卫星雷达范文

卫星雷达范文（精选4篇）

卫星雷达 第1篇

卫星通信是广播电视信号传输的重要手段,卫星电视的应用有力地推动了广播电视事业的发展。2015年年底,台州枫山电视发射台两套1kW无线数字化发射系统投入运行,15套中央、省、市台的电视节目试播出;伴随而来的是一个令人头痛的问题,中星6A卫星上接收的12套中央台电视节目信号受附近幅射源的严重干扰,播出的电视节目无法正常收看。

1 干扰的现象

经仔细观察发现,此干扰信号每天发生的时间不固定,一般出现在8:00～22:00时,干扰周期为11秒左右,严重时6秒左右一周期,晴朗天气干扰尤为密集。

干扰现象反应为:通过中星6A卫星链路传输的中央台2个节目码流受附近幅射源的干扰,接收到的图像存在严重的马赛克或停顿现象,干扰严重时还会引起接收系统放大器饱和而出现信号中断并黑屏。由于干扰周期较为密集,2套lkW无线数字化发射系统播出的12套中央电视台节目基本上无法正常收看;与此同时,通过中星6B卫星接收的浙江卫视亦有轻微干扰,但对收看影响不大;通过光纤传输和有线电视解调的本地电视节目则信号正常。

2 干扰源的查找

经反复核查,在确定信号链路、参数设置、设备供电等均无误后,基本可排除卫星信号本身及传输链路是造成卫星信号干扰的因素,干扰卫星信号的幅射源来自外部,而且是一个功率不小的幅射源。

台州枫山电视发射台位于海拔高度162m的台州主城区椒江枫山顶上。其前方10多公里的西侧是军民合用的台州机场,东侧有一个警戒雷达站,发射台上方刚好又是民航的航路。

根据以上情况分析,由于发射台地处市中心,附近存在大功率幅射源的可能性不大,干扰源可能来自以下三个方面:①机场的导航雷达,②飞机起飞降落时的测高雷达,③东面的警戒雷达。由于警戒雷达主要是向东警戒,民航航班不多,两者对本台的干扰有限,所以我们基本确定干扰源主要来自相距13公里的机场导航雷达。

3 雷达对卫星信号的干扰

由于我们无法了解机场导航雷达实际运作的种类及相关参数,所以只能查阅相关资料去了解雷达的原理、频谱等大致情况。

雷达的种类繁多,分类的方法非常复杂,其用途和结构也不尽相同,但其基本架构是一致的,均是由发射机、发射天线、接收天线、接收机以及显示器等五个部分构成。

雷达是利用微波波段电磁波探测目标的电子设备,雷达使用的微波频谱非常广泛,在1GHz～80GHz的波段内均有分布。随着技术的发展、雷达使用的频段越来越向两端延伸,其中有的频段与卫星通信使用频段较接近,发射功率也越来越大,其脉冲峰值功率可高达数兆瓦。

通常情况下,雷达和卫星通信使用的是国际统一分配的频段,它们是有间隔的,但由于雷达采用脉冲调制且使用磁控管来放大信号,发射功率较大,雷达发射机除产生高功率的基波信号外,还产生谐波、差频、倍频等寄生幅射,而卫星与地球之间的距离在4万公里左右,其距离远、传输损耗大、输入电平低,如果雷达信号与卫星信号的频率相近,则产生相互叠加,引起接收系统的低噪声放大器饱和,从而阻塞正常的电视信号,致使无法达到正常的接收载噪比,造成系统无法正常接收卫星电视信号。

4 应对措施

在基本弄清干扰源和雷达对卫星电视接收信号的干扰机理后,我们欲从网上和相关资料中获取解决干扰的方法,并向有关的业内人士咨询,都未能找到全面解决的现成技术方案。无奈,我们只能参照有限的零碎资料及经验,结合本台的实际情况,通过现场试验的方式来寻求解决方案。

4.1 用遮挡法削减干扰信号

雷达一般是架设在地面上的设备,它的信号也只能是从地面而来,而卫星是在高空中,它的信号来自天空。只要把地面的雷达信号遮挡住,不使它直接进入到卫星接收天线的反射面,对减少干扰是显而易见的。

常用的遮挡法有二种:

1.用铁皮或者铁丝网给卫星天线做个屏蔽围栏,使其能屏蔽住从地面来的干扰信号,但不挡住从空中来的卫星电视信号,从而达到避免干扰的目的。这种屏蔽干扰信号的方法虽然有效,但在台风平凡的沿海地区,其架设和固定的要求较高,日后的维护也较麻烦,所以并不切合实际。

2.寻找能屏蔽干扰源的位置,即在四周寻找能遮挡住干扰源电波行进方向的自然物体的位置,作为卫星接收天线的架设地点,如房前屋后等。降低卫星接收天线高度是寻找屏蔽位置的最简单方法。根据我台的现有条件,我们把一副已弃用的3m旧天线移至机房的屋后,利用建筑物来遮挡来自前方的干扰源进行试验,试验结果表明:此方法能有效削减雷达微波对卫星电视信号的干扰,但不能完全消除干扰。

