雙偏振氣象雷達關(guān)鍵技術(shù)

李少遠 阮楚雯 鄧?yán)?/p>

摘 要偏振雷達是一種新型的天氣雷達，該設(shè)備極大地促進了降水物理學(xué)科和雷達氣象的發(fā)展，提升了人類應(yīng)用天氣災(zāi)害的能力。本文對當(dāng)前偏振雷達的發(fā)展現(xiàn)狀進行了全面的總結(jié)與分析，對相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進行了介紹，報告如下。

【關(guān)鍵詞】關(guān)鍵技術(shù) 雙偏振氣象雷達 技術(shù)分析

電磁波具有偏振特性、強度特性兩方面的特征。其偏振狀態(tài)的表示通常為垂直于傳播方向的電場矢量在平面內(nèi)的變化軌跡。橢圓軌跡為橢圓偏振波、圓形波軌跡為為圓偏振波，線形軌跡為線偏振波。偏振雷達的應(yīng)用原理在于電磁波散射，在不計傳輸介質(zhì)的情況下，特定偏振電磁波在球形散射體的作用下仍然只形成單一偏振電磁波，不存在退偏振效應(yīng)。非球形粒子所產(chǎn)生的主分量能夠與后向散射電磁波相對沖，形成差異性的正交分量，能夠?qū)ζx球形狀態(tài)給予準(zhǔn)確的反映，該過程也就是退偏振效應(yīng)。水成物粒子在云內(nèi)并不是規(guī)范的球體，在空間分布上水成物粒子的軸具有一定的優(yōu)勢取向，通過該特性可以進一步研究偏振技術(shù)，偏振氣象雷達由此產(chǎn)生。

1 圓偏振雷達技術(shù)

根據(jù)旋向的不同，圓偏振波可以分別左旋、右旋兩種偏振波，能夠?qū)崿F(xiàn)左旋、右旋偏振波均同時發(fā)射與接收的雷達即雙圓偏振雷達。圓偏振波在理論在能夠分解為兩個相位相差90°、角頻率相同、大小相等的線偏振波。圓偏振雷達的接收到發(fā)射也基于圓偏振波的這一原理。通常情況下，圓偏振波有兩個獨立正交通道，發(fā)射波可以在功分器的作用下被分成大小相等的兩路信號，通過兩個通道分別進行傳送。在相移器的作用下能夠?qū)⑵渲幸粋€通道進行相位延遲處理，經(jīng)過合成以后形成圓偏振波。在相位關(guān)大于0°、小于90°的情況下會形成橢圓偏振波。在通道信號無相位差的情況下形成線偏振波。線偏振與圓偏振均在兩種極端情況下的偏振波。

一般情況下，圓偏振雷達能夠同時發(fā)射左旋、右旋兩種偏振波，這也是圓偏振雷達的基本特性之一。雷達普遍由兩個接收機、一個相移器和一個發(fā)射機所組成，對于接收機的靈敏度與穩(wěn)定性有著比較高的要求。在對一種圓偏振波進行發(fā)射性，兩個通道同對目標(biāo)后向散射回波進行接收與探測，根據(jù)回波信號相位與幅度兩方面的變化情況，能夠?qū)ψ笮?、右旋圓分量進行計算，其中一個通道能夠?qū)ο喾从诎l(fā)射回波旋向的主圓回波進行接收，另一個通道能夠?qū)ο嗤诎l(fā)射波旋向的正交回波進行接收，二者之間的比值即目標(biāo)圓退偏振比，能夠?qū)ζ渥冃纬潭冉o予準(zhǔn)確的反映。圓退偏振比如受探測目標(biāo)密度與變形大小的影響，不空空間取向的影響，該特性也是圓偏振雷達與線偏振雷達之間最主要的區(qū)別。

2 雙線偏振雷達技術(shù)

雙線偏振雷達是所有偏振雷達中發(fā)展速度最快的一種技術(shù)，在技術(shù)應(yīng)用方面的門檻相對較低，將偏振功能設(shè)置于常規(guī)雷達上相對比較容易，這也是該技術(shù)得到廣泛應(yīng)用的主要原因。

