应用于气象探测领域的相控阵雷达发展趋势
思瀚产业研究院 纳睿雷达    2023-11-25

随着经济社会的快速发展和人民生活水平的不断提高，气象灾害造成的经济损失和社会影响越来越大，气象灾害的社会敏感性越来越高，气象监测预报对气象雷达发展提出了更加迫切的需求。

新一轮科技革命和产业变革不断兴起，极大推进信息技术创新应用的快速深化，也进一步推动了雷达等大型技术装备的高效应用，将为气象雷达发展提供更加有力的支撑。就应用于气象探测领域的相控阵雷达而言，主要呈现以下发展趋势：

①从单偏振探测向双偏振探测发展

目前，传统天气雷达主要通过探测降水粒子的回波强度、径向速度、速度谱宽等信息对天气系统进行监测。但由于传统天气雷达只发射一个极化方向的电磁波，无法进一步对降水粒子的形状、相态进行分析，在定量降水估测、冰雹识别等方面有一定的局限性。

双偏振雷达发射水平和垂直两个方向的电磁波，除了获取常规雷达的监测信息外，还可以获取差分反射率因子（ZDR）、差分相移率（KDP）以及相关系数（CC）等偏振参数。对这些参数进行分析、反演，可以获取有关降水粒子的形状、尺寸大小、相态分布、空间取向等更为具体的气象信息，有助于冰雹识别、地物杂波识别、降水粒子分类、雷暴内部结构研究以及定量降水估算等。

②组网协同观测趋势

随着大城市人口密度、建设规模的增加，短时极端天气灾害极易导致城市内涝，对交通出行、生命财产安全构成一定威胁。为了更准确捕捉这种复杂天气过程，仅靠单部天气雷达是不够的，主要受到角度、速度、时空分辨率等因素影响。

一些天气系统本身会跨越多部雷达覆盖区（例如梅雨锋、台风、飑线等）或从一个雷达探测区域移动到另一个雷达探测区域。然而，固定在地面的单部雷达的探测范围有限，不能覆盖更大尺度的天气系统或单部雷达探测范围以外的强对流天气系统。

并且由于扫描策略（传统天气雷达只能在固定的仰角范围内以一定的间隔进行扫描）以及地球曲率等因素的影响，即使在雷达的有效探测半径内，也有部分区域不能被雷达观测到，例如，静锥区、最低扫描仰角以下的资料空白区、相邻仰角间隔之间的资料空白区、地形对雷达波束阻挡的区域等。

为了提高对中小尺度灾害性天气的研究以及预警报能力，发挥多部雷达在联合监测天气中的作用；同时，为了能够全方位、立体、高时效、精细化观测回波，可以利用多部 X 波段雷达实现超大城市组网协同观测。2003 年，美国CASA 计划提出了短程雷达近距离布设、协同观测的概念，由此，多雷达短程（几十千米）协同观测成为天气雷达一个新的重要发展方向。目前，我国也在积极开展多雷达协同的试验观测和布网实践。

S、C 波段大型机械扫描雷达观测与 X 波段小型雷达组网观测对比

注：以上示意图源自网络，仅供参考

如上图所示，X波段小型雷达通过组网观测可以有效弥补 S、C波段大型雷达观测的盲区，包括机械扫描方式自身造成的静锥区盲区和因受地球曲率影响造成的观测盲区（上图标黄圈处）。

X 波段双极化（双偏振）相控阵天气雷达系统及网络化观测系统作为现有的 S 波段或 C 波段多普勒天气雷达网的补充，在反应速度、目标更新速率、多目标追踪能力、分辨率、多功能性等方面都有较大优势，可利用其超高的时间和空间分辨率准确地获取小尺度以及部分中尺度天气系统整体的结构演化生消变化特征，从而提高对中小尺度强对流天气系统的探测和预警。

③固态发射机应用逐步广泛，天气监测系统已趋向于使用脉冲压缩雷达

按发射机不同划分为磁控管、行波管、速调管和全固态发射机。固态发射机因其工作寿命长、工作方式灵活、低电压工作等优点渐渐取代其他发射机，但是其技术难度也较高，大型固态发射机所包含的功率部件数量多达几十至几百个，同时热耗非常大，将固态发射机运用到更多应用领域的雷达是国内研究机构与雷达厂商的重要研究方向。

相控阵天气雷达采用全固态发射机后，发射峰值功率偏低，为了能够探测到较远距离的目标，必须采用宽脉冲提高平均发射功率的工作方式，这又导致了距离分辨力下降和探测盲区扩大的问题，为了同时获得较大的作用距离和较高距离分辨力的能力，引入脉冲压缩技术是有效的解决方案。