面雨量监测中的雷达技术

王美玲，丁美霞，牛睿平

(1. 江苏省水文水资源勘测局,　南京 210029)(2. 水利部南京水利水文自动化研究所，　南京 210012)



·总体工程·

面雨量监测中的雷达技术

王美玲1，丁美霞1，牛睿平2

(1. 江苏省水文水资源勘测局,南京 210029)(2. 水利部南京水利水文自动化研究所，南京 210012)

介绍了一种X波段多普勒体制雷达面雨量监测系统。首先，着重阐述了该系统的工作原理、主要设备组成；其次，介绍了系统采用的高可靠性窄脉冲磁控发射机技术、DSU数字中频信号处理器技术、大动态可变本振数字中频接收机技术等；再次，介绍了该系统的功能，能自动、实时、连续、准确探测区域内降雨强度变化和位置、降雨分布、面降雨量；最后，介绍了对比观测试验的情况，并客观分析了该系统的优势与不足，指出实际应用中需要关注的问题。

面雨量监测雷达；窄脉冲磁控发射；DSU数字中频信号处理

0　引　言

面雨量是一定区域或流域单位面积上的平均降水量，是水文气象中一个重要参数，是水文模型的初值。面雨量值的准确与否直接关系到洪水预报、水量计算的精度，关系到洪水调度决策、水资源管理的科学性。传统方法是在区域内利用实测的点雨量数据，通过算术平均法、数值法、等值线法等方法来计算面雨量。在实际应用中，受到监测区域内实测雨量站点密度的限制，同时由于降水空间分布的复杂性，如何准确计算流域/区域面雨量一直是个科学难题[1]。在传统监测方法下要提高面雨量计算精度，通过在监测区域增加雨量观测点的密度就可以实现。但超过一定量的监测点在投资上和技术上存在困难。

雷达作为一种主动遥感设备,可得到具有一定精

度的、大范围高时空分辨率的实时降雨量信息，从20世纪60年代开始，国外与国内都在研究利用雷达测雨，并取得了一定的成果[2-3]。近年来，利用X波段多普勒体制雷达进行小区域(半径小于40 km)内的雨量监测，收到了很好的应用成果。该雷达能实时、连续、准确探测区域内降雨强度变化和位置、降雨分布、面降雨量及相应风场信息，并可结合其他设备组成相应的面雨量监测系统。已在云南、江西、江苏等地取得很好的应用成效，为洪水预报、防洪调度、水资源管理发挥重要作用。

1　系统组成

1.1雨量雷达系统

如图1所示，雨量雷达系统主要有天线、馈线、发射系统、接收系统、数字中频信号处理系统、伺服系统、监控系统、终端及数据处理系统组成。

图1　雷达系统整机框图

1.2工作原理

雷达设备工作时，通过发射系统发射一定功率的脉冲能量，经过馈线部分到达天线，向空间定向辐射；天线定向辐射的电磁波能量遇到降水等目标时，便会产生散射，其中后向散射的一部分形成回波信号被天线接收；天线接收到降水等目标回波信号，经过馈线部分传输到接收系统；接收系统将回波信号进行放大、混频、转换等处理后送往信号处理系统；信号处理系统对回波信号作数字中频信号(DSU)处理后形成I、Q正交信号，并对其作平均处理、地物对消滤波处理，得到反射率的估测值即强度Z，通过脉冲对处理(PPP)或快速傅里叶变换(FFT)处理，从而得到散射粒子群的平均径向速度V和速度的平均起伏即速度谱宽W，通过处理双极化数据得到差分反射率、差传播相移、零滞后相关系数等雷达原始监测信息。雨量雷达通过计算雷达回波信号强度来推算气象目标的实际物理状况，通过雷达气象方程，建立雷达平均接收功率Pr与雷达反射因子Z的关系，而Z与观测区域内的降水强度I存在一定的关系，因此可通过雨量雷达测量的回波信号强度推算出实际的降水强度。这种测量方法被称为Z-I关系法，即应用雷达气象方程由测得的雷达回波功率算出雷达反射因子Z值，然后根据特定条件下的Z-I关系推算出降水强度I，从而得到实际的降水强度与降水量[2]。

1.3设备主要组成部分

1)天馈线。天馈线采用1.3m圆口径抛物面天线，水平极化方式，增益≥38 dB。

2)发射机。发射机采用自激振荡式小型化磁控管发射机，工作频率9 375 MHz±30 MHz；输出脉冲功率≥20 kW，占空比1‰。

3)接收机。接收机采用中频相参体制，超外差式一次变频的数字中频接收处理方式。具有故障监测能力，对接收机的关键部位，如接收通道、本振、各类电源进行实时监测、指示，并送出故障信息，便于终端进行处理。

