[科普中国]-气象雷达

基本概况

气象雷达

工作在30～3000兆赫频段的气象多普勒雷达。一般具有很高的探测灵敏度。因探测高度范围可达1～100公里，所以又称为中层-平流层-对流层雷达 (MST radar)。它主要用于探测晴空大气的风、大气湍流和大气稳定度（见大气静力稳定度）等大气动力学参数的铅直分布。

气象雷达使用的无线电波长范围很宽，从1厘米到1000厘米。它们常被划分成不同的波段,以表示雷达的主要功能。气象雷达常用的1、3、5、10和 20厘米波长各对应于 K波段（波长0.75～2.4厘米）、X波段（波长 2.4～3.75厘米）、C波段（波长3.75～7.5厘米）、S波段（波长7.5～15厘米）和 L波段（波长15～30厘米），超高频和甚高频雷达的波长范围分别为10～100厘米和100～1000厘米。雷达探测大气目标的性能和其工作波长密切有关。把云雨粒子对无线电波的散射和吸收结合起来考虑，各种波段只有一定的适用范围。常用K波段雷达探测各种不产生降水的云，用X、C和S波段雷达探测降水,其中S波段最适用于探测暴雨和冰雹，用高灵敏度的超高频和甚高频雷达可以探测对流层－平流层-中层的晴空流场。

发展简史气象雷达属于雷达领域中的一个重要分支,其发展至今大致经历了从模拟、数字到以美国NEXRAD为代表的新一代气象雷达三个发展阶段。2

第二次世界大战前雷达用于军事目的。当时云、雨等气象目标的回波被作为干扰看待。1941年在英国最早使用雷达探测风暴。1942～1943年，美国麻省理工学院专门设计了为气象目的使用的雷达。在气象雷达发展初期，一般都靠手工操作，回波资料只能作定性分析。60年代采用了多普勒技术，气象多普勒雷达具有对大气流场结构的定量探测能力；常规雷达的数字显示和彩色显示也相继出现。

70年代，除联合使用多部多普勒雷达外，又相继发展了大功率高灵敏度的甚高频和超高频多普勒雷达和具有多普勒性能的高分辨率调频连续波雷达；在雷达结构上，广泛采用了集成电路，配备有小型或微型电子计算机，使气象雷达能对探测资料进行实时数字处理和数字化远距离传输；有的天气雷达已能按照预先编好的程序，由电子计算机操纵观测，并逐步向自动化观测网的方向发展。

80年代以后，在多普勒雷达的基础上，科罗拉多州立大学电子工程系的教授提出了偏振气象雷达的思想，为大气雷达探测，已经气象资料分析提供了一个更为先进的平台。偏振多普勒雷达参数为分析雨滴等降水信息分布，以及降雨形状分布提供了更为精确的信息。科罗拉多州立大学的CSU-CHILL雷达也是世界上该领域最为先进的天气雷达，CSU-CHILL是美国国家天气雷达设备，由NSF提供资金，科罗拉多州立大学负责。

组成控制面板、显示器、天线和收发机构成了气象雷达主要部件。机载气象雷达还需由垂直陀螺提供倾斜和俯仰稳定信号，倾斜和俯仰信号可以由单独的垂直陀螺组建提供，也可由惯性基准系统提供。1

在控制面板上可以选择雷达的工作方式，显示距离范围，扫描区域，设置增益等各项功能。俯仰角控制开关可调节天线在±15°内的俯仰变化，以便天线在适当的角度进行扫描。增益控制开关可以调节接收器的灵敏度，接收器的自动(CAL位)灵敏度因雷达系统的不同而不同。稳定控制开关用于控制天线的稳定性，当飞机有俯仰、倾斜动作时，通过R/T提供的补偿信号控制天线，使其保持在选定的俯仰位置。识别控制开关是为了消除地面的杂波，使得对目标的探测更为准确。1

现在飞机的气象雷达信息一般都显示在EFIS而不再用单独的雷达显示器。除可显示目标的强度及位置信息外，还可以显示各种文字信息、辅助信息及系统状态等。用不同的颜色直观的表示出气象信息的强弱，以极坐标的方式表示出探测的目标的距离及方位，通过距离标志圈可读出其数值。1

