摘 要:分析了某型气象雷达探测系统光电经纬仪的工作原理和误差产生的过程及其原因,提出了提高探测精度的技术措施。由于某火炮射程远、弹道高,因此只有正确地使用光电经纬仪才能满足火炮射击对高空气象资料的需要。
1 引 言
光电经纬仪是某型火炮系统中气象雷达探测系统的重要组成部分,通过施放探空气球能独立探测从地面到几万米高空的气象要素,是探测高空气象要素的主要设备。在探空仪飞行过程中,光电经纬仪的天线一直跟踪标定探空仪,探空仪在向上运动的同时利用上面的传感器测量每一层高度的温度、湿度和气压等要素,并将这些要素以数字信号方式加载到载波上,由收发信机传送至光电经纬仪。在光电经纬仪接收到探空仪传来的载波信号后,通过解码技术便可获得每一层高度的温度、湿度和气压等要素。
2 跟踪原理
在抛物面天线馈源外侧的上、下、左、右放有四个微带的偏焦垂直极化馈源,这四个馈源由波束控制开关选择,可产生分时的偏离电轴的上、下、左、右四个波束。如图1所示,当处于轴线下方时,天线产生向上偏离电轴的波束。同理当馈源处在天线轴线上、左、右方向时可分别产生向下、向右和向左方向的偏扫波束。
当上、下、左、右四种波束被波束控制开关快速分别选通时,就可利用波束的变换对目标进行跟踪。当目标位于天线轴线偏上角时,上波束收到的信号大于下波束收到的信号,而此时左、右波束收到的信号相等。因此通过波束接收信号的强度可知目标的方向,可控制天线向上的运动,使上、下波束收到的信号相等,即为跟准目标。当程序方波送入波束控制开关时,波束控制开关会按程序方波的顺序选通馈源,并得到相应波束的接收信号。
3 测高原理
由于大气层的气压与高度有关,因此通过气压能够反演相应的高度。首先要获得地面气象参数,即地面气压、气象站高程,然后根据探空仪测得的相应高度的气压和温度,就可用下面的公式进行高度的反演:
式中:P2和Z2分别为相应高度的气压和高度;P1和Z1分别为地面的气压和气象站的高度;t为相应高度的温度;a =1/273为常数。
探空仪对气压的测量是通过压力传感器来实现的。压力传感器中有一个由四个电阻组成的电桥电路,其中一只电阻的电压随压力的变化而变化,导致电桥的电压也随之变化,进而通过电压变化来感知压力。
影响压力传感器性能的误差包括如下几个方面:零点温度漂移、灵敏度温度漂移、线性误差、重复性误差、迟滞误差、机械迟滞、温度迟滞等。根据供应商提供的技术资料,所有误差在最大值的情况下总误差之和可达5.57%,当然这种可能性是极少的。但即使零点温度漂移、灵敏度温度漂移,其最大值也分别能达到1%,远远超出了探空仪的技术指标,因此需要进行全量程的温度补偿。温度补偿的方法是,首先找出传感器特性的数学模型,根据数学模型制定校准工艺,对每一只传感器进行温度-压力校准,求出各种系数。在使用时,计算机将探空仪测得的气压和补偿温度值代入数学公式,根据该探空仪校准系数求出大气的实时压力。
温度的测量是通过热敏电阻对温度的分子反应来实现的,本系统采用的是GPW2热敏电阻。为了实现热敏电阻测温功能,首先要进行热敏电阻的温度特性校准,以获得R-T特性曲线。同时为了提高高空测量精度,GPW2热敏电阻还必须修正长短波辐射带来的误差。
4 测风原理
在任一时刻,雷达与探空仪之间的位置关系如图2所示。平均风速的计算公式如下
真风是指某一高度上的实际风。精确求得某高度上的实际风是很困难的,通常采用某一厚度内的平均风来近似代替真风,其公式为
式中:V为在H高度水平面上的真风;W1为地面至H1的平均风;W2为地面至H2的平均风;H1为某气层的下限高度;H2为某气层的上限高度; H为气层的中央高度, H=(H1+H2)/2;N=H2/(H2-H1)。
弹道风是指地面至弹道高度范围内风的弹道平均值,是根据各气层的风和相应的层权计算出来的。具体地说,弹道风是在最大弹道高度范围内,各气层的真风与弹道层权乘积的总和:
5 误差分析
5.1 探空误差分析
(1)温度、湿度和气压感应器灵敏度的改变引起的误差。温度、湿度和气压感应器的灵敏度在出厂时已经过灵敏度的检查,但由于经过长途运输与长期存放使感应器受震或受潮,因而引起灵敏度的改变。感应器的基点的改变会使探测过程产生系统误差。
(2)气温的辐射误差。太阳直接照射气温感应器所引起的误差叫做辐射误差。本系统使用的GZZ8A型数字探空仪的温度传感器为GPW2型棒状热敏电阻和GPW3型棒状热敏电阻,表面有高反射率涂层,短波反射率优于93%,长波反射率超过90%。
(3)滞后误差。气温感应的温度变化落后于实际气温变化而产生的误差叫滞后误差。滞后误差与气球的升速平方根成正比。气球的升速越快,滞后误差越大;反之,滞后误差越小。同时,气温感应器的滞后误差还与通风条件有关。通风条件越充分,滞后误差越小。由此可见,在高空探测时,适当的气球升速和充分的通风条件就能使气温感应器充分感应。根据实验,当气球升速为300~350m/min时,通风速度为4~5m/s。