接收机工作频率为9 375 MHz±30 MHz；接收机灵敏度为-105 dBm (0.6 μs)，-102 dBm (0.2 μs)；动态范围≥85dB；噪声系数≤3dB；中频输出为30MHz±8 MHz；频率跟踪范围为±8 MHz ，跟踪精度为±50 kHz。

4)数字中频信号处理器。数字中频信号处理器包括数字中频接收机和多普勒天气雷达信号处理器，除完成常规信号处理外，还要处理速度、谱宽、地杂波抑制等多普勒参数。

5)伺服系统。伺服系统包括天线方位伺服系统和天线俯仰伺服系统两个分系统，各自独立工作，互不影响。

天线方位伺服系统的作用是用计算机操纵天线，将天线方位角调定在0～360°内的任意给定角度位置上，也能实现天线方位1 r/min～3 r/min自动环扫(PPI状态)，通过计算机可改变天线方位自动环扫的转速。

天线俯仰伺服系统的作用是用计算机操纵天线，将天线俯仰角调定在0～90°内的任意给定角度位置上，也能实现天线俯仰12(°)/s在0～90°内自动俯仰，通过计算机可改变自动俯仰的速度及扫描范围。

6)监控系统。监控系统在终端计算机的控制下，根据雷达天线的方位和俯仰产生对雷达天线方位和俯仰控制的误差电压，实现对雷达天线工作状态和工作姿态的控制操作；实现对伺服系统工作状态的控制操作；实现对接收系统工作状态和故障状态的实时监测，并对接收系统的工作状态进行控制操作；实现对发射系统的全功能监控，其中包括对发射系统的工作状态和故障状态的实时监测，以及对发射系统工作状态的遥控操作；与计算机终端连接，接收终端的命令并给予回复；为信号处理系统提供差分转换单元。

7)监控软件和终端显示。雷达设备配套终端计算机设备一套，在计算机上安装雷达系统监控软件一套，该软件完成对雷达整机的控制和监测、采集信号处理器输出的雷达回波数据、并根据当前的工作状态对雷达回波进行显示和存储。自动实现监测信息的采集、处理、存储、传输、应用等功能，以及雷达整机控制、雷达状态监测和雷达系统参数测试等功能。操作人员在操作监控软件能完成雷达设备的整体操作，实时监视雷达工作状态、工作参数和故障情况。

2　关键技术

1)高可靠性、窄脉冲磁控发射机技术。该发射机为自激振荡式发射机。其调制器采用全固态刚性调制器，调制器电源采用开关电源。通过严格的电路设计使之能够提供两种高频稳定脉冲，其最窄脉冲宽度达到0.2。

2)带DSU功能的数字中频信号处理器技术。数字中频信号处理器利用AD对发射脉冲样本进行取样，然后用该取样值和回波信号进行相关或卷积，实现相位校正，达到消除磁控管的发射脉冲的初相是随机的目的，从而得到更多的目标信息如速度、谱宽等。

3)大动态可变本振数字中频接收机技术。取消了带通滤波器、线性中放、对数中放和视放等窄带高增益模拟线路，提高了整机的稳定性和可靠性，克服了传统模拟正交I、Q通道由于中频移相器精度误差和相位检波器两路不平衡以及模拟电路随温度变化等带来的误差，提高了雷达系统的相位检测精度。

3　主要功能

(1)雨量雷达能实时提供回波强度、平均径向速度和速度谱宽等原始产品图像分布信息。按用户设置好的时间和雷达工作方式，自动定时的按顺序执行雷达扫描。(2)雨量雷达能实时提供监测区域内高时空分辨率的面雨量数据，探测半径为36 km，空间分辨率为60 m×60 m。(3)雷达系统具有完善的在线强度、速度和空间位置自动定标装置，并建立充分的冗余以确保在用户规定的工作环境内24 h连续不间断地运行。(4)雷达系统具有本地控制和远程遥控两种工作方式，能完成功能相同的交互控制、测试、维护能力。(5)雷达系统具有在线检测设备，能随时监测雷达各分系统的主要工作参数和工作状态，在监控及终端系统的显示器上显示并记录监测信息。在发射、伺服分系统的重要部位还设置了故障自保装置，以防损坏。一旦发现故障，立即报警，并将故障定位到可更换单元(LRU)。(6)雷达系统能够在复位后自动初始化，恢复系统的运行参数。当打开电源和停电后恢复电源，雷达主系统能够在无操作员的干预下正确运行，当停电和随后恢复供电时所有的设置和缺省参数均不会改变。