4.2 用窄带高频头抑制干扰信号

由于条件限制,我们无法知道干扰源的频率,卫星接收的c波段频率为3400～4200MHz,c波段卫星接收机有二种本振频率可供选择,即5150MHz和5750MHz,我们用5750MHz的高频头去替代5150MHz高频头进行试验,结果发现干扰反而更加严重。这表明干扰信号的强度与高频头的带宽是有关联的,且在c波段卫星信号的低频段干扰强度更大。根据此次数字化无线覆盖中星6A上2路中央台码流的传输参数,并参考以往的经验,我们委托高斯贝尔数码科技股份有限公司定制了2只频率为3700～4200MHz的窄带高频头进行试验,试验结果表明:此方法对抑制雷达微波对卫星电视信号的干扰效果显著,接收到的电视画面除了偶尔的几点马赛克现象外,播出的电视节目已无明显的干扰感觉。

4.3 用卡塞格伦天线及滤波器消除干扰信号

常用的卫星电视接收天线有前馈抛物面卫星天线和卡塞格伦(后馈式抛物面)天线两种,其原理都是利用电波的反射原理,将电波能量集焦后,辐射到连接在馈源上的高频头,经变频放大后送到卫星接收机解码出电视节目。

4.3.1 前馈抛物面卫星天线

前馈抛物面卫星接收天线由抛物面反射面和馈源组成,其增益与天线口径成正比。由于具有制造工艺简单、调试方便且成本低的优点,所以在卫星电视接收系统中应用较为广泛。

前馈抛物面卫星天线的缺点是:①噪声温度相对较高;②天线口径效率相对较低;③反射面聚焦的信号反射到馈源直接进入高频头,干扰信号和其它杂波容易对接收的电视信号产生干扰。

4.3.2 卡塞格伦(后馈式抛物面)天线

卡塞格伦天线又称后馈式抛物面天线,是微波通信中常用的一种天线,它由抛物面主反射面、双曲面副反射面、和馈源喇叭构成,其馈源系统安装在主反射面的中心位置。如图1所示。

卡塞格伦天线具有设计灵活、纵向尺寸短、噪声温度低、馈源漏溢和旁瓣辐射少的优点。其缺点是结构相对复杂,安装难度较大,其主副反射面的同心度、焦距、交角以及相位中心至副反射面的距离等的调试要求较高。

卡塞格伦天线是一个双反射面天线,其旋转双曲面结构的副反射面汇聚主反射抛物面反射的电波能量,再幅射到馈源系统,并为连接在馈源末端的高频头所吸收。这是由于副反射面的双曲面虚焦点与主反射抛物面的焦点重合,而副反射面双曲面的实焦点与馈源的相位一致,它们都处于焦轴的对称位置上,这样,当平行于焦轴的卫星信号从空中射入卫星接收天线时,经主副反射面“二次”反射到达馈源高频头,且为同相波而相加。反之,雷达等地面的干扰信号幅射到抛物面时,难以与天线主副面及馈源的焦轴位置对称而不易进入馈源,从而有效地消除雷达电波对卫星电视信号的干扰,如图2所示。

4.3.3 C波段卫星接收信号滤波器

为确保雷达干扰信号的完全消除,我们在购入Φ3.0m卡塞格伦天线的同时,根据厂方的建议在馈源与高频头之间加装了一个3700～4200MHz的带通滤波器;卫星天线增加带通滤波器,能起到抑制干扰信号的作用,从而有效减轻干扰信号对系统正常接收卫星电视信号产生的影响。

5 结束语

综上所述,寻找对干扰信号具有屏蔽作用的卫星接收天线安装位置、使用窄带高频头、采用卡塞格伦天线及带通滤波器,对消除雷达对卫星电视信号的干扰都是行之有效的办法。但由于各地的地理环境和干扰源的差异,解决干扰的技术手段也不具有普遍性,本文仅供广电同行参考。

参考文献

卫星雷达 第2篇

摘要：随着时代的进步，科技的发展，气象雷达与卫星遥感在不同领域都发挥着巨大的作用。农业遥感对世界许多国家的农业生产、粮食安全、进出口调整、农业政策及计划制度、以及保护国家利益等方面都起到了巨大的作用。

关键字：气象雷达，遥感技术

一、气象雷达

1、气象雷达的工作原理

雷达发射机产生电磁能量，雷达天线将电磁能量集中形成向某一方向传播的波，由雷达

4天线以电磁波的方式辐射出去，电磁能在大气中以光速（29.98×10km/s）传播。当传播着的电磁波遇到了目标物后便产生散射波，而且这种散射波分布在目标周围的各个方向上。其中有一部分沿着与辐射波相反的路径传播到雷达的接收天线，被接收的这一部分散射能量，称为目标的后向散射，也就是回波信号，对这种回波信号的检测可以确定目标的空间位置。雷达是用测量回波信号的延迟时间来测量距离的。假设目标离开雷达的斜距用R表示，则发射信号在R距离上往返两次经历的时间用Δt表示，目标的斜距R便可由下式给出（1/2）cΔt，其中c为光速。雷达测量目标的方位角和仰角是依靠天线的定向作用去完成的，它辐射的电磁波能量只集中在一个极狭小的角度内。空间上任一目标的方位角和仰角，都可以用定向天线辐射的电磁波束的最大值（即波束的轴向）来对准目标，同时接收目标的回波信号，这时天线所指的方位角和仰角便是目标的方位角和仰角。雷达天线装在传动系统上，可以固定方位角而在仰角范围内扫描，或固定仰角而在方位角范围内扫描，从而可以得到各个方向和探测距离内目标的信息。

