量 结 果 用 反 射 率 (dbz) 来 表 示 下 面 根 据 特 定 的 雷 达 设 计 说 明 这 些 测 量 的 原 理 其 它 雷 达 设 计 将 以 类 似 的 方 式 工 作, 但 是 信 号 电 平 将 随 设 计 而 变 化 为 了 在 100 km 处 的 0 dbz 反 射 率 电 平 与 接 收 机 的 噪 声 电 平 ( 即 约 113 dbm) 相 一 致, 在 法 国 气 象 雷 达 网 中 部 署 的 雷 达 作 了 校 准 此 外, 雨 区 的 最 低 检 测 电 平 定 在 8 dbz 图 3 表 示 了 最 小 检 测 (8 dbz) 的 相 对 电 平 (dbz), 重 要 的 对 流 小 区 (60 dbz) 的 相 对 电 平 和 接 收 机 噪 声 的 等 效 电 平 图 3 最 小 检 测 的 相 对 电 平 功 率 与 反 射 率 的 关 系 式 由 如 下 公 式 表 示 : Cz P = r 2 其 中 : P: 功 率 (mw) C: 常 数 ( 约 10 7 或 70 db) z: 反 射 率 r: 距 离 (km) 用 db 来 表 示 可 用 下 式 : dbm = dbz + C 20 logi

10 8 ITU-R M.1849 建 议 书 在 这 一 基 础 上, 图 4 给 出 了 与 图 3 中 的 反 射 率 电 平 相 对 应 的 相 对 电 平 (dbm) 图 4 与 反 射 率 电 平 相 对 应 的 相 对 电 平 (dbm) 最 后, 用 下 面 的 公 式, 把 反 射 率 的 数 值 转 换 成 雨 强 的 水 平 ( 典 型 降 雨 情 况 下 ) R (mm/h) = z 必 须 指 出, 这 一 转 换 公 式 对 典 型 的 降 雨 (a=1.6) 是 成 立 的, 但 是, 其 它 公 式 是 对 其 它 类 型 的 降 水 ( 热 带 雨 雪 冰 雹 等 ) 规 定 的, 因 而,a 的 值 将 要 调 整 对 于 一 给 定 的 雷 达 网 格 的 像 素 而 言, 在 确 定 下 列 要 素 中, 要 考 虑 ( 与 脉 冲 响 应 和 距 离 波 门 相 对 应 的 ) 每 一 估 计 的 反 射 率 数 值 : 所 有 估 计 值 的 平 均 值 (dbz); 标 准 偏 差 某 些 可 变 性 表 征 了 降 雨 区 的 响 应, 利 用 标 准 偏 差 的 数 值, 使 用 这 一 可 变 性 将 降 雨 区 的 响 应 从 杂 乱 回 波 中 鉴 别 出 来

11 ITU-R M.1849 建 议 书 9 对 法 国 所 部 署 的 雷 达 而 言, 用 下 面 的 算 法 修 正 反 射 率 值 : 图 5 衰 减 斜 率 若 (σ 门 限 ) Z aeef = Z seef ( 门 限 σ)* 斜 率 否 则, Z aeef = Z seef σ: 标 准 偏 差 (db) Z seef : 修 正 前 的 反 射 率 值 Z aeef : 修 正 后 的 反 射 率 值 斜 率 是 上 面 图 5 上 那 样 的 衰 减 斜 率, 由 下 式 求 出 : 在 运 算 中 为 了 保 证 在 气 象 信 号 上 几 乎 没 有 衰 减 ( 实 际 上 小 于 5%), 现 在 规 定 门 限 和 斜 率 这 两 个 数 值 是 固 定 的, 它 是 根 据 实 验 确 定 的 斜 率 为 20 db, 而 σ 的 门 限 在 db 范 围 内 最 后, 应 该 指 出, 当 计 算 出 的 衰 减 高 于 25 db 时, 则 得 出 的 反 射 率 置 于 风 测 量 原 理 与 反 射 率 (dbz) 测 量 不 一 样, 反 射 率 测 量 是 信 号 强 度 的 测 量, 而 风 测 量 是 根 据 在 信 号 相 位 上 进 行 的 多 普 勒 检 测 来 完 成 测 量 的, 而 且 只 要 接 收 到 的 信 号 高 于 噪 声 电 平 ( 即 113 dbm) 就 可 以 进 行 测 量 为 了 避 免 可 能 由 于 由 噪 声 变 化 或 非 气 象 原 因 引 起 的 相 位 检 测, 对 某 些 雷 达, 考 虑 了 超 过 噪 声 3 db 的 门 限 ( 即 110 dbm), 而 某 些 其 它 气 象 雷 达 能 够 处 理 S/N 电 平 低 于 3 db 到 6 db 的 情 况 还 必 须 指 出, 是 在 下 雨 和 晴 空 两 种 条 件 下 完 成 这 样 的 测 量 在 下 雨 情 况 下, 接 收 电 平 与 图 2 中 所 描 述 的 相 似 而 在 晴 空 条 件 下, 相 应 的 折 射 率 电 平 很 低 是 可 以 很 容 易 理 解 的, 而 且, 在 距 离 大 致 上 大 于 30 到 50 km 的 地 方, 将 无 法 进 行 风 测 量 A max 斜 率 = 门

12 10 ITU-R M.1849 建 议 书 对 于 ( 与 脉 冲 响 应 和 距 离 波 门 相 对 应 的 ) 每 一 估 计 而 言, 把 相 位 和 反 射 率 数 值 看 作 一 个 矢 量, 而 且 对 一 给 定 的 雷 达 网 格 的 像 素 而 言, 得 到 的 风 矢 量 为 所 有 单 个 矢 量 的 组 合 这 意 味 着 每 一 估 计 的 相 位 是 与 相 应 的 反 射 率 的 模 相 协 调 的, 而 表 示 高 反 射 率 的 单 个 估 计 ( 即 矢 量 的 模 ) 能 够 决 定 像 素 的 测 量 结 果 使 用 风 测 量 来 得 到 两 套 不 同 的 风 产 品 : 与 降 水 显 示 相 似 的 在 雷 达 网 格 上 的 径 向 速 度 ; 垂 直 方 位 显 示 (VAD), 为 了 从 雷 达 上 计 算 垂 直 方 向 上 的 风 廓 线, 综 合 了 半 径 为 几 公 里 或 几 十 公 里 情 况 下 ( 所 有 高 度 上 ) 的 完 整 数 据 3.3 在 GHz 频 带 中 气 象 雷 达 工 作 的 实 例 在 GHz 频 率 范 围 内 ( 即 波 长 在 2.5 cm 到 4 cm 范 围 内 ) 工 作 的 气 象 雷 达 可 以 检 测 出 更 小 的 质 点 一 般, 这 些 气 象 雷 达 用 于 有 关 云 层 形 成 的 研 究, 因 为 它 们 有 检 测 出 很 小 的 水 质 点 和 少 量 降 水 的 能 力 对 10 dbz 气 候 目 标, 它 们 的 典 型 检 测 距 离 为 30 km, 而 且 它 们 以 相 对 低 的 功 率 电 平 ( 例 如 12 kw) 进 行 工 作 在 GHz 频 率 范 围 内 工 作 的 雷 达 网 络 也 正 在 进 行 研 究, 它 用 检 测 恶 劣 气 候 先 兆 的 方 法, 来 作 为 弥 补 现 有 气 象 雷 达 系 统 不 足 的 一 个 手 段 使 用 工 作 于 8-12 GHz 频 率 范 围 的 雷 达 作 气 候 探 测 的 缺 点 是 在 下 雨 时 可 能 会 受 到 比 较 大 的 信 号 衰 减 量 在 中 雨 到 大 雨 的 条 件 下, 信 号 衰 减 特 别 严 重, 在 这 一 情 况 下, 反 射 率 因 子 大 于 40 dbz 只 要 在 衰 减 后 雷 达 能 够 得 到 可 以 检 测 出 的 信 号, 就 能 够 完 成 速 度 测 量 并 能 够 将 衰 减 率 的 估 计 应 用 于 修 正 反 射 率 的 值 双 极 化 测 量 对 修 正 衰 减 值 可 能 是 特 别 有 效 的 ( 例 如 Lim 和 Chandrasekar 在 2005 年 发 表 的 论 文 ) 一 旦 被 衰 减 的 信 号 电 平 跌 落 到 雷 达 的 灵 敏 度 以 下, 就 不 可 能 进 行 速 度 测 量 当 无 法 实 现 速 度 测 量 时, 要 危 及 雷 达 检 测 出 灾 难 性 气 候 的 能 力 为 了 定 量 研 究 局 部 干 扰 对 这 些 系 统 的 影 响 和 为 了 确 定 为 保 护 这 些 系 统 所 需 要 的 I/N 的 大 小, 将 必 须 进 行 更 多 的 分 析 研 究 和 现 场 测 量 4 气 象 雷 达 与 其 它 雷 达 的 比 较 大 多 数 雷 达 用 于 检 测 和 跟 踪 在 雷 达 的 检 测 范 围 内 的 点 目 标 在 比 较 中, 气 象 雷 达 并 不 专 注 于 检 测 离 散 的 目 标 它 们 测 量 雷 达 周 围 的 整 个 大 气 为 了 提 供 完 整 的 大 气 测 量 结 果, 处 理 来 自 沿 每 一 径 向 的 每 一 距 离 单 元 的 回 波, 一 般 被 称 为 体 积 扫 描 因 此, 术 语 检 测 概 率 (p d ) 通 常 并 不 用 来 表 征 气 象 雷 达 事 实 上, 对 数 据 用 户 来 说, 没 有 信 号 回 波 也 是 一 个 信 息, 因 为 它 指 示 出 晴 朗 的 大 气 条 件 正 如 术 语 体 积 扫 描 所 表 明 的 那 样, 为 了 构 建 大 气 条 件 的 完 整 表 达 式, 雷 达 进 行 大 气 体 积 的 扫 描 虽 然 许 多 类 型 的 雷 达 跟 踪 离 散 的 目 标, 以 便 根 据 回 波 脉 冲 的 特 性 导 出 各 种 信 息 ( 速 度 雷 达 横 截 面 等 ), 但 是, 气 象 雷 达 几 乎 提 供 所 有 的 信 息 是 气 象 雷 达 回 波 脉 冲 的 特 性

13 ITU-R M.1849 建 议 书 11 除 非 空 气 是 绝 对 干 净 的, 气 象 雷 达 接 收 和 处 理 沿 着 径 向 的 几 乎 所 有 距 离 单 元 的 回 波 脉 冲 典 型 的 气 象 雷 达 系 统 的 运 行 评 估 的 标 准 包 含 下 列 各 项 : a) 技 术 问 题, b) 报 警 性 能, c) 衍 生 产 品 的 质 量 和 可 靠 性 技 术 问 题 包 括 许 多 因 素, 如 在 特 定 高 度 上 的 覆 盖 空 间 和 时 间 的 分 辨 率 灵 敏 度 多 普 勒 覆 盖 和 雷 达 的 可 用 性 可 以 把 报 警 性 能 视 为 客 观 的 度 量 标 准, 但 是 事 实 上, 它 是 直 接 与 检 测 的 能 力 相 联 系 的 主 要 衍 生 产 品 反 射 率 平 均 径 向 速 度 和 谱 宽 度 的 质 量 和 可 靠 性 影 响 到 气 象 预 报 员 发 布 灾 难 性 气 候 警 报 和 及 时 准 确 地 发 布 预 报 的 能 力 4.1 关 于 保 护 标 准 的 特 殊 性 对 跟 踪 离 散 目 标 的 雷 达 而 言, 假 定 I/N = 6 db 是 可 以 接 受 的, 这 将 导 致 检 测 距 离 缩 短 6% 事 实 上, 这 些 雷 达 所 接 收 到 的 信 号 与 1/r 4 (r 为 距 离 ) 成 正 比, 所 以, 可 以 到 达 的 自 由 空 间 距 离 与 所 得 到 的 SNR 的 开 4 次 方 的 根 成 比 例 I/N = 6 db 相 当 于 噪 声 功 率 电 平 增 加 1 db, 因 而 相 当 于 噪 声 功 率 增 加 因 子 1.26 所 以, 所 得 到 的 自 由 空 间 距 离 缩 短 了 因 子 1/ (1.26 1/4 ), 或 1/1.06, 即 工 作 距 离 的 能 力 约 缩 短 了 6% 对 气 象 雷 达 而 言, 情 况 就 不 同 了, 目 标 是 分 布 式 的, 因 为 一 般 降 水 经 常 充 满 了 整 个 比 较 窄 的 雷 达 射 束 使 用 2.2 中 所 提 出 的 雷 达 公 式, 分 布 式 目 标 导 致 接 收 到 的 信 号 与 1/r 2 成 正 比, 因 而, 自 由 空 间 距 离 与 所 得 到 的 SNR 的 平 方 根 成 正 比 在 这 样 的 情 况 下, 对 气 象 雷 达 而 言, 相 似 的 可 以 接 受 的 工 作 距 离 能 力 缩 短 6% 需 要 干 扰 功 率 因 子 为 1.12( 而 不 是 对 其 它 类 型 雷 达 的 1.26), 这 相 当 于 噪 声 增 加 0.5 db, 从 而 导 致 I/N = 10 db 8 说 明 了 这 一 标 准 的 详 细 形 成 过 程 和 理 由 4.2 关 于 发 射 方 案 和 扫 描 策 略 的 特 殊 性 为 了 保 证 体 积 扫 描 处 理 ( 典 型 值 在 15 分 钟 范 围 内 ), 气 象 雷 达 在 不 同 的 仰 角 上 使 用 许 多 不 同 的 发 射 方 案, 在 所 谓 的 扫 描 策 略 中, 使 用 许 多 套 不 同 的 脉 冲 宽 度 脉 冲 重 复 频 率 (PRF) 和 旋 转 速 度 遗 憾 的 是 没 有 典 型 方 案, 因 为 它 们 随 许 多 因 素 而 变 化, 例 如 用 于 所 需 要 的 气 象 产 品 的 雷 达 容 量 和 雷 达 环 境 根 据 欧 洲 C 频 带 气 象 雷 达 的 调 查 研 究, 已 经 确 认 不 同 的 发 射 方 案 参 数 所 呈 现 的 范 围 相 当 大 : 工 作 仰 角 范 围 从 0 到 90 脉 冲 宽 度 范 围 从 0.5 到 2.5 μs( 对 工 作 的 雷 达 ) 对 于 未 压 缩 的 脉 冲, 现 有 的 雷 达 的 脉 冲 宽 度 能 够 达 3.3 μs, 而 某 些 雷 达 使 用 脉 冲 压 缩, 脉 冲 宽 度 约 40 μs, 而 且 预 料 将 来 会 达 到 100 μs 脉 冲 重 复 频 率 (PRF) 范 围 从 250 到 1200 Hz( 对 工 作 雷 达 ) 现 在 雷 达 的 PRF 可 以 达 2400 Hz 旋 转 速 度 范 围 从 1 到 6 rpm

