日本氣象雷達發(fā)展特點及技術(shù)現(xiàn)狀分析

練學(xué)輝，彭 芃

(1.海軍駐南京地區(qū)雷達系統(tǒng)軍事代表室，南京 210003；2.中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

日本氣象雷達發(fā)展特點及技術(shù)現(xiàn)狀分析

練學(xué)輝1，彭 芃2

(1.海軍駐南京地區(qū)雷達系統(tǒng)軍事代表室，南京 210003；2.中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153)

介紹了日本氣象雷達的發(fā)展歷史和特點,討論了日本氣象雷達的技術(shù)發(fā)展,包括固態(tài)氣象雷達、相控陣氣象雷達和雙極化相控陣氣象雷達等,其中相控陣氣象雷達具有功能多、機動性強、反應(yīng)時間短、數(shù)據(jù)率高、抗干擾能力強、可靠性高等特點,是日本氣象雷達的重要發(fā)展方向。

氣象雷達;相控陣;雙極化;技術(shù)發(fā)展

0 引 言

氣象雷達在與雨量相關(guān)的氣象測量以及降低損害和減少人員傷亡方面起著非常重要的作用。異常氣候?qū)е碌谋╋L雨、龍卷風和狂風等自然災(zāi)害天氣現(xiàn)象將對人類活動造成嚴重的直接和間接破壞和影響。日本是島國,屬于海洋性氣候,受太平洋季風和洋流的影響較大,氣候變化十分復(fù)雜,天氣非常惡劣。因此,日本更加迫切地需要關(guān)注和持續(xù)推進氣象雷達的發(fā)展。隨著電氣技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展,其氣象雷達技術(shù)得到迅速發(fā)展和持續(xù)改進?，F(xiàn)代氣象雷達除了能監(jiān)測雷雨等災(zāi)害天氣外,還可以對嚴重影響民航安全的風切變、湍流和鳥類等危險目標進行有效探測和預(yù)警。本文介紹日本氣象雷達的技術(shù)發(fā)展歷史和特點,重點討論日本固態(tài)氣象雷達(SSWR)、相控陣氣象雷達(PAWR)和雙極化相控陣氣象雷達(DP-PAWR)等典型主要新型氣象雷達的特點與技術(shù)。

1 技術(shù)發(fā)展歷史和特點

日本氣象雷達技術(shù)發(fā)展歷史的重要階段主要從上世紀50年代起,其主要階段和特點如下:

(1) 第1階段(大約在20世紀50年代)

該階段氣象雷達的功能是只能告知某區(qū)域是否下雨，其技術(shù)體制為采用磁控管發(fā)射的模擬雷達。磁控管是雷達的核心部件,也是一個容易損壞或老化的部件,具有體積小、質(zhì)量輕、成本低、工作電壓低,以及電源簡單、不相參、適應(yīng)負載變化能力強等特點,主要用于雷達、通訊、電子對抗等方面。

(2) 第2階段(大約在20世紀70年代)

該階段氣象雷達的功能是通過測量降雨區(qū)域和降雨率實現(xiàn)降雨量估計,但通過測量估計的降雨率的可靠性低,而且這種雷達不提供風的信息。

(3) 第3階段(大約在20世紀90年代)

該階段的技術(shù)發(fā)展分為兩個不同的方向,即多普勒雷達和雙極化雷達。此外,這一時期發(fā)射機技術(shù)的主流開始從磁控管轉(zhuǎn)換為速調(diào)管。速調(diào)管是一種靠周期性地調(diào)制電子注的速度來實現(xiàn)放大或振蕩功能的微波電子管,具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、體積小、質(zhì)量輕、電壓低、相參、抗輻射能力強等特點。

(4) 第4階段(2000～2010年)

該階段在集成多普勒雷達和雙極化雷達設(shè)計技術(shù)的同時開發(fā)了相控陣氣象雷達,主要用于觀測對流云,包括短時間內(nèi)形成的積雨云。

(5) 第5階段(目前)

目前正在開發(fā)的是雙極化相控陣(多普勒)氣象雷達(DP-PAWR),用于得到高空時分辨率雙極化信息,將是日本下一代氣象雷達。

2 日本典型氣象雷達及其技術(shù)現(xiàn)狀

日本的典型氣象雷達主要有SSWR、PAWR、DP-PAWR等,其中SSWR配備的半導(dǎo)體發(fā)射機采用雙極化能力,性能穩(wěn)定,適用于精確降雨觀測。與速調(diào)管或磁控管相比,這種半導(dǎo)體發(fā)射機更精確、更穩(wěn)健,全壽命周期成本更低,停機時間更少,占有頻譜更少。日本的雷達網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)安裝了多部SSWR雷達,目前正在擴展海上應(yīng)用。PAWR是一種先進的氣象雷達,適用于觀測對流云高空時的分辨率。這種雷達能在1 min內(nèi)進行全立體掃描,而傳統(tǒng)拋物線天線雷達的掃描時間要超過5 min。一些PAWR已經(jīng)在日本安裝并服役,而開發(fā)的DP-PAWR是最先進的雙極化氣象雷達,用于對氣象進行快速、可靠觀測,彌補目前單極化PAWR的缺點。

