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應(yīng)用于氣象探測(cè)領(lǐng)域的相控陣?yán)走_(dá)發(fā)展趨勢(shì)
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 納睿雷達(dá)    2023-11-25

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，氣象災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響越來越大，氣象災(zāi)害的社會(huì)敏感性越來越高，氣象監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)對(duì)氣象雷達(dá)發(fā)展提出了更加迫切的需求。

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革不斷興起，極大推進(jìn)信息技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用的快速深化，也進(jìn)一步推動(dòng)了雷達(dá)等大型技術(shù)裝備的高效應(yīng)用，將為氣象雷達(dá)發(fā)展提供更加有力的支撐。就應(yīng)用于氣象探測(cè)領(lǐng)域的相控陣?yán)走_(dá)而言，主要呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)：

①?gòu)膯纹裉綔y(cè)向雙偏振探測(cè)發(fā)展

目前，傳統(tǒng)天氣雷達(dá)主要通過探測(cè)降水粒子的回波強(qiáng)度、徑向速度、速度譜寬等信息對(duì)天氣系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但由于傳統(tǒng)天氣雷達(dá)只發(fā)射一個(gè)極化方向的電磁波，無法進(jìn)一步對(duì)降水粒子的形狀、相態(tài)進(jìn)行分析，在定量降水估測(cè)、冰雹識(shí)別等方面有一定的局限性。

雙偏振雷達(dá)發(fā)射水平和垂直兩個(gè)方向的電磁波，除了獲取常規(guī)雷達(dá)的監(jiān)測(cè)信息外，還可以獲取差分反射率因子（ZDR）、差分相移率（KDP）以及相關(guān)系數(shù)（CC）等偏振參數(shù)。對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分析、反演，可以獲取有關(guān)降水粒子的形狀、尺寸大小、相態(tài)分布、空間取向等更為具體的氣象信息，有助于冰雹識(shí)別、地物雜波識(shí)別、降水粒子分類、雷暴內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究以及定量降水估算等。

②組網(wǎng)協(xié)同觀測(cè)趨勢(shì)

隨著大城市人口密度、建設(shè)規(guī)模的增加，短時(shí)極端天氣災(zāi)害極易導(dǎo)致城市內(nèi)澇，對(duì)交通出行、生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成一定威脅。為了更準(zhǔn)確捕捉這種復(fù)雜天氣過程，僅靠單部天氣雷達(dá)是不夠的，主要受到角度、速度、時(shí)空分辨率等因素影響。

一些天氣系統(tǒng)本身會(huì)跨越多部雷達(dá)覆蓋區(qū)（例如梅雨鋒、臺(tái)風(fēng)、颮線等）或從一個(gè)雷達(dá)探測(cè)區(qū)域移動(dòng)到另一個(gè)雷達(dá)探測(cè)區(qū)域。然而，固定在地面的單部雷達(dá)的探測(cè)范圍有限，不能覆蓋更大尺度的天氣系統(tǒng)或單部雷達(dá)探測(cè)范圍以外的強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)。

并且由于掃描策略（傳統(tǒng)天氣雷達(dá)只能在固定的仰角范圍內(nèi)以一定的間隔進(jìn)行掃描）以及地球曲率等因素的影響，即使在雷達(dá)的有效探測(cè)半徑內(nèi)，也有部分區(qū)域不能被雷達(dá)觀測(cè)到，例如，靜錐區(qū)、最低掃描仰角以下的資料空白區(qū)、相鄰仰角間隔之間的資料空白區(qū)、地形對(duì)雷達(dá)波束阻擋的區(qū)域等。

為了提高對(duì)中小尺度災(zāi)害性天氣的研究以及預(yù)警報(bào)能力，發(fā)揮多部雷達(dá)在聯(lián)合監(jiān)測(cè)天氣中的作用；同時(shí)，為了能夠全方位、立體、高時(shí)效、精細(xì)化觀測(cè)回波，可以利用多部 X 波段雷達(dá)實(shí)現(xiàn)超大城市組網(wǎng)協(xié)同觀測(cè)。2003 年，美國(guó)CASA 計(jì)劃提出了短程雷達(dá)近距離布設(shè)、協(xié)同觀測(cè)的概念，由此，多雷達(dá)短程（幾十千米）協(xié)同觀測(cè)成為天氣雷達(dá)一個(gè)新的重要發(fā)展方向。目前，我國(guó)也在積極開展多雷達(dá)協(xié)同的試驗(yàn)觀測(cè)和布網(wǎng)實(shí)踐。

S、C 波段大型機(jī)械掃描雷達(dá)觀測(cè)與 X 波段小型雷達(dá)組網(wǎng)觀測(cè)對(duì)比

注：以上示意圖源自網(wǎng)絡(luò)，僅供參考

如上圖所示，X波段小型雷達(dá)通過組網(wǎng)觀測(cè)可以有效彌補(bǔ) S、C波段大型雷達(dá)觀測(cè)的盲區(qū)，包括機(jī)械掃描方式自身造成的靜錐區(qū)盲區(qū)和因受地球曲率影響造成的觀測(cè)盲區(qū)（上圖標(biāo)黃圈處）。

X 波段雙極化（雙偏振）相控陣天氣雷達(dá)系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)化觀測(cè)系統(tǒng)作為現(xiàn)有的 S 波段或 C 波段多普勒天氣雷達(dá)網(wǎng)的補(bǔ)充，在反應(yīng)速度、目標(biāo)更新速率、多目標(biāo)追蹤能力、分辨率、多功能性等方面都有較大優(yōu)勢(shì)，可利用其超高的時(shí)間和空間分辨率準(zhǔn)確地獲取小尺度以及部分中尺度天氣系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)演化生消變化特征，從而提高對(duì)中小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)的探測(cè)和預(yù)警。

③固態(tài)發(fā)射機(jī)應(yīng)用逐步廣泛，天氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已趨向于使用脈沖壓縮雷達(dá)

按發(fā)射機(jī)不同劃分為磁控管、行波管、速調(diào)管和全固態(tài)發(fā)射機(jī)。固態(tài)發(fā)射機(jī)因其工作壽命長(zhǎng)、工作方式靈活、低電壓工作等優(yōu)點(diǎn)漸漸取代其他發(fā)射機(jī)，但是其技術(shù)難度也較高，大型固態(tài)發(fā)射機(jī)所包含的功率部件數(shù)量多達(dá)幾十至幾百個(gè)，同時(shí)熱耗非常大，將固態(tài)發(fā)射機(jī)運(yùn)用到更多應(yīng)用領(lǐng)域的雷達(dá)是國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)與雷達(dá)廠商的重要研究方向。

相控陣天氣雷達(dá)采用全固態(tài)發(fā)射機(jī)后，發(fā)射峰值功率偏低，為了能夠探測(cè)到較遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，必須采用寬脈沖提高平均發(fā)射功率的工作方式，這又導(dǎo)致了距離分辨力下降和探測(cè)盲區(qū)擴(kuò)大的問題，為了同時(shí)獲得較大的作用距離和較高距離分辨力的能力，引入脈沖壓縮技術(shù)是有效的解決方案。