(4)仪器放置条件不同引起的误差。当探空仪各传感器基测时,应与野战气象仪探测地面气象时的条件在同一高度和同一条件下进行。因为高度不同,测出的气温、气压值也不同。另外,当地表性质不同时温度也不同,如在树荫下和草地上测得的气温就比在阳光直射和干沙地要低。
(5)基测时感应不足或不准引起的误差。各传感器基测时,尤其是XGH-02型高分子湿敏电阻需要一定的时间。室内与室外、冬季与夏季的环境不一样,其感应时间也要相应地调整。探空仪各传感器基测完毕后,应尽快组织放球,否则一旦环境有所变化就会引起系统误差
(6)异常数据引起的误差。探空时,温度、湿度和气压曲线是有一定规律的。如果在探空曲线上出现了严重偏离曲线的“飞点”,则表明有异常情况发生,该点不是传感器对大气真实情况的记录,必须在数据修改模块中对该点进行修改或剔除,否则将产生误差。
(7)地面气象数据引起的误差。在放球后如果地面气象条件有重大变化或者放球前地面气象数据输入时出现错误,也将会产生系统误差。
5.2 测量误差分析
(1)器材误差。器材误差是指经过长期使用或长途运输后,器材的部分结构发生的一些误差,如由经纬仪高低角产生的零位误差,由倾斜仪产生的测角误差等,如果不按要求检查、订正,就会使测量的数据产生误差。
(2)测速误差。风速与高度和高低角有关,所产生的误差也是由这两个因素造成的。根据测高原理的分析,高度是由气压反演的,探空仪压力传感器的精度除了与自身灵敏度有关外,还必须进行温度补偿,这两个因素导致了高度的误差。除了高低角零位误差外,雷达的水平状态调整的不好也会引起高低角误差。
(3)测向误差。测向误差主要是由磁坐偏角测量误差、方位标定误差、传动系统误差和噪声误差等引起的。在对磁坐偏角进行测量时,如果测量方法不当就会使磁坐偏角精度变差,这样在标定天线方位时就会引起误差。在天线标定时,经纬仪和天线瞄准镜对视不准、经纬仪架设、标定、读数不准确会引起方位标定误差。传动系统误差是由于电路调试不当引起的天控系统随动平衡不好或传动系统的性能发生变化造成的。当噪声混在信号中时,在远距离和信号弱的情况下,可能引起系统对抓球判断的失误,从而引起测角误差。
6 提高精度的措施
6.1 技术措施
(1)为克服探空仪因长期存放或运输过程中灵敏度改变造成的误差,探空仪施放前必须对其进行检查、校准和基值测定。
(2)野战气象仪测量地面气象数据时,应尽量与探空仪在同一地点、同一条件下进行。如果放球后地面气象条件有重大变化或因故推迟了放球时间,应进行补测。
(3)探空仪基测时,应根据条件和季节的不同,确定感应时间,保证其充分感应。
(4)灌球时,充氢量要符合标准,放球时应尽量距离光电经纬仪近一些。
(5)提高天线标定的精度,每次探测结束时应检查一次标定,发现误差应在结果中加以修正。
(6)加强平时的维护保养,检查天控系统的工作情况,使之处于良好的工作状态,要及时消除追摆振荡。
(7)对每一只传感器进行温度-压力校准,求出各种系数。使用时,计算机将探空仪测得的气压和补偿温度值代入数学公式,根据探空仪器的校准系数求出大气的适时压力。
6.2 战术措施
(1)在山区、滨海地区或大片的河网地区,气象条件变化较大,如在一个山谷里测得的气象数据就不一定能反映附近的气象情况,这就要求要根据地形情况,尽量把雷达配置在能代表整个地区的位置上。
(2)正确的选择探测时机和探测次数。一般来说,每2h进行一次探测,气象条件稳定时可以每4h进行一次。当天气有突然变化时,要适当增加探测次数。如有锋面经过时,锋面过后要进行新的探测;昼夜过渡期气温变化比较剧烈,应在2h内进行一次探测。
7 结 论
简述了某型气象雷达探测系统中光电经纬仪的工作原理及过程。分析了在工作过程中产生的误差,并针对误差产生的原因提出了提高光电经纬仪探测精度的技术、战术措施,这对提高某型气象雷达探测系统的探测效能有一定的实际意义。
参考文献:
[1] Barton D K. Radar system analysis artech[M]. 1979.
[2]马振骅.气象雷达回波信息原理[M].北京:科学出版社,1986.
[3]炮兵气象勤务[M].合肥:解放军炮兵学院训练部,1979.
[4]炮兵气象雷达自动探测系统兵器与操作教程[M].北京:总参谋部,1999.
[5] SkolNIk K,et al. Radar handbook[M]. New York:McGrawhillBook Co,1970.
收稿日期:2006-02-15 E-mail:catking1980511@sina.com; czp1967@sina.com
基金项目:总参基金资助项目(BZ-2005-025)
作者简介:陈治平(1967-),男,安徽省人,解放军炮兵学院一系教授,博士,主要从事炮兵雷达和光电装备方面的研究。