14 12 ITU-R M.1849 建 议 书 在 一 给 定 的 雷 达 上, 使 用 不 同 的 发 射 方 案, 这 些 方 案 同 时 使 用 不 同 的 脉 冲 宽 度 和 PRF 和 特 别 是 使 用 固 定 的 错 列 的 或 交 叉 的 PRF( 即 在 单 一 方 案 期 间 有 不 同 的 PRF) 下 面 提 供 某 些 这 样 不 同 的 发 射 方 案 的 实 例 : 图 6 固 定 的 PRF 图 7 错 列 的 PRF 图 8 双 重 交 叉 的 PRF( 双 PRT) 图 9 三 重 交 叉 的 PRF( 三 PRT)

15 ITU-R M.1849 建 议 书 13 在 它 们 的 扫 描 策 略 中, 在 许 多 雷 达 上 使 用 这 些 不 同 的 发 射 方 案, 在 此 期 间, 以 不 同 的 仰 角 和 旋 转 速 度, 发 射 一 个 发 射 方 案 必 须 强 调 的 是 各 个 雷 达 与 这 些 典 型 的 方 案 相 联 系 的 PRF 和 脉 冲 宽 度 值 在 上 面 规 定 的 范 围 以 内 变 化 此 外, 对 一 给 定 的 方 案, 各 个 脉 冲 的 脉 冲 宽 度 可 以 逐 个 脉 冲 变 化 下 面 是 这 样 的 扫 描 策 略 的 一 个 例 子 图 10

16 14 ITU-R M.1849 建 议 书 图 有 关 噪 声 校 准 的 特 殊 性 考 虑 到 气 象 雷 达 的 回 波 信 号 相 当 弱, 为 了 达 到 最 精 确 的 测 量 和 恢 复 出 有 关 的 气 象 产 品, 必 须 从 信 号 中 扣 除 噪 声 电 平 注 意 噪 声 电 平 N 和 有 用 信 号 S( 即 气 象 信 号 的 回 波 信 号 ), 气 象 雷 达 完 成 下 面 的 程 序 : 1 对 每 一 个 波 门, 雷 达 测 量 回 波 信 号, 所 以 相 当 于 测 量 了 有 用 信 号 (S) 和 噪 声 (N), 即 N+S 2 为 了 得 到 S, 从 N+S 中 扣 除 噪 声 电 平 N 3 然 后, 雷 达 能 够 从 S(dBm) 中 确 定 所 有 气 象 产 品, 如 ( 从 反 射 率 因 子 (dbz) 导 出 的 ) 降 水 或 由 多 普 勒 分 析 导 出 的 风 速 为 了 得 到 更 精 确 的 气 象 产 品, 信 号 S 必 须 尽 可 能 准 确, 这 就 意 味 着 雷 达 的 噪 声 校 准 是 一 个 至 关 重 要 的 问 题

17 ITU-R M.1849 建 议 书 15 所 以, 在 常 规 的 雷 达 发 射 ( 通 过 估 计 ) 期 间 或 者 在 测 量 噪 声 的 特 定 的 时 间 段 ( 见 上 面 典 型 的 扫 描 策 略 ) 期 间, 都 是 按 常 规 完 成 这 一 噪 声 校 准, 也 就 是 所 谓 的 零 校 验 在 许 多 情 况 下, 在 没 有 任 何 雷 达 发 射 的 条 件 下 进 行 噪 声 测 量 ( 特 别 是 这 可 能 对 用 来 检 测 雷 达 信 号 以 减 轻 干 扰 的 某 些 无 线 电 系 统 的 设 计 有 影 响 ) 在 所 有 情 况 下, 在 完 成 下 一 次 无 干 扰 的 噪 声 校 准 之 前, 在 噪 声 检 验 校 准 期 间 所 接 收 到 的 干 扰 都 将 严 重 损 害 所 有 数 据 的 采 集 5 气 象 雷 达 的 工 作 模 式 典 型 的 多 普 勒 气 象 雷 达 以 两 种 使 用 者 可 以 选 择 的 模 式 进 行 工 作 : 晴 空 模 式 和 降 水 模 式 晴 空 模 式 需 要 使 用 者 人 工 选 择 降 水 模 式 可 以 在 任 何 工 作 时 间 上 人 工 做 出 选 择 或 者 只 要 气 象 雷 达 ( 根 据 预 先 决 定 的 反 射 率 值 和 区 域 覆 盖 ) 一 检 测 出 降 水 就 可 以 自 动 以 降 水 模 式 工 作 5.1 晴 空 模 式 晴 空 模 式 给 气 象 雷 达 提 供 了 检 测 出 降 水 活 动 的 早 期 征 兆 的 能 力 在 低 风 速 和 低 空 气 密 度 下 存 在 某 些 用 来 探 测 潜 在 降 水 的 变 量 雷 达 使 用 低 速 扫 描, 与 低 脉 冲 重 复 频 率 (PRF) 相 结 合, 以 便 利 用 高 灵 敏 度 的 能 力 这 一 高 灵 敏 度 对 大 范 围 的 大 气 条 件 的 很 微 妙 的 变 化 是 比 较 理 想 的 当 在 雷 达 的 传 播 范 围 内 几 乎 没 有 对 流 活 动 时, 晴 空 模 式 是 特 别 有 用 的, 而 且 这 一 模 式 非 常 适 合 于 检 测 出 形 成 雷 暴 或 其 它 恶 劣 气 候 的 征 兆 气 象 雷 达 的 高 灵 敏 度 是 由 于 在 晴 空 模 式 内 的 体 积 扫 描 型 式 得 到 的 通 过 选 择 晴 空 模 式 的 图 案, 雷 达 天 线 能 够 在 比 较 长 的 时 间 内 详 细 研 究 任 一 给 定 的 空 间 体 积 和 接 收 多 个 回 波 信 号, 直 到 有 可 能 以 比 较 低 的 S/N 进 行 工 作 为 止 对 一 给 定 的 反 射 率 dbz 值, 使 用 宽 的 脉 冲 宽 度 和 低 脉 冲 重 复 频 率 提 供 了 约 8 db 的 回 波 功 率 5.2 降 水 模 式 降 水 模 式 与 晴 空 模 式 相 比, 它 完 成 完 全 不 同 的 任 务 降 水 模 式 的 扫 描 速 度 是 仰 角 的 一 个 函 数 这 一 相 关 性 考 虑 了 在 对 整 个 雷 达 体 积 在 取 样 中 可 能 出 现 的 最 高 仰 角 值 为 了 以 不 同 的 仰 角 取 样 实 现 不 同 类 型 的 扫 描 策 略 ( 见 4.2 中 的 例 子 ), 降 水 模 式 利 用 多 体 积 覆 盖 的 图 案 (VCP) 通 常 在 降 水 模 式 中 所 监 视 的 气 候 事 件 是 与 降 水 的 形 成 联 系 在 一 起 的, 包 括 强 对 流 天 气 ( 阵 雨 冰 雹 雷 暴 龙 卷 风 等 ) 和 大 规 模 的 天 气 系 统 6 气 象 雷 达 数 据 产 品 为 了 更 好 地 理 解 气 象 雷 达 用 于 干 扰 分 析 和 频 谱 管 理, 必 须 考 虑 两 类 气 象 雷 达 数 据 产 品 : 基 本 数 据 产 品 和 衍 生 数 据 产 品

18 16 ITU-R M.1849 建 议 书 6.1 常 规 气 象 雷 达 的 基 本 数 据 产 品 多 普 勒 气 象 雷 达 从 回 波 信 号 中 产 生 三 类 基 本 数 据 产 品 : 基 本 反 射 率 平 均 径 向 速 度 和 谱 宽 度 所 有 更 高 级 的 产 品 都 是 根 据 这 三 种 基 本 产 品 来 产 生 的 经 常 把 基 本 产 品 的 精 确 度 规 定 为 雷 达 设 计 的 主 要 性 能 要 求 若 不 在 这 一 低 级 别 产 品 上 规 定 所 要 求 的 精 确 度, 就 无 法 达 到 高 级 别 衍 生 产 品 的 精 确 度 在 以 前 ITU-R 对 气 象 雷 达 的 研 究 中, 使 用 容 许 干 扰 对 基 本 产 品 数 据 的 影 响 作 为 保 护 标 准 的 一 个 度 量 标 准 例 如, 在 研 究 中 使 用 具 有 表 1 中 所 列 出 的 基 本 数 据 精 度 的 有 代 表 性 的 雷 达, 以 便 确 定 会 导 致 雷 达 不 再 满 足 设 计 要 求 所 对 应 的 干 扰 噪 声 比 第 8.3 节 和 ITU-R M.2136 报 告 的 附 件 1 论 述 了 确 定 气 象 雷 达 保 护 标 准 的 详 细 资 料 表 1 典 型 气 象 雷 达 ( MHz) 的 基 本 数 据 精 确 度 基 本 数 据 产 品 基 本 反 射 率 平 均 径 向 速 度 谱 宽 度 设 计 的 精 确 度 要 求 <1dB <1m/s <1m/s 基 本 反 射 率 基 本 反 射 率 在 多 种 气 象 雷 达 应 用 中 使 用, 其 中 最 重 要 的 是 降 雨 强 度 估 计 基 本 反 射 率 是 回 波 脉 冲 的 强 度, 它 是 根 据 回 波 功 率 的 线 性 平 均 值 计 算 出 来 的 对 雷 达 的 任 何 干 扰 与 回 波 脉 冲 的 功 率 相 加, 造 成 反 射 率 的 数 值 产 生 偏 差 若 偏 差 超 过 了 基 本 数 据 的 精 确 度 要 求, 就 可 能 损 害 反 射 率 的 测 量 平 均 径 向 速 度 平 均 径 向 速 度 也 称 为 平 均 多 普 勒 速 度, 它 代 表 在 一 给 定 的 体 积 取 样 内 的 目 标 的 反 射 率 的 加 权 平 均 速 度 平 均 径 向 速 度 指 的 是 谱 密 度 的 一 次 矩, 而 径 向 速 度 指 的 是 基 本 数 据 一 般, 它 是 根 据 大 量 连 续 的 脉 冲 来 确 定 的, 并 且 它 是 从 单 个 延 迟 的 复 方 差 的 幅 角 计 算 出 来 的 复 数 协 方 差 的 幅 角 提 供 了 雷 达 脉 冲 间 的 多 普 勒 信 号 矢 量 角 位 移 的 一 个 估 计 多 普 勒 矢 量 角 速 度 等 于 角 位 移 除 以 脉 冲 间 的 时 间 间 隔 多 普 勒 谱 显 示 了 在 雷 达 体 积 内 的 反 射 率 和 速 度 的 加 权 分 布 作 为 宽 频 带 噪 声 出 现 的 干 扰 信 号 在 复 平 面 上 有 均 匀 的 概 率, 因 而, 它 既 不 会 引 进 多 普 勒 矢 量 的 系 统 性 旋 转, 也 不 会 引 起 估 计 值 的 偏 差 然 而, 复 合 的 信 号 加 干 扰 的 随 机 性 使 多 普 勒 信 号 估 计 值 的 方 差 增 加