天线主要作用是辐射和接收回波，同时还要进行方位扫略与俯仰、倾斜稳定，气象雷达天线组安装于飞机前端的雷达罩内，天线的方向性越强，雷达的作用距离越远，测向精度和分辨率也越高。雷达发射机所产生的脉冲射频信号，由雷达天线汇聚成束后向空中某一方向辐射出去。雷达天线指向空间某一方向，而此时只有在这一方向的目标才会被雷达波束照射到，从而产生相应的回波信号而被雷达所探测，其他方位的目标，由于不可能被雷达信号照射到，所以在这一瞬间是不会产生回波。为了探测飞机航路前方及其左右两侧的气象情况，气象雷达天线在一定范围内进行往复方位扫掠。通过天线的周期性方位扫掠，雷达就可以探测这一方位范围内被波束所依次照射到的目标。1

收发机是该系统的核心部件，发射机产生具有足够功率的周期性的矩形脉冲射频信号，而接收机则是提取所需的回波信号并将其转换为数据传输给显示器。雷达收发组总是安装在靠近天线的位置，比如前设备舱或雷达罩内，以尽可能减少连接波导的长度。接收机和发射机是共用一部天线工作的，信号的发射与回波信号的接收交替进行。雷达发射机在极短时间中产生的功率强大的脉冲信号，通过天线辐射出去。在这短短的几微秒内，雷达接收机的输入端是关闭的，没有与天线连通。当发射过程结束后，雷达便工作于接收状态，此时天线与接收机输入端相连接，不同距离处目标所产生的回波信号由天线接收而加至接收机进行复杂的处理。1

工作原理气象雷达是通过目标对雷达波的反射来确定目标的位置和特性的。物体导电性好，对雷达波的反射能力越强，反射面积越大，反射能量越高，物体的几何尺寸与波长相差很大时反射的能量变得非常微弱，而当反射面的直径可与波长相比拟时，反射回来的能量会明显升高。常用的雷达一般工作频率为200~10000MHz，这主要取决于雷达的用途和性能，而且必须在国际电信联盟所指定的频段内，目前航空公司一般选用X波段的机载气象雷达。1

3.1 距离测定

气象雷达发射的电磁波是以光速c在空中向前传播，通过测量所接收到的目标回波信号与发射脉冲之间的时间间隔t，可以算出目标相对于飞机的距离L =ct/2。它的距离分辨力决定于脉冲的宽度，要提高区分近距离目标的能力，必须使用较窄的脉冲宽度。1

3.2 方位测定

它是通过测定雷达天线波束轴的瞬时方位来确定目标方位的。雷达天线所形成的辐射波束是宽度很窄的圆锥形波束，当天线指向某一方位时只有该方位的目标回波才能被雷达所接收，把该信号的位置传输给显示器，使回波图像显示在显示器的相应方位，就可以确定目标的实际方位。雷达的方位分辨能力取决于天线水平面内的波束宽度，天线波束在水平面内的宽度越窄，其方位分辨力越好，为保障良好的方位分辨力，采用平板缝隙天线阵。1

3.3 降水探测

虽然雨、冰雹和雪都属于导电的水物质，气象雷达可以探测雨滴或湿的冰雹，却无法探测云、雾、干燥的冰雹、冰晶或雪。含水物质对于雷达发射的射频脉冲能量有一部分被吸收、损耗和散射，其余都被有效的反射，只要在雷达监测的范围内，且具有一定的直径和密度的降雨区域均能产生有效的回波，从而被气象雷达检测出来。反射回的信号强弱与目标含水量有关，接收器接收到信号就可分析目标的性质和强弱，并在显示器是用不同的颜色表示。1

3.4 湍流检测

湍流是指在一定的空域中急速且多变的运动气流，它会使进入其中的飞机产生颠簸甚至对飞机结构造成破坏。暴雨区域常伴有湍流，其危害不言而喻。对湍流的检测是基于多普勒原理实现的，多普勒频移与相对速度的偏差成正比f=2v/λ。接收机将所接收到的信号的多普勒频谱宽度与规定的门限值作比较，如果大于规定值，就判断目标是湍流并给出警告信息。需要特别注意的是干燥的湍流是无法被探测和显示的。1