2.1 固態(tài)氣象雷達(SSWR)

與電子管雷達系統(tǒng)相比,SSWR雷達原先采用的固態(tài)發(fā)射機發(fā)射功率低,而且這種固態(tài)發(fā)射機只用于更小型化的系統(tǒng)。20世紀90年代末,采用GaAs和GaN FET增加了每個微波半導(dǎo)體的功率輸出。甚至在采用高功率微波半導(dǎo)體作為功率放大器元器件后,峰值功率還是不夠高,不能用于氣象觀測。為了解決這個問題,采用了脈沖壓縮技術(shù)。然而,使用長的發(fā)射波形和脈沖壓縮造成了距離副瓣增加的問題。日本東芝公司(Toshiba)克服了這些困難,SSWR因其脈沖形成能力受用戶歡迎。這種脈沖形成能力可以對實際使用帶寬進行精確控制。目前,基于固態(tài)發(fā)射機的氣象雷達得到了廣泛應(yīng)用。

Toshiba公司于2007年開發(fā)和安裝了首部SSWR。安裝在日本氣象廳——氣象研究所(MRI)的SSWR是首部在日本使用的C波段SSWR系統(tǒng)。該雷達采用雙極化固態(tài)發(fā)射機對降雨進行高精度觀測。2010年在日本國土基礎(chǔ)設(shè)施運輸和旅游部(MLIT)管理下安裝的SSWR是首部在日本使用的操控型SSWR。另外,與傳統(tǒng)雷達相比,該雷達的尺寸和全周期成本已經(jīng)大幅降低。到2014年7月為止,Toshiba公司已經(jīng)生產(chǎn)和安裝了20多套SSWR。

2.2 C波段SSWR雷達[1]

MRI的C波段SSWR雷達如圖2所示。與傳統(tǒng)氣象雷達相比,其發(fā)射機的尺寸大約減少了一半(基于Toshiba公司的產(chǎn)品)。該雷達的主要技術(shù)規(guī)格見表1。C波段SSWR雷達配備小型高性能數(shù)字信號處理器，能進行大范圍、高精度觀測,發(fā)射功率低。

圖2 位于Tsukuba的C波段SSWR雷達

除了C波段SSWR雷達,Toshiba公司還生產(chǎn)類似的產(chǎn)品交付給MLIT和日本海洋科學(xué)技術(shù)中心(JAMSTEC)。Toshiba公司標準C波段SSWR如圖3所示,其技術(shù)規(guī)格見表2。發(fā)射機架減少為一個發(fā)射機架,而且發(fā)射機能升級為高功率發(fā)射機(采用兩個功率放大器),雷達系統(tǒng)未發(fā)生重大變化。

表1 C波段SSWR雷達技術(shù)規(guī)格

圖3 MLIT采用的標準C波段SSWR雷達模型

表2 標準C波段SSWR技術(shù)規(guī)格

2.3 X波段SSWR雷達[2]

安裝在MLIT的首部采用X波段固態(tài)發(fā)射機的氣象雷達如圖4所示,其技術(shù)規(guī)格見表3。鋼塔頂部的天線罩內(nèi)主要元器件結(jié)構(gòu)緊湊,質(zhì)量輕。因此,通過最小化波導(dǎo)長度,無線電波的衰減大幅降低,這樣雷達就能進行小功率觀測。與傳統(tǒng)氣象雷達相比,該雷達的尺寸減少了大約四分之一(基于Toshiba公司的產(chǎn)品),其功耗也減少了大約十分之一(基于Toshiba的產(chǎn)品)。該雷達用于MLIT XRAIN X波段雷達網(wǎng)絡(luò)。

圖4 安裝在MLIT的X波段SSWR雷達

表3 安裝在MLIT的X波段SSWR技術(shù)規(guī)格

2.4 相控陣氣象雷達(PAWR)[3]