世界上最高的气象探测站

2、气象雷达的组成

典型的气象雷达的主要由发射系统、天线系统、接收系统、信号处理器和显示系统等部分组成。电子线路组成部分见下图

3、气象雷达在农业方面的应用

无论是农业气象监测、农业气象情报、农业气象灾害防御，农业气候区划及资源开发利用、农作物产量预报等方面，我国气象工作者都开展了大量卓有成效的工作，为保障和促进我国农业生产做出了显著贡献。农业气象业务已成为现代气象业务体系中最重要的领域，而我国基层的气象为农服务又是其中最基础、最不可或缺的部分

在实施人工增雨(雪)、人工防雹及森林灭火中,采用雷达进行时实天气跟踪探测,可以有效监测云雨过程的发生和演变规律[1],是不可缺少的重要工具。目前,随着气候变暖,灾害性天气,如冰雹、洪水、干旱和森林火灾等时有发生。在气象应急服务时,快速应对异常天气变化,及时准确地提供

二、卫星遥感

1、遥感技术在国际农业上的应用状况

在农田信息采集和服务方面充分应用了卫星遥感系统。

1）在农业资源清查、核算、评估与监测方面．遥感系统强大的图形分析与制作功能，可编绘出土地利用现状图、植被分布图、地形地貌图、水系图、气候图、交通规划图等一系列社会经济指标统计图，也可进行多种专题图的重叠而获得综合信息．实现对具有时空变化特点的农业资源存量和价值量的测算以及资源现状、潜力和质量的客观评估．从而真实反映农业资源状况，为科学利用和管理农业资源提供强有力的决策依据。

2）在农业区划方面，遥感系统通过构建区划模型，进行不同区划方案空间过程动态模拟与评价，可使农业区划从野外调查、资料收集、信息处理、计算模拟、目标决策、规划成图到监督实施全过程实现现代化。

3）在土地资源与土地利用研究方面，遥感系统能方便获取资源数量和质量变化，提供研究区域土地面积、土壤特性、地形、地貌、水文、植被及社会、经济及自然环境的真实信息，直观反映土地利用现状、利用条件、开发利用特点和动态变化规律。

年降水量分布图

4）在作物估产与长势监测方面，遥感系统多时相影像信息．可反映出宏观植被生长发育的节律特征，可通过对各种数据信息空间分析，识别作物类型，统计量算播种面积，分析作物生长过程中自身态势和生长环境的变化，构建不同条件下作物生长模型和多种估产模式，根据各种模型预估作物产量。

5）在农业灾害预警及应急反应方面，遥感系统可追踪害虫群集密集、飞行状况、生活习性及迁移方向等．通过分析处理，可给出农作物病虫害发生图、分布图及可能蔓延区图，为防虫治害提供及时、准确、直观的决策依据。另外，可实现洪涝灾、旱灾、水土污染等农业重大灾害预测预报、灾情演变趋势模拟和灾情变化动态、灾情损失估算等，为防灾、抗灾、救灾预警及应急措施提供准确的决策信息。

6）在农业环境监测和管理方面，遥感系统能够对农业资源环境质量变化进行动态监测，及时发现情况进行预警：能够建立农业资源环境空间数据库，管理、分析和处理环境数据，高效汇总、汲取有用的决策信息；能够建立若干环境污染模型，模拟区域农业资源环境污染演变状况及发展趋势。

农业气象与遥感监测

2、遥感技术展望

1）高光谱传感器的应用

美国目前正在对高光谱传感器进行矿产、油气、环境及农业等4大领域的应用试验。人们希望通过高光谱遥感数据对主要作物生物化学参数的高光谱遥感监测以及设计水稻、棉花和玉米不同播种期处理的试验．获取不同生育期的生物化学和相应的高光谱反射数据．分析和研究这些作物在不同发育期的高光谱反射特征及其与生物化学参数的关系．确定能反映它们生物化学参数的高光谱遥感敏感波段：提取对应不同生物化学参数的高光谱遥感特征参数：摸索不同生物化学参数的高光谱遥感监测方法．建立其估算模型。高光谱和超高光谱传感器的研制和应用．将是未来遥感技术发展的重要方向。

2）发展新的遥感信息模型

遥感信息模型是遥感应用深入发展的关键．应用遥感信息模型．可计算和反演对实际应用非常有价值的农业参数。在过去几年中．尽管人们发展了许多遥感信息模型，如绿度指数模型、作物估产模型、农田蒸散估算模型、土壤水分监测模型、干旱指数模型及温度指数模型等．但远不能满足当前遥感应用的需要．因此发展新的遥感信息模型仍然是当前遥感技术研究的前沿。如收集整理前人大量研究结果．进一步分析明确决定水稻品质的主要生化组分及其与品种和环境条件之间的关系．建立植株叶绿素、氮素及水分等主要环境因子与籽粒蛋白、淀粉特性相关的农学机理和模型．着重研究水稻营养器官碳氮库、碳氮运转效率与籽粒品质指标间的关系；构建水稻品质特征光谱参量识别模型、光谱反演模型和水稻品质光谱数据库．建立基于光谱数据库的多尺度(光谱、空间、时间)、多平台(地面平台、卫星平台)水稻品质遥感信息模拟与评价模型：建立农学模型与遥感模型之间的链接模型．开发出具有预测预报功能的水稻品质光谱和卫星监测信息系统。并以优质高效为目标．建立基于遥感信息的调优栽培体系及预测预报系统。

