航空氣象雷達技術研究

宋金澤

摘 要：早在二戰時期，人們就發現雷達不僅可以探測飛機、艦船，還可以探測云、雨，這些氣象目標催生了專門觀測氣象的氣象雷達。目前，多普勒制式的氣象雷達可以方便地探測大范圍的天氣情況，并在其強度、速度、譜寬3個基本產品的基礎上，利用各種算法完成檢測和預報災害天氣、估計降雨量等工作。氣象雷達已成為人們研究氣象規律、探測和預報自然災害不可或缺的有力工具，氣象服務對人民安全、社會經濟，乃至軍事國防都具有重大意義。

關鍵詞：航空氣象 雷達 技術研究

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

如今，航空運輸業正以勢不可擋之勢蓬勃發展，在帶來巨大的經濟社會效益的同時，也對航空安全、航空流量和航空舒適性等指標提出了越來越高的要求。根據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都和災害氣象有關。此外，美國聯邦航空局（FAA）2004年的航空容量加強計劃還指出，災害天氣導致的15分鐘以上系統延誤占了總延誤的3/4，而這些都可以借由航空氣象雷達探測到的氣象狀況得到較好解決。預計到2025年，整個航空市場要比現在大2倍。空域的擁擠不僅要求空管系統更加有效率，更要求航空氣象服務部門能夠提供準確及時的災害氣象檢測、預報與分發服務[1]。由此可見，航空氣象雷達的重要性必然與航空業的發展同步增長。

航空氣象雷達依據其部署與管轄區域的不同可以分成三類：區域航路氣象雷達，如NEXRAD（Next-Generation Radar），終端氣象雷達，如TDWR（Terminal Doppler Weather Radar）、LIDAR（Light Detection And Ranging），和機載氣象雷達。NEXRAD用于監視區域氣象，TDWR和LIDAR是為了彌補NEXRAD在機場終端區域的不足而研發的。此外，由于受到地基設施完備性、預報準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，大型民用客機仍需強制安裝具有氣象、湍流、低空風切變探測等功能的機載氣象雷達。

一、氣象雷達探測基本原理

航空氣象災害種類繁多，概略說來主要有強降水、湍流、積冰、雷暴以及隨之而來的微下擊暴流和閃電、由地形等原因引起的風切變和湍流等。

氣象雷達技術從非相干時代經過長期發展到相干時代，并將過渡到雙極化時代。非相干氣象雷達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出現于上世紀80年代，通過測定接收信號與發射信號頻率之間的差異，能比以前多測雷達取樣體積內的徑向多普勒平均速度和譜寬。目前性能更為先進的雷達則是雙極化雷達，又稱偏振雷達，它具有多普勒相干雷達的全部優點，在降雨估計、降水粒子分類、數據質量和災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是大氣介質（包括大氣氣體分子的散射，以及大氣介質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、幾何形狀不同而異。

雷達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照射同樣目標取得的回波功率可以直接比較，引進雷達反射率因子。雷達反射率因子和粒子直徑的六次方成正比，即少數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。為了使原本同一強度的氣象狀況不因距離雷達遠近而有所差異，系統需要對遠處的回波進行一定的補償。

2.徑向速度探測原理

在多普勒氣象雷達發射一個個脈沖波進行探測的過程中，隨風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。假設多普勒雷達與目標之間的距離為r，則雷達波發生目標到散射波返回天線所經過的距離為2r，相當于個 波長，用相位來衡量相當于 個弧度。若所發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是 。若在相繼脈沖的時間間隔T內，目標物沿徑向變化了距離，相應的相位變化為 ，所以相位的時間變化率，即角頻率為 ，多普勒頻移為 ，為目標物在雷達徑向上的運動分速度，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，只與微粒速度的統計標準差有關。不同直徑的降水粒子具有不同的下落速度，雷達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：天線轉速，轉速越高，譜寬值越大；與雷達的距離，距離增加，距離庫變大，距離庫內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，又叫偏振雷達，同時發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減輕。另外，雙極化雷達還擁有雨雪區分、冰雹探測、強降雨率估計和冰凍層識別等能力。該技術可以精確描述凍雨、雪、雨水區域，幫助地勤在冬季風暴期間規劃。

5.距離、速度模糊

雷達發射脈沖的重復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 關系代入上式，可得 ，考慮到實際上有正有負，所以脈沖重復頻率為的雷達能夠準確測量的多普勒速度范圍為： 。若實際降雨區的平均多普勒速度超出這一范圍，就稱為速度模糊現象。

如要增加最大不模糊速度的范圍，除了選擇較長的雷達波長外，只需增加雷達的重復頻率F就可以了。但是增加雷達的重復頻率，會使雷達的最大探測距離減小，因為 ，式中為光速。可見，當雷達波長選定后，雷達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，其相應的測距范圍必然減小[3]。