雙線偏振雷達具有垂直與水平兩個通道，能夠交替、同時對垂直和水平兩種線偏振波進行接收與發(fā)射。其應(yīng)用制式主要有兩種，其中一種是在運行狀態(tài)下能夠?qū)λ闫鹋c水平兩種信號進行同時的接收到發(fā)射，水平與垂直兩種回波信號之比即差反射率，該數(shù)值能夠?qū)⑶蛐闻c探測目標(biāo)的偏離程度進行反映，同時也能夠體現(xiàn)出垂直與水平兩種方向的優(yōu)勢取向。在單純發(fā)射水平線偏振波的情況下，能夠?qū)夭ǖ恼环至颗c水平線偏振進行分別的接收，回波水平線偏振分量與正交分量之間的比值的對數(shù)即LDR，為了提高LDR的準(zhǔn)確性還需要提升接收機靈敏度并且通道之間具有比較大的隔離度。PDR所反映的指標(biāo)分別為探測目標(biāo)的成分、傾斜角分布以及形狀。雙線偏振雷達，具有兩個接收機與發(fā)射機，造價相對昂貴，能夠?qū)崿F(xiàn)雙通道之間比較高的隔離度，具有較優(yōu)越的偏振性能，相關(guān)性好，能夠?qū)Ζ袶V，φdp、Zdr等數(shù)值進行準(zhǔn)確的測定。另外一種制式設(shè)置有一個接收機與發(fā)射機，在運行狀態(tài)下能夠以脈沖觸發(fā)時間交替對垂直與水平兩種線偏振波進行接收與發(fā)射。然而在LDR、φdp、LDR等方面的相關(guān)性稍差，具有頻率較高的急性脈沖。雙線偏振雷達造價低，內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對簡單，能夠以常規(guī)雷達為基礎(chǔ)進行簡單的改裝。此制式十分適宜應(yīng)用于雙線偏振技術(shù)開始發(fā)展的階段。國內(nèi)偏振雷達的改造也以這種技術(shù)為主，相比于普通雷達來說，增加了LDR與Zdr兩種信息。在雨介質(zhì)環(huán)境下，LDR與Zdr兩項數(shù)值會出現(xiàn)衰減，需要進行糾正，同時也對該技術(shù)的應(yīng)用范圍造成了一定的限制。也有一類由兩個接收機與一個發(fā)射機所組成的偏振雷達，能夠?qū)崿F(xiàn)垂直與水平兩種直線偏振波的交替發(fā)射，而正交分量與回波的接收需要由兩臺接收機同時進行。

3 橢圓偏振雷達技術(shù)

橢圓偏振雷達技術(shù)在應(yīng)用特性上介于線偏振與圓偏振之間。其技術(shù)實現(xiàn)方式與探測原理類似于圓偏振雷達，應(yīng)用場景比較局限。該雷達技術(shù)一方面能夠計算出橢圓退偏振比，同時也能夠計算出線、圓退偏振比LDR與CDR信息，由于具有比較高的靈敏度，能夠?qū)?30dBz的信號進行探測，主要應(yīng)用于處于初始發(fā)展?fàn)顟B(tài)下的弱降水云。進而達到7.5～150m區(qū)域內(nèi)的空間距離，在較小范圍內(nèi)對云的變化情況進行觀測。橢圓偏振雷達也具有雙通道，通道之間可達到-30dB的隔離度水平，只要粒子接近球形，就能夠沒出其退偏振效應(yīng)。

橢圓偏振雷達還內(nèi)置了一個phase retarding plate，對其進行旋轉(zhuǎn)操作就能夠?qū)赏ǖ佬盘栂辔徊钸M行調(diào)整，結(jié)合兩路信號，最終形成橢圓偏振波。根據(jù)不同的相位差，所得到的橢圓偏振波也各不相同。在90°相位差的狀態(tài)下，即得到圓偏振波；在該數(shù)值為0時則得到線偏振波。該特性也決定了橢圓偏振雷達能夠同時得到LDR與CDR兩項數(shù)值。

4 結(jié)束語

偏振雷達由于在大氣電研究、降水物理與云物理等方面具有巨大的應(yīng)用潛力與優(yōu)勢的性能，成為氣象領(lǐng)域十分關(guān)注的一項重要技術(shù)。因此，相關(guān)部門一定要進一步加大研發(fā)力度，提高氣象雷達技術(shù)應(yīng)用水平。

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作者簡介

李少遠（1989-），男，廣東省清遠市人。助理工程師，學(xué)士，主要從事天氣預(yù)警預(yù)報服務(wù)工作。

作者單位

連州市氣象局 廣東省清遠市 513400