3）综合应用遥感技术防治病虫害

对全世界的蝗虫主要源地．利用陆地卫星监测滋生状况．利用航空雷达追踪飞蝗路径．利用气象卫星确定风向界面．加以围堵歼灭。综合应用遥感技术防治病虫害．对我国西部经济开发．东部湿地保护．都是大有作为的应用新领域。4）微波遥感技术

微波遥感技术是当前国际遥感技术发展重点之一，其全天候性、穿透性和纹理特性是其他遥感方法不具备的。利用这些特性对解决海况监测．恶劣气象条件下的灾害监测以及冰雪覆盖区、云雾覆盖区、松散层掩盖区及国土资源勘查等将有重大作用。

总之．近年来遥感技术越来越受到各国的普遍重视．世界遥感技术面临着突飞猛进的发展．新的传感器将使遥感技术应用的领域进一步拓宽．监测精度不断提高．新的遥感处理软件将使科技人员的工作效率大大提高．使综合使用各种遥感资料变为可能。随着人们对遥感技术的重视进一步提高．遥感技术在农业上将得到更加广泛的应用。

三、总结

农业是国民经济的基础，农业生产和气象条件有着非常密切的关系，特别是北方地区旱涝、风暴等气象灾害对农业生产影响很严重，同时农村又是遭受气象灾害最为严重的地区。加快发展现代农业，建设社会主义新农村，保障粮食生产，气象服务在其中具有重要作用。同时，还必须重视合理利用气候资源，强化气象科技的支撑，面对新农场建设的需求，必须完善农业气象服务体系和农村气象灾害防御体系，大力发展农村公共气象服务，充分发挥气象在防灾减灾、应对气侯变化和利用气候资源中的作用，有效防御气象灾害，确保农业增产、农民增收。

参考资料：

1、百度百科，《气象雷达》

2、百度百科，《卫星遥感》

卫星雷达 第3篇

目前航管雷达设备的信号主要以ASTERIX格式输出,这是一个标准、通用的格式协议。使用回放系统回放已录制的雷达原始格式数据,为重演雷达信号提供技术手段,便于分析一次、二次雷达信号质量。航空管制的自动化回放系统主要针对管制员开发。录像保存时间较短;回放期间人机界面功能操作简单,不能实现目标定位等功能;以显示航班号为优先项,不能使用二次代码定位问题目标及位置,雷达信号质量分析方面还有不足。

空管系统已广泛应用地理信息技术。雷达信息与地理信息技术的结合实现了空管数据界面化,雷达信号在卫星地图上显示,为雷达信号分析提供图形化的便捷手段。基于Windows7操作系统,使用Visual studio 2010开发平台,解析航管雷达的原始格式数据(CAT 01/02、CAT34/48),结合卫星地图显示,开发雷达信号回放系统。

1 回放系统的总体架构

目前雷达数据以ASTERIX编码格式传输,雷达信息可以在任何可利用的媒介(如广域网或局域网)中传输,而更低层的通信协议由用户确定,如THALES中的Plines输出设备采用网络端口输出雷达数据。利用网络端口读取、录制数据,据已录制的ASTERIX格式(CAT 01/02、CAT34/48)原始数据源,雷达目标信号回放系统解析目标数据,并在卫星地图显示;在地图上显示预设台站位置和区域,重演雷达目标航迹。回放系统的开发主要基于GMap.NET控件技术,这是一跨平台、开源的基于Windows操作系统开发的.NET控件。如图1,回放系统主要实现地图功能、解析功能和回放功能等三大模块。

(1)地图功能。初始化显示界面。可选择卫星地图显示或无地图背景显示。定义地图源。读取离线或在线的卫星地图,以图层方式显示预置导航台点或区域。通过地图的缩放,实现不同层级的卫星地图显示。可对地图实现平移、测距、测角等功能。

(2)数据解析。解析ASTERIX(CAT 01/02及CAT 34/48)格式数据。包括一次、二次雷达目标信,二次雷达目标信息包括A/C模式和S模式数据;可对一次雷达目标信息与二次目标信息进行相关。

(3)回放功能。目标信息的坐标转换,目标的点迹/航迹显示,可调整回放速度。实现特定二次代码的点迹路径显示。

2 系统实现

2.1 服务功能模块

卫星地图应用快速发展,为满足不同用户的应用需求,各公司推出相应的二次开发控件,支持用户个性化的二次开发。在本文中使用Gmap.NET控件,支持地图缓存,结合Windows Forms界面下开发软件系统,通过使用Google、Open Street Map等地图实现寻找目标显示、定位及地图展示功能。

初始化地图环境。定义Windows Forms界面,鼠标及键盘的响应模式,地图显示的层级范围及默认层级,显示地图数据源;据显示需要,定义不同功能图层。

显示预定义位置或区域。在地图中,对于标识导航台站位置,读取用户定义的台站GPS坐标、名称等信息,在功能图层中加载对于图标,进行位置标记。对于预定义的区域,读取预定义的名称、区域各GPS坐标点,在相应的功能图层中以颜色绘制。以上功能图层信息在卫星地图中融合显示。

