航空氣象雷達(dá)技術(shù)研究

宋金澤

摘 要：早在二戰(zhàn)時期，人們就發(fā)現(xiàn)雷達(dá)不僅可以探測飛機(jī)、艦船，還可以探測云、雨，這些氣象目標(biāo)催生了專門觀測氣象的氣象雷達(dá)。目前，多普勒制式的氣象雷達(dá)可以方便地探測大范圍的天氣情況，并在其強(qiáng)度、速度、譜寬3個基本產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，利用各種算法完成檢測和預(yù)報災(zāi)害天氣、估計降雨量等工作。氣象雷達(dá)已成為人們研究氣象規(guī)律、探測和預(yù)報自然災(zāi)害不可或缺的有力工具，氣象服務(wù)對人民安全、社會經(jīng)濟(jì)，乃至軍事國防都具有重大意義。

關(guān)鍵詞：航空氣象 雷達(dá) 技術(shù)研究

中圖分類號：V321.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）06-0012-02

如今，航空運(yùn)輸業(yè)正以勢不可擋之勢蓬勃發(fā)展，在帶來巨大的經(jīng)濟(jì)社會效益的同時，也對航空安全、航空流量和航空舒適性等指標(biāo)提出了越來越高的要求。根據(jù)美國國家研究委員會1995年的報告和飛行安全基金會2004年關(guān)于事故安全和趨勢的NALL報告，大約所有飛行事故的1/4，所有致命飛行事故的1/3都和災(zāi)害氣象有關(guān)。此外，美國聯(lián)邦航空局（FAA）2004年的航空容量加強(qiáng)計劃還指出，災(zāi)害天氣導(dǎo)致的15分鐘以上系統(tǒng)延誤占了總延誤的3/4，而這些都可以借由航空氣象雷達(dá)探測到的氣象狀況得到較好解決。預(yù)計到2025年，整個航空市場要比現(xiàn)在大2倍。空域的擁擠不僅要求空管系統(tǒng)更加有效率，更要求航空氣象服務(wù)部門能夠提供準(zhǔn)確及時的災(zāi)害氣象檢測、預(yù)報與分發(fā)服務(wù)[1]。由此可見，航空氣象雷達(dá)的重要性必然與航空業(yè)的發(fā)展同步增長。

航空氣象雷達(dá)依據(jù)其部署與管轄區(qū)域的不同可以分成三類：區(qū)域航路氣象雷達(dá)，如NEXRAD（Next-Generation Radar），終端氣象雷達(dá)，如TDWR（Terminal Doppler Weather Radar）、LIDAR（Light Detection And Ranging），和機(jī)載氣象雷達(dá)。NEXRAD用于監(jiān)視區(qū)域氣象，TDWR和LIDAR是為了彌補(bǔ)NEXRAD在機(jī)場終端區(qū)域的不足而研發(fā)的。此外，由于受到地基設(shè)施完備性、預(yù)報準(zhǔn)確性以及空地通信及時性等限制，僅僅依靠地面探測還不足以保證飛行安全，大型民用客機(jī)仍需強(qiáng)制安裝具有氣象、湍流、低空風(fēng)切變探測等功能的機(jī)載氣象雷達(dá)。

一、氣象雷達(dá)探測基本原理

航空氣象災(zāi)害種類繁多，概略說來主要有強(qiáng)降水、湍流、積冰、雷暴以及隨之而來的微下?lián)舯┝骱烷W電、由地形等原因引起的風(fēng)切變和湍流等。

氣象雷達(dá)技術(shù)從非相干時代經(jīng)過長期發(fā)展到相干時代，并將過渡到雙極化時代。非相干氣象雷達(dá)僅能探測到回波功率，提供的信息有限。脈沖多普勒相干氣象雷達(dá)出現(xiàn)于上世紀(jì)80年代，通過測定接收信號與發(fā)射信號頻率之間的差異，能比以前多測雷達(dá)取樣體積內(nèi)的徑向多普勒平均速度和譜寬。目前性能更為先進(jìn)的雷達(dá)則是雙極化雷達(dá)，又稱偏振雷達(dá)，它具有多普勒相干雷達(dá)的全部優(yōu)點，在降雨估計、降水粒子分類、數(shù)據(jù)質(zhì)量和災(zāi)害探測方面還另有提升。

1.氣象回波探測原理

大氣中引起電磁波散射的主要物質(zhì)是大氣介質(zhì)（包括大氣氣體分子的散射，以及大氣介質(zhì)折射率分布不均勻引起的散射與反射）、云、降水粒子等，云、降水粒子的散射情況隨相態(tài)、幾何形狀不同而異。