19 ITU-R M.1849 建 议 书 谱 宽 度 在 气 象 雷 达 设 计 中, 假 设 高 斯 频 谱 分 布, 由 单 个 时 滞 相 关 性 计 算 谱 宽 度 它 是 在 雷 达 取 样 体 积 内 速 度 发 散 的 一 个 量 度 并 且 是 速 度 谱 的 标 准 偏 差 谱 宽 度 取 决 于 脉 冲 体 积 上 的 反 射 率 和 速 度 梯 度 以 及 在 脉 冲 体 积 内 的 湍 流 [Doviak 和 Zrnic,1984] 2 在 谱 宽 度 计 算 中 使 用 的 取 样 没 有 取 平 均 然 而, 取 样 系 列, 即 沿 径 向 的 取 样 的 实 部 和 虚 部 是 累 计 的 6.2 双 极 化 气 象 雷 达 产 品 微 分 反 射 率 微 分 反 射 率 是 与 偏 振 测 定 的 气 象 雷 达 有 关 的 一 个 产 品, 它 是 所 反 射 的 回 波 的 水 平 极 化 功 率 和 垂 直 极 化 功 率 的 比 值 它 也 是 雨 滴 形 状 的 一 个 很 好 的 指 示 从 而, 形 状 是 雨 滴 平 均 大 小 的 一 个 很 好 的 估 计 相 关 系 数 相 关 系 数 是 偏 振 测 定 气 象 雷 达 的 产 品, 而 且 它 是 所 反 射 的 回 波 的 水 平 极 化 和 垂 直 极 化 功 率 之 间 的 统 计 相 关 性 相 关 系 数 描 述 了 水 平 极 化 回 波 和 垂 直 极 化 回 波 的 反 向 散 射 特 性 中 的 相 似 性 它 是 存 在 混 合 型 降 水 ( 如 降 雨 和 降 雪 ) 的 地 区 的 一 个 很 好 的 标 志 线 性 去 耦 比 偏 振 测 定 气 象 雷 达 的 另 一 个 产 品 是 线 性 去 耦 比, 它 是 从 水 平 极 化 脉 冲 中 返 回 的 垂 直 极 化 功 率 或 者 从 垂 直 极 化 脉 冲 中 返 回 的 水 平 极 化 功 率 的 比 率 它 也 是 出 现 混 合 型 降 水 地 区 的 一 个 很 好 标 志 比 微 分 相 位 比 微 分 相 位 也 是 偏 振 测 定 气 象 雷 达 的 一 个 产 品 它 是 在 水 平 极 化 脉 冲 和 垂 直 极 化 脉 冲 之 间 回 波 相 位 差 的 一 个 比 较 这 一 相 位 差 是 水 平 和 垂 直 极 化 波 的 传 播 路 径 上 波 周 期 ( 或 波 长 ) 的 数 目 差 别 所 产 生 的 不 应 该 把 它 与 多 普 勒 频 移 混 淆 起 来, 多 普 勒 频 移 是 由 云 和 降 水 质 点 的 运 动 引 起 的 与 微 分 反 射 率 相 关 系 数 和 线 性 去 耦 比 不 一 样, 它 们 都 与 所 反 射 的 功 率 有 关 系, 但 是 比 微 分 相 位 是 一 种 传 播 效 应 它 也 是 雨 强 的 一 个 很 好 的 估 计 6.3 衍 生 数 据 产 品 处 理 器 使 用 基 本 数 据 产 品 为 雷 达 使 用 者 生 产 出 更 高 级 的 衍 生 数 据 产 品 本 文 将 不 详 尽 地 论 述 衍 生 数 据 产 品, 因 为 不 同 雷 达 的 衍 生 产 品 是 变 化 的, 并 且 衍 生 产 品 的 数 量 十 分 大 为 了 保 证 衍 生 数 据 产 品 的 准 确 度, 基 本 数 据 产 品 必 须 保 持 准 确 2 DOVIAK, R. J. and ZRNIC. D. S. [1984] Doppler and Weather Observations. Academic Press, Inc. San Diego, United States of America.

20 18 ITU-R M.1849 建 议 书 7 天 线 辐 射 图 和 天 线 动 态 气 象 雷 达 一 般 使 用 抛 物 反 射 器 天 线, 这 种 天 线 产 生 笔 形 射 束 天 线 辐 射 图 用 于 抛 物 面 天 线 的 ITU 标 准 天 线 辐 射 图 不 适 用 于 气 象 雷 达 所 用 的 天 线, 因 为 气 象 雷 达 所 产 生 的 主 射 束 辐 射 图 常 常 比 实 际 的 笔 形 射 束 辐 射 图 宽 得 多 与 使 用 准 确 的 天 线 辐 射 图 相 比 较, 使 用 较 宽 的 天 线 辐 射 图 提 供 的 频 率 共 用 结 果 经 常 表 明 有 更 严 重 的 干 扰 问 题 7.1 体 积 扫 描 天 线 的 运 动 体 积 扫 描 产 生 仰 角 切 割 所 需 要 的 水 平 和 垂 直 覆 盖 是 通 过 天 线 以 恒 定 的 仰 角 在 水 平 面 内 旋 转 来 达 到 的 在 每 一 仰 角 切 割 以 后, 天 线 仰 角 增 加 一 个 预 先 设 定 的 量 一 般, 最 低 的 仰 角 切 割 在 0º 到 1º 范 围 内, 而 最 高 的 仰 角 在 20º 到 30º 的 范 围 内, 尽 管 某 些 应 用 可 以 使 用 最 高 60º 的 仰 角 天 线 的 旋 转 速 度 是 变 化 的, 取 决 于 气 候 条 件 和 当 时 所 需 要 的 产 品 为 了 性 能 达 到 最 佳, 调 节 旋 转 速 度 以 及 仰 角 的 范 围 中 间 仰 角 位 置 和 脉 冲 重 覆 频 率 低 速 旋 转 天 线 给 每 一 径 向 提 供 比 较 长 的 停 顿 时 间, 以 便 得 到 最 高 的 灵 敏 度 当 希 望 尽 可 能 快 地 覆 盖 整 个 体 积 时, 天 线 旋 转 速 度 快 使 得 操 作 人 员 有 可 能 在 短 时 间 内 产 生 体 积 扫 描 仰 角 分 档 和 旋 转 速 度 的 改 变 可 能 导 致 体 积 扫 描 探 测 时 间 在 1 分 钟 到 最 长 15 分 钟 范 围 内 变 化 与 以 恒 定 的 仰 角 旋 转 的 其 它 雷 达 相 比 较, 整 个 体 积 扫 描 的 时 间 比 较 长, 使 得 它 有 必 要 做 更 长 时 间 的 动 态 仿 真, 以 得 到 结 果 的 统 计 上 有 意 义 的 取 样 结 果 7.2 其 它 的 天 线 运 动 策 略 对 特 殊 的 用 途 和 研 究 工 作 而 言, 气 象 雷 达 也 使 用 其 它 的 天 线 运 动 策 略 使 用 扇 区 扫 描 得 到 部 分 仰 角 切 割 扇 区 体 积 扫 描 对 360º 方 位 角 的 一 部 分 进 行 体 积 扫 描, 在 360º 内, 天 线 采 取 多 仰 角 切 割 第 三 个 模 式 将 天 线 固 定 在 恒 定 方 位 角 和 仰 角 上, 以 便 监 视 大 气 中 的 特 殊 点 所 有 三 种 策 略 使 得 雷 达 操 作 人 员 能 够 把 注 意 力 集 中 在 大 气 的 特 定 部 分 上 7.3 天 线 辐 射 图 只 要 有 可 能, 就 应 该 使 用 被 研 究 雷 达 的 实 际 天 线 辐 射 图 进 行 频 率 共 用 研 究 但 是, 在 无 法 得 到 实 际 天 线 辐 射 图 的 情 况 下, 用 来 导 出 有 代 表 性 的 天 线 特 性 的 一 套 通 用 的 曲 线 或 公 式 可 能 是 有 用 的 在 雷 达 干 扰 分 析 中, 现 在 使 用 三 种 雷 达 天 线 辐 射 图 的 数 学 模 型, 这 些 数 学 模 型 分 别 在 ITU-R F.1245 ITU-R M.1652 和 ITU-R F.699 建 议 书 中 加 以 说 明 虽 然 它 们 是 抛 物 面 天 线 有 代 表 性 的 数 学 模 型, 但 是 与 气 象 雷 达 中 通 常 使 用 的 数 学 模 型 相 类 似, 这 些 建 议 书 有 过 高 估 计 笔 形 射 束 天 线 辐 射 图 射 束 宽 度 的 趋 势 在 ITU-R 内, 目 前 还 没 有 确 定 代 表 这 样 的 笔 形 射 束 天 线 的 雷 达 天 线 辐 射 图 公 式 如 有 必 要, 在 没 有 测 量 数 据 的 条 件 下, 在 包 含 单 个 或 多 个 干 扰 源 的 干 扰 分 析 中, 可 以 使 用 表 2 中 概 要 描 述 的 通 用 天 线 辐 射 图

21 ITU-R M.1849 建 议 书 19 表 2 辐 射 图 选 择 第 1 旁 瓣 电 平 低 于 峰 值 的 范 围 (db) 可 能 选 择 的 天 线 分 布 类 型 方 向 性 图 F(μ) 当 模 板 偏 离 理 论 图 改 变 时 辐 射 图 转 折 点 外 的 模 板 方 程 (db) 模 板 偏 离 理 论 图 改 变 时 的 峰 值 辐 射 图 转 折 点 (db) 模 板 偏 离 理 论 图 改 变 时 平 均 辐 射 图 的 转 折 点 (db) 为 了 将 它 变 换 到 平 均 模 板 而 在 峰 值 图 上 加 的 常 数 (db) 建 议 的 模 板 底 部 电 平 (db) 13.2 到 19 db 20 到 30 db sin ( μ) ; μ = μ π 50.8 sin ( θ) / θ 均 匀 ( ) 3 π cos ( μ) 2 2 π μ 2 COS ( ) 3 2 ; μ = π 68.8 sin ( θ) / θ θ ln θ θ ln 2.33 θ 到 38 db 2 π sin ( μ) ; μ = 2 μ 2 2 π μ π 83.2 sin ( θ) / θ COS 2 ( ) 3 θ ln θ db 或 以 上 3 π cos ( μ) 1 1 ; COS π 2 3 π 2 μ μ 2 2 μ = ( π 95 sin ( θ) )/ θ3 θ ln θ3