惡劣的天氣現(xiàn)象如暴風雨、狂風和龍卷風等主要是由積雨云的快速積累造成的。這種積雨云能累積超過到10 km。通常,積雨云的生命周期是10～30 min。然而,傳統(tǒng)的拋物線天線氣象雷達系統(tǒng)全立體掃描大約需要5～10 min,用于觀測積雨云的三維結(jié)構(gòu)在時空分辨率方面的能力是不夠的。為了實現(xiàn)積雨云三維精確觀測,要求氣象雷達能夠在1 min內(nèi)進行全立體氣象觀測。

Toshiba最新開發(fā)的X波段PAWR(如圖5所示)具有在1 min內(nèi)觀測積雨云的能力。PAWR已經(jīng)安裝在日本大阪大學(xué),其128個縫隙陣列天線和采用的數(shù)字波束形成(DBF)技術(shù)能同時產(chǎn)生多種垂直波束,仰角范圍為0°～90°。PAWR天線的方位角采用機械驅(qū)動,而仰角則是電子掃描。對仰角來說,采用DBF技術(shù)形成的發(fā)射波束為扇形波束,接收波束為多波束。天線的傾斜角設(shè)置為仰角30°,通過時分無線電波在-30°～+60°范圍內(nèi)進行發(fā)射和接收,用于仰角0°～90°的無間隙觀測。PAWR的主要特點是在10～30 s內(nèi)進行各個波束間無間隙密集3D立體掃描。

圖5 安裝在大阪大學(xué)校園的X波段PAWR雷達

PAWR的主要技術(shù)規(guī)格見表4。該系統(tǒng)有兩個觀測模式,一個是“快速模式”,可以在10 s內(nèi)半徑為20 km范圍進行全立體掃描更新;另一種是“大范圍模式”,可以在30 s內(nèi)觀測半徑為60 km的范圍進行全立體掃描更新。與傳統(tǒng)拋物線天線氣象雷達相比,“大范圍模式”下的PAWR有100個仰角,數(shù)量是傳統(tǒng)雷達10倍多;掃描時間減少為30 s,而傳統(tǒng)雷達掃描需要5 min。PAWR的性能提高了100倍?！翱焖倌Ｊ健毕碌湫陀^測距離如圖6所示。PAWR與傳統(tǒng)雷達的比較如圖7所示。

表4 X波段PAWR雷達技術(shù)規(guī)格

圖6 “快速模式”下典型觀測距離

(a)傳統(tǒng)氣象雷達 (b) 有源相控陣氣象雷達

PAWR使用的有源相控陣天線如圖8所示,由孔徑長度為2 m×2 m的128個縫隙天線組成。該天線有發(fā)射和接收單元、DBF單元以及位于天線后部的一些單元。每個收發(fā)單元或接收單元的發(fā)射或接收能力達到8 ch。該雷達發(fā)射能達到24 ch,采用3個收發(fā)單元;接收能達到128 ch,采用13個接收單元。

圖8 X波段PAWR天線

DBF單元具有處理128 ch同步A/D轉(zhuǎn)換和I/Q探測的能力,而且至少具有60 dB的動態(tài)范圍。DBF單元能同時處理16個波束,方位波束寬度大約為1°,副瓣小于-23 dB。通過使用24個單元(24個縫隙),仰角波束寬度大約為4°(發(fā)射)。通過采用DBF技術(shù),仰角波束寬度大約為1°～1.2°(接收)。

相控陣天線雷達實測結(jié)果三維圖像如圖9所示。一個積雨云回波大約為垂直3 km、水平8 km。PAWR可以每隔30 s或更少時間內(nèi)觀測到氣象的變化。

2.5 雙極化相控陣氣象雷達(DP-PAWR)[4]

近年來要求氣象雷達具有高精度觀測、雙極化和相控陣的能力。Toshiba公司已經(jīng)開發(fā)了高精度雙極化SSWR和高速PAWR。

圖9 相控陣天線雷達實測結(jié)果三維圖像

目前,Toshiba公司開始進行雙極化和相控陣兩種功能相結(jié)合雷達的開發(fā)工作。這項研究是與日本國家信息與通信技術(shù)研究所(NICT)和日本大阪大學(xué)共同合作完成。NICT研究使用多部雷達的同步技術(shù),而日本大阪大學(xué)開發(fā)數(shù)字波束形成的信號處理方法,Toshiba公司負責系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)備生產(chǎn)。

Toshiba公司嘗試通過使用高集成電路提供低成本雷達系統(tǒng)。如圖10所示,生產(chǎn)2D相控陣雷達需要128×128個通道,這樣系統(tǒng)就需要10 000個通道或更多通道。那樣的話,即使采用傳統(tǒng)高集成模塊也許能降低每個通道的成本,但整個雷達系統(tǒng)可能就變得非常昂貴。因此,為了實現(xiàn)雙極化相控陣雷達,每個通道的成本應(yīng)該大幅降低。