雷達(dá)接收到的信號是諸多單個回波功率的和，徑向上的分辨率單元叫做庫，為了使不同波長的雷達(dá)照射同樣目標(biāo)取得的回波功率可以直接比較，引進(jìn)雷達(dá)反射率因子。雷達(dá)反射率因子和粒子直徑的六次方成正比，即少數(shù)大水滴將提供散射回波功率的絕大部分。粒子的散射使原來入射方向的電磁波能量受到削弱，即為衰減。為了使原本同一強(qiáng)度的氣象狀況不因距離雷達(dá)遠(yuǎn)近而有所差異，系統(tǒng)需要對遠(yuǎn)處的回波進(jìn)行一定的補(bǔ)償。

2.徑向速度探測原理

在多普勒氣象雷達(dá)發(fā)射一個個脈沖波進(jìn)行探測的過程中，隨風(fēng)移動的降水粒子使相繼脈沖波散射的回波信號之間有相位變化。假設(shè)多普勒雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離為r，則雷達(dá)波發(fā)生目標(biāo)到散射波返回天線所經(jīng)過的距離為2r，相當(dāng)于個 波長，用相位來衡量相當(dāng)于 個弧度。若所發(fā)射的電磁波初始相位為，那么電磁波被散射回到天線時的相位應(yīng)是 。若在相繼脈沖的時間間隔T內(nèi)，目標(biāo)物沿徑向變化了距離，相應(yīng)的相位變化為 ，所以相位的時間變化率，即角頻率為 ，多普勒頻移為 ，為目標(biāo)物在雷達(dá)徑向上的運(yùn)動分速度，稱為多普勒速度[2]。

3.湍流探測原理

湍流是指微粒速度偏差較大的氣象目標(biāo)，只與微粒速度的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差有關(guān)。不同直徑的降水粒子具有不同的下落速度，雷達(dá)探測到的徑向速度也就具有一定的分布，降水粒子直徑差別越大，則多普勒速度的分布譜寬就越大。影響譜寬大小的非氣象因素有：天線轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速越高，譜寬值越大；與雷達(dá)的距離，距離增加，距離庫變大，距離庫內(nèi)的速度具有較大方差的概率也變大，所以譜寬也增加。譜寬可以用做速度估計質(zhì)量控制的工具，譜寬越大，速度估計的可靠性就越小。

4.雙極化探測原理

雙極化雷達(dá)，又叫偏振雷達(dá)，同時發(fā)射水平方向與垂直方向的極化電磁波。額外的垂直極化電磁波使區(qū)分氣象回波和非氣象回波成為可能，地雜波、海雜波、異常傳輸路徑的影響也都可以通過雙極化技術(shù)減輕。另外，雙極化雷達(dá)還擁有雨雪區(qū)分、冰雹探測、強(qiáng)降雨率估計和冰凍層識別等能力。該技術(shù)可以精確描述凍雨、雪、雨水區(qū)域，幫助地勤在冬季風(fēng)暴期間規(guī)劃。

5.距離、速度模糊

雷達(dá)發(fā)射脈沖的重復(fù)頻率是測量多普勒頻率信息的采樣頻率，按照Nyquist采樣定理可知，某一脈沖頻率最高只能測量 的多普勒頻率，即 。把 關(guān)系代入上式，可得 ，考慮到實際上有正有負(fù)，所以脈沖重復(fù)頻率為的雷達(dá)能夠準(zhǔn)確測量的多普勒速度范圍為： 。若實際降雨區(qū)的平均多普勒速度超出這一范圍，就稱為速度模糊現(xiàn)象。

如要增加最大不模糊速度的范圍，除了選擇較長的雷達(dá)波長外，只需增加雷達(dá)的重復(fù)頻率F就可以了。但是增加雷達(dá)的重復(fù)頻率，會使雷達(dá)的最大探測距離減小，因為 ，式中為光速?？梢姡?dāng)雷達(dá)波長選定后，雷達(dá)測速范圍與測距范圍的乘積為定值，要求測距范圍足夠大時，其相應(yīng)的最大不模糊速度必然減小，要求測速范圍足夠大時，其相應(yīng)的測距范圍必然減小[3]。

二、區(qū)域航路氣象雷達(dá)