22 20 ITU-R M.1849 建 议 书 8 干 扰 和 太 阳 噪 声 对 气 象 雷 达 的 效 应 确 定 干 扰 对 用 于 检 测 点 目 标 的 雷 达 的 效 应 是 相 当 简 单 的 通 过 将 经 过 仿 真 的 已 知 目 标 注 入 该 雷 达 并 且 直 观 地 确 定 目 标 丢 失 或 产 生 假 目 标 的 那 个 干 扰 电 平, 就 能 够 完 成 试 验 正 如 在 操 作 人 员 控 制 台 所 显 示 的 那 样, 从 气 象 雷 达 体 积 扫 描 来 的 衍 生 数 据 产 品 的 直 观 检 查 没 有 提 供 干 扰 是 否 已 经 使 雷 达 性 能 劣 化 的 明 显 指 示 例 如, 若 干 扰 将 造 成 基 本 反 射 率 数 据 偏 差 1 db, 在 降 雨 的 图 形 显 示 上, 它 将 是 不 明 显 的 然 而, 若 体 积 扫 描 的 大 部 分 时 间 都 存 在 干 扰, 则 在 受 影 响 的 体 积 内, 每 一 单 元 和 每 一 距 离 单 元 都 将 有 偏 差 累 积 效 应 是 在 一 地 理 区 域 内 显 著 过 高 地 估 计 降 雨 量 在 日 出 和 日 落 期 间, 所 有 的 气 象 雷 达 都 要 经 受 太 阳 闪 频 干 扰 在 体 积 扫 描 期 间, 只 要 天 线 主 射 束 与 太 阳 成 一 直 线, 就 产 生 太 阳 闪 频 干 扰 在 气 象 雷 达 这 种 特 殊 情 况 下, 太 阳 闪 频 的 效 应 导 致 在 太 阳 方 向 上 沿 着 一 到 两 个 径 向 丢 失 全 部 数 据 应 该 指 出 的 是 太 阳 闪 频 是 可 以 预 测 的, 这 就 有 可 能 为 在 雷 达 指 示 方 向 的 方 位 角 上 进 行 校 准 创 造 了 条 件 太 阳 的 效 应 是 不 希 望 有 的, 但 是 它 是 可 以 预 测 的 而 其 它 形 式 的 干 扰 和 噪 声, 其 位 置 和 强 度 是 未 知 的 和 无 法 预 测 的 或 者 无 法 容 易 地 通 过 处 理 或 操 作 人 员 解 释 来 解 决 干 扰 以 两 种 不 同 的 方 式 影 响 基 本 产 品 第 一, 数 值 可 能 发 生 偏 差, 这 将 降 低 系 统 的 准 确 度 ; 第 二, 可 能 影 响 输 出 的 方 差 在 有 干 扰 的 情 况 下, 反 射 率 对 偏 差 比 较 敏 感, 而 平 均 径 向 速 度 对 方 差 误 差 比 较 敏 感, 而 谱 宽 度 受 偏 差 和 方 差 误 差 两 者 所 影 响 对 谱 宽 度 而 言, 由 偏 差 所 引 起 的 误 差 比 由 方 差 引 起 的 误 差 更 重 要, 因 为 偏 差 或 偏 置 代 表 速 度 测 量 误 差, 而 方 差 代 表 所 测 得 的 速 度 的 不 确 定 性 8.1 干 扰 对 工 作 模 式 的 效 应 在 晴 空 模 式 中, 回 波 信 号 的 信 号 噪 声 比 是 最 低 的, 而 且 数 据 最 容 易 受 干 扰 影 响 而 出 错 一 般, 当 在 晴 空 模 式 下 工 作 时, 气 象 学 家 正 在 寻 找 强 对 流 的 最 初 征 兆, 因 为 它 可 能 发 展 成 为 恶 劣 天 气 和 也 许 会 发 展 成 为 龙 卷 风 大 气 对 流 的 检 测 需 要 检 测 出 由 散 射 体 产 生 的 细 线, 这 些 细 线 表 明 了 引 发 大 气 对 流 的 不 连 续 性 的 分 界 线 这 些 大 气 对 流 区 域 的 宽 度 经 常 是 一 到 二 条 径 向 宽 度 的 量 级, 而 且 沿 那 些 径 向 的 干 扰 将 妨 碍 检 测 所 以, 甚 至 很 短 暂 的 平 静 时 期 的 干 扰 都 可 能 导 致 错 过 检 测 出 正 在 形 成 的 恶 劣 天 气 的 机 会 若 在 体 积 扫 描 期 间 丢 失 了 沿 关 键 径 向 的 信 息, 检 测 将 被 延 迟 10 分 钟 左 右, 一 直 到 体 积 扫 描 将 天 线 位 置 回 到 大 气 的 那 个 区 域 为 止 从 通 信 雷 达 产 品 产 生 和 使 用 者 处 理 及 显 示 的 观 点 来 看, 降 水 模 式 是 更 符 合 要 求 的 模 式 对 降 水 模 式 而 言, 几 乎 所 有 的 算 法 依 赖 于 反 射 率 平 均 速 度 和 谱 宽 度 等 基 本 数 据 来 产 生 供 操 作 人 员 使 用 的 衍 生 产 品

23 ITU-R M.1849 建 议 书 干 扰 对 基 本 产 品 的 影 响 干 扰 通 过 两 种 不 同 的 方 式 影 响 基 本 产 品 第 一, 数 值 可 能 发 生 偏 差, 这 将 降 低 系 统 的 准 确 度 ; 第 二, 可 能 影 响 输 出 的 方 差 在 有 干 扰 的 情 况 下, 反 射 率 对 偏 差 比 较 敏 感, 平 均 径 向 速 度 对 方 差 误 差 比 较 敏 感, 而 谱 宽 度 受 偏 差 和 方 差 误 差 两 者 影 响 对 谱 宽 度 而 言, 由 偏 差 所 引 起 的 误 差 比 由 方 差 引 起 的 误 差 更 重 要, 因 为 偏 差 或 偏 移 代 表 速 度 测 量 的 误 差, 而 方 差 代 表 所 测 得 的 速 度 的 不 确 定 性 反 射 率 是 根 据 功 率 的 线 性 平 均 计 算 出 来 的 在 某 些 气 象 雷 达 中, 反 射 率 估 计 是 对 距 离 单 元 形 成 的, 距 离 单 元 跨 越 250 m, 而 深 度 为 1 条 径 宽 ( 方 位 角 中 约 为 1º) 这 些 系 统 把 多 个 距 离 单 元 取 平 均, 以 便 以 规 定 的 间 隔 产 生 反 射 率 的 估 计 输 出 这 个 四 到 一 的 平 均 处 理 进 一 步 减 轻 了 单 个 脉 冲 上 出 现 的 干 扰 的 效 应 下 一 代 气 象 雷 达 系 统 已 经 计 划 加 上 超 高 分 辨 力 反 射 率 的 产 品, 这 一 产 品 取 消 了 平 均 处 理, 并 以 250 m 的 间 隔 产 生 反 射 率 估 计 此 外, 径 宽 将 减 半 (0.5º), 它 将 仅 使 用 一 半 取 样 总 的 效 应 将 使 取 样 的 大 小 减 少 8 倍 所 以, 与 现 在 的 估 计 相 比, 在 超 高 分 辨 力 反 射 率 产 品 中, 干 扰 的 影 响 可 能 更 显 著 对 多 普 勒 矩 而 言, 干 扰 效 应 是 非 线 性 的 速 度 是 根 据 复 协 方 差 的 模 计 算 出 来 的, 而 谱 宽 度 是 根 据 自 相 关 计 算 出 来 的 信 号 和 干 扰 的 混 合 不 是 像 反 射 率 用 平 均 那 样 线 性 标 度 的 这 些 估 计 是 由 信 号 测 量 的 累 积 得 来 的, 信 号 测 量 由 幅 度 信 息 和 相 角 信 息 两 者 组 成 就 相 干 气 象 雷 达 信 号 而 言, 干 扰 源 很 可 能 有 随 机 的 相 位, 而 且 它 们 对 估 计 准 确 度 的 影 响 是 难 以 预 测 的 就 谱 宽 度 而 言, 干 扰 既 引 入 偏 差, 也 引 起 谱 宽 度 估 计 的 方 差 的 增 加 估 计 中 的 偏 差 是 比 方 差 的 增 加 更 有 害 的 必 须 规 定 测 量 误 差, 以 使 得 能 够 适 当 地 吸 纳 雷 达 的 观 测 结 果 供 数 字 气 候 预 测 用 对 这 一 问 题 有 两 个 有 关 的 问 题 : 1 在 每 一 雷 达 脉 冲 体 积 内, 在 最 初 测 量 中 的 误 差, 其 中 部 分 误 差 是 由 干 扰 信 号 引 起 的 ; 和 2 在 吸 纳 过 程 中 所 使 用 的 雷 达 数 据 估 计 的 代 表 性 对 径 向 速 度 而 言, 最 主 要 的 误 差 来 源 取 决 于 回 波 信 号 的 强 度 和 多 普 勒 速 度 谱 的 扩 散 或 宽 度 而 谱 宽 度 又 主 要 取 决 于 在 脉 冲 体 积 内 和 穿 越 该 脉 冲 体 积 的 反 射 率 和 速 度 梯 度 以 及 在 脉 冲 体 积 内 的 湍 流 [Doviak 和 Zrnic,1984] 事 实 上, 可 靠 的 误 差 估 计 所 需 要 的 各 分 量 本 身 仅 仅 是 测 量 出 来 的, 它 们 有 固 有 的 不 确 定 性, 因 而, 这 些 误 差 的 估 计 是 相 当 复 杂 的 已 经 提 出 了 下 面 的 概 念, 即 对 一 给 定 的 距 离 分 辨 单 元, 气 象 雷 达 对 在 一 径 向 停 顿 时 间 内 的 多 个 脉 冲 回 波 取 平 均 已 经 建 议, 在 短 暂 的 部 分 径 向 停 顿 时 间 内 出 现 干 扰 的 情 况 下, 干 扰 的 效 应 将 用 无 干 扰 的 脉 冲 回 波 取 平 均, 从 而 减 小 了 干 扰 的 效 应 例 如, 若 雷 达 工 作 在 干 扰 噪 声 比 远 低 于 10 db, 但 有 短 时 间 ( 径 向 停 顿 时 间 的 小 百 分 比 ) 超 过 10 db, 则 将 用 无 干 扰 的 回 波 信 号 取 平 均 来 计 算 干 扰 效 应 若 I/N 超 过 了 10 db, 但 不 是 高 干 扰 电 平, 则 可 能 的 结 果 是 平 均 的 回 波 的 反 射 率 偏 差 可 能 仍 在 所 给 出 的 雷 达 设 计 指 标 以 内 遗 憾 的 是 这 一 方 法 可 能 只

24 22 ITU-R M.1849 建 议 书 有 在 干 扰 信 号 或 各 信 号 在 停 顿 时 间 内 是 相 干 的 条 件 下 才 是 有 效 的 因 为 这 不 是 经 常 遇 到 的 情 况, 所 以, 取 平 均 的 方 法 不 是 减 轻 干 扰 对 多 普 勒 矩 的 效 应 的 最 有 效 的 方 法 然 而, 除 了 应 用 频 谱 处 理 的 气 象 雷 达 以 外, 如 果 停 顿 时 间 内 的 平 均 干 扰 为 I/N 小 于 10 db, 取 平 均 可 能 是 减 轻 干 扰 效 应 的 有 效 方 法 正 如 上 面 4.2 中 所 解 释 的 那 样, 对 气 象 雷 达 而 言,I/N = 6 db 导 致 距 离 处 理 能 力 缩 短 约 12%; 而 对 其 它 雷 达 而 言, 缩 短 约 6% 另 一 方 面, 对 气 象 雷 达 而 言, 距 离 处 理 能 力 缩 短 这 样 的 6%( 也 相 当 于 区 域 覆 盖 减 小 11%) 将 相 当 于 噪 声 增 加 0.5 db, 因 而 相 当 于 I/N = 10 db 最 近 完 成 了 恒 定 干 扰 条 件 下 支 持 这 样 的 I/N 为 10 db 的 数 字 的 试 验 ( 见 ITU-R M.2136 报 告 的 附 件 2) 为 了 量 化 保 证 干 扰 不 损 害 偏 振 测 定 雷 达 的 产 品 所 需 要 的 保 护 标 准 电 平, 需 要 从 基 于 数 学 和 测 量 两 方 面 的 观 点 更 多 地 研 究 干 扰 对 偏 振 测 定 的 或 双 极 化 气 象 雷 达 各 产 品 ( 如 微 分 反 射 率 相 关 系 数 线 性 去 极 化 比 和 比 微 分 相 位 ) 的 影 响 应 该 得 出 结 论, 有 了 减 轻 或 防 止 所 有 干 扰 的 指 标 将 使 对 气 象 雷 达 的 干 扰 减 至 最 小 与 使 用 冗 余 和 纠 错 技 术 的 通 信 系 统 不 同, 气 象 雷 达 无 法 重 新 取 得 丢 失 的 信 息 然 而, 当 考 虑 使 用 供 ITU-R 频 率 共 用 研 究 的 雷 达 特 性 时, 其 它 因 素 没 有 必 要 考 虑, 其 它 因 素 在 后 面 各 节 中 论 述 8.3 气 象 雷 达 保 护 标 准 的 数 学 推 导 气 象 雷 达 完 成 三 项 基 本 测 量, 使 用 测 量 结 果, 结 合 操 作 人 员 的 信 息, 导 出 气 象 产 品 三 种 基 本 产 品 是 体 积 反 射 率 径 向 速 度 和 谱 宽 度 其 它 产 品 都 是 从 这 些 基 本 产 品 中 导 出 的 ITU-R M.2136 报 告 的 附 件 1 的 第 2 节 提 供 了 数 学 上 推 导 气 象 雷 达 的 这 三 种 产 品 的 干 扰 标 准 的 详 尽 讨 论, 干 扰 标 准 进 一 步 得 到 试 验 结 果 的 支 持, 证 实 了 推 导 的 正 确 性 虽 然, 干 扰 标 准 是 相 当 方 便 的, 而 且 是 经 常 使 用 的, 单 个 保 护 标 准 的 数 值 不 能 被 准 确 地 应 用 于 工 作 于 单 一 频 带 的 所 有 气 象 雷 达 用 各 不 相 同 的 性 能 指 标 设 计 气 象 雷 达, 那 些 指 标 是 对 特 定 的 气 象 条 件 优 化 的 对 不 同 的 雷 达 应 用, 基 本 产 品 准 确 度 和 雷 达 最 小 的 信 号 噪 声 比 S/N 是 变 化 的 雷 达 所 使 用 的 最 小 S/N 越 低, 要 求 的 保 护 标 准 越 低 信 号 处 理 去 除 了 反 射 率 和 谱 宽 度 测 量 中 雷 达 系 统 噪 声 的 许 多 效 应 结 果, 某 些 系 统 在 信 号 电 平 低 于 接 收 机 噪 声 电 平 的 情 况 下 能 够 提 供 这 些 产 品 的 估 计 雷 达 的 操 作 人 员 选 择 信 号 噪 声 比 (SNR) 的 门 限 3, 某 些 系 统 的 SNR 门 限 能 够 在 12 db 到 6 db 的 范 围 内 在 ITU-R M.2136 报 告 的 附 件 1 的 2 中 所 提 出 的 实 例 中 所 使 用 的 典 型 气 象 雷 达 提 供 了 SNR 低 到 3 db 的 条 件 下 的 有 用 测 量 结 果 在 这 一 电 平 上 和 高 于 这 一 电 平 的 干 扰 将 使 基 本 产 品 的 质 量 劣 化 这 突 出 表 明 了 确 定 保 护 这 些 产 品 的 完 整 性 的 I/N 比 的 必 要 性 3 SNR 门 限 是 处 理 回 波 信 号 的 最 低 电 平