显示卫星地图。读取预置地图数据源。系统使用的卫星地图采用栅格数据处理,在线加载缓慢,可离线方式保存、显示卫星地图,减少网络等待时间。据定义的中心位置及地图层级,在Windows Forms界面中显示相应地图信息。

2.2 数据解析

一、二次雷达系统中的目标信号采用ASTERIX数据格式传输,其录制数据主要用于管制重放、技术回放及调查重演,本文数据解析着重于技术回放。ASTERIX标准是为雷达数据的传输和信息交换而制定的应用层/表示层协议,是一个数据的定义和集合,允许在两个应用实体间进行相互约定的有效信息传输。其定义了在通信媒体间的进行交换的数据结构,包括每比特如何编码到每个数据块中数据的组织各个方面。数据记录块中的数据分为多种类型,各种类型的作用各不相同。航管一、二次雷达的目标信息传输采用CAT 01/02和CAT34/48格式。CAT 01/02、34/48中的数据项包含了相关的雷达信息。其中CAT 01数据用于传输雷达目标(点迹/航迹)报告,CAT 002数据承载雷达服务信息。CAT034/048数据适用于S模式雷达的数据。ASTERIX数据帧格式定义如下:

其中,1CAT表示数据类型,占一个字节。如CAT=34时,表示此ASTERIX数据为S模式雷达目标的传输信息(ASTER-IX0034);2LEN表示一帧数据的长度,占用2个字节,表示ASTERIX数据帧的总长度;3字段N含有各目标的具体信息。长度根据数据项内容确定,每个字段长度不定,主要由FSPEC(字段占位说明)和DATA ITEM(各数据项)组成。

2.3 回放功能

在雷达目标文件解析基础上,对CAT 01/02、34/48类的原始格式文件回放重演,也可根据调整读取雷达数据块的线程时间,调整显示雷达回放的速度,满足对航迹数据分析的需要。

2.3.1 坐标转换

雷达目标的位置坐标以极坐标系和/或直角坐标系表示,以雷达位置为坐标中心。在卫星地图中,目标位置以GPS坐标表示。地球表面是曲面,而地图是二维的平面,通过采用投影技术,将地球投影到平面,需进行坐标转换才能正确匹配。先对雷达系统的坐标与大地坐标进行相互转换,再把大地坐标与卫星地图的像素坐标进行转换。不同层级的卫星地图上的坐标转换精度不同,卫星地图的层级越高,转换精确度相对越高。

系统采用的坐标转换过程主要有如下几个步骤:

2.3.2 单目标信息显示

在地图上显示某二次代码的点迹信息,便于考察目标的航行轨迹质量。系统根据用户设定的二次代码,在雷达目标信息中解析、检索,匹配相应的二次代码字段,转换其坐标系并在地图显示,直至遍历文件结束,卫星地图上将显示所匹配的二次代码目标信息。并设置鼠标响应程序,当鼠标在相应目标位置时,显示二次代码及高度码。

2.3.3 点/航迹信息显示

在地图上回放点/航迹信息,检索录制的雷达目标二进制文件,并以线程方式读一帧数据传输。接收线程收到数据后,进行帧数据解析,在雷达目标信息中解析各个字段信息,提取二次代码、高度码、S模式地址、接收功率、径向速度等信息。据二次代码、高度码的有效位信息,推断目标信息质量。提取坐标信息,并依据雷达的GPS坐标转换卫星地图坐标系。以数据处理及显示线程显示目标信息。依据正北同步信号或雷达天线旋转周期在地图上刷新目标信息显示。如选择显示一次雷达信息,则和二次雷达信息相关,如相关不上,则单独标识一次雷达目标信息。遍历文件直至结束。

为提高互动,设置鼠标响应程序,可实时拖动目标显示位置;测量两点间的距离和角度。

3 应用实例

以THALES雷达为例,其雷达头录制的雷达信号文件为二进制格式。此软件系统读取录制文件,解析ASTERIX格式的雷达数据。录制信号源来自雷达系统的PLine设备输出,与自动化系统雷达数据信息一致性,确保数据分析可靠性。

对于选定的二次代码航行轨迹显示。读取雷达目标二进制文件,据选择的二次代码进行匹配,仅显示此二次代码目标位置及信息。可使用鼠标放在某一目标上,即可显示此位置上目标的二次代码和高度码。以二次代码4103为例,图5显示了代码4103的连续航行路径,无航班代码分配,鼠标位置中的目标高度码为“172”。从图中可很直观地观察点迹信号的平滑度、有无丢点等现象。

以图形化方式回放显示雷达信号轨迹,在卫星地图上显示目标相关数据(A码、C码、功率等信息);在图中标注导航台、禁区位置,便于技术员快速定位管制员提供的目标位置;使用鼠标对地图完成平移、放大、缩小等功能。实现测距和测角功能;软件系统采用图形化用户界面,在ZOOM7级别以上,目标在卫星地图上显示位置误差精度小。可在离线或在线卫星地图上显示航迹目标,显示直观,操作方便、灵活。图6系回放系统在某一回放时刻的截图。

四、结语

本文探讨了雷达信号回放系统及应用,利用雷达头录制的原始数据源,回放软件系统可对已录制的雷达信号回放,可离线单机运行,不影响雷达正常运行,实现以卫星地图为背景,对雷达(ASTERIX cat 01/02、34/48格式)信号的回放。

