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1、 新一代天气雷达基数据质量分析 陈佳智+黄卫东摘要：就新一代CINRAD/SA型天气雷达基数据质量进行分析，阐述了配置天气雷达观测参数的理论依据，对天线转速n、脉冲采样数m和脉冲重复频率F的合理配置规律作了系统的分析，并对所得结论进行讨论，以期能为有关方面的需要提供参考借鉴。关键词：天气雷达；理论依据；配置；质量分析：P413 ：A ：20956835（2014）09001402所谓“天气雷达”，就是一种是利用云、雾、雨、雪等降水粒子对电磁波的散射和吸收，为探测降水的空间分布和铅直结构，并以此为警戒跟踪降水系统的雷达。近年来，国家加大了对气象事业的投入力度，气象现代化建设深入到气象领域的各方面
2、，探测手段和探测能力也有了极大的提高。新一代天气雷达作为中小尺度灾害性天气的新型监测工具，其数据质量直接影响了定量气象业务应用的精度，因此，对新一代天气雷达基数据质量进行分析尤为重要。1配置天气雷达观测参数的理论依据1.1样本采集时间跨度对基数据的影响新一代天气雷达获取的3种基数据，即雷达反射率因子Z、径向速度V和径向速度谱宽W，实际上都是统计特征量，需要以足够大的样本容量为基础。在数据处理的过程中，样本采集时间跨度长短不同（即样本序列的时间覆盖长度等于方向平均时间），对这3种基数据的数值均有影响。在反射率因子Z的测量和径向速度V的检测方面，对某一距离库的样本采集序列而言，只有当其时间覆盖长度
3、满足一定的要求时，才能保证有效消除Z中的脉动涨落成分，压低检测因子D（又被称“识别系数”“可见度因子”）的数值。1.2样本采集时间的确定依据检测因子D的数值与独立样本容量K之间的函数关系：.（1）为了保证径向速度测量准确度满足指标要求，径向速度灵敏度的数值必须保证不大于速度准确度指标数值。用Vmin表示雷达系统的径向速度灵敏度，则VminVerr必须得到满足。脉冲序列时间覆盖长度Tc与径向速度灵敏度Vmin的关系是已知的，设与速度灵敏度Vmin对应的最低多普勒频率为fmin，0为雷达射频波长，则要求Tc-1fmin. 由于fmin=2Vmin01，所以有Tc0（2Vmin）-10（2Verr）
4、1t.（2）由式（2）可知，对确定的一部天气雷达而言，为了保证测速精度达到给定的要求，脉冲序列时间覆盖长度Tc不能小于一个与径向速度测量准确度指标数值Verr成反比、与雷达射频波长0成正比的临界数值tm.式（2）是Tc 应满足的第一种关系式。该关系式给出了Tc的下限阈值tm.此外，Tc还要满足另外一个重要的关系： Tc01TM.（3）式（3）中：0波束宽度，；天线扫描角速度，/s。式（3）中给出了脉冲序列时间覆盖长度Tc的上限阈值TM，式（3）中的条件之所以必须得到满足，是因为要保证天气雷达获取数据资料的方向分辨力与天线设备实际具备的高精度方向性相称。2合理配置规律2.1一般规律根据脉冲采样数
5、m（个）、脉冲重复频率F（Hz）的含义和天线扫描的旋转频率n（r/min，天线扫描转速用“旋转频率”表示）与天线扫描角速度（/s）之间的关系，可将式（2）和式（3）合并成复合关系式：（4）式（4）所给出的即为m，F，n这3个观测参数合理配置的一般规律。床的加工效率和技术，提高了现代工业生产的效率，降低了人工生产成本，保证零件的精准度。PLC技术能促进企业生产工艺的改革和创新，提高企业的经济效益，对企业的发展有极其重要的意义。参考文献1刘松.试论基于PLC技术的机床电气改造J.黑龙江科技信息，2012（26）.2卜范骞，王明，张洪国.基于PLC的半精镗机床电气改造技术J.科技信息，2013（17
6、）.3张国平.浅析台达PLC在各企业机床电气改造上的应用J.科技资讯，2012（15）.4杨汉嵩，刘广瑞，张凯.基于PLC的M7130磨床电气控制系统改造J.微计算机信息，2012（06）.5夏晓玲.基于PLC辅助的数控机床电气控制分析J.电子制作，2013（23）.编辑：李珏Study based on Machine Tool Electric Transformation of PLC TechnologyWen LiliAbstract: With the rapid economic development and progress of science and technology
7、, electronics and information technology has been widely used in various sectors of social production and development. The PLC technology in machining equipment modification and control is necessary, can effectively improve the level and precision machining technology. Key words: PLC technology; too
8、ls; electrical; transformation2.2数学分析为了对复合关系式（4）进行数学分析，可将m，n和F视为3个变量，它们可构成一个“三维欧氏空间”，满足复合关系式（4）的“点集”可构成一个“子空间”。图1为该三维欧氏空间不同性质的区域划分示意。图1中界面A上的点满足“F=2mVerr/0”，界面B上的点满足“F=6mn/0”. 在该“mnF空间”内，位于界面A以上的子空间，对应着脉冲序列时间覆盖长度不足，导致速度和强度测量精度下降。位于界面B以下的子空间，对应着脉冲序列时间覆盖长度过长，导致方向分辨力下降。除了上述两子空间区域外，剩余的子空间满足复合关系式（4），是一个连
