雙偏振氣象雷達關鍵技術

李少遠 阮楚雯 鄧利科

摘 要偏振雷達是一種新型的天氣雷達，該設備極大地促進了降水物理學科和雷達氣象的發展，提升了人類應用天氣災害的能力。本文對當前偏振雷達的發展現狀進行了全面的總結與分析，對相關的關鍵技術進行了介紹，報告如下。

【關鍵詞】關鍵技術 雙偏振氣象雷達 技術分析

電磁波具有偏振特性、強度特性兩方面的特征。其偏振狀態的表示通常為垂直于傳播方向的電場矢量在平面內的變化軌跡。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。偏振雷達的應用原理在于電磁波散射，在不計傳輸介質的情況下，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。非球形粒子所產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，能夠對偏離球形狀態給予準確的反映，該過程也就是退偏振效應。水成物粒子在云內并不是規范的球體，在空間分布上水成物粒子的軸具有一定的優勢取向，通過該特性可以進一步研究偏振技術，偏振氣象雷達由此產生。

1 圓偏振雷達技術

根據旋向的不同，圓偏振波可以分別左旋、右旋兩種偏振波，能夠實現左旋、右旋偏振波均同時發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將其中一個通道進行相位延遲處理，經過合成以后形成圓偏振波。在相位關大于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射機所組成，對于接收機的靈敏度與穩定性有著比較高的要求。在對一種圓偏振波進行發射性，兩個通道同對目標后向散射回波進行接收與探測，根據回波信號相位與幅度兩方面的變化情況，能夠對左旋、右旋圓分量進行計算，其中一個通道能夠對相反于發射回波旋向的主圓回波進行接收，另一個通道能夠對相同于發射波旋向的正交回波進行接收，二者之間的比值即目標圓退偏振比，能夠對其變形程度給予準確的反映。圓退偏振比如受探測目標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別。

2 雙線偏振雷達技術

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

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射。其應用制式主要有兩種，其中一種是在運行狀態下能夠對算起與水平兩種信號進行同時的接收到發射，水平與垂直兩種回波信號之比即差反射率，該數值能夠將球形與探測目標的偏離程度進行反映，同時也能夠體現出垂直與水平兩種方向的優勢取向。在單純發射水平線偏振波的情況下，能夠對回波的正交分量與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即LDR，為了提高LDR的準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所反映的指標分別為探測目標的成分、傾斜角分布以及形狀。雙線偏振雷達，具有兩個接收機與發射機，造價相對昂貴，能夠實現雙通道之間比較高的隔離度，具有較優越的偏振性能，相關性好，能夠對ρHV，φdp、Zdr等數值進行準確的測定。另外一種制式設置有一個接收機與發射機，在運行狀態下能夠以脈沖觸發時間交替對垂直與水平兩種線偏振波進行接收與發射。然而在LDR、φdp、LDR等方面的相關性稍差，具有頻率較高的急性脈沖。雙線偏振雷達造價低，內部結構相對簡單，能夠以常規雷達為基礎進行簡單的改裝。此制式十分適宜應用于雙線偏振技術開始發展的階段。國內偏振雷達的改造也以這種技術為主，相比于普通雷達來說，增加了LDR與Zdr兩種信息。在雨介質環境下，LDR與Zdr兩項數值會出現衰減，需要進行糾正，同時也對該技術的應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射機所組成的偏振雷達，能夠實現垂直與水平兩種直線偏振波的交替發射，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

橢圓偏振雷達技術在應用特性上介于線偏振與圓偏振之間。其技術實現方式與探測原理類似于圓偏振雷達，應用場景比較局限。該雷達技術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，能夠對-30dBz的信號進行探測，主要應用于處于初始發展狀態下的弱降水云。進而達到7.5～150m區域內的空間距離，在較小范圍內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。

橢圓偏振雷達還內置了一個phase retarding plate，對其進行旋轉操作就能夠對兩通道信號相位差進行調整，結合兩路信號，最終形成橢圓偏振波。根據不同的相位差，所得到的橢圓偏振波也各不相同。在90°相位差的狀態下，即得到圓偏振波；在該數值為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兩項數值。

4 結束語

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用潛力與優勢的性能，成為氣象領域十分關注的一項重要技術。因此，相關部門一定要進一步加大研發力度，提高氣象雷達技術應用水平。

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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，學士，主要從事天氣預警預報服務工作。

作者單位

連州市氣象局 廣東省清遠市 513400