引言

风廓线雷达是对大气中风向风速随高度分布连续观测的一种遥感设备, 近年来, 越来越受到各国气象部门的重视。风廓线雷达和声学探测技术相结合开发的RASS系统(Radio-Acoustic Sounding System)遥感测温, 已成为探测大气虚温的一个方便且经济的重要手段。美国空间实验室在1987年首次进行了利用RASS实现测温的试验, 随后有越来越多研究人员加入到这方面的研究, 如NOAA的Strauch等人先后利用频率50、404和915MHz的风廓线仪进行了RASS系统的试验, 测温高度分别为5~9km, 1.5~2.5km和0.6~1.5km。

本文介绍了在某边界层风廓线雷达中开发的RASS测温系统的设计原理及实现要点。此RASS系统由工控机与主控软件, 音频信号发生器, 系统定时和控制器, 音频功放, 声天线, 中频数字接收卡和信号处理器组成。

1 探测原理

RASS系统的探测原理是通过发射高功率声波使大气密度产生周期性变化, 引起大气折射系数的周期性变化。当其变化的波长等于风廓线雷达波长的二分之一时, 对雷达电磁波产生了强的反射并被雷达探测到, 测量造成强反射信号的声波频率, 可导出该处的声速, 再根据声速和温度之间的关系反演出大气温度, 从而得到温度廓线。在大气中, 声速, 这里T为大气温度(单位K), A为温度比例系数, A仅随空气分子摩尔质量而变, 空气的相对湿度是影响空气分子摩尔质量的主要因素, 在干空气条件下, A ≈20.053。设大气为静止的, 当声波垂直向上发射时, 用雷达测量其多普勒频移为f_d=2V_a/λ_e, λ_e为雷达波长。所以只要测得声波波面产生的多普勒频移, 就能求得声波的多普勒速度, 进而获得声波所在高度的大气温度。

2 系统设计及性能分析

在设计声发射系统时, 在满足Bragg匹配的条件下, 即雷达电波波长与声波波长满足λ_e/λ_a=2时, 系统能够接收到最强的回波信号。此时接收功率为^[2]:

(1)

式中:N为声波数, G_t为雷达发射天线增益, G_r为雷达接收天线增益, G_a为声源喇叭发射增益, P_t为雷达发射功率, P_a为声源发射功率, L为声波衰减系数。系统中N =4, G_t=G_r=29dB, G_a=14dB, P_t= 1.5kW, P_a=0.6kW, θ=4.5 °, 设L= 10dB km^-1, 则

(2)

当系统灵敏度为-130dBm, 测温的高度大于1.5km。

如果大气出现水平运动时, 将会对测风的高度造成影响。在声波向上传播的过程中, 受水平风的影响将向下风方向偏移, 偏移的结果导致雷达波束部分或全部不能与声波波面交汇, 使得接收信号减弱, 导致测温高度下降。设大气水平风速为V, 声波的水平偏移为S=V ×t, 经推导得接收功率修正公式:

(3)

进而推导出测温高度与水平风速的关系:

(4)

得:

(5)

通过公式和Matlab仿真(见图 1), 都可以看出当水平风速大于13.3m·s^-1时, 测温高度将急剧下降, 因此在七级以上的强风天气下测温结果将会非常不理想。

根据RASS的测温原理, 其测温精度依赖于测速的精度。由于

设频率灵敏度为Δf, 则

所以,

系统中,

设T=290K, V_a=340m·s^-1, 则该RASS测温精度ΔT ≈0.2K。对于实际的大气, 不满足静止的假设条件, 于是存在由大气运动引入的误差

所以,

式中W为大气的垂直运动速度。由于系统是在风廓线雷达的基础上设计的测温系统, 故可以通过风廓线测到的大气垂直风速对测到声速进行修正, 从而将垂直气流的影响大大降低。除了垂直风对测温精度有影响外, 空气的湿度也会引起误差。对于实际空气, A=α×20.053, α值随相对湿度的变化在0.9994~1.0033之间, 则由变化量Δα引起的测温误差ΔT ≈-2T(Δα/α 3), 取α= 1.0000, T=290K, 则-1.9K ≤ ΔT ≤ 0.3K, 因此必须要合理的选择α才能减少由空气湿度引起的误差。