25 ITU-R M.1849 建 议 书 23 只 要 给 出 了 任 何 给 定 的 气 象 雷 达 的 技 术 规 格 和 基 本 数 据 准 确 度 要 求, 就 可 以 导 出 保 证 基 本 产 品 在 偏 差 和 方 差 方 面 不 受 损 害 所 需 要 的 理 论 上 的 I/N 8.4 可 能 干 扰 的 类 型 气 象 雷 达 所 经 受 的 干 扰 可 能 有 不 同 的 类 型 : 恒 定 干 扰 ; 时 变 干 扰 ; 类 似 脉 冲 的 干 扰 第 一 步, 建 议 确 定 相 应 于 保 护 标 准 I/N = 10 db 的 恒 定 干 扰 的 影 响, 然 后 对 其 它 干 扰 源 可 能 的 保 护 标 准 进 行 评 估, 以 保 证 雷 达 性 能 的 劣 化 达 到 相 似 的 水 平 恒 定 干 扰 的 影 响 保 护 标 准 I/N = 10 db 相 当 于 噪 声 或 能 量 的 增 加 为 0.5 db 按 照 雷 达 校 准 的 原 则, 为 了 在 100 km 处 接 收 机 的 噪 声 电 平 ( 即 约 113 dbm) 与 0 dbz 反 射 率 电 平 相 一 致, 噪 声 增 大 改 变 了 雷 达 的 标 称 条 件, 从 而 缩 小 了 雷 达 工 作 范 围 在 这 一 基 础 上, 假 设 典 型 的 MHz 频 带 的 气 象 雷 达 当 前 的 覆 盖 范 围 大 致 上 延 伸 到 200 km, 表 4 汇 总 列 出 了 工 作 范 围 和 覆 盖 的 损 失 与 I/N, 干 扰 噪 声 比 增 加 量 的 关 系 噪 声 增 加 (db) 表 4 工 作 范 围 和 覆 盖 的 损 失 相 应 的 I/N (db) 覆 盖 损 失 (km) 覆 盖 损 失 ( 相 对 于 表 面 的 %) % % % % % % % % % % % 另 一 方 面, 恒 定 干 扰 也 要 造 成 雷 达 所 接 收 到 的 能 量 的 增 加, 在 反 射 率 计 算 中 将 要 考 虑 这 一 问 题

26 24 ITU-R M.1849 建 议 书 根 据 2.2 中 的 描 述, 用 下 式 求 出 与 某 些 反 射 率 电 平 相 对 应 的 降 水 强 度 : Z = AR^B 其 中 : 和 Z: 反 射 率 A: 散 射 常 数 B: 比 率 乘 数 Z =10^ 1 (dbz) 其 中 : dbz: 反 射 率 (db) 把 各 项 重 新 安 排 并 求 解 R, 就 产 生 下 面 的 公 式 : R (mm/h) 1 dbz = 200 假 设 能 量 增 加 常 数 C, 得 到 的 雨 强 为 : R (mm/h) 1 dbz + C = 200 则 用 百 分 数 表 示 的 雨 强 增 加 量 是 一 个 常 数, 由 下 式 给 出 : C 16 ( (mm/h) ) = pr 表 5 对 几 种 类 型 的 降 水 列 出 了 散 射 常 数 和 比 率 乘 数 4 4 根 据 测 量 结 果 得 出 层 状 云 降 雨 对 流 云 降 雨 雪 和 冰 雹 的 散 射 常 数 和 比 率 乘 数

27 ITU-R M.1849 建 议 书 25 表 5 各 种 降 水 事 件 的 散 射 常 数 和 比 率 乘 数 变 量 层 云 雨 对 流 雨 雪 冰 雹 散 射 常 数 (A) 比 率 乘 数 (B) 表 6 汇 总 了 几 种 降 水 事 件 的 降 雨 增 加 的 百 分 数 噪 声 增 加 量 (db) 相 应 的 I/N (db) 层 状 云 雨 强 增 加 量 (%) 表 6 降 水 估 计 汇 总 对 流 雨 强 增 加 量 (%) 降 雪 强 度 增 加 量 (%) 降 冰 雹 强 度 增 加 量 (%) 这 些 计 算 结 果 表 明, 不 管 降 雨 量 和 降 水 类 型 如 何, 与 给 定 的 恒 定 能 量 增 加 相 对 应 的 过 高 估 计 的 百 分 比 也 是 常 数, 所 以 不 能 忽 略 过 高 估 计 的 百 分 数 而 且 考 虑 了 一 给 定 像 素 的 反 射 率 计 算 ( 根 据 所 有 估 计 取 平 均 (dbz)) 和 相 关 的 标 准 偏 差 以 后, 所 有 估 计 的 恒 定 的 能 量 增 加 将 增 加 平 均 数, 但 将 不 改 变 标 准 偏 差 这 意 味 着 它 将 不 会 改 变 雷 达 的 降 雨 检 测 结 果 ( 即 测 量 没 有 被 看 作 一 个 小 雨 区 将 仍 然 没 有 被 看 作 这 样 的 小 雨 区 ), 但 是 它 将 仅 仅 对 雨 强 有 影 响 还 有 必 要 注 意 的 是, 对 覆 盖 损 失 也 好 或 是 过 高 估 计 雨 强 也 好, 保 护 标 准 10 db 代 表 了 雷 达 性 能 劣 化 范 围 在 7% 到 11% 之 间, 这 一 数 值 对 所 有 无 线 电 通 信 业 务 都 是 相 同 的 在 多 普 勒 测 量 的 情 况 下, 一 给 定 恒 定 干 扰 的 影 响 的 估 计 稍 有 不 同, 特 别 是 它 将 取 决 于 干 扰 信 号 的 相 位 可 能 怎 样 改 变 有 用 信 号 的 相 位 这 一 点 上 确 实, 这 后 面 一 个 假 设 不 是 容 易 确 定 的, 并 且 它 将 与 信 号 和 / 或 环 境 相 关 在 下 面 的 案 例 中 考 虑 了 两 种 情 况 :

28 26 ITU-R M.1849 建 议 书 案 例 1: 若 雷 达 所 检 测 到 的 干 扰 信 号 的 相 位 是 随 机 的, 它 意 味 着 不 管 干 扰 信 号 的 电 平 如 何, 得 到 的 矢 量 统 计 上 将 为 零 所 以, 理 论 上, 它 对 风 的 测 量 将 没 有 任 何 影 响

29 ITU-R M.1849 建议书 27 案例2 若所检测的相位不是随机的并且几乎为常数 它将导致有某个模的一个恒定 矢量 而且对风测量的影响将取决于这样的矢量的相位和模两个量 此外 我们还可以假设 当干扰信号电平比有用信号低得多时 不会改变有用信号的相 位 若干扰信号高得多 则雷达所检测到的相位将是干扰信号的相位 对上面案例1和案例2 将要继续讨论 在这两种情况之间的情况下 即当干扰信号和有用信号两者的电平一致时 要估计哪一个信号将决定相位检测似乎是十分困难的 脉冲干扰的影响 脉冲干扰可能对气象学家用于预测恶劣气候事件的反射率数据有重要的影响 在某些情 况下 脉冲干扰可能导致返回的数据无法可靠地产生大气中的目标的图像 图12能够看见这 一现象的例子 图12 无干扰与有干扰破坏下的气象雷达图像 降水模式 对比 图13可以看到来自单个室内的低功率发射机对气象雷达的干扰的一个附加例子

30 28 ITU-R M.1849 建 议 书 图 13 对 气 象 雷 达 的 干 扰 ( 降 水 模 式 ) 在 发 射 脉 冲 信 号 的 干 扰 应 用 的 情 况 下 和 由 于 雨 和 风 的 测 量 是 基 于 大 量 雷 达 脉 冲 取 平 均 的 原 理, 看 来 气 象 雷 达 波 门 ( 脉 冲 宽 度 ) 和 干 扰 源 的 PRF 之 比 很 可 能 将 是 影 响 气 象 雷 达 的 主 要 因 素 在 第 一 个 方 法 中, 假 设 这 一 比 值 可 以 根 据 ITU-R RS.1280 建 议 书 的 3.2 中 给 出 的 公 式 计 算 出 来, 只 要 提 供 两 种 脉 冲 应 用 之 间 重 合 脉 冲 的 比 率 可 以 了 脉 冲 重 合 的 比 率 将 取 决 于 有 用 信 号 的 脉 冲 重 复 频 率 (PRF) 和 无 用 信 号 的 脉 冲 重 复 频 率 的 关 系 是 整 倍 数 ( 案 例 I) 或 不 是 整 倍 数 ( 案 例 II) 重 合 的 脉 冲 的 比 率 f c 由 下 式 求 出 : f c GCF PRF = PRF ( i, PRFg) g ( 对 案 例 I) f ( τ τ ) = PRF + c i g i ( 对 案 例 II) 其 中 : PRF i : 干 扰 脉 冲 频 率 PRF g : 波 门 重 复 频 率 GCF (PRF i, PRF g ):PRF i 和 PRF g 的 最 大 公 约 数 τ i : 干 扰 脉 冲 宽 度 τ g : 波 门 宽 度 请 注 意, 当 τ i > τ g 和 有 用 信 号 和 无 用 信 号 的 PRF 的 关 系 不 是 整 倍 数 ( 案 例 II) 时,f c 近 似 为 干 扰 脉 冲 的 占 空 比

31 ITU-R M.1849 建 议 书 29 在 这 一 基 础 上, 为 了 将 劣 化 量 保 持 在 与 恒 定 干 扰 采 用 I/N constant = 10 db 情 况 下 相 同 的 水 平 ( 约 10%) 上, 假 设, 与 脉 冲 干 扰 有 关 的 I/N 的 最 大 值 可 以 用 下 式 表 示 : I/N = I/N 10 log( f ) pulse constant c 事 实 上, 若 重 合 脉 冲 的 比 率 是 0.5, 这 意 味 着 两 个 雷 达 的 估 计 中 有 一 个 将 受 到 干 扰 污 染, 并 且 意 味 着 与 相 应 的 I/N = 10 db 的 情 况 相 比 较, 干 扰 信 号 加 倍 (+3 db), 显 然, 由 雷 达 计 算 出 的 平 均 值 将 是 相 同 的 另 一 方 面, 标 准 偏 差 将 增 加, 在 某 些 情 况 下, 它 将 使 非 气 象 事 件 被 看 作 下 雨 的 状 态 在 这 一 情 况 下, 假 设 劣 化 10% 是 可 以 接 受 的, 但 是 这 仍 然 需 要 通 过 计 算 以 及 通 过 测 试 来 证 实 和 验 证 必 须 指 出 的 是, 上 面 的 原 则 已 经 被 最 近 的 试 验 所 证 实 ( 见 ITU-R M.2136 报 告 的 附 件 2), 即 气 象 雷 达 能 够 接 受 与 脉 冲 干 扰 的 峰 值 功 率 相 对 应 的 比 较 高 的 I/N 尽 管 上 面 的 公 式 在 所 有 情 况 下 的 正 确 性 还 没 有 被 完 全 证 实, 但 是 假 定 它 代 表 了 一 个 适 当 的 途 径 然 而, 作 进 一 步 的 分 析, 以 确 定 受 害 者 和 干 扰 者 的 信 号 特 性 (PRF 和 脉 冲 宽 度 ) 之 间 的 关 系 可 能 是 恰 当 的 导 出 脉 冲 干 扰 下 的 I/N 电 平 的 另 一 个 方 法 气 象 雷 达 处 理 信 号 的 回 波, 以 便 测 量 降 水 和 风 的 特 性 图 处 理 工 作 包 括 收 集 和 处 理 基 本 产 品, 即 反 射 率 平 均 径 向 速 度 和 谱 宽 度 从 最 简 单 的 观 点 来 看, 雷 达 对 信 号 回 波 的 取 样 取 平 均, 以 得 出 产 生 气 象 产 品 所 需 要 的 估 计 平 均 功 能 将 为 气 象 雷 达 提 供 处 理 其 干 扰 电 平 高 于 连 续 载 波 或 类 噪 声 干 扰 信 号 的 脉 冲 干 扰 的 能 力 为 了 形 成 使 用 者 所 规 定 尺 寸 的 取 样, 气 象 雷 达 处 理 落 在 距 离 单 元 内 的 多 个 脉 冲 回 波 为 了 得 到 距 离 单 元 的 估 计, 将 形 成 距 离 单 元 取 样 的 多 个 脉 冲 回 波 取 平 均 建 议 采 用 的 EESS 系 统 和 气 象 雷 达 在 非 常 不 一 样 的 脉 冲 重 复 频 率 上 工 作, 所 以, 规 定 了 小 的 取 样 尺 寸 后, 落 在 单 个 气 象 雷 达 距 离 单 元 取 样 集 内 的 干 扰 脉 冲 多 于 一 个 的 概 率 是 比 较 小 的 该 方 法 是 确 定 信 号 脉 冲 的 最 大 电 平, 这 一 电 平 将 不 会 损 害 取 样 尺 寸 的 平 均 值, 以 致 无 法 达 到 雷 达 的 基 本 数 据 产 品 性 能 指 标 确 定 保 护 标 准 需 要 很 好 地 理 解 雷 达 接 收 机 的 噪 声 电 平 处 理 所 用 的 最 小 信 号 噪 声 比 和 雷 达 的 基 本 产 品 ( 反 射 率 平 均 径 向 速 度 和 谱 宽 度 ) 的 准 确 度 要 求 因 为 各 种 各 样 的 气 象 雷 达 都 在 该 频 带 中 工 作, 所 以 必 须 作 一 些 假 设 在 分 析 中 所 使 用 的 雷 达 在 最 窄 的 中 频 (IF) 带 宽 上 的 接 收 机 本 底 噪 声 为 110 dbm 不 参 照 特 定 的 雷 达 的 条 件 下 确 定 最 小 信 号 噪 声 比 的 数 值 可 能 是 最 困 难 的 工 作 于 MHz 频 带 的 雷 达 的 典 型 信 号 噪 声 比 为 0-3 db, 因 为 用 于 远 距 离 上 检 测 的 雷 达 一 般 工 作 于 较 低 的 频 率 在 MHz 频 带 中 工 作 的 气 象 雷 达 一 般 用 于 较 短 距 离 较 高 分 辨 力 的 检 测, 并 且 可 能 工 作 于 较 高 的 最 小 信 号 噪 声 比 对 这 一 分 析,S/N+3 db 和 噪 声 本 底 110 dbm 得 出 表 7 所 示 的 基 本 数 据 产 品 准 确 度 要 求 的 数 值

