CN117805742B - 相控阵天气雷达及其扫描模式的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相控阵天气雷达及其扫描模式的设计方法，所述设计方法包括确定俯仰覆盖范围；根据所述俯仰覆盖范围、探测距离以及体扫时间确定俯仰发射波位的数量；根据所述俯仰覆盖范围和所述俯仰发射波位的数量确定每个俯仰发射波位的波束宽度；确定俯仰发射波位的次序；确定每个所述俯仰发射波位中的接收波束数量，即完成所述雷达扫描模式的设计。本发明设计一种宽窄波束混合扫描模式，通过在俯仰方向上，低层采用窄波束、高层采用宽波束，既能发挥窄发窄收模式的探测能力强、副瓣抑制能力好的优点，又能发挥宽发窄收模式的体扫时间短、俯仰覆盖范围大的优点。

Description

相控阵天气雷达及其扫描模式的设计方法

技术领域

本发明属于相控阵雷达技术领域，尤其涉及一种相控阵天气雷达及其扫描模式的设计方法。

背景技术

相控阵雷达技术主要用于军事和航天等领域，近年来随着半导体等技术的发展，相控阵技术逐步应用到气象领域，相控阵天气雷达与多普勒天气雷达相比，能快速获取探测数据，运行更加稳定可靠。

目前，应用在相控阵天气雷达上的扫描模式普遍比较单一。例如，刘黎平等在《X波段一维扫描有源相控阵天气雷达测试定标方法》（应用气象学报，2015,26(2),129-140）中指出，为了满足不同时空分辨率的探测需求，X波段有源相控阵天气雷达（XPAR）设计了3种波形的体扫模式，具体包括：

（1）使用俯仰发射波位宽度和俯仰接收波束宽度均为1°、40层覆盖40°的精细测量模式；

（2）俯仰发射波位宽度20°、俯仰接收波束宽度1°、14层覆盖0-20°的警戒搜索模式；（3）俯仰发射波位宽度4°、俯仰接收波束宽度1°、40层覆盖40°的精细测量模式。

程元慧等在《广州相控阵天气雷达组网方案设计及其观测试验》（气象，2020年06期）中指出，双偏振X波段相控阵天气雷达（简称APAR雷达）的体扫模式为：俯仰发射波位宽度1.8°，俯仰接收波束宽度1.8°，17层覆盖30°范围。

综上来说，目前相控阵天气雷达的体扫模式主要分为窄发窄收模式（即俯仰发射和俯仰接收均为窄波束）、宽发窄收模式（即俯仰发射为宽波束、俯仰接收为窄波束）。无论是窄发窄收模式还是宽发窄收模式都存在其优势和缺点，例如窄发窄收模式的优势是雷达的探测能力强、副瓣抑制能力好，缺点是其体扫时间长、俯仰覆盖范围小；而宽发窄收模式的优势则是体扫时间短、俯仰覆盖范围大，缺点是探测能力相对较弱、副瓣抑制能力较差。

因此，如何设计一种相控阵天气雷达的体扫模式，既能兼顾窄发窄收模式和宽发窄收模式的优点，又能弱化其缺点，对相控阵天气雷达的实际工作具有非常大的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相控阵天气雷达及其扫描模式的设计方法，以解决传统窄发窄收模式存在体扫时间长、俯仰覆盖范围小的问题，以及传统宽发窄收模式存在探测能力相对较弱、副瓣抑制能力较差的问题。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种相控阵天气雷达扫描模式的设计方法，包括以下步骤：

确定俯仰覆盖范围；

根据所述俯仰覆盖范围、探测距离以及体扫时间确定俯仰发射波位的数量；

根据所述俯仰覆盖范围和所述俯仰发射波位的数量确定每个俯仰发射波位的波束宽度；

确定俯仰发射波位的次序；

确定每个所述俯仰发射波位中的接收波束数量，即完成所述雷达扫描模式的设计。

进一步地，所述俯仰覆盖范围的具体确定过程为：

获取雷达设计的最大探测距离和最大探测高度；

确定目标处于最大探测高度时能完整探测目标的最小探测距离；

根据所述最大探测高度以及所述最小探测距离计算出俯仰角度，具体公式为：

θ＝arctan(H_max/D_min)；

其中，θ表示俯仰角度，H_max表示设计的最大探测高度，D_min表示目标处于最大探测高度时能完整探测目标的最小探测距离；

根据所述俯仰角度确定俯仰覆盖范围。

进一步地，当探测距离不超过60km，体扫时间不超过60s，俯仰覆盖范围为0°~60°时，所述俯仰发射波位的数量为8。

进一步地，所述俯仰发射波位的波束宽度从低层仰角至高层仰角逐渐展宽，且所述俯仰覆盖范围等于所有俯仰发射波位的波束宽度之和。

进一步地，当所述俯仰覆盖范围为0°~60°、所述俯仰发射波位的数量为8时，从低层仰角至高层仰角，8个所述俯仰发射波位的波束宽度依次为1.5°、1.5°、1.5°、3°、6°、7.5°、15°、24°。

