L波段高空气象探测系统原理及使用方法

石颜青

[摘要]L波段高空气象探测系统（或称L波段雷达）在我国气象探空工作中发挥着重要作用。正确的使用与操作是获得高精度探测数据的前提。本文探讨了L波段气象探空系统的原理，介绍了利用该系统进行气象探测的使用方法，列举了使用过程中的常见问题及解决方案，能够为该系统的使用者提供有益的参考。

[关键词]L波段高空气象探测系统 二次测风雷达 使用操作 常见问题

[中图分类号] P412.2 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-3-368-1

L波段高空气象探测系统是我国自主研发的新一代探空系统，主要由二次测风雷达和电子探空仪两部分组成，可用于探测从地面至30000米大气层的风向、风速、气温、气压、湿度等气象要素。其中，电子探空仪安装在氢气球上，探测时将气球释放到高空。二次测风雷达主要用于跟踪气球的轨迹，并据此计算出测风数据。接收机实时接收电子探空仪发射回来的探空码，经解码后就可以得到温度、湿度和气象等气象要素。

1雷达跟踪气球轨迹的原理

普通一次雷达所追踪的目标是无源的反射体，如飞机和导弹等，依靠目标反射的雷达波来确定其轨迹。二次雷达与一次雷达不同，它所追踪的目标是有源的。这种有源的目标物，被称作“无线电应答器”。在雷达波段中，L波段表示1-2GHz，波长30-15cm，而二次测风雷达的实际使用频率为1.675GHz，实际波长为17.9104cm。

进行探测时，探空气球携带无线电应答器和电子探空仪升空。同时二次测风雷达在地面发出“询问信号”，触发应答器发回“回答信号”，并被雷达天线接收。根据无线电波从雷达天线到探空气球之间的往返时间，就可以计算出二者之间的距离。计算公式为：

D=■（c△t）

式中D为雷达天线与探空气球之间的距离， △t为无线电波的往返时间，c为光速，c=3×108m/s 。影响测距精度的两个重要因素分别为△t的测定精度以及应答器的触发延时。

为了测量气球的方位角度，二次测风雷达的天线设计为4个 φ0.8m的抛物面天线，发送的水平、垂直波瓣宽度均不大于6°。当天线电轴对准目标时，射频信号到达各个天线的路程相等，无相位差。在显示器上表现为四根亮线一样长的。若电轴没有对准目标，则显示器上的亮线不一样齐。因此在高空探测中，只要转动天线，使显示器上的亮线始终两两对齐，就表示雷达天线对准了目标，根据雷达方位角度就可以知道气球的方位角度。根据雷达测距和测角的数据，就可以计算出探空气球在空中飘移的速度和方向，也就得到了风速与风向。

在测量过程中需要用到以下公式：

式中：z为目标海拔几何高度，z0为测站海拔几何高度，R为地球平均半径，r为目标物的距离，E为目标物的仰角。

H=■·■；式中：H为目标的海拔位势高度，gφ表示纬度为φ海平面处的重力加速度，g0为标准重力加速度。

2 L波段高空气象探测系统操作

2.1开机

由于二次测风雷达整机是经UPS整机供电的，因此首先要打开UPS电源。然后打开微机电源，运行接收控制软件。再依次打开主控箱上的总电源、发射机电源、驱动向的电源及示波器电源。调整示波器上的相关旋钮，使之能正常显示四条亮线。最后打开近程发射机。

2.2放球

调整接收机频率，使之与应答信号相匹配。检查应答信号“凹口”的形状，若“凹口”较浅将无法进行自动跟踪。此时应调整应答器的“凹口”调整电位器，使“凹口”达到一定深度。放球前需测量地面的风向与风速。为确保起始自动抓球成功，尽量选在下风方向放球。如果遇到大风，必须要事先估计气球释放后的运动轨迹，以便在自动抓球失败的情况下，能够进行手动抓球。当气球升到距离天线30米以上时，将天线调整到气球方向，允许偏离一定小角度。此时天线应当能够自动对准气球。如果信号太强造成天线跟踪不好，可适当增大放球点的距离。

2.3关机

点击控制软件界面中的远程发射机的高压开关，将发射机关闭。然后将雷达天线的仰角调整到85○，并关闭驱动箱电源。依次关闭主控箱的发射机电源、总电源和示波器。最后推出应用程序，关闭微机及UPS。

3使用过程中的常见问题及解决方法

3.1放球过程中丢球

这种情况下要进行手动抓球。通常出现丢球一般是在地面或球升空时间不长，正常时接收增益一般较小，指示值为100左右（旁瓣抓球，增益值一般很大大约在150～160之间），如果可以看到斜距，根据高度可以很精确地计算出仰角值，然后根据该仰角值进行搜索抓球。无法计算出仰角值时，根据经验估测一个仰角值，方位进行360度扫描，若未抓到球，改变仰角（10度左右）再进行扫描，直到抓到球为止。

手动抓球时，可以通过四条亮线判断是否抓到球了。判断方法如下：（1）要看4条亮线是否稳定，跳跃是否整齐，测距凹口跟踪是否正常（气压飞点及时删除），再看雷达高度、气压高度、估高数据是否一致，如符合以上条件则判断抓住球了。（2）可以直接根据增益大小的变化规律进行判断，天控打自动后再结合扇扫功能，确定是否抓到球了。

3.2天线在自动跟踪过程中方位发生死位现象

天线在自动跟踪过程中方位角、仰角出现死位现象，主要有以下几个原因（1）天线座的汇流环有问题，应经常用酒精对汇流环及其碳刷进行清洗；（2）驱动箱内编码器的插头接触不良，应重新插拔连接；（3）发射机对方位角驱动电机的编码器信号产生干扰，应做好驱动电机上两根电缆的屏蔽防护。

结语：L波段高空气象探测系统作为一种自动化程度较高的新型探空系统，其给气象工作带来了极大的方便。但是该系统对操作人员的要求较高，如果操作不合理容易得不到准确的数据或出现丢球的现象。因此操作人员必须要懂得系统的工作原理，熟悉系统的操作流程及使用方法，掌握排除问题与故障的能力，为民众提供更准确的气象资料。

参考文献

[1]覃晓玲，徐嘉宁，韦丽英，梁建平.L波段探空雷达常见故障分析和检修方法[J].气象研究与应用，2010（01）.

[2]白富强.GFE（L）波段雷达常见故障分析和维修维护[J].赤峰学院学报（自然科学版），2010（04）.

[3]吴月友.L波段雷达工作原理及维修保养方法[J].气象水文海洋仪器，2014（01）.