氣象雷達

氣象雷達

工作在30～3000兆赫頻段的氣象多普勒雷達。一般具有很高的探測靈敏度。因探測高度範圍可達1～100公里，所以又稱為中層-平流層-對流層雷達（MST radar）。它主要用於探測晴空大氣的風、大氣湍流和大氣穩定度（見大氣靜力穩定度）等大氣動力學參數的鉛直分佈。

氣象雷達使用的無線電波長範圍很寬，從1厘米到1000厘米。它們常被劃分成不同的波段，以表示雷達的主要功能。氣象雷達常用的1、3、5、10和20厘米波長各對應於K波段（波長0.75～2.4厘米）、X波段（波長2.4～3.75厘米）、C波段（波長3.75～7.5厘米）、S波段（波長7.5～15厘米）和L波段（波長15～30厘米），超高頻和甚高頻雷達的波長範圍分別為10～100厘米和100～1000厘米。雷達探測大氣目標的性能和其工作波長密切有關。把雲雨粒子對無線電波的散射和吸收結合起來考慮，各種波段只有一定的適用範圍。常用K波段雷達探測各種不產生降水的雲，用X、C和S波段雷達探測降水，其中S波段最適用於探測暴雨和冰雹，用高靈敏度的超高頻和甚高頻雷達可以探測對流層－平流層-中層的晴空流場。

氣象雷達屬於雷達領域中的一個重要分支，其發展至今大致經歷了從模擬、數字到以美國NEXRAD為代表的新一代氣象雷達三個發展階段。

第二次世界大戰前雷達用于軍事目的。當時雲、雨等氣象目標的回波被作為干擾看待。1941年在英國最早使用雷達探測風暴。1942～1943年，美國麻省理工學院專門設計了為氣象目的使用的雷達。在氣象雷達發展初期，一般都靠手工操作，回波資料只能作定性分析。60年代採用了多普勒技術，氣象多普勒雷達具有對大氣流場結構的定量探測能力；常規雷達的數字顯示和彩色顯示也相繼出現。

70年代，除聯合使用多部多普勒雷達外，又相繼發展了大功率高靈敏度的甚高頻和超高頻多普勒雷達和具有多普勒性能的高解析度調頻連續波雷達；在雷達結構上，廣泛採用了集成電路，配備有小型或微型電子計算機，使氣象雷達能對探測資料進行實時數字處理和數字化遠距離傳輸；有的天氣雷達已能按照預先編好的程序，由電子計算機操縱觀測，並逐步向自動化觀測網的方向發展。

80年代以後，在多普勒雷達的基礎上，科羅拉多州立大學電子工程系的教授提出了偏振氣象雷達的思想，為大氣雷達探測，已經氣象資料分析提供了一個更為先進的平台。偏振多普勒雷達參數為分析雨滴等降水信息分佈，以及降雨形狀分佈提供了更為精確的信息。科羅拉多州立大學的CSU-CHILL雷達也是世界上該領域最為先進的天氣雷達，CSU-CHILL是美國國家天氣雷達設備，由NSF提供資金，科羅拉多州立大學負責。

控制面板、顯示器、天線和收發機構成了氣象雷達主要部件。機載氣象雷達還需由垂直陀螺提供傾斜和俯仰穩定信號，傾斜和俯仰信號可以由單獨的垂直陀螺組建提供，也可由慣性基準系統提供。

在控制面板上可以選擇雷達的工作方式，顯示距離範圍，掃描區域，設置增益等各項功能。俯仰角控制開關可調節天線在±15°內的俯仰變化，以便天線在適當的角度進行掃描。增益控制開關可以調節接收器的靈敏度，接收器的自動(CAL位)靈敏度因雷達系統的不同而不同。穩定控制開關用於控制天線的穩定性，當飛機有俯仰、傾斜動作時，通過R/T提供的補償信號控制天線，使其保持在選定的俯仰位置。識別控制開關是為了消除地面的雜波，使得對目標的探測更為準確。

現在徠飛機的氣象雷達信息一般都顯示在EFIS而不再用單獨的雷達顯示器。除可顯示目標的強度及位置信息外，還可以顯示各種文字信息、輔助信息及系統狀態等。用不同的顏色直觀的表示出氣象信息的強弱，以極坐標的方式表示出探測的目標的距離及方位，通過距離標誌圈可讀出其數值。