9、通的三维立体区域（又被称为“数据保质区域”）。界面A，B的交线是该区域的一条边界线，该边界线上的点所对应的3个观测参数之间满足F=2mVerr/0=6nm/0，因而n=0Verr/（30）.当n=N0时，只有F=2mVerr/0，即F，m两者满足该线性函数关系（互不独立），才能使观测参数组合点（m，n，F）属于“数据保质区域”，保证基数据在准确度和方向分辨力两方面都满足质量要求。当nN0时，只要求F和m之间保持一种“相关关系”（即对于固定m而言，允许F在一定的范围内取不同数值；对于固定F而言，允许m在一定的范围内取不同数值），基数据资料质量就可满足要求。显然N0与n的差值越大，上述F，m之间的
10、“相关关系”越“松散”。当nN0时，所获取的基数据的数据质量问题需要具体分析。2.3配置方法先要确定的是脉冲重复频率F（包括双重复频率），主要根据对最大不模糊速度和最大不模糊距离来进行。然后根据探测目的或探测对象的不同，确定天线旋转频率n，之后确定脉冲采样数目m.如果探测目的是跟踪快速移动、迅速演变的气象目标，这时需要较高的时间分辨率，需要选择较高的天线旋转频率n，但是不能大于其上限阈值N0.2.3.1确定脉冲重复频率F对于SA型天气雷达来说，由于距离退模糊采用随机相位方式独立完成，所以，其脉冲重复频率数值的选择仅依赖于对最大不模糊速度的要求。在已知雷达射频波长0的条件下，单脉冲重复频率F与最
11、大不模糊速度Vmax之间的关系为F=4Vmax/0，而双脉冲重复频率F，F/k（2k1，例如k=3/2）与最大不模糊速度Vmax之间的关系为F=4（k1）Vmax/0. 显然，无论在单重复频率还是双重复频率的情况下，利用Vmax/0的数值很容易确定F的数值。2.3.2确定天线旋转频率n和脉冲采样数m确定天线旋转频率n和脉冲采样数m，利用平面图解的方法方便、直观。确定天线旋转频率n和脉冲采样数m，先要配置天线扫描旋转频率n，就是根据对雷达观测资料时间分辨率的需求（记录强对流天气过程，对时间分辨率要求显然较高）来选择、确定其数值。显然，n的数值在其允许的范围内选得越大，时间分辨率就越高。当脉冲重复
12、频率和天线扫描频率都选择完毕之后，脉冲采样数m的选择将被制约，不能独立地任意配置。针对单重复频率和双重复频率，举出一个例子来说明配置方法。在F=600 Hz，n=2 r/min（SA型天气雷达天线扫描频率）的情况下，m的配置步骤为：过纵坐标F=600 Hz作横轴平行线，该线与图2中n=N0（r/min），n=2 r/min对应的两线段依次交于A，C两点。以A，C两点的横坐标作为端点在横轴上可确定一个闭区间。该区间内的整数构成一个整数子集32，33，34，35，45，该集合内的元素都可以作为m的数值来选择，一般应该取其最大数值45，以获得较高质量的多普勒处理结果。图1mnF空间 图2Fmn合理配
13、置图解3结论与讨论3.1合理选择天线扫描速度新一代天气雷达观测参数的合理配置，会直接影响到所获取基数据的数据质量。在本文讨论的3个最常用的观测参数中，天线扫描旋转频率的大小对基数据质量的影响最大。如果该参数选择大于其上限数值，则其他两个参数无论怎样选择，都不能确保基数据的数据质量。3.2 提高CINRAD/SA型雷达“体扫”数据质量在PPI，RHI两种扫描工作模式下，天气雷达用户可以自行配置F，m，n这3个观测参数，以保证构成比较合理的参数配置方案。但如果处在“体扫”模式下，则天气雷达是按照“实时控制软件”的固定设置自动进行工作。虽然用户只可以通过雷达终端和数据采集器的操作自行选定n，m这2个
14、观测参数，但是，在一个“体扫”过程中，m这个观测参数不能自动进行动态调整来适应F的变化。通过本文分析可知，在F，m，n三个参数中固定F后，另外两个参数必须相互适应，否则基数据质量必定下降。而在目前CINRAD/SA型天气雷达“体扫”模式工作的过程中，脉冲采样数m和天线扫描转速n的数值由使用者选定后，它们在整个“体扫”过程中一直固定不变，而脉冲重复频率F却在400 Hz、600 Hz两数值之间不断改变，导致观测参数组合点规律性地落在“数据保质区域”以外，致使“体扫”基数据质量下降。因此，建议CINRAD/SA“实时控制软件”的内部功能进一步完善，以消除观测参数组合点落在“数据保质区域”以外。4结
15、束语综上所述，SA型雷达系统是中国新一代天气雷达网的重要组成部分，是我国目前采用的具有高稳定度、高频谱纯度的全相参体制的数字化天气雷达。它可以提供稳定、可靠的基数据，可保证新一代天气雷达不断满足气象业务的要求，并在灾害性天气监测预警中发挥其作用。参考文献1江源.天气雷达观测资料质量控制方法研究及其应用D.北京：中国气象科学研究院，2013.2楚志刚，银燕，顾松山.新一代天气雷达基数据文件格式自动识别方法研究J.计算机与现代化，2013（07）.编辑：白洁A New Generation of Weather Radar Base Data Quality AnalysisChen Jiazhi, Huang WeidongAbstract: For a new generation of CINRAD/SA-type weather radar base data quality analysis, elaborated weather radar configuration parameters theoretical basis for the antenna rotation speed n, the number of samples m pulses and pulse repetiti