技术员使用软件系统对ASTERIX原始格式雷达信号回放,可快速分析二次雷达信号问题,评估雷达信号质量,改善雷达头信号质量分析能力,排查雷达信号问题,为技术员探讨雷达信号问题提供技术手段。

摘要：ASTERIX格式已普遍应用于航管雷达信号传输,对于ASTERIX格式数据的应用有助于雷达信号问题的分析。在解析航管一、二次雷达输出的ASTERIX类的原始标准格式文件基础上,探讨雷达目标信号在卫星地图上显示的方式,构建回放系统软件的功能模块,并展示了回放雷达目标信号实际应用。

关键词：ASTERIX格式,回放,卫星地图

参考文献

[1]EUROCONTROL Specification for Surveillance Data Exchange Part 1:All Purpose Structured EUROCONTROLSurveillance Information Exchange(ASTERIX),2013.

[2]EUROCONTROL STANDARD DOCUMENT FOR RAD-AR DATA EXCHANGE Part 2a:Transmission of Monoradar Data Target Reports,1997.

[3]EUROCONTROL STANDARD DOCUMENT FOR Radar Data Exchange Part 2b:Transmission of Monoradar Service Messagesm,1997.

[4]POEMS DOCUMENT for Radar Data Exchange Part 2b:Transmission of Monoradar Service Messages,1999.

卫星雷达 第4篇

随着卫星遥感技术的进步,可以得到大气光学厚度( AOD) 资料,使得研究大区域污染状况成为可能。多位国内外学者在卫星AOD资料估算地面颗粒物浓度研究上做了很多工作。如李成才等引用季节变化的气溶胶标高,经高度订正和湿度订正后的AOD,与地面颗粒物浓度对比相关系数显著提升[1];何秀等采用f( RH) = 1 /( 1-RH) 和经验公式两种湿度订正后的AOD/气溶胶标高方法,亦证实经湿度订正的AOD反演地面颗粒物浓度精度明显提高[2]。此外,Wang等在假设大气气溶胶垂直分布为负指数递减的前提条件下,利用AOD/ABLH的垂直订正方法进行反演,研究表明AOD与地面PM10、PM2. 5的R2提高到0. 65 和0. 62,并利用此方法得到的经验模型反演AOD与北京地区地面颗粒物浓度观测值进行比较,发现R2达到0. 47[3]; 陶金花等利用RAMS模式反演的边界层高度和湿度与AOD资料结合,采用AOD/ABLH方法反演地面PM2. 5质量浓度,发现相关R2达到0. 61[4]; Tzu-Chin Tsai等[5,6]利用MPLNET的Lidar资料反演得到霾层高度( haze layer height,HLH) 并结合AOD资料,提高了反演颗粒物浓度的准确率。

目前卫星资料估算地面颗粒物浓度较为常用的方法是基于AOD/大气标高和AOD/ABLH,但这两种方法是建立在假设气溶胶垂直分布为负指数递减的基础上进行反演,而实际大气环境中气溶胶浓度受到的影响因素较多,垂直分布较为多变,因此,从这一角度考虑,此两种方法存在局限性。

本文提出一种利用激光雷达反演气溶胶消光系数廓线结合MODIS大气光学厚度资料估算地面颗粒物浓度的方法; 并与AOD/ABLH方法进行对比,并将估算的颗粒物浓度与实测值进行比较,希望得到一种利用大气遥感技术,估算地面颗粒物浓度准确度更高的方法。

1 数据来源及处理

1. 1 颗粒物浓度、湿度数据

使用颗粒物浓度、湿度数据均为江苏省环境监测中心提供的小时数据。PM10、PM2. 5质量浓度由颗粒物监测仪得到,湿度资料则来自自动气象站。

1. 2 微脉冲激光雷达( MPL)

微脉冲激光雷达由于能探测大气不同高度强弱信号,被广泛运用于大气探测领域。使用的激光雷达资料来自江苏省环境监测中心购入的Sigma公司MPL-4B-IDS型号微脉冲激光雷达,雷达数据时间分辨率为30 s,空间分辨率设置为30 m。

1. 3 MODIS资料

中分辨率成像光谱仪( MODIS) 是美国NASA的EOS卫星系列中TERRA和AQUA所搭载的一种探测器[7]。目前被广泛应用于区域大气气溶胶的研究监测。MODIS提供红外、近红外到可见光一共36个通道的遥感数据,扫描宽度为2 330 km,具有较高的时空分辨率,星下点分辨率分别为0. 25 km、0. 5km和1 km,上午星TERRA和下午星AQUA在当地时间大约10: 30 和13: 00 前后经过南京上空。所选用光学厚度( AOD) 资料为NASA官网MODISLevel 2产品,分辨率为10 km。

2 方法介绍与数据处理

大气气溶胶光学厚度( AOD) 表示垂直大气柱内各个高度气溶胶消光系数的积分。因大气中不同高度气溶胶浓度受大气相对湿度、辐射强度等大气参数影响,使得大气垂直方向上气溶胶浓度呈现出不均、复杂的廓线分布,所以直接采用AOD资料估算近地面颗粒物浓度必然会导致准确率下降。利用大气气溶胶光学厚度( AOD) 估算地面颗粒物质量浓度,需要通过反演方法准确获取地面气溶胶消光系数。下面给出两种反演地面气溶胶消光系数的方法。