32 30 ITU-R M.1849 建 议 书 表 7 数 据 准 确 度 要 求 基 本 数 据 准 确 度 要 求 反 射 率 估 计 速 度 估 计 谱 宽 度 估 计 1 db 1 m/s 1 m/s 如 表 7 所 示, 假 设 在 这 一 例 子 中 所 用 的 气 象 雷 达 的 反 射 率 偏 差 的 最 大 限 值 是 1 db, 这 一 数 值 转 换 成 最 低 干 扰 信 号 比 I/S 为 0.26 或 者 相 当 于 功 率 比 1.26 假 设 反 射 率 的 取 样 规 模 为 25 取 样 规 模 大 于 25 是 可 能 的, 这 样 会 进 一 步 减 小 单 个 脉 冲 的 效 应, 但 是 比 较 大 的 取 样 规 模 也 增 加 了 在 同 一 取 样 中 出 现 第 二 个 干 扰 脉 冲 的 概 率 计 算 一 个 脉 冲 干 扰 源 ( 单 冲 击 ) 的 I/N 假 设 正 常 恢 复 出 的 最 小 信 号 电 平 的 信 号 噪 声 比 为 2 db 偏 差 取 决 于 信 号 与 干 扰 的 平 均 功 率 比 所 以, 它 与 干 扰 电 平 及 估 计 周 期 图 的 冲 击 数 都 有 关 系 用 反 射 率 偏 差 确 定 对 反 射 率 的 最 大 干 扰 电 平 1 db 的 反 射 率 偏 差 (R b ) 产 生 功 率 比 功 率 比 =10 (Rb/10) = 10 (0.1) = 从 产 生 1 db 的 偏 差 的 功 率 比 中 扣 除 无 偏 差 的 功 率 比 就 得 到 干 扰 与 信 号 之 比 为 I/S = [10 (Rb/10) 10 (Rb/10) ] = [ ] = 用 下 面 的 公 式 可 以 计 算 干 扰 功 率 电 平 : 将 这 一 数 值 换 算 为 6.17 db 的 信 号 I L (db) = 10 log (4.14) = 6.17 db 当 信 号 噪 声 比 为 3 db 时, 可 以 按 下 式 计 算 I/N: I/N = 6.17 db + 3 db = 9.17 db 将 这 些 系 数 合 并 到 用 与 N s I/N 和 R b 的 关 系 描 述 I/N 的 函 数 中 去, 就 得 到 一 个 公 式, 这 一 公 式 产 生 单 一 冲 击 下 所 要 求 的 最 大 I/N: 其 中 : N s : 在 该 估 计 中 取 样 的 数 目 S mp : 信 号 平 均 功 率 S/N: 接 收 机 的 信 号 噪 声 比 IL = ( N ) ( I / S) = (16) (0.2589) = 4.14 s [ ] IN / = 10 log[( N ) ( IS / )] + SN / s

33 I/S: 干 扰 与 信 号 之 比 ITU-R M.1849 建 议 书 31

34 32 ITU-R M.1849 建 议 书 和 I/S 表 示 为 : IS / = 10 ( Rb/10) 10 ( N /10) nf 其 中 : R b : 反 射 率 偏 差 N nf : 归 一 化 噪 声 本 底 电 平 将 这 些 公 式 组 合 起 来, 就 得 到 下 式 : IN / = 10 log ( Ns) ([10 ( Rb/10) 10 ( N /10)) nf + SN / 下 面 根 据 前 面 的 假 设 进 行 典 型 计 算 典 型 计 算 假 设 : N s = 16 S/N = 3 db R b = 1 db N nf = 0 db 5 ( s) ( b nf ) ( ) ( ) IN / = 10 log N [10 ( R/10] [10 ( N /10] + SN / IN / = 10 log 16 [10 (1/10] [10 (0/10) ] + 3 = 9.17 db 时 变 干 扰 的 影 响 图 14 和 图 15 描 述 了 一 个 SAR 系 统 对 气 象 雷 达 的 潜 在 干 扰 和 存 在 时 变 干 扰 的 情 况 图 14 峰 值 I/N 的 累 积 分 布 函 数 5 在 这 一 例 子 中, 把 噪 声 本 底 电 平 归 一 化 到 无 偏 差 的 信 号 电 平 和 设 置 成 等 于 0 db

35 ITU-R M.1849 建 议 书 33 图 15 峰 值 I/N 与 气 象 雷 达 上 一 次 通 过 时 间 的 关 系 根 据 这 些 数 字, 似 乎 可 能 会 出 现 下 面 两 种 情 况 : a) 第 一 个 情 况 是 产 生 高 的 I/N 电 平 的 时 间 将 是 比 较 短 的 在 这 一 高 I/N 的 时 间 内, 很 可 能 造 成 气 象 雷 达 无 法 工 作, 或 者 是 中 断 雷 达 测 量 能 力, 或 者 是 出 现 高 估 雨 强 很 严 重 的 情 况 ; b) 第 二 个 情 况 是 在 比 较 长 的 时 段 ( 约 400 s) 内, 将 超 过 干 扰 标 准 评 估 这 种 干 扰 对 气 象 雷 达 的 影 响 是 相 当 困 难 的 然 而, 应 该 假 设, 由 于 像 素 积 分 时 间 比 较 短, 在 短 期 基 础 上 ( 即 按 逐 个 像 素 分 析 ), 时 变 干 扰 的 影 响 很 可 能 呈 现 与 恒 定 干 扰 ( 脉 冲 干 扰 或 非 脉 冲 干 扰 ) 相 同 的 现 象, 它 可 以 应 用 和 中 所 描 述 的 方 法 来 估 计 在 逐 个 案 例 和 逐 个 像 素 的 基 础 上 确 定 时 变 干 扰 的 影 响 不 是 一 个 轻 而 易 举 的 任 务 认 识 到 有 必 要 作 进 一 步 的 和 更 详 尽 的 分 析, 应 该 指 出, 在 一 给 定 的 区 域, 在 情 况 1 中 可 能 适 用 的 I/N 电 平 30dB( 没 有 考 虑 SAR 发 射 的 脉 冲 状 态 ) 可 能 产 生 严 重 高 估 瞬 时 雨 强 的 问 题, 这 将 使 水 文 警 报 过 程 中 所 使 用 的 长 期 (1 小 时 到 几 天 ) 降 雨 统 计 出 现 错 误 干 扰 持 续 期 约 400 秒, 大 致 相 当 于 雷 达 转 7 圈, 并 且 它 与 雷 达 旁 瓣 有 关 在 这 一 情 况 下, 大 量 像 素 ( 和 因 而 相 当 大 的 地 区 ) 将 受 到 影 响, 几 次 出 现 使 像 素 的 近 似 变 为 不 可 能 的 事 件 地 区 大 小 显 然 取 决 于 干 扰 电 平, 假 设 干 扰 电 平 首 先 影 响 雷 达 覆 盖 区 的 边 缘 地 带 即 使 微 小 的 干 扰 也 能 够 出 现 覆 盖 区 损 失 百 分 之 几 十 的 情 况 确 定 时 变 干 扰 的 影 响 不 是 一 件 轻 而 易 举 的 任 务 和 将 需 要 逐 个 案 例 进 行 分 析, 要 考 虑 到 动 态 的 仿 真 结 果, 将 必 须 根 据 动 态 仿 真 结 果 应 用 适 用 于 恒 定 干 扰 或 脉 冲 干 扰 源 条 件 下 的 干 扰 标 准

36 34 ITU-R M.1849 建 议 书 8.5 有 关 气 象 雷 达 保 护 标 准 的 结 论 虽 然 气 象 雷 达 的 保 护 要 求 主 要 由 它 们 的 特 性 和 规 格 所 决 定, 但 是, 在 8 中 所 作 的 分 析 和 在 ITU-R M.2136 报 告 中 的 各 要 素 考 虑 了 对 雷 达 工 作 范 围 和 基 本 产 品 准 确 度 两 方 面 的 影 响 并 且 确 认 了 对 恒 定 干 扰 而 言,I/N = 10 db 是 恰 当 的, 所 以, 为 了 保 证 对 气 象 雷 达 的 保 护, 应 该 使 用 这 一 保 护 标 准 这 一 标 准 与 现 有 的 ITU-R 建 议 书 是 相 一 致 的 对 脉 冲 干 扰 而 言, 分 析 和 试 验 已 经 表 明, 由 发 射 机 和 受 害 系 统 的 特 性 ( 主 要 是 PRF 和 脉 冲 宽 度 ) 所 决 定, 较 高 的 I/N 与 脉 冲 干 扰 的 峰 值 功 率 有 关 系 在 进 一 步 研 究 以 前, 可 以 应 用 或 中 所 描 述 的 方 法 之 一 来 体 现 适 当 的 近 似 到 目 前 为 止, 还 没 有 开 发 出 适 用 于 时 变 干 扰 的 一 般 性 公 式 取 决 于 干 扰 源 是 连 续 的 或 是 脉 冲 的, 它 ( 对 雷 达 射 线 的 影 响 ) 是 短 时 间 的 或 是 若 干 扰 是 长 时 间 的 ( 整 个 体 积 扫 描 ), 应 该 在 逐 个 案 例 的 基 础 上 和 根 据 动 态 仿 真 的 结 果 并 且 考 虑 上 面 提 到 的 适 用 于 恒 定 干 扰 或 类 似 脉 冲 的 干 扰 有 关 标 准 以 后 进 行 分 析 9 风 力 涡 轮 发 电 机 的 影 响 为 了 作 准 确 的 天 气 预 报, 设 计 气 象 雷 达 着 眼 于 相 当 窄 的 高 度 范 围 由 于 雷 达 的 灵 敏 度 高, 若 许 多 风 力 涡 轮 发 电 机 与 气 象 雷 达 的 位 置 部 署 成 一 直 线, 它 们 可 能 阻 挡 雷 达 信 号 向 前 传 播, 造 成 杂 乱 的 反 射 率 回 波 和 产 生 尾 流 湍 流 引 发 的 雷 达 回 波 这 些 干 扰 机 理 可 能 导 致 雷 达 错 误 估 计 累 计 降 水 量 错 误 的 龙 卷 风 和 气 旋 的 特 征 信 号 错 误 辨 识 雷 暴 特 征 和 不 正 确 的 暴 风 雨 ( 雪 ) 区 识 别 此 外, 该 干 扰 机 理 可 能 导 致 雷 达 性 能 劣 化 和 有 负 面 影 响 的 预 报 和 报 警 工 作 9.1 遮 挡 在 雷 达 和 目 标 之 间 的 地 形 特 征 或 建 造 物 将 引 起 阴 影 或 遮 挡 效 应 风 力 涡 轮 发 电 机 可 能 引 起 的 阴 影 效 应 是 可 能 出 现 的, 由 它 们 的 尺 寸 所 决 定 可 以 预 料, 这 样 的 阴 影 效 应 随 风 力 涡 轮 发 电 机 的 大 小 发 射 雷 达 的 类 型 和 许 多 方 面 ( 高 度 叶 片 角 旋 转 速 度 和 雷 达 相 对 于 风 力 涡 轮 发 电 机 的 位 置 ) 而 改 变 9.2 杂 乱 回 波 雷 达 可 能 接 收 到 来 自 任 何 一 个 雷 达 反 射 面 的 雷 达 回 波 在 某 些 地 理 区 域 或 在 特 定 的 气 象 条 件 下, 有 害 的 回 波 可 能 对 雷 达 的 性 能 有 不 利 的 影 响, 有 害 的 回 波 可 能 掩 盖 了 有 用 的 回 波 这 样 的 有 害 回 波 称 为 雷 达 的 杂 乱 回 波 对 气 候 预 报 员 来 说, 在 气 象 雷 达 附 近 的 风 力 涡 轮 发 电 机 或 涡 轮 发 电 机 可 以 带 来 工 作 上 的 问 题 地 面 上 的 杂 乱 回 波 信 号 有 反 射 率 大 多 普 勒 频 移 接 近 于 零 谱 宽 度 窄 等 特 点, 而 且 它 一 直 留 在 一 个 固 定 位 置 上 与 通 常 出 现 的 地 面 杂 乱 回 波 (GC) 相 比 较, 由 风 力 涡 轮 发 电 机 引 起 的 干 扰 是 一 个 更 加 困 难 的 挑 战 将 接 收 到 从 发 电 机 塔 ( 静 止 的 ) 和 发 电 机 叶 片 ( 非 静 止 的 ) 来 的 直 接 反 射 与 GC 相 类 似, 风 力 涡 轮 发 电 机 的 杂 乱 回 波 (WTC) 信 号 应 该 仍 然 有 相 当 大 的 反 射 率, 由 于 叶 片 旋 转 可 能 引 起 的 调 制 将 在 雷 达 断 面 中 引 起 有 规 则 的 变 化