进一步地，所述俯仰发射波位的次序为从低层仰角至高层仰角，由窄波束逐步扩展至宽波束，即渐进式展宽原则。

进一步地，每个所述俯仰发射波位中的接收波束数量等于该俯仰发射波位的波束宽度/接收波束步进。

进一步地，所述接收波束步进为1.5°。

进一步地，所述设计方法还包括：

根据发射波位增益和发射波位幅度加权值计算出定标差；

根据所述定标差对雷达扫描模式的定标参数进行调整。

基于同一构思，本发明还提供一种相控阵天气雷达，所述相控阵天气雷达采用如上所述的相控阵天气雷达扫描模式的设计方法进行扫描模式的设计。

有益效果

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提供一种相控阵天气雷达扫描模式的设计方法，即设计一种宽窄波束混合扫描模式，兼顾窄发窄收模式和宽发窄收模式的优点，弱化其缺点；具体来说，在俯仰方向上，低层采用窄波束、高层采用宽波束，既能发挥窄发窄收模式的探测能力强、副瓣抑制能力好的优点，又能发挥宽发窄收模式的体扫时间短、俯仰覆盖范围大的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中相控阵天气雷达扫描模式的设计方法流程图；

图2是本发明实施例中俯仰覆盖范围确定示意图；

图3是本发明实施例中4波位宽发窄收模式，其中横坐标表示探测距离，纵坐标表示探测高度，不同颜色表示不同波位，不同颜色对应的数字表示波位号，例如数字3表示第3个波位采用的颜色；

图4是本发明实施例中8波位宽窄波束混合模式一，其中横坐标表示探测距离，纵坐标表示探测高度，不同颜色表示不同波位，不同颜色对应的数字表示波位号，例如数字3表示第3个波位采用的颜色；

图5是本发明实施例中8波位宽窄波束混合模式二，其中横坐标表示探测距离，纵坐标表示探测高度，不同颜色表示不同波位，不同颜色对应的数字表示波位号，例如数字3表示第3个波位采用的颜色。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

如图1所示，本发明实施例所提供的一种相控阵天气雷达扫描模式的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：确定俯仰覆盖范围。

本实施例中，俯仰覆盖范围的具体确定过程为：

步骤1.1：获取雷达设计的最大探测距离和最大探测高度；

步骤1.2：确定目标处于最大探测高度时能完整探测目标的最小探测距离；

步骤1.3：根据最大探测高度以及最小探测距离计算出俯仰角度，具体公式为：

θ＝arctan(H_max/D_min)（1）

其中，θ表示俯仰角度，H_max表示设计的最大探测高度，D_min表示目标处于最大探测高度时能完整探测目标的最小探测距离；

步骤1.4：根据俯仰角度确定俯仰覆盖范围。

如图2所示，以最大探测高度H_max为20km，最大探测距离D_max为45km为例，当俯仰有效面积占比为92%时，俯仰覆盖范围以俯仰角度范围来衡量，此时俯仰角度范围为0~70°。俯仰有效面积占比是指工作波束在俯仰向上所覆盖的最高角度与探测距离、探测高度所组成梯形区域的面积与最大探测距离、最大探测高度所组成长方形区域的面积之比。以短时临近天气观测模式为例，为了保证目标处于最大探测高度20km时能完整探测目标的最小探测距离为10km，根据公式（1）计算出此时的俯仰角度约为60°，此时俯仰有效面积占比约为87%，因此确定该短时临近天气观测模式的俯仰覆盖范围为0°~60°。

步骤2：根据俯仰覆盖范围、探测距离以及体扫时间确定俯仰发射波位的数量。

俯仰发射波位的数量主要以体扫时间T、雷达软硬件的能力边界（指雷达的天线阵面尺度、阵元间距、波束形成能力、信号处理能力等）等共同决定，在最大探测距离H_max、体扫时间T、俯仰覆盖范围确定的情况下，俯仰发射波位的数量越多，则在单个俯仰发射波位上的驻留时间越少，脉冲积累数越少，雷达的探测精度和能力会出现下降；俯仰发射波位的数量越少，则俯仰发射波位的波束宽度要求越宽，雷达的发射波位增益及副瓣抑制能力会出现下降，进而雷达的探测精度和能力也会变低。极限情况下，雷达的俯仰发射波位的数量最少可为1个，最多不超过接收波束的总数量。