2.1获取地面消光系数方法1(AOD/ABLH)

根据下面公式求解地面消光系数σ0[2,8]:

式( 1) 中 τ 表示550 nm波长的AOD,用MODIS卫星获取的AOD值代替; σ0 为地面消光系数; h和hA分别表示高度与气溶胶标高; ABLH为边界层高度,由微脉冲激光雷达信号采用小波变换方法[9]反演得到。

气溶胶标高( hA) 表示大气气溶胶浓度随高度负指数递减到只有地面气溶胶消光系数( 1 /e)( σ0) 倍时的高度,是一个理想条件下的假设高度。公式中将ABLH代替hA基于下面三点考虑[4]:1大气中绝大部分气溶胶位于边界层高度( ABLH) 以下; 2晴天正午期间,ABLH接近于气溶胶标高的物理概念; 3气溶胶标高与ABLH具有相似的日变化特征。

由式( 1) 可得公式( 2) ,求得地面消光系数 σ0。

2. 2 获取地面消光系数方法2( 消光系数廓线)

因MPL能获取不同高度气溶胶强弱信号,可反演得到气溶胶消光系数廓线。利用Welton迭代法[10]反演得到不同高度消光系数 σ( h) ( 反演高度选取清洁层hmax) 。MPL探测盲区( 0 ~ 270 m高度) 消光系数采用可反演到最低高度的消光系数σ( 0. 27 km) 来代替( 图1 中红线表示) 。根据公式( 3) 即可求得地面h0消光系数 σ( h0) 在hmax高度-地面这一高度区间光学厚度 τ0,hmax的占比P( h0) 。

由于大气中绝大部分气溶胶位于底层大气,理论上MODIS的AOD值应近似等于 τ0,hmax值,根据公式( 4) 得到地面消光系数 σ( h0) ( 式( 4) 中 τ 采用MODIS的AOD值代入) 。

2. 3 数据处理

因卫星经过南京上空不一定为整点时刻,对于所选用数据进行处理,当过境时刻在20 min之前,颗粒物和湿度选择前1 h数据; 过境时刻在20 ~ 40min时,选择前后两小时数据平均; 过境时刻在40 min后,选择后1 h数据。

将卫星过境时刻的MPL标准化后向散射信号( NRB) 前后各取5 min并做水平平均处理。

以南京市江苏省环境监测中心( 32. 04,118. 75 ) 为参考点( 图2 中A点) ,选择N31. 9 ~32. 2 ,E118. 6 ~ 118. 9 ( 0. 3 ° × 0. 3 ° ) 这一区域( 图2 中左图) 来获取MODIS 550 nm波段的AOD资料。选取条件为: ( 1) 区域内数据量≥4 个的时刻; ( 2) 激光雷达运行正常时期。在此前提下,2013 年5 ~ 11 月共取得44 个数据。为找出获取准确度更高的估算方法,将获取的AOD做两点处理: ( 1) 将区域内各点AOD求平均,得到AODave;( 2) 提取每个时刻离参考点( 32. 04,118. 75) 最近的光学厚度( AODc) 。分别将两种处理的AOD代入公式( 4) 中 τ,得到不同的地面消光系数。本文所采用方法见表1。

3 结果分析

3. 1 PM2. 5与AOD、不同方法反演的地面消光系数相关性分析

图3 给出PM2. 5与AOD和两种反演地面消光系数的变化比较,发现PM2. 5与AOD的变化趋势差异较大,而两种反演方法得到的消光系数与PM2. 5浓度变化吻合度较高,二者比较,方法1 反演消光值在m-n点区间相差较大,而方法2 的结果与PM2. 5一致性更好。

如图4 显示,直接利用MODIS卫星资料获取的AOD值与PM2. 5质量浓度做相关性分析,相关系数为0. 63 和0. 6,低于其他方法反演结果。采用方法1( AOD / ABLH) 反演得到的地面消光系数 σ0,550nm与PM2. 5质量浓度作比较,相关系数则大幅提高,R值分别为0. 75 和0. 74,方法2 ( MPL反演消光系数廓线结合AOD) 的结果又好于前种方法,两R值都为0. 8,模型公式为y = 0. 010 2x + 0. 150 5 和y =0. 010 5 + 0. 273 3。A方法和B方法反演结果对比,相关系数差别较小,说明本次研究获取AOD时刻南京地区颗粒物浓度分布较为均匀。

AOD是垂直方向各个高度单位截面气溶胶消光系数 σ( h) 的叠加,可以反映整个空气柱内气溶胶的浓度变化,但由于垂直方向上气溶胶的分布并非均匀,而颗粒物浓度的收集是在地面进行,因此AOD值不能较好地体现地面颗粒物的浓度变化,导致直接提取AOD值进行分析的结果要差于后两种方法。空气中大部分颗粒物主要集中在低层大气,由于大气逆温的存在,导致边界层内与其上方自由对流层的气溶胶含量相差较大,因而一般情况下,大气中颗粒物更多地聚集在边界层内,方法1 正是基于这点,将大气光学厚度( AOD) 平均分配到边界层以下区域,求解出地面消光系数并与颗粒物质量浓度做比较,使得相关系数得到大幅提高。然而,因大气中气象要素和地面颗粒物排放源的复杂多变,高空的颗粒物并非均匀地分布在边界层内,如图5 显示,图5( a) 中ABLH为1. 5 km,边界层内NRB信号随高度呈现阶梯状的垂直分布,此时边界层内颗粒物浓度从较低位置开始至边界层顶逐级递减; 从( b) 图可发现,在边界层高度上方出现了一个0. 5km厚度的气溶胶层,该时刻在边界层上方存在一个不可忽视的消光值区域。因此,方法1 反演的准确程度与低层大气气溶胶是否均匀分布在边界层内有较大关联。相比较于方法1,方法2 由于可以清楚的得到不同高度气溶胶的信号强度,可求解出地面气溶胶消光值在AOD中的百分比,反演得到的消光系数与PM2. 5 浓度作比较,效果更好。

