1.3新一代天气雷达系统结构和功能

1.3.1新一代天气雷达系统结构

构成新一代天气雷达主要子系统：雷达数据采集子系统（RDA，Radar Data Acquisition），雷达产品生成子系统（RPG，Radar Product Generation）和主用户终端子系统（PUP，Principal User Processor）以及连接它们的通讯线路。

雷达数据采集子系统（RDA）

RDA是用户所使用的雷达数据的采集单元。它的主要功能（1）产生和发射射频脉冲，（2）接收目标物对这些脉冲的反射能量，（3）通过数字化形成基本数据。RDA同时还要对回波信号进行模数转换、地物杂波抑制和距离去折叠处理，形成雷达基数据。

RDA由发射机，天线，接收机和信号处理器四部分构成：

发射机，为获取雷达数据，首先由发射机产生短促又强大的特高频振荡，经天线向空间发射出去，即射频脉冲信号。产生的每个脉冲必须具有相同的初位相以保证回波信号中的多普勒信息能够被提取。

天线，将发射机产生的射频信号以波束的形式发射到大气并接收返回的能量。对于CINRAD-SA天线仰角的变化范围为-1～90°。天线仰角的设置取决于天线的扫描方式、体扫模式（VCP，Volume Cover Pattern）和工作模式。雷达的工作模式决定了使用哪种体扫模式，而体扫模式又确定了具体的扫描方式。雷达操作员不能手动调节天线仰角，天线仰角只能通过上述三要素预设。

扫描方式指雷达在一个体积扫描中使用多少个仰角和时间。在RDA中，天线的扫描方式已经预先设定。CINRAD-SA雷达天线首先从最低仰角发出几分之一秒的脉冲,然后接收回波信号。接着继续在最低仰角旋转并重复以上发射接收步骤。当雷达完成一周360°扫描,天线抬升至下一个高度的仰角继续上述过程。CINRAD-SA使用三种扫描方式： 5分钟完成14个不同仰角上的扫描（14/5）；6分钟完成9个不同仰角上的扫描（9/6）； 10分钟完成5个不同仰角上的扫描（5/10）。

体扫模式：在新一代天气雷达中，为避免过多的地物杂波影响，扫描的最低仰角从0.5°开始而非0.0°，为避免垂直气流的影响，最高仰角到19.5°。仰角低于19.5°时，雷达测量的径向速度可以认为是水平气流（风）沿着雷达投影而忽略垂直气流的影响，严格讲，在19.5°仰角，如果水平气流和垂直气流同样大小，则水平气流对径向速度的贡献为67%，垂直气流为33%，是不能完全忽略的，只有在6°以下仰角，此时垂直气流对径向速度的贡献小于10%，才可以完全忽略垂直气流的影响。只有这样，径向速度特征才会有比较明确的物理意义。19.5°仰角以上没有观测的区域称为静锥区，如图1.2。

图1.2 反射率因子剖面图中的静锥区示意图

体扫模式（VCP）指几个到十几个不同仰角的扫描组合。体扫模式（VCP）按顺序连续扫描，可得到间隔时间一定，连续不断的体扫资料。WSR-88D目前定义了4个体扫模式：VCP11、VCP21、VCP31和VCP32，在WSR-98D中没有定义VCP32。

WSR-98D使用降水和晴空两种工作模式。降水模式在降水发生或预计发生的区域使用，在这种模式下,雷达选择多仰角扫描的VCP11或VCP21，相应的扫描方式分别为14/5 和9/6。晴空模式用于没有明显的降水回波的地区,一般只对低仰角进行扫描，体扫模式选择VCP31，扫描方式为5/10。

图1.3 体扫模式VCP11（上）和VCP21（下）

接收机，天线接收返回(后向散射)能量把信号传送给接收机。接收机收到的回波能量很小，由接收机放大后在以模拟信号的形式传送给信号处理器。

雷达产品生成子系统（RPG）

雷达产品生成子系统是控制整个雷达系统的指令中心，具有多项功能，主要功能有：（1）对来自RDA的数字化基数据进行质量控制和预处理，生成各种产品；（2）运行监控，自动报警；（3）对原始数据和产品数据进行存档，分发；（4）RDA、RPG、PUP之间的宽带和将窄带通讯。