4　对比观测试验

4.1南京雨量雷达试验

江苏省水文水资源勘测局与水利部南京水利水文自动化研究所共同进行了雨量雷达对比观测试验。2014年12月在南京完成雷达面雨量自动监测系统的安装、调试等工作，开始试验数据的采集。图2为该试验点雨量雷达的监测范围与监测区域自动雨量站的分布情况。

雨量雷达设备安装在南京市雨花台区，安装坐标为东经118.772°，北纬31.966°，海拔约39.0 m，距南京市区约10 km，雷达监测范围内共有17个自动雨量站，3个雨滴谱仪(“★”) 。

图2　南京试验点监测区域与自动雨量站的分布情况

4.2对比试验基本情况

2015年南京雷达面雨量试验点进行了完整运行，设备总体较稳定，并采集了多次完整的降雨天气过程。包括层状云降水、对流云降水(居多)和混合云降水，其中有6 h左右的短时降雨，也有持续时间超过48 h的持续性降水。以2015年7月7日8时-7月9日8时累计雨量对比为例，如图3、图4所示，得出表1的评估结果。

图3　雷达累计雨量

图4　雷达累计雨量与自动雨量站雨量对比

雷达测雨评估各评估参数比率绝对值相对误差雷达雨量评估1.03112.55%

从全年数据对比分析中可以发现，雨量雷达测量数据与自动雨量站的数据在整体上趋势保持一致，在单场次累计雨量超过10 mm的情况下，双方数据对比误差约为20%。但个别场次降雨误差随机性偏大，最大接近60%，初步分析误差原因主要来自于降雨类型的影响和环境气候(如大风、雨夹雪等)的影响。今后将在试验中进一步分对比析，争取通过率定的方式提高雨量雷达测雨精度。

5　结束语

雨量雷达优势：(1)在监测区域内，雨量雷达测量的降雨在空间上是连续的。连续的空间雨量可以使用户直观得到区域内雨量的实际分布效果，而且可以方便地获得区域内的降雨量极值，如暴雨中心、区域内最大雨强值等。(2)在记录单次降雨发生过程中，相比传统雨量计，雨量雷达获取的空间连续降雨数据能更直观地反映单次降雨的演进变化过程。(3)雨量雷达在小雨测量上更敏感。(4)雨量雷达在数据监测密度上大大优于传统雨量计。

雨量雷达主要问题：(1)雨量雷达测量降雨的方法为推算法，计算结果主要受降雨类型影响，测量的结果需要率定。(2)单套雷达设备建设投资较大。(3)雨量雷达测量数据在资料方面与现行国家水文标准存在衔接问题。

[1]张培昌，杜秉玉，戴铁丕. 雷达气象[M]. 2版. 北京：气象出版社，2000: 171-210.

ZHANG Peichang, DU Bingyu, DAI Tiepi. Radar meteorology[M]. 2nd ed. Beijing: China Meteorological Press, 2000: 171-210.

[2]ALLEGRETTI M, BERTOLDO S, PRATO A, et al. X-band mini radar for observing and monitoring rainfall events[J]. Atmospheric and Climate Science，2012(2): 290-297.

[3]CHANDRASEKAR V, WANG Y, CHEN H. The CASA quantitative precipitation estimation system:a five year validation[J]. Natural Hazards and Earth System Science, 2012(12): 2811-2820.

王美玲女，1969年生，硕士，高级工程师。研究方向为水文自动化、水利信息化、信息安全。

丁美霞女，1968年生。研究方向为计算机技术。

牛睿平男，1973年生，硕士，高级工程师。研究方向为计算机软件设计、工程项目管理、技术方案咨询等。

Radar Technology in Areal Rainfall Monitoring

WANG Meiling1，DING Meixia1，NIU Ruiping2

(1. Hydrology and Water Resources Investigation Bureau of Jiangsu Province,Nanjing 210029, China)(2. Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology,Ministry of Water Resources,Nanjing 210012, China)

An X-band Doppler radar system for areal rainfall monitoring is described in this paper. First of all, the working principle and the main equipment of the system is expoanded. Secondly, the key technologies adopted in the system are introduced such as high reliability and narrow pulse magnetron transmitter technology，DSU digital IF signal processor technology, and large dynamic variable LO digital IF receiver technology. Thirdly, the function of the system is expatiated on automatical, real-time, continuous, accurate detection of regional rainfall intensity change and location, rainfall distribution, areal rainfall. Finally, based on the situation of comparative observation experiment, the advantages and disadvantages of the system are analysed objectively and the problems that need to be paid attention to in practical application are pointed out.

radar system for areal rainfall monitoring; narrow pulse magnetron transmitter; DSU digital IF signal processor

王美玲Email：13913889936@139.com

2016-01-23

2016-03-28

TN959

A

1004-7859(2016)06-0009-04

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.06.003