3.5 风切变检测

风切变是指在一个较小的区域内，风向和风速突然发生改变。风切变是导致飞行事故的重要因素，特别是低空风切变对飞机起飞和着陆安全威胁巨大，不仅能使飞机航迹偏离，而且会破坏飞机的稳定性。切变检测方法和湍流基本相同，雷达根据风切变区域产生的回波的多普勒频移的频谱特征来实现前视风切变检测的。气象雷达并不能保证检测出所有的危险天气区域，所以决不能把雷达的显示图像作为危险气象和地形的依据，对于探测出的危险应选择避让而不是穿越那些区域。在选择探测范围时不应过小，那会使飞机进入盲区而无法感知危险，同时距离过近也会造成没有安全距离来避开已临近的恶劣气象，从而发生危险。1

种类划分凡是不具有多普勒性能的雷达称为非相干雷达或常规气象雷达，具有多普勒性能的雷达称为相干雷达或多普勒雷达。

主要的气象雷达有：

测云雷达。是用来探测未形成降水的云层高度、厚度以及云内物理特性的雷达。其常用的波长为1.25厘米或0.86厘米。工作原理和测雨雷达相同，主要用来探测云顶、云底的高度。如空中出现多层云时，还能测出各层的高度。由于云粒子比降水粒子小，测云雷达的工作波长较短。测云雷达只能探测云比较少的高层云和中层云。对于含水量较大的低层云,如积雨云、冰雹等,测云雷达的波束难以穿透，因而只能用测雨雷达探测。

测雨雷达。又称天气雷达，是利用雨滴、云状滴、冰晶、雪花等对电磁波的散射作用来探测大气中的降水或云中大滴的浓度、分布、移动和演变，了解天气系统的结构和特征。测雨雷达能探测台风、局部地区强风暴、冰雹、暴雨和强对流云体等，并能监视天气的变化。

测风雷达。用来探测高空不同大气层的水平风向、风速以及气压、温度、湿度等气象要素。测风雷达的探测方式一般都是利用跟踪挂在气球上的反射靶或应答器，不断对气球进行定位。根据气球单位时间内的位移，就能定出不同大气层水平风向和风速。在气球上同时挂有探空仪，遥测高空的气压、温度和湿度。

圆极化雷达。一般的气象雷达发射的是水平极化波或垂直极化波，而圆极化雷达发射的是圆极化波。雷达发射圆极化波时，球形雨滴的回波将是向相反方向旋转的圆极化波，而非球形大粒子（如冰雹）对圆极化波会引起退极化作用，利用非球形冰雹的退极化性质的回波特征，圆极化雷达可用来识别风暴中有无冰雹存在。

调频连续波雷达。它是一种探测边界层大气的雷达。有极高的距离分辨率和灵敏度，主要用来测定边界层晴空大气的波动、风和湍流（见大气边界层）。

气象多普勒雷达。利用多普勒效应来测量云和降水粒子相对于雷达的径向运动速度的雷达。

甚高频和超高频多普勒雷达。利用对流层、平流层大气折射率的不均匀结构和中层大气自由电子的散射，探测1～100公里高度晴空大气中的水平风廓线、铅直气流廓线、大气湍流参数、大气稳定层结和大气波动等的雷达。

在研究试验的雷达中还有双波长雷达和机载多普勒雷达等。70年代以来，利用一个运动着的小天线来等效许多静止的小天线所合成的一个大天线的合成孔径雷达的新发展，必将加速机载多普勒雷达今后的发展进程。机载多普勒雷达的机动性很强，可以用来取得分辨率很高的对流风暴的多普勒速度分布图。

作用气象雷达主要用于探测气象状况以及变化趋势，目前已广泛应用于天气预报以及农业、水文、林业、交通、能源、海洋、航空、航天、国防、建筑、旅游、医疗等领域的专业气象服务。2它是人们为防范气象风险，保障飞行安全而研制的航空电子产品。它是利用电磁波经过天线辐射后遇到障碍物被反射回来的原理，目标的导电系数越高，反射面越大，则回波越强。它能够在飞行中连续地向飞行员提供航路前方及其两侧的气象状况，此外还提供飞机前方地表特征的地图型显示，飞行员可据此选择安全的航线，避绕危险的气象区域或其它障碍物，识别地标以及判断飞机的位置。1