浅谈应用无人机进行L波段探空雷达标定

2021-11-28

中国科技纵横 2021年1期

关键词：探空仪电轴光轴

（长沙市气象局大气探测中心，湖南长沙 410000）

0.引言

要使天气预报做到精准，高空气象数据获取上就必须做到高精准、高品质。作为高空气象的观测平台L波段探空雷达，其工作状态是否正常和规范，直接影响到高空气象数据的精准度。因此，雷达观测精度标校是雷达机务人员日常维护的重要工作之一。

1.按照中国气象局的规范要求，雷达在使用一定时间后必须进行精度检查标校

1.1 雷达标校的主要项目

雷达标校的主要项目：光轴与俯仰轴垂直标定、光轴与海平面平行标定、方位角标定、距离零点标定、光轴、机械轴与电轴一致的标定等。

1.2 《L波段高空气象探测系统设备维护、维修手册》要求

1.2.1 距离零点标定要求

（1）小发射机标定要求将探空仪放置在距离雷达100m～200m处；（2）大发射机标定要求将探空仪放置在距离雷达100m～450m以上处。

1.2.2 光轴、机械轴与电轴一致性要求

（1）检查光轴与仰角轴垂直，利用固定目标物进行标定，要求固定目标物＞2km；（2）正点放球时间，使用经纬仪和瞄准镜并观察雷达显示器四条亮线进行标定；要求操作人员业务熟练、配合默契；（3）系留气球法，要求在静风或微风的白天进行，且目标探空仪的仰角应＞15°，斜距应＞500m。

2.传统标定方式的局限性

由于探空业务对周边观测环境的要求，许多探空站山顶或城市郊区制高点，建于山顶之上的雷达若按规范要求进行标定则很难达到要求。如：建在山顶上的雷达天线，其山顶平面一般都不到100m，探空仪与雷达的距离应在100m～200m处的要求。再如：光轴、机械轴与电轴一致性标定，要求固定目标物＞2km且高于雷达，也很难合乎要求。较为精确的系留气球法，由于要求要求在静风或微风的白天进行，且目标探空仪的仰角应＞15°，斜距应＞500m，无论人力物力都很难实现。

针对上述的难点，目前普遍采取主要采取人工计算理论参数对比订正。比如雷达站周围找不到2km外的目标，则采用人工自制设备作为近距离目标物，以理论计算为依据，调整和理论依据同远距离目标物标定一致。虽然能够达标，但精度会受到一定的影响。而应用白天或正点放球进行标定，因为气球是快速移动的目标，且要多人配合，因此很难在短时间内一次性迅速精确调整到位。

3.应用无人机进行雷达标定可解决客观条件的局限，有效提高标定精度

近年来，随着科学技术的不断发展，无人机技术愈加成熟，无人机也成了气象服务的重要成员，能够在气象工作多领域，提供全方位、多元化辅助工作，使气象工作从平面延伸到空间。（以使用的大疆精灵4为例）。

3.1 工作特性

无人机具有不受场地、距离限制，可多次往返作业，搭载目标物可在任意点悬停固定等特性。

（1）该型无人机的控制距离在3.5km～7km，因此，在雷达标定时，可迅速达到标定所要求的任意位置；

（2）载荷能力1kg以上，可挂载约500g的探空仪担任目标物；

（3）一次飞行滞空可达30min，为工作人员检查调整留有充裕的时间；

（4）可在任意高度和方位悬停，为标定提供较多的参考数据；

（5）可往返多次悬挂不同的探空仪进行平均值标定，避免因探空仪性能差异误导而影响标定精度。

3.2 应用无人机进行雷达标定的方法

2017年长沙探空站尝试使用无人机进行探空雷达标定，实践证明，应用无人机进行雷达标定可达到技术规范要求。主要标定项目和方法：

3.2.1 大、小发射机距离标定

应用无人机可定点、定高、定距的特性，用无人机将探空仪飞至距离雷达天线直线距离约100m～200m的地方，因为不同的探空仪存在回答延时差异，一般选用2～3个探空仪，取平均值。

方法：无人机悬挂探空仪飞至距雷达200m处设置定高悬停，在“放球软件”中调整距离按钮的左、右键，使控制面板上测距显示为200m，调整测距板11～3上的拨码开关s1，其值分别为4、8、16、32……，使回波处于2km扫描基线上的“凹口”之间，将测距开关点击至“自动”，观查显示距离与实际距离是否为200m，否则进行调整。再使无人机往返悬挂2～3个探空仪取平均值完成标定[1]。

大发射机距离标定，可将无人机飞至450m处定高悬停，标定方式与小发射机标定相同。拨码开关为s2，其值为8、6、32、64 ……。

3.2.2 光轴、机械轴与电轴一致性标定

该项目标定要求要保证固定目标物离雷达距离大于2km。在理论分析中，因为距离足够远俯仰转动的距离可忽略不计。若距离不够远，则会影响标定的精度[2]。而使用无人机则可将目标物搭载至标定的最佳位置。

方法：（1）光轴与俯仰轴垂直标定。使用无人机将目标物搭载至＞2km的位置固定悬停，调整瞄准镜支架三角板，使得三角板平面与俯仰轴垂直，使光轴与俯仰轴垂直标定误差应＜0.1°即可。（2）光轴与电轴一致性标定。无人机将目标物搭载至＞2km的位置，如果回答器在瞄准镜内的位置与十字线中心的偏离＜ 0.1°，即光轴与电轴一致，则为合格。若偏离＞0.1°，需调整移相器的光轴与电轴至一致[3]。

3.2.3 方位角的标定

无人机将目标物搭载至＞2km的方位角为360°的位置，转动天线，使瞄准镜对准目标物，用经纬仪对准同一目标物并读取目标物的方位角，可以将这个方位角作为天线的实际方位角，若与天线方位角读数有差异，则转动天线至实际方位角读书位置，调整11～8方位板为0°，完成标定[4]。

此外，应用无人机还可以在实行系留气球法进行雷达全方位标定时，按照目标探空仪对应探空雷达的仰角应＞15°，斜距应＞500m要求，飞至数百米的高空悬停，替代系留气球完成标定工作作用。