3. 2PM10与AOD、不同方法反演的地面消光系数相关性分析

PM10与AOD、方法1 和2 得到的地面消光系数做相关性分析,如图6,结果与图4 相似,方法2 反演的结果最好,相关系数为0. 62 和0. 6,模型公式为y = 0. 005 2x + 0. 160 6 和y = 0. 005 2x + 0. 318 4;方法1 与PM10质量浓度相关系数为0. 56、0. 53;AOD直接反演效果最差,R = 0. 47 和0. 41。A、B方法获取的AOD准确度相差不大,但A方法要稍微好于B方法。

3. 3 湿度订正

颗粒物检测仪器采集的颗粒物有一个高温烘干的过程,得到的是“干”颗粒物质量浓度。MODIS反演的AOD值和激光雷达所接收到后向散射信号则对应的是大气环境中的气溶胶粒子,由于大气气溶胶中具有吸湿性较强的无机成分( 硫酸盐、硝酸盐、海盐等) 和部分有机粒子,而大气环境中相对湿度变化较大,当相对湿度达到潮解点时,具有吸湿性的气溶胶粒子会吸收水分使得粒径增长[11,12],改变粒子对光的散射能力,从而影响到反演工作的准确性,所以利用卫星资料反演地面颗粒物浓度需要进行相对湿度的订正。

气溶胶散射吸湿增长因子f( RH) 表示大气环境下气溶胶消光系数与相对湿度小于等于40% 时气溶胶消光系数的比值。f( RH) 的选取本次研究采用文献[13]中公式: f( RH) = 0. 6 + 0. 133 × ( 1 - RH/100) - 1. 633 计算,根据公式

求解近地面干气溶胶消光系数 σ0,dry。

将进一步计算的 σ0,dry与PM2. 5、PM10做相关性分析( 如图7) ,发现结果与3. 1、3. 2 结果几乎相同,利用2A方法反演的 σ0,dry同PM2. 5和PM10比较得出R值分别为0. 81 和0. 62。

这是因为本次研究收集AOD的时刻地面相对湿度较小。图8 显示,44 个样本中只有一个时刻相对湿度大于60% 。当相对湿度低于60% 时,气溶胶时常以“干”的状态存在于大气环境中[14],大气环境中吸湿增长不明显,因此对于气溶胶消光系数的影响较小。

3. 4 估算颗粒物浓度与实测数据对比分析

为验证反演方法估算地面颗粒物浓度的准确程度,选取2014 年1 ~ 3 月MODIS的AOD值结合激光雷达数据反演地面消光系数,得到11 个样本。由图9 看出,数据获取时刻的地面湿度只有一个在55%附近,其余皆低于35% ,所以采样时刻湿度对气溶胶吸湿增长影响较弱。将反演得到的地面消光系数代入1A ( AOD/ABLH) 和2A ( 消光系数廓线结合AOD) 方法相关性分析得出的经验公式,得到地面PM2. 5和PM10的估算值。

将实测颗粒物浓度与估算值做相关性分析,如图10 所示,新方法估算的PM2. 5和PM10与实测数据相关系数皆好于AOD/ABLH方法。再由实测颗粒物浓度与估算值对比图看出( 图11) ,除了方框标出的位置,其余时刻新方法估算的颗粒物浓度相比于AOD / ABLH方法,与实测数据更为接近。由此可见,相比其他方法,本文提出的新方法估算的地面颗粒物浓度准确性更高。

4 结论

利用微脉冲激光雷达大气气溶胶消光系数廓线结合卫星资料估算地面颗粒物浓度的方法与AOD/ABLH方法进行了比较,发现不论PM2. 5还是PM10,新方法都要好于后者,PM2. 5和PM10浓度相关系数分别达到0. 8 和0. 62。两种方法估算得到的地面颗粒物浓度与实测值比较,本文提出的新方法估算的结果准确性更高。

摘要：从2013年5月至11月中筛选激光雷达和MODIS大气光学厚度(AOD)资料,提出一种基于激光雷达反演大气气溶胶消光系数廓线,结合MODIS大气光学厚度资料,估算地面颗粒物质量浓度的方法;将该方法与AOD/大气边界层高度(ABLH)方法进行对比,最后将估算的颗粒物浓度与实测值进行比较。研究表明,该方法估算地面颗粒物浓度效果好于AOD/ABLH方法,与实测PM2.5和PM10浓度相关系数分别达到0.8和0.62。两种方法估算得到的地面颗粒物浓度与实测值比较,新方法估算的结果准确性更好。