二、區域航路氣象雷達

NEXRAD是由美國研發用于探測降水和大氣運動的高分辨率多普勒雷達網，組成該網的雷達稱為WSR-88D，工作在S波段（波長10cm），可以顯示降水和大氣運動的網格圖像，以供氣象學者識別、跟蹤、預測危險天氣。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動，高速模式用于跟蹤降水。NEXRAD強調自動化，WSR-88D的天線依據事先定義的體掃模式運動，每種體掃模式都是一組控制天線轉速、收發模式、仰角的指令集。選擇雷達安裝位置時需考慮使雷達探測范圍之間有最大的重疊區域，以便應對個別雷達失靈的情況。如有可能，雷達選址還要方便維修。美國本土雷達網的分布幾乎覆蓋了除美國西部的一些山區外的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。作為區域監視雷達，WSR-88D網絡為航空系統提供雷暴跟蹤和湍流預警服務。通過把雷暴前端分解為輕、中、重、極重湍流區，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，使得飛機可以在不改變到港時間的情況下，只需細微修改航路即可在湍流區域穿行。這不僅提供更平穩的飛行，還可以節省燃油，減少地面延時。

三、終端航空氣象雷達

終端多普勒雷達（TDWR）由FAA主持，林肯實驗室在80年代末至90年代初設計，現部署在美國45個主要機場，用于加強空中交通安全，布置見圖2。

TDWR與WSR-88D都使用被圓頂保護的拋物線狀天線，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波段雷達最嚴重的問題是衰減；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；⑤兩者與數據質量相關的算法如雜波抑制、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，方便監視高速發展的對流天氣現象。⑦TDWR是用于短距離分析的。圖3表明TDWR比WSR-88D更能夠觀察風暴的內在結構特征。

TDWR的高分辨率數據雖然可以提供風暴結構的重要信息，但也有一些與數據質量相關的限制，如：窄波束擴大了仰角之間的垂直空白；比WSR-88D更有嚴格的地雜波抑制可能損失氣象信號；5cm波長造成的嚴重信號衰減等。衰減會導致沿著徑向方向損失信號，回波越強，信號損失越大，會因信號損失導致低估降水量。TDWR的雜波抑制算法把48nm范圍內所有庫都進行濾波（48nm也是多數產品的顯示范圍），經常出現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。

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

四、機載航空氣象雷達

美國的民用機載氣象雷達研究目前處于世界領先水平，從70年代到90年代的20多年里，美國科研單位和生產廠商進行了大量的研究和試驗，終于將機場地雜波抑制到雷達接收機的線性動態范圍內，在強的地雜波背景下成功探測到微下擊暴流、低空風切變危險區的存在，并清楚地顯示給機組人員。當前國外民用機載氣象雷達所采用的探測技術有多普勒技術、雙極化技術、紅外技術、激光技術、圓極化技術及雙頻技術等，但采用脈沖多普勒技術的民用機載氣象雷達為主要設備。

機載氣象雷達的國際標準主要有ARINC公司（Aeronautical Radio， Inc）的708A-3標準，和RTCA公司（Radio Technical Commission for Aeronautics）的DO-220標準。機載氣象雷達相關標準對航空電子設備制造商進行規范，引導新設備最大可能朝著標準化的方向前進。這兩個標準對機載氣象雷達的用途、組成、性能、電子電氣接口、測試方法等做出了詳細的規定。

機載氣象雷達的主要生產商是Rockwell Collins和Honeywell，A380安裝Honeywell的RDR-4000，B787安裝Collins的WXR-2100。這兩個型號的機載氣象雷達都是全自動的，它們都可以在所有量程、所有高度、所有時間，在不需要飛行員調整仰角和增益的情況下，自動去除地雜波，簡化飛行員的訓練要求和工作負荷，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驗的雷達操作員經過反復操作才可能獲得。

機載氣象雷達可探測低空風切變、高空湍流及雷暴強降水，還可用于地形測繪。地形測繪通過提供飛機前方的地形擴展飛行員的視野，是視景增強系統的重要組成部分。

同一強度的大氣狀況在不同的地方由于濕度、溫度等原因的不同，造成飛機收到的回波強度不一樣。如同地基雷達需要本地化配置一樣，為了更準確地反映實際天氣情況，機載氣象雷達也將根據飛機所處地域、季節的不同，自動地適應當時當地的氣象特征，對雷達參數進行調整。

五、總結展望

美國為世界上雷達網最完善的國家，卻也運營著7個不同的雷達網絡，為公共氣象服務、空管和國土安全提供氣象和飛機監視。因為每個網絡專注于一種任務，它們之間有巨大的重疊覆蓋。如果把這些網絡用一種多任務相控陣雷達（MPAR）取代，可以降低總雷達數三分之一。未來，地基航空氣象雷達的趨勢是多種雷達趨于統一，機載氣象雷達的發展趨勢是更加融入空地數據鏈，充分利用地面強大的探測和處理能力。

參考文獻

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

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

[3]胡明寶.《天氣雷達探測與應用》[M]. 北京：氣象出版社. 2007：pp.130.