本实施例中，根据X波段相控阵天气雷达的最大探测距离一般不超过60km、体扫时间一般不超过60s、俯仰覆盖范围为60°，脉冲积累数量可保证雷达探测精度，选择俯仰发射波位的数量为8个。

步骤3：根据俯仰覆盖范围和俯仰发射波位的数量确定每个俯仰发射波位的波束宽度。

俯仰发射波位的波束宽度主要以雷达软硬件的能力边界、俯仰覆盖范围、俯仰发射波位的数量等因素共同决定。极限情况下，俯仰发射波位的波束宽度的最小值等于雷达设计的最小波束宽度（由天线阵元数和阵元间距等决定），俯仰发射波位的波束宽度的最大值等于俯仰覆盖范围。考虑到雷达探测能力在俯仰方向上的连续性，不产生太大的阶梯，雷达的俯仰发射波位的波束宽度需要采用“渐进式展宽”原则，即俯仰发射波位的波束宽度从低层仰角至高层仰角逐步展宽。低层仰角至最接近于方向位X轴的仰角（一般从0°开始），高层仰角是指最接近于垂直向Y轴的仰角（不超过90°）。这种“渐进式展宽”原则在最低层采用窄波束，能够充分发挥其地物抑制能力强、增益大的优势，使雷达低层探测能力强，数据质量优。

基于俯仰发射波位的波束宽度从低层仰角至高层仰角逐步展宽这一原则，考虑到X波段相控阵天气雷达俯仰覆盖范围为0°~60°，俯仰发射波位的数量为8个，8个俯仰发射波位的波束宽度如表1所示。

表1 宽窄波束混合形式

注：表1中发射波位增益由暗室测试可以得到，发射波位幅度加权值由波束赋形系数仿真得到（例如100%的幅度加权，则幅度加权值为0dB；50%的幅度加权，则幅度加权值为-3dB）；当天气雷达在俯仰发射波位1中定标值为C，则其他波束定标值叠加补偿波束间定标差，就为该俯仰发射波位的定标值。

步骤4：确定俯仰发射波位的次序。

俯仰发射波位的次序主要由波束的副瓣抑制能力和观测重点区域来确定。一般情况下，发射波位方向图距离主瓣越远，其副瓣抑制能力越强，波束宽度越窄，其副瓣抑制能力越强；另外，X波段相控阵天气雷达的观测重点区域一般为近地面区域；再结合“渐进式展宽”原则，本发明设计的扫描模式中俯仰发射波位的次序从低层仰角至高层仰角，由窄波束逐步扩展至宽波束，具体次序如表1所示。

步骤5：确定每个俯仰发射波位中的接收波束数量。

接收波束个数由雷达软硬件的能力边界、俯仰发射波位的波束宽度和接收波束步进共同决定。一般情况下，每个俯仰发射波位的接收波束个数＝俯仰发射波位的波束宽度/接收波束步进，一个俯仰发射波位的接收波束个数最少为1个，最多为其同时接收波束的最大数量。

执行步骤1~5即完成扫描模式的设计，扫描模式的参数包括俯仰覆盖范围、俯仰发射波位的数量、每个俯仰发射波位的波束宽度、俯仰发射波位的次序、每个俯仰发射波位中的接收波束数量。

步骤6：根据发射波位增益和发射波位幅度加权值计算出定标差；根据定标差对雷达扫描模式的定标参数进行调整。

为了使扫描模式的各参数设计更加合理，还需要在具体试验过程中，根据实际应用过程中的参数对雷达扫描模式的各参数进行调整，扫描模式的各参数可以根据实际应用过程中的参数进行灵活调整。

根据天气实际观测过程中RHI数据（Range Height Indicator,RHI）的连续性来判断俯仰发射波位的波束宽度是否合适，当俯仰发射波位与俯仰发射波位之间存在明显的波束间隔时，需要将相邻两个俯仰发射波位的波束宽度交叉展宽一部分，以达到完全覆盖接收波束范围的目的。

当出现需要关注的天气过程与雷达的距离较近，而天气过程发展的高度超出雷达的俯仰覆盖范围时，需要增大俯仰覆盖范围，例如龙卷距离雷达站只有8km（即D_min为8km），发展的高度为20km(即目标发展的最高高度，一般等于H_max)时，则俯仰覆盖范围需要调整为68°(根据公式（1）)左右。当需要关注的天气过程主要集中在近地面（低层仰角），且对体扫时间、数据质量有较高要求时，可减小俯仰覆盖范围，例如水利测雨雷达重点关注2km高度以下的近地面，则俯仰覆盖范围可调整为30°以下。

