探测设备

全固态X波段双偏振雷达

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X-POL雷达介绍

1、作品简介
      NJU_724X全固态双线偏振多普勒天气雷达是一款工作频率为X波段、采用固态TR组件和双偏振技术的气象雷达,由南京大学大气科学学院和中船重工第七二四研究所联合研制。该雷达采用新一代固态雷达发射机,采用脉冲压缩、脉冲补盲等技术,并使用虚拟雷达信号处理方法,以达到高分辨率、高可靠性的设计要求。为减少同频干扰,该雷达除了必要的信号处理设计外,还增加了雷达工作频率可变的功能,允许雷达在一定范围内改变工作频率。该雷达可以对150 km范围内的天气过程进行警戒观测,对100 km范围内天气过程进行定量估算,同时具备水平和垂直两个发射和接收通道,能够探测强度(Z)、径向速度(Vr)、谱宽(σ)等常规参量,同时还能输出差分反射率(Zdr)、差分传播相移(ΦDP)、差分传播相移率(KDP)、相关系数(CC)等多个偏振参量。该设备自成功研制以来,安装于南京大学仙林校区地学观测基地,主要用于大气科学专业雷达气象学相关课程的本科生和研究生教学工作,帮助学生开展一些双偏振气象雷达运用的实验,加深理解双偏振气象雷达工作原理,及其在灾害性天气识别、降水相态识别(HC)和定量降水估计(QPE)等方面的应用,同时鼓励学生进行一些气象雷达信号处理算法和气象二次产品算法的学习和编程,培养学生科学思维和独立动手运用雷达观测的能力。
 
2、主要性能及特色
教学性:
      NJU_724X全固态双线偏振多普勒天气雷达贴近教学实际应用,在雷达气象学相关课程的教授过程中,可以结合课堂教学和实践操作。课堂教学偏重雷达理论和应用,实践课程在理论基础上,开展雷达硬件原理、系统操作、软件操作等培训,使学生能理论与实践相结合,深入认识雷达。该雷达可以通过网络远程操作,通过不同权限进行登录管理和控制,方便教学工作和学生实验安排。该设备配有详细实验指导书,包括雷达总体结构、雷达扫描方式、雷达常规参量在强天气过程中的应用以及双偏振参量在降水过程中的应用等多个方面的实验。雷达资料也可以用于资料同化方面的实验。这些极大促进了学院在大气科学专业的教学方法改进。
 
科学性:
      使用NJU_724X全固态双偏振多普勒天气雷达所安排的实验内容,完全符合雷达气象学的科学知识,学生完成相关实验后,可以更好地了解科学知识的应用过程,培养科学思维和科学意识,掌握科学方法和实验操作技能。使用该设备进行的一系列实验,覆盖了雷达原理、大气科学等方面的知识,鼓励学生学以致用,为以后的科研和就业打下基础。
 
创新性:
      NJU_724X全固态双线偏振多普勒天气雷达采用双线偏振技术,既可以观测降水粒子的常规信息,又可以进行降水过程的微物理结构观测,这与此前的多普勒雷达相比,性能得到提升,实验数据也大大丰富。该设备采用固态TR组件,这与传统的真空管雷达有着明显区别。固态发射机有着更高的稳定性,使用寿命远远高于真空管发射机。由于固态发射机使用宽脉冲模式,因此其发射功率较低,并且其采用半导体器件,无需预热时间,更没有高压器件,使用效率和安全性都大大提升。在结构设计方面,该雷达使用一体化设计,将雷达天线和收发组件及信号处理器等集成在一起,没有使用旋转关节,这样既节约了成本,又避免旋转关节带来的插入损耗问题。在信号处理方面,使用脉冲压缩和脉冲补盲技术,解决宽脉冲下的雷达距离分辨率和盲区问题,并且加入最新的地物抑制算法,地物抑制效果大大提升。此外还使用虚拟信号处理技术,通过软件来实现雷达信号的处理,模块配置更为灵活,结果输出更为多样。在双偏振雷达的标校方面,使用在线标定软件来完成水平和垂直通道的幅度相位一致性标校,同时使用金属球标校的方法,对雷达整体性能进行标定。该雷达在国内同类设备中处于领先水平,可以满足其他高校相同专业的教学实验需求。
 
启发性:
      NJU_724X全固态双线偏振多普勒天气雷达是为大气科学雷达气象学教学研制,在雷达气象学的课程中,很多原理和现象都可以用该雷达进行演示。对于课程中所学习的特有天气现象,也能通过该设备进行验证,如暴雨、冰雹、龙卷等灾害性天气的回波特征。此外,对于实验中所观测到的天气过程,如梅雨季节降水、冬季降水以及降雪等,又可以极大地提高学生的参与度,引导他们用所学的知识进行思考,去研究和解释该现象的原因。相对于知识点来说,实验更为生动,这样容易引发学生的兴趣,有利于学生主动参与,与老师、同学互动,实验小组内部和小组之间交流也更为容易开展。
 
实用性:
      NJU_724X全固态双线偏振多普勒天气雷达结构上采用模块化和一体化设计,模块清晰,便于安装,易于操作。采用固态发射组件,性能稳定,功耗低,雷达设备无高压器件,安全性相对较高,且雷达辐射小,更为环保,与国外同类设备相比,价格低廉。使用该设备进行雷达气象学的教学和实验工作,满足认识性、启发性、综合性等实验教学环节,培养学生的动手能力和科研能力,有利于推进素质教育,培养创新精神和实践能力。该设备可以满足其他高校相同专业的教学实验需求,通用性好。

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