37 ITU-R M.1849 建 议 书 35 多 普 勒 频 移 将 受 几 个 因 素 所 影 响, 包 括 叶 片 旋 转 速 度 和 旋 转 轴 相 当 于 雷 达 射 束 的 方 位 当 旋 转 轴 向 偏 离 雷 达 视 线 90 时, 多 普 勒 速 度 应 该 在 最 大 值 的 状 态, 而 当 旋 转 轴 背 对 着 或 正 对 着 雷 达 时, 多 普 勒 速 度 接 近 于 零 因 为 雷 达 的 分 辨 力 体 积 将 很 可 能 包 容 整 个 风 力 涡 轮 发 电 机 的 构 件, 可 以 预 料, 谱 宽 度 将 显 著 扩 大 这 是 由 于 叶 片 旋 转 是 背 对 和 面 对 雷 达 的 缘 故 在 一 个 分 解 力 体 积 内 有 多 个 涡 轮 发 电 机 将 只 会 加 重 这 一 效 应 9.3 来 自 湍 流 涡 旋 的 反 向 散 射 能 量 除 了 来 自 实 际 的 风 涡 流 的 由 反 射 产 生 的 WTC 信 号 外, 还 可 以 观 测 到 来 自 随 风 力 发 电 场 地 而 来 的 湍 流 涡 旋 的 反 向 散 射 能 量 可 以 预 料, 这 些 回 波 将 显 示 出 与 折 射 率 指 数 中 处 于 雷 达 的 Bragg 规 模 的 不 连 续 性 引 起 的 反 向 散 射 相 类 似 的 特 征 这 些 尾 流 回 波 将 随 风 场 漂 移, 并 且 与 从 涡 轮 发 电 机 来 的 直 接 反 射 相 比 较, 这 些 尾 流 回 波 将 很 可 能 有 低 得 多 的 反 射 率 不 过, 它 们 可 能 显 著 扩 大 受 WTC 影 响 的 雷 达 覆 盖 区, 所 以, 会 使 问 题 加 剧 9.4 风 力 涡 轮 发 电 机 杂 乱 回 波 的 例 子 图 16 中 可 以 发 现 在 气 象 雷 达 的 显 示 上 怎 样 出 现 风 力 发 电 场 ( 风 力 涡 轮 发 电 机 的 集 中 地 ) 的 图 像 ( 这 一 图 是 来 自 风 力 发 电 场 地 的 回 波 显 示 的 反 射 率 图 像, 风 力 发 电 场 地 在 气 象 雷 达 西 南 方 约 40 km 的 位 置 ) 图 16 气 象 雷 达 图 像 显 示 了 雷 达 地 点 西 南 方 的 风 力 发 电 场 图 17 显 示 第 II 级 的 数 据, 图 中 从 孤 立 的 暴 雨 来 的 回 波 与 风 力 涡 轮 发 电 机 的 杂 乱 回 波 混 杂 在 一 起 风 力 涡 轮 发 电 机 信 号 的 特 征 是 随 机 的 径 向 速 度 和 大 的 频 谱 宽 度

38 36 ITU-R M.1849 建 议 书 图 17 在 第 II 级 数 据 上 来 自 风 力 发 电 场 的 干 扰 的 影 响 没 有 前 面 的 知 识, 要 把 WTC 和 雷 暴 加 以 区 别 将 是 极 其 困 难 的 因 为 叶 片 正 对 着 雷 达 和 背 对 着 雷 达 旋 转, 我 们 将 预 计 平 均 多 普 勒 速 度 接 近 于 零 正 如 图 17 中 所 表 示 的 那 样, 谱 宽 度 宽 将 降 低 多 普 勒 速 度 估 计 的 准 确 度, 与 零 有 少 量 偏 差 9.5 WTC 对 气 象 雷 达 的 工 作 和 预 测 准 确 度 的 影 响 具 体 说 明 WTC 对 气 象 雷 达 的 影 响 的 现 场 研 究 已 经 进 行 这 些 研 究 已 经 表 明, 风 力 涡 轮 发 电 机 场 地 可 以 对 气 象 雷 达 有 重 大 的 影 响 和 因 而 可 能 使 恶 劣 气 象 事 件 预 报 性 能 劣 化 这 些 分 析 已 经 清 楚 地 表 明, 与 风 力 涡 轮 发 电 机 的 方 向 相 比 较, 风 力 涡 轮 发 电 机 所 产 生 的 杂 乱 回 波 将 会 在 很 大 的 方 位 角 ( 几 十 度 ) 范 围 内 出 现, 即 使 在 距 离 十 分 远 的 地 方 也 是 如 此 所 以, 不 能 忽 视 风 力 涡 轮 发 电 机 对 气 象 雷 达 的 反 射 率 工 作 的 影 响 分 析 也 已 经 表 明, 单 个 风 力 涡 轮 发 电 机 对 气 象 雷 达 的 多 普 勒 模 式 的 影 响 是 非 常 大 的, 特 别 是 在 距 离 小 于 10 km 的 区 域, 在 这 些 区 域 内, 在 每 一 个 方 位 角 上, 所 有 数 据 将 是 不 正 确 的

39 ITU-R M.1849 建 议 书 37 为 了 保 护 气 象 雷 达 以 避 免 来 自 风 力 涡 轮 发 电 机 场 的 有 害 干 扰 的 影 响, 将 需 要 某 些 减 轻 WTC 的 措 施 为 了 理 解 WTC 的 最 大 可 能 范 围 和 对 气 象 雷 达 的 影 响, 在 能 够 做 出 有 关 减 轻 WTC 影 响 的 处 理 方 法 的 最 终 结 论 以 前, 应 该 对 WTC 进 行 更 多 的 研 究 一 旦 做 出 最 终 结 论, 如 果 已 经 知 道 基 于 风 力 的 发 电 系 统 预 料 会 增 加, 则 可 能 有 必 要 开 发 出 减 轻 WTC 的 方 法 在 有 关 减 轻 WTC 对 气 象 雷 达 的 干 扰 正 在 进 行 的 研 究 得 到 结 果 以 前, 现 在 避 免 或 限 制 风 力 发 电 场 的 影 响 的 解 决 方 案 是 确 保 两 种 系 统 之 间 的 间 距 例 如, 某 些 国 家 现 在 正 在 考 虑 如 下 建 议 : a) 在 离 雷 达 天 线 小 于 下 面 列 出 的 距 离 上, 不 应 该 部 署 风 力 涡 轮 发 电 机 : 对 MHz 频 带 的 雷 达,5 km; 对 MHz 频 带 的 雷 达,10 km; b) 当 风 力 发 电 场 项 目 牵 涉 到 距 离 雷 达 小 于 下 面 列 出 的 范 围 内 时, 风 力 发 电 场 项 目 应 该 提 交 一 个 影 响 研 究 报 告 : 对 MHz 频 带 的 雷 达,20 km; 对 MHz 频 带 的 雷 达,30 km 10 以 前 的 气 象 雷 达 系 统 试 验 以 前 进 行 过 有 关 气 象 雷 达 的 试 验, 包 括 确 定 雷 达 保 护 标 准 的 指 标 在 ITU-R M.2136 报 告 的 附 件 1 中 详 细 地 规 定 了 程 序 和 数 据 分 析 方 法 试 验 包 括 把 已 知 电 平 的 干 扰 信 号 加 到 接 收 机 中 去 在 无 干 扰 的 条 件 下, 使 雷 达 完 成 部 分 ( 天 线 旋 转 1 或 2 圈 ) 或 全 部 体 积 扫 描 然 后, 使 用 射 频 (RF) 并 路 器 把 干 扰 信 号 加 入 到 接 收 路 径 中 去, 然 后 雷 达 复 位, 完 成 相 同 的 部 分 或 全 部 体 积 扫 描 将 无 干 扰 和 有 干 扰 时 的 部 分 或 全 部 体 积 扫 描 的 基 本 产 品 数 据 存 储 在 硬 盘 中 在 干 扰 信 号 电 平 使 得 干 扰 噪 声 比 I/N 在 +6 db 到 15 db 范 围 内 的 条 件 下, 反 复 进 行 无 干 扰 和 有 干 扰 时 的 部 分 或 全 部 的 体 积 扫 描 通 过 沿 着 每 一 径 向 对 无 干 扰 距 离 单 元 与 存 在 干 扰 的 距 离 单 元 的 比 较 进 行 数 据 分 析 从 回 复 数 据 中, 可 以 确 定 干 扰 可 能 导 致 基 础 产 品 的 精 确 度 的 I/N 水 平 在 可 接 受 的 范 围 以 外 试 验 使 人 们 对 潜 在 的 试 验 改 善 有 深 入 的 了 解 通 过 雷 达 收 集 从 大 气 来 的 数 据 完 成 ITU-R M.2136 报 告 的 附 件 1 中 列 出 的 试 验 假 定 在 完 成 无 干 扰 和 有 干 扰 部 分 或 全 部 体 积 扫 描 所 需 要 的 3 到 5 分 钟 内, 大 气 条 件 将 不 会 有 显 著 改 变 数 据 分 析 显 示 这 一 假 设 不 是 永 远 正 确 的 重 要 的 是 要 注 意 在 气 象 雷 达 的 工 作 范 围 边 界 那 边, 对 干 扰 的 灵 敏 度 可 能 变 化, 因 为 每 一 个 单 独 的 雷 达 的 容 许 干 扰 电 平 是 与 所 考 虑 的 最 低 的 信 号 噪 声 比 估 计 偏 差 和 方 差 性 能 的 要 求 有 关 系 最 近 对 一 种 MHz 频 带 的 气 象 雷 达 进 行 了 更 多 的 干 扰 试 验, 以 确 定 与 不 同 的 干 扰 信 号 ( 恒 定 CW 或 FM 和 脉 冲 ) 相 对 应 的 干 扰 灵 敏 度, 并 且 证 实 了 上 面 8 中 的 分 析 以 及 以 前 与 MHz 频 带 的 气 象 雷 达 有 关 的 试 验 结 果 ITU-R M.2136 报 告 的 附 件 2 汇 总 了 这 些 试 验 的 结 果