当天气观测时，如果参量计算精度无法满足要求，需要增加脉冲积累数，而最大探测距离、体扫时间、俯仰覆盖范围、方位波束步进等又要保持不变时，需要减少俯仰发射波位的数量，加大俯仰发射波位的波束宽度；反之，则可以增加俯仰发射波位的数量，减小俯仰发射波位的波束宽度。当上述参数均已经确定，而俯仰发射波位的次序是以“渐进式展宽”原则来排列，则不需要调整，因为在天气观测过程中，重点关注的都是近地面（低层仰角）区域，而波束宽度窄的俯仰发射波位往往排在低层，波束宽度越宽则排在越高层。

传统天气雷达都是抛物面体制的天线，其波束方向图是固定的，通过机械旋转来覆盖不同的空域，因此只能开展一种波束宽度的扫描模式。相控阵技术应用在气象领域时间不长，目前应用较为广泛的扫描模式也是固定发射波位宽度的，比如窄发窄收模式和宽发窄收模式。

本发明提出的一种相控阵天气雷达扫描模式的设计方法，其本质是通过在一个俯仰切面发射不同的波束宽度来开展扫描，即宽窄波束混合扫描模式，旨在弱化原扫描模式的缺点，兼顾其优点。本发明的宽窄波束混合扫描模式设计主要有两个难点，即确定波位的组合形式、不同波位的定标。波位的组合形式是指相控阵天气雷达在扫描过程中，要采用不同波束宽度的发射波位来组合完成，组合的发射波位的波束宽度、数量、次序如何设计是难点，而不同的波位组合形式则会产生不同的观测效果。图3~图5表示几种不同的波位组合形式。不同波位的定标是指当相控阵天气雷达采用不同的发射波位开展混合扫描时，其波束宽度的变化会带来增益等指标的变化，而根据雷达气象方程，这种指标的变化会对天气雷达的定标值产生影响，因此在实际工作过程中，需要对不同的波束开展定标（如表1所示），减小这种影响。通过暗室测量出发射波位增益，即可定标不同波位。

本发明提出一种相控阵天气雷达宽窄波束混合扫描模式和设计方法，波位的组合形式、不同波位的定标上进行了充分的考虑，使该模式既能兼顾原窄发窄收模式探测能力强、副瓣抑制能力好的优点，又能兼顾原宽发窄收模式体扫时间短、俯仰覆盖范围大的优点。本发明解决了波位的组合形式，即波位的波束宽度、数量、次序如何制定的难点。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种相控阵天气雷达扫描模式的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：

确定俯仰覆盖范围；

根据所述俯仰覆盖范围、探测距离以及体扫时间确定俯仰发射波位的数量；

根据所述俯仰覆盖范围和所述俯仰发射波位的数量确定每个俯仰发射波位的波束宽度；其中，所述俯仰发射波位的波束宽度从低层仰角至高层仰角逐渐展宽，且所述俯仰覆盖范围等于所有俯仰发射波位的波束宽度之和；

确定俯仰发射波位的次序；其中，所述俯仰发射波位的次序为从低层仰角至高层仰角，由窄波束逐步扩展至宽波束；

确定每个所述俯仰发射波位中的接收波束数量，即完成所述雷达扫描模式的设计；其中，每个所述俯仰发射波位中的接收波束数量等于该俯仰发射波位的波束宽度/接收波束步进；

根据发射波位增益和发射波位幅度加权值计算出定标差；

根据所述定标差对雷达扫描模式的定标参数进行调整；

其中，所述俯仰覆盖范围的具体确定过程为：

获取雷达设计的最大探测距离和最大探测高度；

确定目标处于最大探测高度时能完整探测目标的最小探测距离；

根据所述最大探测高度以及所述最小探测距离计算出俯仰角度，具体公式为：

θ＝arctan(H_max/D_min)；

其中，θ表示俯仰角度，H_max表示设计的最大探测高度，D_min表示目标处于最大探测高度时能完整探测目标的最小探测距离；

根据所述俯仰角度确定俯仰覆盖范围。

2.根据权利要求1所述的相控阵天气雷达扫描模式的设计方法，其特征在于，当探测距离不超过60km，体扫时间不超过60s，俯仰覆盖范围为0°~60°时，所述俯仰发射波位的数量为8。

3.根据权利要求2所述的相控阵天气雷达扫描模式的设计方法，其特征在于，当所述俯仰覆盖范围为0°~60°、所述俯仰发射波位的数量为8时，从低层仰角至高层仰角，8个所述俯仰发射波位的波束宽度依次为1.5°、1.5°、1.5°、3°、6°、7.5°、15°、24°。

4.根据权利要求1所述的相控阵天气雷达扫描模式的设计方法，其特征在于，所述接收波束步进为1.5°。

5.一种相控阵天气雷达，其特征在于：所述相控阵天气雷达采用如权利要求1~4中任一项所述的相控阵天气雷达扫描模式的设计方法进行扫描模式的设计。