图1.4 多普勒天气雷达产品生成数据流

RPG可根据雷达操作员指令产生所需产品。产品分为基本产品和导出产品。基本产品是由基数据直接形成的各仰角上不同分辨率的反射率因子、径向速度和基本谱宽产品。导出产品是由基数据通过RPG中的产品算法形成的分析产品，生成的数据流程如图1.4所示。

雷达控制台UCP是RPG的操作界面，可实时对RPG和RDA进行控制，具有应用终端和系统控制台的双重功能。UCP采用窗口界面，如图1.5，主要命令集成在菜单和工具栏中，使用这些命令可实现对RPG和RDA的有效控制。UCP为雷达操作员提供了一个可以与RPG和RDA系统人机交互的界面，进行文件维护、文件和数据的备份以及软件安装等。

图1.5多普勒天气雷达UCP采用窗口界面

UCP可对RDA(须经RDA计算机授权)、宽带通讯和RPG进行直接控制，还可通过直接控制窄带通讯来间接控制用户。UCP对RDA的控制包括：控制电源选择；改变体扫模式；重启RDA；数据传输选择。UCP对RPG的控制包括：控制通信；关闭RPG；自由文本信息；雷达状态监测。

主用户处理器（PUP）

主用户处理器是主用户终端，用来接收RPG生成的气象产品数据和状态信息，并以图形方式提供给预报人员作天气分析和预报使用。PUP的主要功能包括：（1）产品请求和控制；（2）产品接收和存储；（3）产品显示；（4）有选择监视强天气地域能力，并做出警报；（5）产品编辑注释。

（1）产品请求和控制

PUP本地产品库的产品都是通过产品请求获取的，产品请求是指PUP通过专线或拨号网络向RPG请求所需产品。PUP可通过以下三种方式获取产品：1）常规产品集请求RPS；2）一次性产品请求OTR；3）产品-预警配对PAP。

（2）产品接收和存储

PUP接收到从RPG发送来的产品都会在通讯状态监测窗口中提示操作员。用户可以根据需要将产品保存在相应的目录下，产品被保存在本站子目录期限的最大值是7天。PUP产品数据可以转换成标准的图像格式（如gif）通过通讯线路传给其他相邻台站和省级或国家级预报中心。

（3）产品显示

图形产品显示的方式包括自动显示和通过检索显示。自动显示指的是请求的产品数据一传到PUP就自动显示出来。检索产品实际上就是从本地数据库中选择满足用户需求的产品。图形产品显示的形式包括极坐标形式（可加背景地图）、格点形式（垂直剖面和风廓线等）、表格形式（字符形式的属性表叠加在地理形式的产品上）。通过PUP系统可对图形做如下处理：放大、预置中心、重置中心、窗区中心、过滤功能（单色过滤、向上过滤和向下过滤）、合并功能（向上合并和向下合并）、闪烁功能、图像灰化功能、颜色恢复功能、动画显示、图像叠加、光标连接、叠加地图和隐藏产品等。

（4）有选择监视强天气地域能力，并作出警报

状态监视包括通讯状态监视和雷达系统状态监视。通讯状态监视窗口显示PUP接收到从RPG发送来的产品名单和到达时间。雷达系统状态监视包括显示天气模式、RDA可操作性状态、VCP（体扫模式）、仰角数、RDA状态、RDA报警、允许传输的数据、RPG可操作性状态、RPG报警、RPG状态、RPG窄带、反射率因子标定校准等。

（5）产品编辑注释

产品编辑注释包括产品注释的编辑（雷达所处位置的经纬度和海拔高度、观测时间、天气模式、产品名称、仰角、色标分级和图像中心相对于雷达的位置）、剖面位置的编辑、警报区的确定和地图的编辑。其中特别需要注意的是图像中心相对于雷达的位置。一般情况下，雷达的位置就是图像的中心。但有时为了突出感兴趣的天气系统，图像的中心偏离雷达位置。 图像中心位置通过相对于雷达位置的方位角和距离这两个参数来表示。