圖10 1D相控陣向2D相控陣雷達的轉(zhuǎn)換

與PAWR相比,DP-PAWR面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)有:(1)寬波束掃描范圍內(nèi)具有良好交叉極化特點的雙極化天線;(2)由于雙通道密度原因,與單極化雷達相比,DP-PAWR需要能實現(xiàn)更低成本、更小尺寸、更低功耗的技術(shù)。

DP-PAWR的特點之一是可以靈活改變天線孔徑面積和形式,且方位方向可以進行電掃。這是PAWR所不具備的。PAWR的最小天線單元的尺寸等于天線孔徑的尺寸,但DP-PAWR雷達的最小天線單元比天線孔徑的尺寸更小。因為這個特點,DP-PAWR用來改變雷達天線尺寸的成本和時間顯著降低。

3 未來研究的展望

目前,相控陣雷達已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用,相控陣技術(shù)也比較成熟了,但在氣象上的應(yīng)用還處于初級階段。相控陣雷達在氣象探測中主要是對體目標的探測,而在軍事上應(yīng)用主要是針對點目標。雖然天氣雷達在氣象上的應(yīng)用理論和實際經(jīng)驗比較成熟,各種算法和掃描方式已經(jīng)廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代氣象雷達上,相控陣應(yīng)用于氣象領(lǐng)域在理論上有較好的基礎(chǔ),但相控陣雷達在氣象上的使用時間較短,積累較少。這就需要構(gòu)建在大氣探測上應(yīng)用的一維、二維相控陣天氣雷達試驗系統(tǒng),研究探測模式、掃描方式、算法,積累探測數(shù)據(jù)。這主要包括以下幾個研究方向:(1)相控陣天氣雷達技術(shù)條件研究;(2)相控陣天氣雷達總體技術(shù)研究;(3)相控陣天氣雷達探測方法研究。這樣的研究,一方面為相控陣天氣雷達的開發(fā)提供技術(shù)規(guī)范,另一方面為相控陣天氣雷達的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

相控陣雷達具有功能多、反應(yīng)時間短、數(shù)據(jù)率高、抗干擾能力強、任務(wù)可靠性高等特點,遠遠優(yōu)越于一般機械掃描雷達,是今后氣象雷達的重要發(fā)展方向之一。相控陣氣象雷達以其高時空分辨率的探測能力,以及高實時性探測和準確的探測數(shù)據(jù)將成為氣象探測雷達領(lǐng)域的一個熱點。Toshiba公司將繼續(xù)與日本國家信息與通信技術(shù)研究所(NICT)和日本大阪大學(xué)共同合作研究新的能夠形成自適應(yīng)天線方向圖的信號處理技術(shù)、數(shù)據(jù)歸檔以及“大數(shù)據(jù)”和3D可視化分析。

[1] Mizutani F, Wada M, Muto R, Horikomi J. Development of 9 GHz and Solid-state Multi-parameter Weather Radar[D]. IEICE Technical Report, Sane 2008-85, 2008.11.

[2] Tomoo Ushio, Shigeharu Shimamura, Ting Wu, Hiroshi Kikuchi, Eiichi Yoshikawa. Development and Observation of the Phased Array Radar at X band[J]. IEEE, 2014.

[3] Naoki Anraku, Mizutani F, Wada M, Hironori Handa, Tomoo Ushio, Shinsuke Satoh. Development of Phased-array Weather Radar System for 3D Observation of Cumulonimbus Clouds,2013.

[4] Mizutani F, Wada M, Marui H, Handa H, Ushio T, Satoh S, Iguchi T. Development of Active Phased Array Weather Radar[J]. WMO Tecocimo,2012(10).

Analysis on technical status and development characteristics of Japanese weather radars

LIAN Xue-hui1, PENG Peng2

(1. Military Representatives Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003; 2.No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

The development history and characteristics as well as the technical development of Japanese weather radars are introduced and discussed, including the solid-state weather radar, the phased array weather radar, and the dual polarization phased array weather radar. The phased array weather radar is a significant development direction for Japanese weather radars, featuring various functions, strong maneuverability and anti-jamming capability, short response time, and high data rate and reliability.

weather radar; phased array; dual polarization; technical development

2017-03-08;

2017-03-20

練學(xué)輝(1965-)，男，高級工程師，研究方向：雷達總體技術(shù)；彭芃(1983-),女,工程師,研究方向:科技情報及翻譯。

TN959.4

A

1009-0401(2017)02-0005-05