3 系统组成

RASS系统由工控机与主控软件, 音频信号发生器, 系统定时和控制器, 音频功放, 声天线, 中频数字接收卡和信号处理器组成, 系统组成框图见图 2。

3.1 工控机与主控软件

工控机无人值守, 通过Internet网络接收来自远端控制中心的指令, 是整个RASS系统的控制核心。在系统启动后工控机内的系统主控软件将完成DSP信号处理板, 中频数字采集卡, 系统定时控制器的初始化; 在系统工作过程中, 完成将中频接收卡采集到的实时高速数据流传送到DSP信号处理板的作用, 并将信号处理板运算结果通过PCI总线传送到主机缓冲器中, 从而为以后的进一步数据处理做好准备, 此外还实时监测汇总来自各分系统的监测信息, 产生实时系统运行记录, 分系统异常时可以及时报警并做出相应的处理; 在系统结束时, 将严格按照系统的退出要求完成相应操作, 避免系统退出异常。

3.2 系统定时和控制器

系统定时和控制器完成产生系统工作时所需要的时序和对音频信号的控制等功能, 主要由单片机和EPLD组成。工控机将DDS、DAC及系统时序控制所需的参数通过RS232传送过去, 定时控制器中的单片机接收到时序控制指令和参数后, 保存到RAM中, 再根据工作时不同的模式选择将相应的工作参数送到EPLD, 并通过EPLD将部分数据送到DDS和DAC芯片, 在接到系统开始启动的指令后, EPLD会产生风廓线雷达测温时所必须的工作时序, 并参与系统工作在线故障监测。由于系统需要产生的时序和控制比较多, 在设计中采用了3片由Altera公司出品的EPM 7192芯片, 系统工作时将由单片机产生控制命令, 通过EPLD产生相应的操作, 从而产生系统工作的时序和AD7008输出幅度和频率的控制。

3.3 中频数字接收卡和信号处理器

中频数字接收卡完成雷达回波中频信号的采集和数字下变频的功能, 并通过PCI总线将数据传送给主机。主机缓冲并完成时域积累后, 将数据传送到信号处理板, 信号处理板完成FFT运算和谱平均等功能, 并将最终运算结果通过PCI总线回传给主机, 主机得到运算结果后保存并进行后续处理。中频数字接收卡主要由模数转换AD6644, 下变频芯片GC4016, FIFO和PCI接口芯片PLX9080构成。信号处理器采用TI公司的TM S320C6701浮点运算DSP芯片完成。由于风廓线雷达工作的实时性高, 数据量大, 并克服Windows系统为非实时操作系统的缺陷, 数据传输必须先经FIFO缓冲, 并以DMA的方式通过PCI总线传输, 同时保证主控软件中数据传输的子线程的优先级要尽量高。主机完成的时域积累运算可以大大减少向DSP传送的数据量, 从而保证系统可靠实时的工作, 避免丢失数据。DSP完成本次测温数据运算后, 以HPI消息的方式通知主机, 主机在查询到此消息后, 通过TI公司提供的HPI函数将相应数据读取到主机缓冲进行后续处理。

3.4 音频信号发生器

音频信号发生器由DDS芯片, DAC和滤波器组成。采用DDS芯片AD7008实现的可控信号源, 可生产正弦波、调频波、调幅波及方波等, 并且其信号的频率和幅度可由微机来精确控制, 调节非常方便。AD7008内部包括可编程DDS系统、高性能10位DAC、与微机的串行和并行接口以及控制电路等, 能实现全数字编程控制的频率合成和时钟发生器。工作时, 根据单片机输出的控制字, DDS芯片改变输出的信号频率, 输出的信号幅度随ADC0832的改变而变化。为了保证信号的输出带宽在5kH z之内, DDS输出的信号通过设计的有源滤波器之后再输出到音频功放。

3.5 音频功放和声天线

DDS输出的音频信号经过滤波和放大之后, 输入到音频功放, 音频功放采用商业产品。音频功放将信号放大后输出至扬声器。声天线由四个功率为150W的扬声器组成天线阵。其摆放位置为以雷达发射天线的垂直波束方向为圆心构成的矩形。在工作时, 四个扬声器发出的声音在空间叠加, 形成所需要的声波波束。

4 结束语

RASS系统已经成功应用于某机场的测温过程中, 图 3是本系统的实景照片及测温的温谱图。经过一年多的实际使用证明, 该RASS设计合理, 可靠性高, 满足大气温度实时测量的需求。但同时也显示出RASS系统在大气温度测量的一些特点和缺点, 如:在晴空探测明显比阴天和降雨时要好得多, 此外还易受到环境噪声、地物杂波、声波在不同环境下的衰减等因素影响, 这些都有待于进一步作理论和实践上的探讨。