天線主要作用是輻射和接收回波，同時還要進行方位掃略與俯仰、傾斜穩定，氣象雷達天線組安裝於飛機前端的雷達罩內，天線的方向性越強，雷達的作用距離越遠，測向精度和解析度也越高。雷達發射機所產生的脈衝射頻信號，由雷達天線匯聚成束後向空中某一方向輻射出去。雷達天線指向空間某一方向，而此時只有在這一方向的目標才會被雷達波束照射到，從而產生相應的回波信號而被雷達所探測，其他方位的目標，由於不可能被雷達信號照射到，所以在這一瞬間是不會產生回波。為了探測飛機航路前方及其左右兩側的氣象情況，氣象雷達天線在一定範圍內進行往複方位掃掠。通過天線的周期性方位掃掠，雷達就可以探測這一方位範圍內被波束所依次照射到的目標。

收發機是該系統的核心部件，發射機產生具有足夠功率的周期性的矩形脈衝射頻信號，而接收機則是提取所需的回波信號並將其轉換為數據傳輸給顯示器。雷達收發組總是安裝在靠近天線的位置，比如前設備艙或雷達罩內，以儘可能減少連接波導的長度。接收機和發射機是共用一部天線工作的，信號的發射與回波信號的接收交替進行。雷達發射機在極短時間中產生的功率強大的脈衝信號，通過天線輻射出去。在這短短的幾微秒內，雷達接收機的輸入端是關閉的，沒有與天線連通。當發射過程結束后，雷達便工作於接收狀態，此時天線與接收機輸入端相連接，不同距離處目標所產生的回波信號由天線接收而加至接收機進行複雜的處理。

氣象雷達是通過目標對雷達波的反射來確定目標的位置和特性的。物體導電性好，對雷達波的反射能力越強，反射面積越大，反射能量越高，物體的幾何尺寸與波長相差很大時反射的能量變得非常微弱，而當反射面的直徑可與波長相比擬時，反射回來的能量會明顯升高。常用的雷達一般工作頻率為200~10000MHz，這主要取決於雷達的用途和性能，而且必須在國際電信聯盟所指定的頻段內，目前航空公司一般選用X波段的機載氣象雷達。

3.1距離測定

氣象雷達發射的電磁波是以光速c在空中向前傳播，通過測量所接收到的目標回波信號與發射脈衝之間的時間間隔t，可以算出目標相對於飛機的距離L=ct/2。它的距離分辨力決定於脈衝的寬度，要提高區分近距離目標的能力，必須使用較窄的脈衝寬度。

3.2方位測定

它是通過測定雷達天線波束軸的瞬時方位來確定目標方位的。雷達天線所形成的輻射波束是寬度很窄的圓錐形波束，當天線指向某一方位時只有該方位的目標回波才能被雷達所接收，把該信號的位置傳輸給顯示器，使回波圖像顯示在顯示器的相應方位，就可以確定目標的實際方位。雷達的方位分辨能力取決於天線水平面內的波束寬度，天線波束在水平面內的寬度越窄，其方位分辨力越好，為保障良好的方位分辨力，採用平板縫隙天線陣。

3.3降水探測

雖然雨、冰雹和雪都屬於導電的水物質，氣象雷達可以探測雨滴或濕的冰雹，卻無法探測雲、霧、乾燥的冰雹、冰晶或雪。含水物質對於雷達發射的射頻脈衝能量有一部分被吸收、損耗和散射，其餘都被有效的反射，只要在雷達監測的範圍內，且具有一定的直徑和密度的降雨區域均能產生有效的回波，從而被氣象雷達檢測出來。反射回的信號強弱與目標含水量有關，接收器接收到信號就可分析目標的性質和強弱，並在顯示器是用不同的顏色表示。

3.4湍流檢測

湍流是指在一定的空域中急速且多變的運動氣流，它會使進入其中的飛機產生顛簸甚至對飛機結構造成破壞。暴雨區域常伴有湍流，其危害不言而喻。對湍流的檢測是基於多普勒原理實現的，多普勒頻移與相對速度的偏差成正比f=2v/λ。接收機將所接收到的信號的多普勒頻譜寬度與規定的門限值作比較，如果大於規定值，就判斷目標是湍流並給出警告信息。需要特別注意的是乾燥的湍流是無法被探測和顯示的。