NEXRAD是由美國研發(fā)用于探測降水和大氣運(yùn)動的高分辨率多普勒雷達(dá)網(wǎng)，組成該網(wǎng)的雷達(dá)稱為WSR-88D，工作在S波段（波長10cm），可以顯示降水和大氣運(yùn)動的網(wǎng)格圖像，以供氣象學(xué)者識別、跟蹤、預(yù)測危險天氣。WSR-88D有兩種可選擇的工作模式：低速晴空模式用于分析大氣運(yùn)動，高速模式用于跟蹤降水。NEXRAD強(qiáng)調(diào)自動化，WSR-88D的天線依據(jù)事先定義的體掃模式運(yùn)動，每種體掃模式都是一組控制天線轉(zhuǎn)速、收發(fā)模式、仰角的指令集。選擇雷達(dá)安裝位置時需考慮使雷達(dá)探測范圍之間有最大的重疊區(qū)域，以便應(yīng)對個別雷達(dá)失靈的情況。如有可能，雷達(dá)選址還要方便維修。美國本土雷達(dá)網(wǎng)的分布幾乎覆蓋了除美國西部的一些山區(qū)外的1萬英尺以上的高度。圖1為美國（除阿拉斯加、夏威夷）的WSR-88D部署覆蓋圖。作為區(qū)域監(jiān)視雷達(dá)，WSR-88D網(wǎng)絡(luò)為航空系統(tǒng)提供雷暴跟蹤和湍流預(yù)警服務(wù)。通過把雷暴前端分解為輕、中、重、極重湍流區(qū)，疊加在航圖上，并實時地與飛行航線比較。飛行員因此得到提前警報，使得飛機(jī)可以在不改變到港時間的情況下，只需細(xì)微修改航路即可在湍流區(qū)域穿行。這不僅提供更平穩(wěn)的飛行，還可以節(jié)省燃油，減少地面延時。

三、終端航空氣象雷達(dá)

終端多普勒雷達(dá)（TDWR）由FAA主持，林肯實驗室在80年代末至90年代初設(shè)計，現(xiàn)部署在美國45個主要機(jī)場，用于加強(qiáng)空中交通安全，布置見圖2。

TDWR與WSR-88D都使用被圓頂保護(hù)的拋物線狀天線，通過線性水平極化掃描一系列仰角來獲得空間體信息。兩者又有7點不同：①TDWR需要操作員的介入更少；②TDWR使用6cm波段（C波段），WSR-88D使用10cm波段（S波段），這雖然影響到距離折疊和速度折疊，但C波段雷達(dá)最嚴(yán)重的問題是衰減；③波束寬度不同，TDWR為0.6°，WSR-88D為1°；④TDWR有更好的距離分辨率，150m或300m，WSR-88D為250m和1000m；⑤兩者與數(shù)據(jù)質(zhì)量相關(guān)的算法如雜波抑制、距離去折疊和速度去模糊等有顯著的不同；⑥TDWR比WSR88-D掃描快，使用的仰角與WSR-88D顯著不同，方便監(jiān)視高速發(fā)展的對流天氣現(xiàn)象。⑦TDWR是用于短距離分析的。圖3表明TDWR比WSR-88D更能夠觀察風(fēng)暴的內(nèi)在結(jié)構(gòu)特征。

TDWR的高分辨率數(shù)據(jù)雖然可以提供風(fēng)暴結(jié)構(gòu)的重要信息，但也有一些與數(shù)據(jù)質(zhì)量相關(guān)的限制，如：窄波束擴(kuò)大了仰角之間的垂直空白；比WSR-88D更有嚴(yán)格的地雜波抑制可能損失氣象信號；5cm波長造成的嚴(yán)重信號衰減等。衰減會導(dǎo)致沿著徑向方向損失信號，回波越強(qiáng)，信號損失越大，會因信號損失導(dǎo)致低估降水量。TDWR的雜波抑制算法把48nm范圍內(nèi)所有庫都進(jìn)行濾波（48nm也是多數(shù)產(chǎn)品的顯示范圍），經(jīng)常出現(xiàn)的沿零速度線方向的信號損失就是由于TDWR的雜波抑制造成的。使用TDWR時應(yīng)考慮存在衰減、范圍、速度去模糊等這些限制。如圖4，TDWR不能探測到鋒面，而WSR-88D恰好可以作為彌補(bǔ)。

為了應(yīng)對晴空湍流、晴空風(fēng)切變等，有的機(jī)場還安裝有激光雷達(dá)LIDAR，如香港大嶼山國際機(jī)場為了應(yīng)對春天多發(fā)的晴空風(fēng)切變和湍流，于2002年安裝了世界上第一部為機(jī)場提供報警服務(wù)的激光雷達(dá)。