40 38 ITU-R M.1849 建 议 书 11 将 来 的 试 验 将 来 的 试 验 方 法 应 该 检 查 信 号 获 得 和 再 生 系 统 的 使 用, 在 系 统 中 可 以 记 录 到 雷 达 的 中 频 或 I 和 Q 信 号, 进 行 数 字 化 并 存 储 到 硬 盘 上 能 够 记 录 单 个 无 干 扰 体 积 扫 描 的 各 种 信 号 并 进 行 数 字 化 处 理 使 用 任 意 波 形 发 生 器 和 射 频 信 号 发 生 器, 可 以 重 新 产 生 接 收 到 的 数 字 化 的 雷 达 信 号, 并 按 需 要 多 次 把 它 加 到 雷 达 接 收 机 中 去, 以 便 对 来 自 大 气 的 回 波 信 号 进 行 试 验 和 仿 真 这 样 一 个 方 法 可 以 为 无 干 扰 和 有 干 扰 的 部 分 或 全 部 体 积 扫 描 提 供 同 样 的 试 验 条 件 为 了 评 估 和 确 认 气 象 雷 达 对 脉 冲 型 干 扰 和 / 或 时 变 干 扰 的 敏 感 度, 可 能 必 须 用 这 一 类 型 的 干 扰 来 完 成 试 验 应 该 在 非 偏 振 测 定 ( 水 平 极 化 ) 和 偏 振 测 定 ( 水 平 和 垂 直 极 化 ) 这 两 种 气 象 雷 达 上 都 进 行 这 一 试 验 12 传 播 模 型 上 一 节 讨 论 了 将 气 象 雷 达 所 接 收 到 的 容 许 干 扰 量 减 至 最 小 的 必 要 性 然 而, 还 应 该 认 识 到, 当 进 行 频 率 共 用 研 究 时 应 该 考 虑 传 播 模 型 问 题, 而 且 要 考 虑 比 较 先 进 的 传 播 模 型, 如 建 议 书 ITU-R P.452 和 ITU-R P.526 中 的 传 播 模 型 为 那 些 研 究 提 供 了 最 准 确 的 结 果 这 些 先 进 的 传 播 模 型 要 求 使 用 除 0% 以 外 的 超 过 数 的 值 为 了 更 好 地 确 定 使 用 这 些 先 进 的 传 播 模 型 的 可 行 性 和 在 频 率 共 用 研 究 中 如 何 适 当 地 应 用 其 结 果, 必 须 作 更 多 的 研 究 13 将 来 的 趋 势 对 各 种 不 同 的 主 管 部 门 的 气 象 雷 达 系 统 的 主 要 硬 件 的 升 级 工 作 正 在 进 行 中 下 一 步 改 进 将 是 偏 振 测 定 雷 达, 这 种 雷 达 在 现 在 所 使 用 的 水 平 极 化 雷 达 波 上 加 上 垂 直 极 化 更 多 的 进 一 步 改 进 气 象 雷 达 性 能 的 技 术 也 正 在 开 发 中 其 中 最 重 要 的 是 各 种 各 样 的 算 法, 用 于 解 决 距 离 / 速 度 的 模 糊 度 问 题 提 高 获 取 数 据 的 速 度 减 少 人 造 建 筑 物 的 效 应 减 小 杂 乱 回 波 和 有 效 地 处 理 信 号, 以 便 尽 可 能 精 确 地 提 供 气 象 预 测 其 它 努 力 包 括 联 合 使 用 气 象 雷 达 和 廓 线 雷 达 对 闪 电 和 它 的 危 害 性 的 研 究 作 了 一 定 努 力, 以 便 确 定 闪 电 的 发 生 和 结 束 是 否 是 可 以 预 测 的 研 究 人 员 将 立 即 开 始 气 候 监 视 应 用 中 使 用 的 自 适 应 相 控 阵 雷 达 技 术 的 研 究 工 作 相 控 阵 将 以 电 子 控 制 方 向 的 阵 列 天 线 代 替 机 械 控 制 方 向 的 抛 物 面 碟 形 天 线 这 一 变 化 将 实 现 更 灵 活 的 扫 描 策 略 和 更 快 地 更 新 正 在 变 化 的 气 候 条 件 相 控 阵 雷 达 系 统 的 初 步 测 试 已 经 证 明, 它 是 很 有 前 途 的 系 统 相 控 阵 雷 达 技 术 增 加 对 暴 风 雨 演 变 的 基 本 知 识, 从 而 导 致 改 进 计 算 机 模 型 更 准 确 地 预 报 和 发 出 早 期 警 报 此 外, 这 一 技 术 对 龙 卷 风 警 报 有 加 长 提 前 预 报 时 间 的 潜 力, 大 大 超 过 现 在 的 平 均 13 分 钟 现 有 的 系 统 天 线 到 相 控 阵, 发 射 机 输 出 功 率 和 频 谱 要 求 都 不 改 变 通 过 对 接 收 机 和 信 号 处 理 分 系 统 进 行 改 进, 更 加 经 济 地 实 现 了 系 统 功 能 增 强 虽 然, 并 不 期 望 在 下 一 代 十 年 内 相 控 阵 会 实 现, 但 是, 相 控 阵 升 级 ( 如 果 实 现 的 话 ) 将 不 会 重 新 使 用 现 有 的 发 射 机 的 可 能 性 是 存 在 的, 现 有 的 发 射 机 将 被 相 控 阵 中 的 分 布 式 发 射 / 接 收 模 块 所 代 替

41 ITU-R M.1849 建 议 书 39 部 署 基 于 CASA( 大 气 协 作 自 适 应 遥 感 中 心 ) 的 在 频 谱 MHz 到 MHz 部 分 内 的 X 频 带 气 象 雷 达 系 统 的 可 能 性 是 不 存 在 的 国 家 科 学 基 金 会 在 2003 年 9 月 为 大 气 协 作 自 适 应 遥 感 (CASA) 建 立 了 一 个 新 的 工 程 中 心, 以 便 为 比 较 低 层 的 大 气 高 分 辨 力 检 测 开 发 比 较 小 的 低 成 本 的 雷 达 较 低 的 对 流 层 中 的 气 象 条 件 是 严 重 欠 取 样 的, 妨 碍 了 在 暴 风 雨 生 成 区 域 中 的 各 项 预 报 和 模 型 初 始 化 空 间 密 度 相 当 高 的 CASA 雷 达 将 有 在 较 低 层 大 气 的 地 区 内 探 测 正 在 变 化 的 气 候 图 的 能 力, 低 层 大 气 一 般 位 于 现 有 的 正 在 工 作 的 多 普 勒 雷 达 覆 盖 区 的 下 面 ( 即 最 低 的 3 公 里 ) CASA 雷 达 将 放 在 蜂 窝 移 动 电 话 塔 上 或 者 具 有 大 容 量 数 据 传 输 能 力 的 其 它 现 有 的 基 础 设 施 上 与 现 有 的 预 先 编 程 的 雷 达 网 不 一 样, 共 同 协 作 的 CASA 雷 达 将 相 互 进 行 通 信, 并 且 对 正 在 演 变 的 气 候 和 正 在 变 化 的 端 用 户 需 求 直 接 做 出 响 应, 自 动 适 应 它 们 的 遥 感 策 略 为 了 更 圆 满 的 数 据 初 始 化, 可 以 把 这 些 雷 达 数 据 合 并 到 数 值 天 气 预 报 模 型 中 去 对 这 些 将 来 的 发 展 趋 势 将 需 要 进 行 跟 踪, 而 且 随 着 各 种 技 术 的 发 展, 这 些 将 来 的 发 展 趋 势 将 对 任 何 一 种 将 来 的 减 轻 干 扰 策 略 和 保 护 标 准 的 确 定 有 影 响 14 结 论 地 面 气 象 雷 达 在 工 作 和 处 理 信 号 方 面 不 同 于 其 它 雷 达, 它 生 产 的 产 品 与 其 它 类 型 雷 达 有 很 大 差 别 这 些 差 别 可 能 影 响 到 应 该 怎 样 进 行 干 扰 分 析 和 应 该 怎 样 评 估 分 析 的 结 果 总 起 来 说, 地 面 气 象 雷 达 是 特 殊 的 雷 达, 它 使 用 不 同 的 天 线 运 动 策 略, 在 该 雷 达 周 围 进 行 大 气 体 积 扫 描, 测 出 那 里 的 大 气 条 件 的 完 整 表 达 式 如 果 作 比 较 的 话, 大 多 数 其 它 类 型 雷 达 跟 踪 离 散 的 目 标 和 只 关 注 与 该 目 标 相 关 的 距 离 单 元 中 的 回 波 而 气 象 雷 达 处 理 所 有 径 向 中 的 所 有 距 离 单 元 附 件 2 气 象 雷 达 的 特 性 1 在 MHz 内 的 气 象 雷 达 工 作 于 MHz 频 带 的 有 代 表 性 的 气 象 雷 达 的 技 术 特 性 示 于 表 7 然 而, 雷 达 1 可 以 工 作 到 MHz 这 些 雷 达 系 统 是 用 于 飞 行 计 划 领 域 的 主 要 气 象 雷 达 系 统 在 全 世 界 范 围 内, 它 们 经 常 被 配 置 在 机 场 和 提 供 气 候 条 件 的 准 确 估 计, 用 来 管 理 航 班 操 作 这 些 雷 达 每 天 24 小 时 工 作 雷 达 1 利 用 多 普 勒 雷 达 技 术 观 测 出 现 的 情 况 并 计 算 各 种 恶 劣 天 气 组 成 部 分, 如 龙 卷 风 飓 风 和 强 雷 暴 的 移 动 速 度 和 移 动 方 向 雷 达 1 也 提 供 区 域 降 水 的 定 量 测 量, 它 在 水 文 预 报 中 起 着 重 要 的 作 用 这 一 雷 达 所 提 供 的 恶 劣 天 气 和 运 动 的 检 测 能 力 有 助 于 提 高 准 确 度 和 改 善 报 警 服 务 的 时 间 性 雷 达 1 在 早 期 发 现 有 破 坏 性 的 风 灾 方 面 和 估 计 降 雨 量 方 面 有 优 越 的 性 能 降 雨 量 估 计 用 于 河 流 和 洪 水 预 报

42 40 ITU-R M.1849 建 议 书 在 跨 越 整 个 美 国 关 岛 波 多 黎 各 日 本 韩 国 中 国 和 葡 萄 牙 的 一 个 综 合 网 络 中 使 用 雷 达 MHz 频 带 为 气 象 预 报 和 报 警 能 力 提 供 了 优 越 的 气 象 特 性 和 传 播 特 性 已 经 计 划 好 的 加 强 雷 达 功 能 的 措 施 应 该 能 使 雷 达 的 服 务 寿 命 延 长 到 2040 年 世 界 气 象 组 织 (WMO) 的 报 告 中 说 全 世 界 至 少 在 52 个 国 家 中 使 用 在 这 一 频 带 中 工 作 的 气 象 雷 达, 数 量 超 过 320 部 雷 达 2 是 在 许 多 国 家 中 使 用 的 非 多 普 勒 雷 达 表 7 特 性 雷 达 1* 雷 达 2* 平 台 类 型 ( 机 载 船 载 地 面 ) 地 面, 气 象 地 面, 气 象 调 谐 范 围 (MHz) 调 制 进 入 天 线 的 发 射 机 功 率 (kw) 或 556 P0N 脉 冲 宽 度 (μs) 1.6( 短 脉 冲 ) 4.7( 长 脉 冲 ) 脉 冲 宽 度 (μs) 0.12 脉 冲 重 复 频 率 (pps) ( 短 脉 冲 ) ( 长 脉 冲 ) 占 空 比 (%) 0.21 最 大 1.0( 短 脉 冲 ) 4.0( 长 脉 冲 ) 539( 短 脉 冲 ) 162( 长 脉 冲 ) 线 性 调 频 带 宽 不 可 用 不 可 用 相 位 编 码 子 脉 冲 宽 度 不 可 用 不 可 用 压 缩 比 不 可 用 不 可 用 RF 发 射 带 宽 20 db 3 db 4.6 MHz 600 khz 输 出 器 件 速 调 管 同 轴 磁 控 管 天 线 辐 射 图 类 型 ( 笔 形 扇 形 余 割 平 方 等 ) 笔 形 笔 形 天 线 类 型 ( 抛 物 面 相 控 阵 缝 隙 天 线 阵 ) 抛 物 反 射 器 抛 物 反 射 器 天 线 极 化 线 极 化 : 水 平 和 垂 直 线 极 化 : 水 平 天 线 主 射 束 增 益 (dbi) 天 线 俯 仰 射 束 宽 度 ( 度 ) 天 线 方 位 射 束 宽 度 ( 度 ) 天 线 水 平 扫 描 速 度 ( 度 / 秒 ) 和 全 人 工 旋 转 天 线 水 平 扫 描 类 型 ( 连 续 随 机 360 扇 区 等 ) 天 线 垂 直 扫 描 速 度 ( 度 / 秒 ) 天 线 垂 直 扫 描 类 型 ( 连 续 随 机 360 扇 区 等 ) 360 和 扇 区 360 和 扇 区 14 步, 在 5 分 钟 内 固 定 分 步 到 +60 天 线 旁 瓣 (SL) 电 平 ( 第 1 个 SL 和 远 端 SL)(dBi) ( 估 计 ) 天 线 高 度 (m) 30 30