3.5檢測

風切變是指在一個較小的區域內，風向和風速突然發生改變。風切變是導致飛行事故的重要因素，特別是低空風切變對飛機起飛和著陸安全威脅巨大，不僅能使飛機航跡偏離，而且會破壞飛機的穩定性。切變檢測方法和湍流基本相同，雷達根據風切變區域產生的回波的多普勒頻移的頻譜特徵來實現前視風切變檢測的。氣象雷達並不能保證檢測出所有的危險天氣區域，所以決不能把雷達的顯示圖像作為危險氣象和地形的依據，對於探測出的危險應選擇避讓而不是穿越那些區域。在選擇探測範圍時不應過小，那會使飛機進入盲區而無法感知危險，同時距離過近也會造成沒有安全距離來避開已臨近的惡劣氣象，從而發生危險。

凡是不具有多普勒性能的雷達稱為非相干雷達或常規氣象雷達，具有多普勒性能的雷達稱為相干雷達或多普勒雷達。

主要的氣象雷達有：

測雲雷達是用來探測未形成降水的雲層高度、厚度以及雲內物理特性的雷達。其常用的波長為1.25厘米或0.86厘米。工作原理和測雨雷達相同，主要用來探測雲頂、雲底的高度。如空中出現多層雲時，還能測出各層的高度。由於雲粒子比降水粒子小，測雲雷達的工作波長較短。測雲雷達只能探測雲比較少的高層雲和中層雲。對於含水量較大的低層雲，如積雨雲、冰雹等，測雲雷達的波束難以穿透，因而只能用測雨雷達探測。

測雨雷達：又稱天氣雷達，是利用雨滴、雲狀滴、冰晶、雪花等對電磁波的散射作用來探測大氣中的降水或雲中大滴的濃度、分佈、移動和演變，了解天氣系統的結構和特徵。測雨雷達能探測颱風、局部地區強風暴、冰雹、暴雨和強對流雲體等，並能監視天氣的變化。

測風雷達：用來探測高空不同大氣層的水平風向、風速以及氣壓、溫度、濕度等氣象要素。測風雷達的探測方式一般都是利用跟蹤掛在氣球上的反射靶或應答器，不斷對氣球進行定位。根據氣球單位時間內的位移，就能定出不同大氣層水平風向和風速。在氣球上同時掛有探空儀，遙測高空的氣壓、溫度和濕度。

圓極化雷達：一般的氣象雷達發射的是水平極化波或垂直極化波，而圓極化雷達發射的是圓極化波。雷達發射圓極化波時，球形雨滴的回波將是向相反方向旋轉的圓極化波，而非球形大粒子（如冰雹）對圓極化波會引起退極化作用，利用非球形冰雹的退極化性質的回波特徵，圓極化雷達可用來識別風暴中有無冰雹存在。

調頻連續波雷達：它是一種探測邊界層大氣的雷達。有極高的距離解析度和靈敏度，主要用來測定邊界層晴空大氣的波動、風和湍流（見大氣邊界層）。

氣象多普勒雷達：利用多普勒效應來測量雲和降水粒子相對於雷達的徑向運動速度的雷達。

甚高頻和超高頻多普勒雷達：利用對流層、平流層大氣折射率的不均勻結構和中層大氣自由電子的散射，探測1～100公里高度晴空大氣中的水平風廓線、鉛直氣流廓線、大氣湍流參數、大氣穩定層結和大氣波動等的雷達。

在研究試驗的雷達中還有雙波長雷達和機載多普勒雷達等。70年代以來，利用一個運動著的小天線來等效許多靜止的小天線所合成的一個大天線的合成孔徑雷達的新發展，必將加速機載多普勒雷達今後的發展進程。機載多普勒雷達的機動性很強，可以用來取得解析度很高的對流風暴的多普勒速度分布圖。

氣象雷達主要用於探測氣象狀況以及變化趨勢，目前已廣泛應用於天氣預報以及農業、水文、林業、交通、能源、海洋、航空、航天、國防、建築、旅遊、醫療等領域的專業氣象服務。它是人們為防範氣象風險，保障飛行安全而研製的航空電子產品。它是利用電磁波經過天線輻射后遇到障礙物被反射回來的原理，目標的導電係數越高，反射面越大，則回波越強。它能夠在飛行中連續地向飛行員提供航路前方及其兩側的氣象狀況，此外還提供飛機前方地表特徵的地圖型顯示，飛行員可據此選擇安全的航線，避繞危險的氣象區域或其它障礙物，識別地標以及判斷飛機的位置。