四、機(jī)載航空氣象雷達(dá)

美國的民用機(jī)載氣象雷達(dá)研究目前處于世界領(lǐng)先水平，從70年代到90年代的20多年里，美國科研單位和生產(chǎn)廠商進(jìn)行了大量的研究和試驗，終于將機(jī)場地雜波抑制到雷達(dá)接收機(jī)的線性動態(tài)范圍內(nèi)，在強(qiáng)的地雜波背景下成功探測到微下?lián)舯┝?、低空風(fēng)切變危險區(qū)的存在，并清楚地顯示給機(jī)組人員。當(dāng)前國外民用機(jī)載氣象雷達(dá)所采用的探測技術(shù)有多普勒技術(shù)、雙極化技術(shù)、紅外技術(shù)、激光技術(shù)、圓極化技術(shù)及雙頻技術(shù)等，但采用脈沖多普勒技術(shù)的民用機(jī)載氣象雷達(dá)為主要設(shè)備。

機(jī)載氣象雷達(dá)的國際標(biāo)準(zhǔn)主要有ARINC公司（Aeronautical Radio， Inc）的708A-3標(biāo)準(zhǔn)，和RTCA公司（Radio Technical Commission for Aeronautics）的DO-220標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)載氣象雷達(dá)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對航空電子設(shè)備制造商進(jìn)行規(guī)范，引導(dǎo)新設(shè)備最大可能朝著標(biāo)準(zhǔn)化的方向前進(jìn)。這兩個標(biāo)準(zhǔn)對機(jī)載氣象雷達(dá)的用途、組成、性能、電子電氣接口、測試方法等做出了詳細(xì)的規(guī)定。

機(jī)載氣象雷達(dá)的主要生產(chǎn)商是Rockwell Collins和Honeywell，A380安裝Honeywell的RDR-4000，B787安裝Collins的WXR-2100。這兩個型號的機(jī)載氣象雷達(dá)都是全自動的，它們都可以在所有量程、所有高度、所有時間，在不需要飛行員調(diào)整仰角和增益的情況下，自動去除地雜波，簡化飛行員的訓(xùn)練要求和工作負(fù)荷，增加安全性。自動模式給飛行員提供的是最佳配置、最佳顯示，而這在以往只有最有經(jīng)驗的雷達(dá)操作員經(jīng)過反復(fù)操作才可能獲得。

機(jī)載氣象雷達(dá)可探測低空風(fēng)切變、高空湍流及雷暴強(qiáng)降水，還可用于地形測繪。地形測繪通過提供飛機(jī)前方的地形擴(kuò)展飛行員的視野，是視景增強(qiáng)系統(tǒng)的重要組成部分。

同一強(qiáng)度的大氣狀況在不同的地方由于濕度、溫度等原因的不同，造成飛機(jī)收到的回波強(qiáng)度不一樣。如同地基雷達(dá)需要本地化配置一樣，為了更準(zhǔn)確地反映實際天氣情況，機(jī)載氣象雷達(dá)也將根據(jù)飛機(jī)所處地域、季節(jié)的不同，自動地適應(yīng)當(dāng)時當(dāng)?shù)氐臍庀筇卣?，對雷達(dá)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

五、總結(jié)展望

美國為世界上雷達(dá)網(wǎng)最完善的國家，卻也運(yùn)營著7個不同的雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)，為公共氣象服務(wù)、空管和國土安全提供氣象和飛機(jī)監(jiān)視。因為每個網(wǎng)絡(luò)專注于一種任務(wù)，它們之間有巨大的重疊覆蓋。如果把這些網(wǎng)絡(luò)用一種多任務(wù)相控陣?yán)走_(dá)（MPAR）取代，可以降低總雷達(dá)數(shù)三分之一。未來，地基航空氣象雷達(dá)的趨勢是多種雷達(dá)趨于統(tǒng)一，機(jī)載氣象雷達(dá)的發(fā)展趨勢是更加融入空地數(shù)據(jù)鏈，充分利用地面強(qiáng)大的探測和處理能力。

參考文獻(xiàn)

[1]FAA Mission Need Statement #339[Z]. June 2002.

[2]張培昌，杜秉玉，戴鐵丕.《雷達(dá)氣象學(xué)》[M]. 北京：氣象出版社. 2001：pp.211.

[3]胡明寶.《天氣雷達(dá)探測與應(yīng)用》[M]. 北京：氣象出版社. 2007：pp.130.